Aplicações de polímeros de engenharia em componentes estruturais através do fabrico aditivo

Abstract

O fabrico de componentes complexos, integrando múltiplas funções, de fabrico unitário ou em pequena e média séries, enquadrado numa resposta de produção flexível e competitiva é um dos desafios a que a tecnologia de Fabrico Aditivo procura dar resposta. Estando sempre presente a exigência do cliente face aos requisitos pretendidos no produto final, foram explorados polímeros de engenharia de modo a fazer face a esta exigência. Recorrendo ao processo de fabrico com filamento fundido (FFF) e tirando proveito de polímeros de engenharia foram avaliadas as características que estes conferem ao produto final. Neste trabalho, foram explorados polímeros de engenharia, da família poli(alril-éter-cetona) PAEK e Nylons reforçados como filamento de fabrico aditivo. Polímeros de engenharia distinguem-se dos termoplásticos convencionais como ácido polilático (PLA) ou acrilonitrila butadieno estireno (ABS), por serem mais resistentes e com maior tenacidade tendo no geral melhores propriedades mecânicas e químicas. De forma a avaliar as características destes materiais processados por fabrico aditivo, foi desenvolvida uma metodologia que permitisse a comparação de propriedades entre os polímeros de engenharia utilizados. Para tal, através do fabrico de provetes orientados em diferentes direções, devido as características ortotrópicas do processo. Estes provetes foram submetidos a ensaios de tração uniaxiais. Após os ensaios experimentais e através de um balanço de resultados obtidos para cada polímero, concluiu-se que para este processo de fabrico, o polímero que se evidenciou foi o PPS-CF e a direção de fabrico onde foram obtidos melhores resultados para este processo de fabrico foi na direção horizontal. De forma a avaliar a aplicação destes polímeros, foi realizado um modelo numérico de um braket optimizado para fabrico aditivo de forma a avaliar o potencial destes polímeros. Para facilitar a interpretação dos resultados obtidos para o bracket fabricado em PPS-CF, foi realizada a mesma simulação para um bracket em alumínio. Por fim e recorrendo então a uma comparação de resultados entre os brackets é concluído que este polímero não é viável para a aplicação em específico pois, face aos esforços que este seria submetido apenas seria viável se os esforços não ultrapassassem 5% das cargas reais às quais estaria submetido.

The manufacturing of complex components, integrating multiple functions, unit or in small or medium production, framed in a flexible and competitive production is one of the challenges that Additive Manufacturing technology seeks to answer. On this project through the use of the manufacturing process of Fused Filament Fabrication (FFF) and while using engineering polymers as additive manufactoring filament, the aim of this report is to make use of the characteristics that are intrinsic to the nature of each polymer and to verify what properties they confer to the final product. Were used engineering polymers such as PEEK, PEEK-CF, PAHT-CF and PPS-CF. Engineering polymers are different from other thermoplastics such as polylactic acid (PLA) or acrylonitrile butadiene styrene (ABS) for being more resistant having generally better mechanical and chemical properties. A methodology was developed to allow the comparison of properties between the engineering polymers used. To this end, through the manufacture of specimens oriented in three main directions, horizontal, vertical, and longitudinal, these were subjected to uniaxial tensile tests. After the experimental tests and through a balance of results obtained for each polymer, it was concluded that for this manufacturing process the polymer that stood out was the PPS-CF and the direction of manufacture where the best results were obtained for this manufacturing process was the horizontal direction. To finish this project and reach conclusions on possible applications for this polymer, a numerical simulation was developed for a case study where it was intended to optimize a bracket of an aircraft turbine made through additive manufacturing out of PPS-CF and subject to a set loading scenario. To facilitate the interpretation of the results obtained for the bracket made of PPS-CF, the same simulation was performed for an aluminum bracket. Upon analysis of the achieved results and comparison of the two cases it can be concluded that the approach taken is not suited for this material and manufacturing process, given that failure would only not occur if the loading did not exceed 5% of the current load case.