dc.contributor.advisor | Scheuer, Cristiano José | |
dc.creator | Pathek Junior, Ivo Aleixo | |
dc.date.accessioned | 2024-01-12T15:30:18Z | |
dc.date.available | 2024-01-12T15:30:18Z | |
dc.date.issued | 2023-12-18 | |
dc.date.submitted | 2023-12-18 | |
dc.identifier.uri | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/31133 | |
dc.description.abstract | The advent of additive manufacturing techniques has revolutionized the production
of components with intricate geometries or those challenging to fabricate using conventional
manufacturing routes. A range of materials can be employed as raw materials in such
processes. In the case of polymer utilization, literature has demonstrated that additively
manufactured parts exhibit, on average, 85% of the mechanical strength of the same material
processed through injection molding techniques. To meet design requirements, enhancing
the mechanical, thermal, and electrical properties of additively manufactured polymer-based
components can be achieved through the addition of reinforcing materials. In this context,
the objective of this study was to evaluate the effect of adding carbon fiber on the thermal,
chemical, and mechanical characteristics of samples produced through the Fused Filament
Fabrication (FFF) 3D printing process using a commercial Poly(lactic acid) (PLA) filament
reinforced with carbon fiber. For comparative purposes, samples and test specimens were
also 3D printed using a regular commercial PLA filament from the same manufacturer and
subjected to the same characterizations. Chemical characterization of the printed material
was performed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman
Spectroscopy, and X-ray Diffraction (XRD). Thermal characterization involved
Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Finally,
mechanical characterization employed uniaxial tensile tests, three-point bending, Single-
Edge Notched Bending (SENB), impact, and hardness tests. Raman spectra of the carbon
fiber-reinforced PLA samples revealed characteristic D and G bands, whereas FTIR spectra
did not indicate chemical interactions between carbon fibers and the PLA matrix. XRD
patterns revealed low crystallinity and low-intensity peaks associated with the filament
pigment in both materials, with specific peaks related to crystalline PLA for the natural PLA
and to the carbon fiber plane for the reinforced PLA. The DSC results showed a slight
increase in the PLA melting and crystallization temperatures with the addition of carbon
fibers. Conversely, TGA analysis revealed a reduction in the onset temperature of PLA's
thermal decomposition with the presence of these fibers. In the tension, flexion, impact, and
three-point bending tests on standard SENB samples, the addition of carbon fibers led to a
reduction in both tensile and flexural strength, while increasing the values of the elastic
modulus and deformation under tension and flexion. Furthermore, the impact energy
required to fracture the PLA increased with the inclusion of these fibers. Hardness
measurements indicated a 7% increase in PLA hardness. In summary, the findings suggest
that incorporating carbon fibers may broaden the potential applications of PLA. | eng |
dc.language | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de Santa Maria | por |
dc.rights | Acesso Aberto | por |
dc.subject | 3D printing | eng |
dc.subject | PLA | por |
dc.subject | carbon fiber | eng |
dc.subject | FFF | por |
dc.subject | properties | eng |
dc.subject | impressão 3D | por |
dc.subject | fibra de carbono | por |
dc.subject | propriedades | por |
dc.title | Análise comparativa das características térmicas, químicas e mecânicas do PLA impresso e sem reforço de fibra de carbono | por |
dc.title.alternative | Comparative analysis of thermal, chemical and mechanical characteristics of PLA printed with and without carbon fiber reinforcement | eng |
dc.type | Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação | por |
dc.degree.local | Santa Maria, RS, Brasil. | por |
dc.description.resumo | As técnicas de manufatura aditiva revolucionaram a forma de fabricar componentes com
geometrias complexas, ou de difícil produção pelas rotas convencionais de fabricação. Existe
uma gama de materiais que podem ser empregados como matérias–primas em tais processos.
No caso da utilização de polímeros, foi demonstrado na literatura que as peças produzidas de
forma aditiva apresentam, em média, 85% da resistência mecânica daquela apresentada pelo
mesmo material quando processado através da técnica de moldagem por injeção. Buscando
atender requisitos de projeto, a melhora nas propriedades mecânicas, térmicas e elétricas de
componentes produzidos de forma aditiva a partir de polímeros pode ser alcançada através da
adição de materiais de reforço. Nesse contexto, o objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da
adição de fibra de carbono sobre as características térmicas, químicas e mecânicas de amostras
produzidas pelo processo de impressão 3D de Fabricação com Filamento Fundido (FFF),
utilizando um filamento comercial de Poli(ácido láctico) (PLA) reforçado com fibra de carbono.
Para fins de comparação, amostras e corpos de prova também foram impressos em 3D usando
um filamento PLA comercial regular do mesmo fabricante, e submetidos às mesmas
caracterizações. A caracterização química do material impresso foi realizada empregando as
técnicas de Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e
Espectroscopia Raman, e por Difração de Raios X (XRD). A caracterização térmica foi
realizada utilizando as técnicas de análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial
de varredura (DSC). Por fim, a caracterização mecânica foi realizada empregando os ensaios
de tração uniaxial, flexão em três pontos, sensibilidade ao entalhe (SENB), impacto e dureza.
Os espectros Raman das amostras de PLA reforçado com fibras de carbono revelaram as bandas
características D e G, enquanto os espectros FTIR não demonstraram interações químicas entre
as fibras de carbono e a matriz de PLA. Os padrões de XRD revelam baixa cristalinidade e
picos de baixa intensidade associados ao pigmento do filamento em ambos os materiais, com
picos específicos relacionados ao PLA cristalino para o PLA natural e ao plano da fibra de
carbono para o PLA reforçado. Os resultados obtidos pelo DSC mostraram um pequeno
aumento nas temperaturas de fusão e cristalização do PLA com a adição de fibras de carbono.
Por outro lado, a análise TGA revelou uma redução na temperatura de início da decomposição
térmica do PLA com a presença dessas fibras. Nos ensaios de tração, flexão, impacto e de flexão
de três pontos em amostras padrão SENB, a adição de fibras de carbono resultou em uma
redução da resistência à tração e à flexão, mas aumentou os valores do módulo de elasticidade
e da deformação sob tração e flexão. Além disso, a energia de impacto necessária para fraturar
o PLA aumentou com a inclusão dessas fibras. As medidas de dureza indicaram um aumento
de 7% na dureza do PLA. Em resumo, os resultados sugerem que a inclusão de fibras de carbono
pode expandir as possíveis aplicações do PLA. | por |
dc.publisher.country | Brasil | por |
dc.publisher.initials | UFSM | por |
dc.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA | por |
dc.publisher.unidade | Centro de Tecnologia | por |