Potencial da impressão 3D na produção de estruturas técnicas para compósitos

Abstract

Os compósitos desempenham um papel importante como materiais estruturais numa variedade de áreas de engenharia, devido ao seu potencial para combinar as melhores propriedades mecânicas dos seus constituintes. Na natureza, estes existem e exibem estruturas fascinantes, sendo que para além das pesquisas que têm vindo a ser realizadas para uma melhor compreensão destes materiais, tem também havido um interesse crescente por forma a encontrar maneiras de sintetizar compósitos com características mecânicas igualmente fascinantes. O nacre, a camada interna de material iridescente de alguns moluscos, é um dos materiais naturais que impregnam estruturas hierárquicas para alcançar uma elevada resistência com base em constituintes relativamente fracos. Na microescala, a estrutura do nacre assemelha-se a uma parede de estrutura tijolo-argamassa tridimensional. Contudo, não é fácil replicar certas estruturas, sendo que a impressão 3D oferece um caminho atrativo para o fabrico de materiais com arquiteturas complexas. Das várias tecnologias aditivas, a de fabrico por filamento fundido (FFF) é seguramente aquela que tem hoje maior potencial. Neste contexto, a presente dissertação teve como objetivo avaliar o potencial do processo de impressão FFF multi-material para a produção de estruturas técnicas a incorporar em compósitos laminados, onde inicialmente se realizou de uma pesquisa bibliográfica sobre compósitos inspirados na natureza, tendo-se focado a pesquiza essencialmente na estrutura hierárquica do nacre. Depois de desenhados os provetes com a geometria selecionada para os respetivos ensaios mecânicos através de um programa de desenho 3D, o SolidWorks, realizou-se a impressão dos mesmos. Visto a estrutura a desenvolver ser rígida com inclusão de uma interface flexível, utilizaram-se dois tipos de materiais, o G6-Impact um material rígido composto por HIPS reforçado com fibras de carbono e grafeno, e o Flex 45 um material flexível composto por TPC, formando as seguintes combinações de materiais: G6-Impact / Flex 45, G6-Impact / G6-Impact e apenas G6-Impact, permitindo assim obter um termo de comparação e obtenção de melhores conclusões acerca do desempenho mecânico destas estruturas. Posteriormente procedeu-se à caraterização dos provetes em ensaios de tração, flexão e impacto, onde se verificou que os resultados obtidos não vão de encontro ao esperado, uma vez que os provetes impressos com as estruturas técnicas fraturavam na zona das interfaces, apresentando um fraco desempenho mecânico quando comparados com os provetes impressos sem essas estruturas. Analisando os provetes microscopicamente, conclui-se que a qualidade de impressão era relativamente fraca afetando visivelmente o desempenho mecânico destas estruturas. Apesar dos resultados obtidos, a tecnologia FFF poderá ter potencial para a produção destas estruturas, contudo, para atingir um nível de desempenho suficiente é necessário garantir condições de produção adequadas (resolução, etc.).

Composites play an important role as structural materials in a variety of engineering areas, due to their potential to combine the best mechanical properties of their constituents. In nature, these exist and exhibit fascinating structures, and in addition to the researches that have been carried out for a better understanding of these materials, there is also a vividly increasing way to find methods to synthesize composites with equally fascinating mechanical characteristics. Nacre, an inner layer of iridescent materials from some mollusks, is one of the natural materials that impregnate hierarchical structures to achieve high strength based on relatively weak constituents. At the microscale, a nacre structure resembles a three-dimensional brick-mortar structure wall. However, it is not easy to replicate certain structures, and 3D printing offers an attractive way to manufacture materials with complex architectures. Of the various additive technologies, FFF is surely the one with the greatest potential. In this context, the present dissertation aims to evaluate the potential of the multi-material FFF printing process for the production of technical structures to be incorporated in laminated composites, where a bibliographic research was first carried out on nature-inspired composites and essentially in the hierarchical structure of the nacre. After the specimens were drawn with the geometry selected for the respective mechanical tests through a 3D CAD Software, SolidWorks, they were printed. Since the structure was to be development being rigid with the inclusion of a flexible interface, two types of materials were used, the G6-Impact a rigid material composed of HIPS reinforced with carbon fibers and graphene, and Flex 45 a flexible material composed of TPC, forming the following combinations of materials: G6-Impact / Flex 45, G6-Impact / G6-Impact and G6-Impact, being possible to obtaining a comparator and better conclusions about the mechanical performance of these structures. Subsequently, the specimens were characterized by the mean of tensile, flexural and impact tests, where it was verified that the obtained results do not go as expected, since the test pieces printed with the technical structures fractured in the interface zone, presenting a weak mechanical performance when compared to test pieces printed without these structures. By analyzing the specimens microscopically, it was concluded that the print quality was relatively poor, visibly affecting the mechanical performance of these structures. Despite the results, the FFF technology may have potential for the production of these structures, however, to achieve a sufficient level of performance is necessary to ensure adequate production conditions (resolution, etc.).