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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-20052020-112758
Document
Author
Full name
João Fiore Parreira Lovo
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2017
Supervisor
Committee
Fortulan, Carlos Alberto (President)
Araújo, Luís Antônio Oliveira
Foschini, Cesar Renato
Title in Portuguese
Projeto e fabricação de componentes mecânicos por manufatura aditiva e estruturação interna
Keywords in Portuguese
Estruturas mecânicas
Manufatura aditiva
Materiais compósitos
Projeto mecânico
Abstract in Portuguese
Na atividade de projeto mecânico, é recorrente a busca por componentes resistentes, leves e de rápida fabricação. Materiais compósitos e estruturas modernas com alívio de massa vêm sendo cada vez mais empregados em diversos produtos, e ainda, o advento da manufatura aditiva viabiliza geometrias complexas e possibilita novas composições estruturais. Nesse sentido, o presente trabalho objetiva projetar e analisar a viabilidade de peças com estruturação interna se valendo de geometrias internas complexas (vazios) geradas por manufatura aditiva e da resistência mecânica de materiais de reforço (preenchendo tais vazios). Para tanto, foi realizado projeto, fabricação e testes (físicos e virtuais) de corpos de prova densos e corpos de prova com canais estruturais internos preenchidos por material de reforço, sendo tais peças confeccionadas por manufatura aditiva e as estruturações internas otimizadas para suportar maiores tensões nas direções críticas do ensaio. Inicialmente, foi caracterizado o material polimérico ABS impresso em diferentes orientações de fabricação. Também foi selecionada uma resina epoxi de alta resistência mecânica e fibra de carbono para uso como materiais de reforço. Diversas configurações e proporções com as matérias-primas empregadas nesse estudo foram caracterizadas mecanicamente para referenciamento do projeto. Dos resultados principais obtidos, os corpos de prova impressos em alta densidade e preenchidos, 5% em volume, apenas com resina, atingiram resistência à flexão de 57 MPa, 8% maior que os corpos feitos somente em ABS impresso. Após etapas de otimização da geometria interna, com uso do Método dos Elementos Finitos, foram obtidos corpos de prova para ensaios de flexão com 50% de ABS, 49% de resina e 1% de fibra de carbono em volume, e tais corpos atingiram resistência à flexão de 112 MPa, valor superior a 210% do suportado pelos corpos somente em ABS. As peças projetadas e testadas ainda apresentaram baixa densidade, menor que 1,2 g/cm³, preservando a geometria e dimensão externa, conforme projetado e fabricado por manufatura aditiva. O desenvolvimento do trabalho mostra a possibilidade de novas concepções em projeto de componentes mecânicos aliando a flexibilidade de formas da manufatura aditiva com reforço estrutural de materiais compósitos.
Title in English
Design and manufacturing of mechanical components for additive manufacturing and internal structuring
Keywords in English
Additive manufacturing
Composite materials
Mechanical design
Mechanical structures
Abstract in English
In the mechanical design activity the search for resistant, light weight and fast manufacturing components is recurrent. Composite materials and modern structures with mass reduction are employed in several products, and the development of the additive manufacturing allows complex geometries and enable new structural compositions. In this way, the present work aims to design and analyze the feasibility of pieces with internal structuring using complex internal geometries (empty spaces) generated by additive manufacturing and the mechanical resistance of reinforcement materials (filling the empty spaces) . For this purpose dense test specimens and test specimens with internal structural ducts filled by reinforcement material were designed, fabricated and tested (physically and virtually), those reinforced specimens were made by additive manufacturing and optimized to withstand higher stresses in the critical tests directions. Initially the ABS polymer was characterized in different printing orientations. A high mechanical strength epoxy resin and carbon fiber was also selected for reinforcement materials. Several configurations and proportions of the raw materials used in this study were also mechanically characterized for project referencing. From the main results obtained, the specimens filled with resin (5% in volume) reached flexural strength of 57 MPa, 8% higher than the bodies made only with printed ABS. After optimization steps of internal geometry using the Finite Element Method, flexural specimens were made with 50% ABS, 49% resin and 1% carbon fiber by volume, and those specimens achieved flexural strength of 112 MPa, higher than 210% of that supported by unreinforced ABS specimens. The designed and tested parts still presented low density, less than 1.2 g/cm³, preserving the geometry and external dimension as designed and obtained by additive manufacturing. The work development shows the possibility of new conceptions in mechanical components design combining the forms flexibility of additive manufacturing with structural reinforcement by composite materials.
 
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Publishing Date
2020-05-20
 
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