Princípios de design para manufatura aditiva aplicados em cilindros de motores dois tempos para máquinas portáteis

Abstract

A manufatura aditiva compreende um conjunto de tecnologias caracterizadas pela grande liberdade de design quando comparadas às metodologias tradicionais de fabricação, possibilitando a criação de projetos otimizados, de baixo peso e formas complexas. Cilindros de motores dois tempos para máquinas portáteis são peças que requerem altos investimentos em ferramentais para fundição de alumínio, os quais restringem a liberdade de design do componente. O potencial oferecido pela manufatura aditiva em conjunto com a aplicação de princípios de design adequados, fica evidente com os resultados obtidos neste trabalho, onde 29% da massa de um cilindro foi reduzida por meio da retirada das restrições geométricas da fundição, que permitiram também, a eliminação de duas tampas montadas no cilindro e de seus oito parafusos de fixação. O modelo 3D adaptado para manufatura aditiva foi validado através de ciclos de simulações computacionais no software Ansys, com o emprego de otimização topológica no Generate e estruturas celulares no Creo Parametric. As tensões resultantes ficaram dentro de patamares adequados para a liga AlSi9Cu3 e similares às presentes na peça original fundida. A viabilidade da fabricação foi verificada através da definição da orientação de impressão do componente com a utilização do Simplify 3D, de forma a evitar suportes internos difíceis de serem removidos. Adicionalmente, as espessuras mínimas de paredes fabricáveis foram revisadas com o software 3DCaliper.

Additive manufacturing comprises a set of technologies featured by great design freedom compared to traditional manufacturing methodologies, enabling the creation of optimized, lightweight and complex designs. Two-stroke engine cylinders for portable machines are components that requires high investment in tools for aluminum casting, which restrict its design freedom. The potential offered by additive manufacturing in tandem with application of appropriate design principles is evidenced from the results obtained in this work, where 29% of the mass of a cylinder was reduced by removing the geometric constraints of the casting, which also allowed the elimination of two covers mounted on the cylinder and their eight fixation screws. The re-designed 3D model for additive manufacturing was validated through computer simulation cycles in the Ansys software, with the use of topological optimization in Generate and cellular structures in Creo Parametric. The resulting stresses were within the appropriate range for AlSi9Cu3 alloy and similar to those present in the original casting part. Manufacturing feasibility was verified by defining the printing component orientation using Simplify 3D to avoid hard-to-remove internal supports. Additionally, the minimum printable wall thicknesses were revised with the 3DCaliper software.