DEVELOPMENT, MECHANICAL CHARACTERIZATION AND JOINING OF NEW ADDITIVE MANUFACTURED POLYMERIC MATERIALS

Abstract

The development of novel additive manufactured (AM) polymeric materials has garnered considerable interest owing to their promising applications across diverse industries. This research domain encompasses various facets, including comprehensive mechanical characterization and advanced joining techniques, aimed at optimizing the performance and functionality of these materials. By exploring the mechanical properties and innovative joining methods, valuable insights can be gained for the advancement and utilization of AM polymeric materials in high-performance structural components and other critical industrial applications. This thesis explores the mechanical properties and performance of additive manufactured (AM) polymeric parts reinforced with different types of fibres. The research focuses on four key areas: (a) exploration of the impact that filament type and printing parameters had on the mechanical properties of thermoplastics used in 3D printing, (b)characterizing the mechanical behaviour of AM parts made from Polylactic Acid (PLA) and Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) reinforced with natural (jute and curauá) and synthetic (glass) fibres, (c) evaluating the mechanical performance of adhesive joints using various fiber reinforcements for AM polymeric parts, and (d) developing short curauá fiberreinforced PLA composites through fused deposition modelling. Tensile and flexural tests were conducted to assess printing parameters, mechanical properties of the AM parts and adhesive joints. The findings highlight substantial improvements in mechanical properties with the addition of fiber reinforcements to the AM parts. Moreover, incorporating different fiber reinforcements enhances the mechanical performance of the adhesive joints. The study also focuses on the development of curauá fiber-reinforced PLA composites with varying fiber lengths and concentrations. Through comprehensive tensile, flexural, and thermal analyses, the mechanical and thermal stability of these composites were evaluated. The results emphasize thesignificant influence of the fiber weight fraction on the mechanical properties, while the effect of fiber length on the properties was minimal. In summary, this research provides valuable insights into the mechanical behaviour of AM polymeric parts utilizing diverse fiber reinforcements. The incorporation of fibres leads to remarkable enhancements in both the individual performance of the parts and the strength of adhesive joints. Furthermore, the thesis demonstrates the potential of curauá fiber-reinforced PLA composites as a promising avenue for additive manufacturing, opening up new possibilities for their application in various applications.O desenvolvimento de novos materiais poliméricos fabricados por manufatura aditiva (AM) tem despertado considerável interesse devido às suas promissoras aplicações em diversas indústrias. Esse domínio de pesquisa abrange várias facetas, incluindo a caracterização mecânica abrangente e técnicas avançadas de união, visando otimizar o desempenho e a funcionalidade desses materiais. Ao explorar as propriedades mecânicas e os métodos inovadores de união, valiosas percepções podem ser obtidas para o avanço e utilização de materiais poliméricos AM em componentes estruturais de alto desempenho e outras aplicações industriais críticas. Esta tese explora as propriedades mecânicas e o desempenho de peças poliméricas fabricadas por manufatura aditiva (AM) reforçadas com diferentes tipos de fibras. A pesquisa concentra-se em quatro áreas-chave: (a) exploração do impacto que o tipo de filamento e os parâmetros de impressão têm sobre as propriedades mecânicas de termoplásticos utilizados na impressão 3D, (b) caracterização do comportamento mecânico de peças AM feitas de Ácido Poliláctico (PLA) e Estireno-Acrilonitrila-Butadieno (ABS) reforçadas com fibras naturais (juta e curauá) e sintéticas (vidro), (c) avaliação do desempenho mecânico de uniões adesivas utilizando diferentes reforços de fibras para peças poliméricas AM, e (d) desenvolvimento de compósitos de PLA reforçados com fibras curtas de curauá através da modelagem por deposição fundida. Ensaios de tração e flexão foram realizados para avaliar os parâmetros de impressão, propriedades mecânicas das peças AM e das uniões adesivas. Os resultados destacam melhorias significativas nas propriedades mecânicas com a adição de reforços de fibras nas peças AM. Além disso, a incorporação de diferentes reforços de fibras aprimora o desempenho mecânico das uniões adesivas. O estudo também se concentra no desenvolvimento de compósitos de PLA reforçados com fibras curtas de curauá, variando os comprimentos e concentrações das fibras. Através de análises abrangentes de tração, flexão e térmicas, a estabilidade mecânica e térmica desses compósitos foi avaliada. Os resultados enfatizam a influência significativa da fração de peso das fibrasnas propriedades mecânicas, enquanto o efeito do comprimento das fibras nas propriedades foi mínimo. Em resumo, essa pesquisa forneceu uma base solida sobre o comportamento mecânico de peças poliméricas AM que utilizam diversos reforços de fibras. A incorporação de fibras resulta em aprimoramentos notáveis tanto no desempenho individual das peças quanto na resistência das uniões adesivas. Além disso, a tese demonstra o potencial dos compósitos de PLA reforçados com fibras de curauá como uma promissora via para a manufatura aditiva, abrindo novas possibilidades para sua aplicação em várias aplicações.