Modern industry, such as in aerospace, automotive, biomedical and military fields, has adopted advanced manufacturing (such as particle sintering-like processes and other 3D printing) as a rapid and efficient alternative for manufacturing industrial parts. Also, state-of-the-art techniques in the civil engineering industry include 3D concrete printing and cement-based additive manufacturing processes. All these techniques invariably include thermally-active particles, such as sintering powders and functionalized cementitious materials. The purpose of this work is to present a thermo-mechanical model for the simulation of problems involving thermo-mechanically-active particles forming discrete particles systems in advanced manufacturing. Our approach is based on the Discrete Element Method (DEM), combined with lumped heat transfer equations to describe the various thermal phenomena that may take place for such systems. Particles motion and their thermal states over time are computed under the influence of body (e.g., gravitational) forces, contact and friction forces (and the related moments w.r.t. the particles centers), adhesive forces as well as applied heat from external devices, heat transfer through conduction (upon contact with other particles and objects), convective cooling and radiative effects. Phase transformation, which may be critical in certain applications, is also considered. A numerical scheme is presented for solution of the models equations. We then develop direct, large-scale numerical simulations to illustrate the validity of the proposed scheme and its practical use to the simulation of modern advanced manufacturing processes.

A indústria moderna, em especial os setores aeroespaciais, de defesa, automotivo e biomédico, recentemente começou a adotar a manufatura avançada (como processos de sinterização e aglutinação de partículas e outros processos de impressão em 3D) como uma alternativa rápida e eficiente para a fabricação de peças. Além disso, técnicas mais recentes na indústria da construção civil estão começando a utilizar a impressão de concreto em 3D e processos de manufatura aditiva a base de cimento. Todas essas técnicas invariavelmente incluem partículas termicamente ativas, como pós de sinterização e materiais granulares cimentícios. O objetivo desde trabalho é apresentar um modelo computacional termomecânico para o estudo e simulação de problemas envolvendo partículas termicamente ativas constituindo sistemas dinâmicos discretos na manufatura avançada. A abordagem é baseada no método dos elementos discretos (MED), combinado com equações de transferência de calor para descrever os diversos fenômenos de origem térmica. As posições das partículas e suas temperaturas ao longo do tempo são calculadas sob a influência de forças de campo (por exemplo, gravitacionais), forças de contato e atrito (e seus respectivos momentos em relação aos centros das partículas), forças de adesão, assim como do calor aplicado a partir de dispositivos externos, da transferência de calor por condução (a partir do contato com outras partículas ou objetos), e do resfriamento por convecção e radiação. Mudança de fase, que pode ser crítica em algumas aplicações, também é considerada. O trabalho apresenta um procedimento numérico para solução das equações do modelo, além de uma série de simulações numéricas para validar e ilustrar o esquema proposto e o seu uso prático em processos que envolvem manufatura avançada.