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dc.contributor.advisorScheuer, Cristiano José
dc.creatorPathek Junior, Ivo Aleixo
dc.date.accessioned2024-01-12T15:30:18Z
dc.date.available2024-01-12T15:30:18Z
dc.date.issued2023-12-18
dc.date.submitted2023-12-18
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/31133
dc.description.abstractThe 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.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Santa Mariapor
dc.rightsAcesso Abertopor
dc.subject3D printingeng
dc.subjectPLApor
dc.subjectcarbon fibereng
dc.subjectFFFpor
dc.subjectpropertieseng
dc.subjectimpressão 3Dpor
dc.subjectfibra de carbonopor
dc.subjectpropriedadespor
dc.titleAnálise comparativa das características térmicas, químicas e mecânicas do PLA impresso e sem reforço de fibra de carbonopor
dc.title.alternativeComparative analysis of thermal, chemical and mechanical characteristics of PLA printed with and without carbon fiber reinforcementeng
dc.typeTrabalho de Conclusão de Curso de Graduaçãopor
dc.degree.localSanta Maria, RS, Brasil.por
dc.description.resumoAs 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.countryBrasilpor
dc.publisher.initialsUFSMpor
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICApor
dc.publisher.unidadeCentro de Tecnologiapor


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