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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38797
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-1952-6964 |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Avanços na manufatura híbrida de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono fragmentada |
Alternate title (s): | Advances in hybrid manufacturing of polymer matrix composites reinforced with fragmented carbon fiber |
Author: | Rosa, Igor Cesar de Carlos |
First Advisor: | Fiocchi, Arthur Alves |
First coorientator: | Fernandes, Henrique Coelho |
First member of the Committee: | Silva, Washington Martins da |
Second member of the Committee: | Ribeiro, Marcos Valério |
Summary: | O presente trabalho aborda a manufatura híbrida (MH) de compósitos poliméricos de poliácido lático (PLA) com reforço de fibra de carbono fragmentada. Tema escolhido em função da crescente demanda por componentes com menor impacto ambiental, tolerâncias geométricas e dimensionais estreitas, além de maior complexidade geométrica em diferentes escalas, que estimularam o desenvolvimento e pesquisa de novas tecnologias. Neste contexto, os polímeros biodegradáveis, originados de fontes renováveis e biocompatíveis apresentam perspectiva promissora na aplicação biomédica, aeronáutica e automobilística. Assim, seu aproveitamento ou reforço pode ser realizado em conjunto com fibras de carbono fragmentadas, cuja adição esta comumente associada a modificação das propriedades térmicas e mecânicas. Enquanto isso, a aplicação de manufatura aditiva (MA) se apresenta como uma possível solução para componentes personalizados e com elevada complexidade geométrica, em que a fabricação por filamento fundido (FFF) é uma das técnicas mais utilizadas. Todavia, a aplicação desta tecnologia de fabricação apresenta limitações, especialmente nas tolerâncias dimensionais e geométricas. Além disso, em oposição a MA, o torneamento cilíndrico externo, técnica do grupo de manufatura subtrativa (MS), é capaz de obter tolerâncias mais estreitas, porém, com limitações na liberdade de projeto. Este conjunto de características opostas podem ser combinadas em um contexto híbrido, amplificando as vantagens e reduzindo limitações, todavia sua associação deve ser realizada considerando os diversos parâmetros de controle de cada uma das técnicas. De tal forma, em função do exposto, é apresentado o presente trabalho, que tem como objetivo a otimização das características dimensionais e geométricas por meio da alteração dos parâmetros de controle dos processos aditivos e subtrativos. Foram modificados os parâmetros de espessura de camada, temperatura de extrusão e temperatura da plataforma da MA, enquanto para MS foram avaliados a velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem. As tolerâncias foram determinadas por um micrômetro, além de desvios macrogeométricos e microgeométricos por meio dos desvios de cilindricidade e rugosidade, respectivamente. Finalmente, foi possível observar a redução das tolerâncias e desvios geométricos após aplicação da MS, além da redução singular da aplicação da profundidade de corte em valores proporcionais a espessura de deposição. Aliado as melhorias superficiais, foi observado que aplicação da MS e posterior a MA, quando comparado a otimização apenas por MA, apresenta tempo de manufatura reduzido. Entretanto foi constatado que a aplicação de técnicas subtrativas após a extrusão do polímero ainda apresenta limitações, principalmente na capacidade de assegurar a profundidade de corte desejada durante o torneamento de peças com elevado desvio de cilindricidade, atributo infelizmente característico de peças fabricadas por FFF. |
Abstract: | The present work discusses Hybrid Manufacturing (MH) of polymeric composites of lactic acid polymer (PLA) with fragmented carbon fiber reinforcement. This topic was chosen due to the increasing demand for components with lower environmental impact, narrower geometric and dimensional tolerances, and higher geometric complexity in different scales, which motivated the development and research of modern technologies. In this context, biodegradable polymers, originated from renewable and biocompatible sources, present a promising perspective for biomedical, aeronautic, and automotive applications. As their use or reinforcement can be performed in conjunction with fragmented carbon fibers, addition is commonly associated with modification of thermal and mechanical properties. Meanwhile, the application of additive manufacturing (MA) presents itself as a possible solution for customizable components and with elevated geometric complexity, being Fused Filament Fabrication (FFF) one of the most used techniques. However, the application of this manufacturing technology has limitations, especially in dimensional and geometric tolerances. As opposed to MA, external cylindrical turning, a technique from the group of Subtractive Manufacture (MS), is able to obtain narrower tolerances, but with significant limitations in design freedom. These opposite characteristics can be combined in a hybrid context, amplifying the advantages and reducing limitations, but their association must be done considering the various control parameters of each technique. Thus, in accordance with the exposed, the present work is presented, which aims to optimize the dimensional and geometric characteristics by changing the control parameters of the additive and subtractive processes. In which the layer height, printing temperature and build plate temperature parameters of the MA were modified, while for MS were evaluated the cutting speed, feed rate and cutting depth. The tolerances were determined by a micrometer, as well as macrogeometric and microgeometric deviations through cylindricity and roughness deviations, respectively. Finally, it was possible to observe a significant reduction in tolerances and geometric deviations after application of the MS, in addition to the unique reduction in the application of the depth of cut in values proportional to raster width. Allied to the surface improvements, it was observed that the application of the MS and after the MA, when compared to the optimization by MA alone, presents lower manufacturing time. However, it was found that applying subtractive techniques after polymer extrusion still has limitations, the main one being the difficulty in ensuring the desired depth of cut during turning of parts with high cylindricity deviation, an attribute unfortunately characteristic of parts manufactured by FFF. |
Keywords: | Manufatura aditiva Additive manufacturing Manufatura subtrativa Subtractive manufacturing Filamento Compósito Filament Composite PLA Macrogeometry Microgeometria Engenharia mecânica Mechanical Engineering |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::PROCESSOS DE FABRICACAO, SELECAO ECONOMICA CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::MAQUINAS DE USINAGEM E CONFORMACAO |
Subject: | Engenharia mecânica Planejamento dos recursos de manufatura Fibras de carbono Compostos poliméricos |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | ROSA, Igor Cesar de Carlos. Avanços na manufatura híbrida de compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de carbono fragmentada. 2023. 154 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.7076 |
Document identifier: | https://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.7076 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/38797 |
Date of defense: | 5-Jul-2023 |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica |
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