Desenvolvimento de capacete de ciclismo com função de absorção de energia utilizando fabrico aditivo

Abstract

A par da evolução das tecnologias e dos materiais utilizados em fabrico aditivo (FA), aumentaram as possibilidades de produção de componentes que apresentam geometrias complexas, o que por sua vez, veio permitir alterar o design e os elementos constituintes de um produto de forma drástica. Desta feita, a constante evolução da tecnologia aditiva com recurso a materiais poliméricos, visa proporcionar uma maior liberdade de desenvolvimento dos componentes relativamente aos processos de fabrico subtrativos, permitindo assim, um aumento de desempenho em áreas distintas da engenharia. A presente dissertação tem como objetivo explorar a possibilidade de utilização de modelos funcionais produzidos com recurso a Fused Deposition Modelling (FDM), direcionados para o desenvolvimento de estruturas cuja função primária se foca na absorção de energia de impacto, nomeadamente, no âmbito da segurança rodoviária passiva em capacetes de ciclismo. O Expanded Polystyrene (EPS) define-se como sendo o material mais utilizado no fabrico de capacetes, apresentando boa resistência mecânica aliada a densidades reduzidas, o que o torna ideal para aplicações cujo objetivo é a absorção de energia. Numa fase inicial, o trabalho centrou-se no estudo de estruturas complexas, capazes de competir face ao EPS, pelo que, foram desenvolvidas 4 estruturas com diferentes caraterísticas a fim de verificar um equilíbrio existente entre a densidade e a energia absorvida, em dois materiais poliméricos de naturezas distintas. Com recurso a testes quasi-estáticos, foi possível constatar que a estrutura ”Círculos” perdurou com as melhores características de absorção de energia. Todavia, devido a fatores ergonómicos, revelou-se inexequível para aplicação do modelo em estudo. Por conseguinte, a estrutura ”Diamante Hexagonal” assumiu-se como a alternativa a adotar. Numa segunda fase, pretendeu-se desenvolver um modelo de capacete rodoviário simplificado por impressão 3D, constituído pelo material e estrutura de melhor desempenho. O modelo de capacete na sua versão final, obtido em tough PLA, apresentou uma massa total de 244.84g. A fase final foi constituída pela análise dos resultados obtidos relativamente à aceleração do centro de gravidade do modelo da cabeça e aos valores de Head Injury Criterion (HIC), sendo verificado se os parâmetros cumpriram com os limites estabelecidos pela norma europeia.

Along with the evolution of the technologies and materials used in additive manufacturing (AM), the possibilities of producing components with complex geometries have increased, which in turn has allowed the design and the constituent elements of a product to be changed drastically. Thus, the constant evolution of additive technology using polymeric materials, aims to provide greater freedom in the development of components in relation to substractive manufacturing processes, thus allowing an increase in performance in different fields of engineering. This dissertation aims to explore the possibility of using functional models produced using Fused Deposition Modelling (FDM), directed to the development of structures whose primary function is focused on the absorption of impact energy, namely, in the field of passive road safety in cycling helmets. Expanded Polystyrene (EPS) is defined as the most commonly used material in the manufacture of helmets, with good mechanical strength and low density, which makes it ideal for applications whose goal is energy absorption. In an initial phase, the work was focused on the study of complex structures, capable of competing against EPS, so 4 structures with different characteristics were developed in order to evaluate an existing balance between density and absorbed energy, in two polymeric materials of different natures. Using quasi-static tests, it was possible to verify that the ”Círculos” structure had the best energy absorption characteristics. However, due to ergonomic factors, it proved to be unfeasible for the application of the model under study. Therefore, the ”Diamante Hexagonal” structure was assumed as the alternative to be adopted. In a second phase,a simplified road helmet model was developed by 3D printing, consisting of the best performing material and structure. The helmet model in its final version, obtained in tough PLA, had a total mass of 244.84g. The final phase consisted in analysing the results obtained regarding the acceleration of the center of gravity of the head model and the Head Injury Criterion (HIC) values, being verified if the parameters comply with the limits established by the european standard.