Desenvolvimento e caracterização de painéis sanduíches com faces de alumínio e núcleos poliméricos produzidos por manufatura aditiva
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Wanderson de Oliveira Leite
Rodrigo Teixeira Santos Freire
Rodrigo Teixeira Santos Freire
Resumo
O uso da manufatura aditiva tem contribuído significativamente para o desenvolvimento de novas estruturas. Isso tem permitido boa relação entre peso e rigidez e alta capacidade de absorção de energia aos materiais estruturais do tipo painel sanduíche, por meio do uso de diferentes formatos celulares de núcleo. Dentro desse contexto, o comportamento mecânico dos painéis sanduíches sob eventos dinâmicos é de grande interesse para diversos setores industriais, o que incentiva também o desenvolvimento de novas formas de monitoramento de integridade estrutural (MIE). Este estudo apresenta o desenvolvimento e a caracterização mecânica de novos painéis sanduíches, com faces de liga de alumínio e núcleos poliméricos fabricados via processo de impressão tridimensional (3D) com PLA (painéis PLAAL) e ABS (painéis ABSAL). O método de impressão por deposição fundida (FDM) foi usado para a produção dos núcleos poliméricos. Quatro tipos de núcleos poliméricos foram investigados: núcleo sólido, honeycomb horizontal, corrugado com células em S e honeycomb vertical. Os painéis sanduíches PLAAL e ABSAL foram produzidos por compactação a frio, usando adesivo epóxi RenLam® M e chapas tratadas de liga de alumínio 2024-T3. Os painéis foram submetidos a ensaios de flexão, ensaios de impacto Charpy e ensaios balísticos. Para a predição do comportamento dos painéis sob impacto balístico, uma análise experimental, validada numericamente, foi realizada com uma nova plataforma de MIE com sensores piezoelétricos. Os painéis sanduíches PLAAL com núcleos honeycomb vertical apresentaram os maiores valores médios para módulo de elasticidade na flexão (18,5 GPa) e resistência à flexão (138 MPa). Por outro lado, os painéis ABSAL com núcleo corrugado em S tiveram maior energia absorvida no impacto Charpy (12,8 J). A análise numérica do impacto balístico mostrou uma maior absorção de energia pelos painéis ABSAL. As simulações foram validadas após a realização experimental, verificando uma alta absorção de energia pelo núcleo honeycomb vertical, com fraturas concentradas na região próxima ao impacto, e também uma boa resistência ao impacto pelos painéis ABSAL com núcleos em honeycomb horizontal e corrugado em S. Os estudos realizados mostraram que o processo desenvolvido é uma técnica flexível de manufatura para os novos painéis sanduíches, que exibiram propriedades mecânicas superiores ou similares a outros materiais usados na engenharia estrutural.
Abstract
The use of additive manufacturing has contributed significantly to the development of new
structures. This has allowed high stiffness-to-weight ratio and high energy absorption capacity
for sandwich panels, through the use of different cellular core shapes. Within this context, the
mechanical behavior of sandwich panels under dynamic events has interested several industrial
sectors, which also encourages the development of new models of structural health monitoring
(SHM). This study presents the development and mechanical characterization of new sandwich
panels, with aluminum alloy sheets and polymeric cores manufactured by a three-dimensional
(3D) printing process with PLA (PLAAL panels) and ABS (ABSAL panels). The fused
deposition modeling (FDM) method was used for the production of the polymeric cores. Four
types of polymeric cores were investigated: solid core, horizontal honeycomb, S-Shape
corrugated and vertical honeycomb. PLAAL and ABSAL sandwich panels were produced by
cold pressing process, using RenLam® M epoxy adhesive and treated 2024-T3 aluminum alloy
sheets. The panels were subjected to bending tests, Charpy impact tests and ballistic tests. To
predict the behavior of the panels under ballistic impact, an experimental analysis was
numerically validated and performed with a new SHM platform with piezoelectric sensors.
PLAAL sandwich panels with vertical honeycomb cores showed the highest mean values for
flexural modulus (18.5 GPa) and flexural strength (138 MPa). On the other hand, ABSAL
panels with S-Shape corrugated core had higher energy absorbed in the Charpy impact (12.8 J).
Numerical analysis of ballistic impact showed greater energy absorption by ABSAL panels.
The simulations were validated after the experimental tests, verifying a high energy absorption
by the vertical honeycomb core, with concentrated fractures in the region close to the impact,
and good impact resistance by ABSAL panels with horizontal honeycomb and S-Shape
corrugated cores. The study showed that the process developed is a flexible manufacturing
technique for the new sandwich panels, which exhibited superior or similar mechanical
properties to other materials used in structural engineering.
Assunto
Engenharia mecânica, Manufatura aditiva, Transdutores piezoelétricos
Palavras-chave
Painéis sanduíches, Manufatura aditiva, Ensaios balísticos, Monitoramento da integridade estrutural, Sensores piezoelétricos
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