Desenvolvimento de filamento compósito de matriz termoplástica de PLA com reforço híbrido de fibras curtas de carbono e contínuas de Kevlar29 para manufatura aditiva por extrusão de material

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Menezes, Lucio Roberto de
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37905
http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.150
Resumo: The present study permeates the frontier of additive manufacturing (AM) by extruding composite materials with continuous reinforcement (Continuous fibers reinforced polymer - CFRP). The growing demand for the development of composites with greater capacity for mechanical resistance due to relative density that meet the needs of projects in the aeronautical and automobile industries, for example, has fostered research around the world on this technology. The current world scenario of technology still has a small number of startups and companies, thus resulting in the opportunity to study and apply it in Brazil. The current stage of CFRP AM by extrusion of material in desktop printers with Cartesian axis presents a fiber volumetric fraction (Vf) of 30%, non-homogeneous reinforcement distribution and the presence of voids. This research aimed to develop and characterize a composite filament of thermoplastic PLA matrix and hybrid reinforcement of short carbon fibers and continuous Kevlar29. With the purpose of application in AM by material extrusion, PLA, short carbon fibers, Kevlar29 and the composites produced were characterized by FTIR-ATR, TGA, DSC, mechanical tensile test, XRD, SEM and µCT. The TGA and DSC results indicated the ideal drying temperature for Kevlar29, where the present humidity triggered porosity. SEM and µCT demonstrated the level of impregnation obtained in the manufacture of the composite, which, due to the absence of internal pressure control in the coating chamber, was limited to the external continuous fibers. FTIR-ATR, TGA, DSC, and XRD indicated that the crystalline structure of the matrix and reinforcement were not altered, indicating the non-formation of adhesion between the phases of the composite. Mechanical tensile performance demonstrated premature failure of the matrix to separate from the reinforcement. Improvement processes were identified, such as pre-drying the continuous reinforcement and adjusting the sealing of the coating chamber nozzles. The studies pointed out that the result of the manufacture of the composite is in the TRL4 stage of technological development, which means testing the product in the laboratory.
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The growing demand for the development of composites with greater capacity for mechanical resistance due to relative density that meet the needs of projects in the aeronautical and automobile industries, for example, has fostered research around the world on this technology. The current world scenario of technology still has a small number of startups and companies, thus resulting in the opportunity to study and apply it in Brazil. The current stage of CFRP AM by extrusion of material in desktop printers with Cartesian axis presents a fiber volumetric fraction (Vf) of 30%, non-homogeneous reinforcement distribution and the presence of voids. This research aimed to develop and characterize a composite filament of thermoplastic PLA matrix and hybrid reinforcement of short carbon fibers and continuous Kevlar29. With the purpose of application in AM by material extrusion, PLA, short carbon fibers, Kevlar29 and the composites produced were characterized by FTIR-ATR, TGA, DSC, mechanical tensile test, XRD, SEM and µCT. The TGA and DSC results indicated the ideal drying temperature for Kevlar29, where the present humidity triggered porosity. SEM and µCT demonstrated the level of impregnation obtained in the manufacture of the composite, which, due to the absence of internal pressure control in the coating chamber, was limited to the external continuous fibers. FTIR-ATR, TGA, DSC, and XRD indicated that the crystalline structure of the matrix and reinforcement were not altered, indicating the non-formation of adhesion between the phases of the composite. Mechanical tensile performance demonstrated premature failure of the matrix to separate from the reinforcement. Improvement processes were identified, such as pre-drying the continuous reinforcement and adjusting the sealing of the coating chamber nozzles. The studies pointed out that the result of the manufacture of the composite is in the TRL4 stage of technological development, which means testing the product in the laboratory.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDissertação (Mestrado)O presente estudo permeia a fronteira da manufatura aditiva (AM) por extrusão de material compósitos com reforço contínuo (Continuous fibers reinforced polymer - CFRP). A crescente demanda pelo desenvolvimento de compósitos com maior capacidade de resistência mecânica por densidade relativa que atendam os projetos das indústrias aeronáuticas e automobilísticas, por exemplo, tem fomentado pesquisas ao redor do mundo acerca dessa tecnologia. O atual cenário mundial da tecnologia ainda conta com um pequeno número de startups e empresas, desse modo, resulta na oportunidade de estudo e aplicação no Brasil. O estágio atual da AM de CFRP por extrusão de material em impressoras de bancada de eixos cartesianos apresenta fração volumétrica de fibras (Vf) de 30 %, distribuição não homogênea do reforço e presença de vazios. A presente pesquisa objetivou desenvolver e caracterizar um filamento compósito de matriz termoplástica de PLA e reforço híbrido de fibras curtas de carbono e contínuas de Kevlar29. Com a finalidade de aplicação na AM por extrusão de material, o PLA, as fibras curtas de carbono, o Kevlar29 e os compósitos produzidos foram caracterizados por FTIR-ATR, TGA, DSC, ensaio mecânico de tração, XRD, SEM e µCT. Os resultados TGA e DSC apontaram a temperatura ideal de secagem para o Kevlar29, onde a umidade presente desencadeou a porosidade. SEM e µCT demonstraram o nível de impregnação obtido na manufatura do compósito, que devido à ausência do controle de pressão interna à câmara de revestimento apresentou-se limitado às fibras contínuas externas. FTIR-ATR, TGA, DSC, e XRD indicaram que a estrutura cristalina da matriz e reforço não foram alteradas, indicando a não formação de adesão entre as fases do compósito. O desempenho mecânico de tração demonstrou falha prematura da matriz na separação do reforço. Processos de melhorias foram identificados, como a pré-secagem do reforço contínuo e ajuste de vedação dos bocais da câmara de revestimento. Os estudos apontaram que o resultado da manufatura do compósito encontra-se no estágio TRL4 de desenvolvimento tecnológico, que significa a testagem do produto em laboratório.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaFiocchi, Arthur Alveshttp://lattes.cnpq.br/3822377177295931Assunção, Rosana Maria Nascimento dehttp://lattes.cnpq.br/9826939189216731Franco, Sinésio Domingueshttp://lattes.cnpq.br/6962236459954318Volpato, Nerihttp://lattes.cnpq.br/8414652619232683Fiocchi, Arthur Alveshttp://lattes.cnpq.br/3822377177295931Menezes, Lucio Roberto de2023-05-25T13:31:41Z2023-05-25T13:31:41Z2023-03-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfMENEZES, Lúcio Roberto de. Desenvolvimento de filamento compósito de matriz termoplástica PLA com reforço híbrido de fibras curtas de carbono e contínuas de kevlar29 para manufatura aditiva por extrusão de material. 2023. 175 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.150.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37905http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.150porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2023-05-26T06:28:00Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/37905Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2023-05-26T06:28Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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