Análise numérica e caracterização hiperelástica de metamateriais mecânicos produzidos com impressão 3D
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Numerical analysis and hyperelastic characterization of metamaterials mechanics produced with 3D printing
Primeiro orientador
Membros da banca
Marco Tulio Correa de Faria
Lázaro Valentim Donadon
Lázaro Valentim Donadon
Resumo
Metamateriais são uma classe de materiais que apresentam propriedades especiais não
encontradas naturalmente. Essas propriedades especiais estão relacionadas ao projeto
geométrico calculado, de forma que a estrutura tenha uma resposta desejável. Impressoras 3D
possibilitaram que os metamateriais fossem produzidos, sendo que cada dia essa tecnologia se
torna mais acessível à população em geral. Esse trabalho pode ser dividido em três etapas. A
primeira foi a caracterização mecânica do filamento de impressão 3D de TPU (Termoplástico
de Poliuretano), um material hiperelástico. Pelos ensaios de tensão e compressão os modelos
de Mooney-Rivlin de 5ª ordem se mostrou a melhor opção. A segunda etapa foi a investigação
de como os parâmetros de impressão 3D de Fabricação por Filamento Fundido (FFF), por
exemplo, orientação de deposição do filamento, taxa de extrusão, velocidade de deposição e
temperatura de extrusão podem afetar as propriedades e qualidade mecânica das peças. Um
aumento na temperatura de extrusão combinado com uma redução da velocidade de deposição
pareceu reduzir o erro de deposição das camadas. Diferenças estatísticas não foram observadas
nas propriedades mecânicas (rigidez e resistência) quando variado a orientação de deposição
do filamento. A última etapa foi a simulação numérica de duas classes de metamateriais: os
tipos auxéticos e kirigami. Nas simulações numéricas as estruturas auxéticas demonstraram
valores de coeficiente de Poisson entre 5 e 18% maiores comparado aos valores teóricos. Exceto
a estrutura auxética crosschiral que apresentou variações maiores entre teórico e simulado e
necessita maiores investigações (em torno de 50%). As estruturas kirigami tiveram valores de
alongamento próximos comparados aqueles da literatura, mas é provável que em testes físicos
essas estruturas possam atingir valores superiores. Aplicações como abafadores sonoros e tênis
de corrida (auxéticos) e fitas adesivas fisioterápicas (kirigami) são algumas que podem ser
mencionadas para essas estruturas.
Abstract
Metamaterials are a class of materials that have special properties not found naturally.
These special properties are related to the calculated geometric design so that the structure has
a desirable response. 3D printers have enabled the production of metamaterials, becoming
gradually an accessible technology for many people. This research can be divided into three
different stages. The first one was the mechanical characterization of 3D printing filament based
on TPU (polyurethane thermoplastic), an hyperelastic material. Based on tensile and
compression tests, the 5th order Mooney-Rivlin models seems to be the best option. The second
stage was the investigation of how 3D Fused Filament Fabrication (FFF) printers parameters,
e.g., filament deposition orientation, flow rate, speed deposition and extrusion temperature
affect the overall final specimens’ mechanical properties and its quality. An increase on
extrusion temperature combined with a decrease on speed deposition seems to reduce the
layers’ deposition failure. No statistical differences were observed on mechanical properties
(stiffness and strength) regardless the filament deposition orientation. The last stage was the
numerical simulations of two classes of metamaterials, i.e. auxetics and Kirigami-based. In
numerical simulations, the auxetic structures showed Poisson ratio values between 5 and 18%
higher than theoretical values. Except for the crosschiral auxetic structure, which showed
greater variations between theoretical and simulated and needs further investigation (around
50%). The kirigami structures had elongation values close to those in the literature, but it is
likely that in physical tests these structures can reach higher values. Applications such as sound
mufflers and running shoes (auxetics) and physical therapy adhesive tapes (kirigami) are some
that can be mentioned for these structures.
Assunto
Engenharia mecânica, Metamateriais, Impressão 3D
Palavras-chave
Metamateriais, Impressão 3D, Hiperelástico, PLA-flex®, MEF