Publicação: Desenvolvimento e caracterização de sistema de eletrodeposição por jato para manufatura aditiva eletroquímica: investigação experimental dos efeitos de parâmetros de processo na qualidade de depósitos de cobre
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Silva Junior, Washington Martins da
Resumo
A Manufatura Aditiva Eletroquímica (MAE) é uma tecnologia emergente com potencial para revolucionar a microfabricação de componentes metálicos. Esta tese foca no desenvolvimento e caracterização de um sistema de Eletrodeposição por Jato (DEJet) para a MAE de cobre, investigando os efeitos de parâmetros de processo na qualidade dos depósitos. O objetivo principal foi investigar a influência da velocidade de avanço do bocal, densidade de corrente elétrica, distância entre eletrodos e vazão do eletrólito, além da composição da solução, na taxa de deposição, morfologia, microestrutura e dureza dos depósitos de cobre. A pesquisa desenvolveu um sistema DEJet robusto e automatizado, permitindo a investigação sistemática do processo. A metodologia envolveu a caracterização multiescala dos depósitos por meio de interferometria a laser, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e ensaios de microdureza Vickers. Os resultados estabeleceram correlações quantitativas entre os parâmetros de processo e as características do depósito. A velocidade de avanço, a corrente elétrica e a composição do eletrólito mostraram influências significativas na morfologia e estabilidade do processo. Os resultados experimentais demonstraram ampla variabilidade nas propriedades dos depósitos de cobre em função dos parâmetros de processo investigados. O desvio aritmético médio do perfil de rugosidade avaliado (Ra) variou de 0,6 μm a 2,0 μm, demonstrando maior sensibilidade às variações da corrente elétrica. O desvio aritmético médio do perfil de ondulação avaliado (Wa) apresentou faixa de 1,1 μm a 4,3 μm, evidenciando sensibilidade aos parâmetros hidrodinâmicos do processo. A taxa de deposição oscilou entre 0,008 mg/min e 0,068 mg/min, com valores máximos alcançados em condições com a maior corrente elétrica analisada (6 mA) e maior velocidade de avanço analisada (1,4 mm/min). O tamanho de grão dos depósitos policristalinos variou de 0,8 μm a 1,2 μm, indicando microestrutura relativamente fina e controlável pelos parâmetros de eletrodeposição. A microdureza Vickers apresentou amplitude significativa, variando de 100 HV a 170 HV, com valores máximos obtidos na condição de corrente elétrica de 4 mA e velocidade de avanço de 0,6 mm/min, demonstrando a capacidade de modular as propriedades mecânicas através do controle dos parâmetros de processo. Concluiu-se que o estudo apresenta contribuições tecnológicas, científicas e metodológicas relevantes para a consolidação da MAE como uma tecnologia de manufatura avançada, demonstrando sua capacidade de produzir materiais com propriedades controláveis.
Abstract
Electrochemical Additive Manufacturing (ECAM) is an emerging technology with the potential to revolutionize the microfabrication of metallic components. This thesis focuses on the development and characterization of a jet electrochemical deposition (Jet-ECD) system for copper ECAM, investigating the effects of process parameters on deposit quality. The main objective was to model the influence of nozzle feed rate, current density, inter-electrode distance, and electrolyte flow rate, as well as solution composition, on the deposition rate, morphology, microstructure, and mechanical properties of copper deposits. The research developed a robust and automated Jet-ECD system, enabling systematic process investigation. The methodology involved multiscale characterization of deposits through laser interferometry, scanning electron microscopy (SEM), and Vickers microhardness testing. The results established quantitative correlations between process parameters and deposit characteristics, revealing that electric current is the dominant parameter with nonlinear behavior. Feed rate and electrolyte composition also showed significant influences on morphology and process stability. The experimental results demonstrated a wide variability in the properties of copper deposits as a function of the investigated process parameters. The arithmetic mean deviation of the assessed roughness profile (Ra) ranged from 0.6 μm to 2.0 μm, demonstrating greater sensitivity to variations in electric current. The arithmetic mean deviation of the assessed waviness profile (Wa) ranged from 1.1 μm to 4.3 μm, evidencing sensitivity to the hydrodynamic parameters of the process. The deposition rate fluctuated between 0.008 mg/min and 0.068 mg/min, with maximum values obtained under the highest electric current analyzed (6 mA) and the highest feed rate analyzed (1.4 mm/min). The grain size of the polycrystalline deposits varied from 0.8 μm to 1.2 μm, indicating a relatively fine microstructure controllable by the electrodeposition parameters. The Vickers microhardness showed significant variation, ranging from 100 HV to 170 HV, with maximum values of 170 HV obtained under 4 mA current and 0.6 mm/min feed rate, demonstrating the ability to tailor mechanical properties through process parameter control. It was concluded that the study provides relevant technological, scientific, and methodological contributions to the consolidation of Jet-ECD as an advanced manufacturing technology, demonstrating its capability to produce materials with controllable properties.
Palavras-chave
Impressão eletroquímica por jato, Electrochemical Jet Printing, Eletrodeposição, Electrodeposition, Cobre, Copper, Parâmetros de processo, Process parameters, Microfabricação, Microsfabrication
Citação
AMARAL, Leticia Bueno do. Desenvolvimento e caracterização de sistema de eletrodeposição por jato para manufatura aditiva eletroquímica: investigação experimental dos efeitos de parâmetros de processo na qualidade de depósitos de cobre. 2025. 208 f. Tese (Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.107.