Simulação numérica de compósitos poliméricos de poli(ácido lático) reforçado com celulose nanofibrilada para aplicações industriais
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Universidade Federal de Lavras
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Departamento de Ciências Florestais
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biomateriais
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
A simulação numérica para esforços de tensão é uma importante ferramenta utilizada para avaliar o comportamento e prever possíveis falhas e rupturas de componentes mecânicos durante a sua aplicação. Esta utiliza as propriedades mecânicas do material e com base nas forças atuantes e condições de contorno, em um modelo matemático discretizado da peça, apresenta as respostas do material em termos de absorção dos esforços, em tensões e deformações. A utilização de celulose nanofibrilada como reforço em matrizes poliméricas tem recebido destaque nos últimos anos em trabalhos de pesquisa, dando origem a compósitos cujas propriedades podem ser potencializadas e modificadas de acordo com as suas aplicações. Com base nisso, este trabalho apresenta o uso de simulações numéricas como ferramenta para avaliar e remodelar componentes mecânicos construídos a partir de um compósito biodegradável, de matriz renovável e reciclável, constituído por celulose nanofibrilada (NFC) como reforço em uma matriz de poli(ácido lático) (PLA). Uma característica importante para uma maior versatilidade em aplicações industriais, como componente mecânico submetido a esforços, os compósitos devem apresentar um bom equilíbrio entre módulo de elasticidade e deformação plástica. Para isso, foram produzidos corpos de prova de PLA usando concentrações de reforço de NFC de 30%, 40% e 50% em peso e com o uso de glicerol como plastificante, na proporção de 4% e 6% do peso total incluindo uma amostra pura de PLA para comparação. Os resultados dos ensaios de tração indicaram o aumento da deformação plástica sem uma perda significativa no módulo de elasticidade e consequentemente uma melhoria na tenacidade do material, confirmada pelo teste de impacto Izod. Portanto, simulações numéricas foram ralizadas via análise por elementos finitos (FEA) para comparar os resultados das simulações dos corpos de prova com os resultados dos ensaios físicos de tração e como meio para avaliar e remodelar um componente mecânico, construído com o compósito escolhido, para substituir o atual componente produzido em liga de alumínio 1060 H12 em uma ferramenta conectada a um robô, em um caso de estudo e aplicação na indústria. Como resultado, obteve-se um novo modelo para o componente e a viabilidade no uso do compósito como material substitutivo apresentando vantagens como menor peso e rigidez dielétrica, importantes para a aplicação estudada.
Abstract
The numerical simulation for stress efforts is an important tool to evaluate the behavior and to predict possible failures and ruptures of mechanical components during its application. It uses the mechanical properties of the material and based on the acting forces and boundary conditions, in a discrete mathematical model of the part, it presents the material's responses in terms of effort absorption, stresses and deformations. The use of nanofibrillated cellulose as a reinforcement in polymeric matrices has been highlighted in recent years in research works, giving rise to composites whose properties can be enhanced and modified according to their applications. Based on this, this work presents the use of numerical simulations as a tool to evaluate and remodel mechanical components constructed from a biodegradable composite, of renewable and recyclable matrix, consisting of nanofibrilated cellulose (NFC), as reinforcement in a matrix of poly(lactic acid) (PLA). An important characteristic for greater versatility in industrial applications, as a mechanical component subjected to efforts, composites must present a good balance between modulus of elasticity and plastic deformation. For this, PLA specimens were produced using NFC as reinforcement by concentrations of 30%, 40% and 50% by weight and with the use of glycerol as a plasticizer, in the proportion of 4% and 6% of the total weight, including a pure PLA sample for comparison. The results of the tensile tests indicated an increase in the plastic deformation without a significant loss in the modulus of elasticity and, consequently, an improvement in the toughness of the material, confirmed by the Izod impact test. Therefore, numerical simulations were carried out via finite element analysis (FEA) to compare the results of the specimen simulations with the results of the physical tensile tests and as a means to evaluate and remodel a mechanical component, constructed with the chosen composite, for replace the current component produced in aluminum alloy 1060 H12 in a tool connected to a robot, in a case study and application in the industry. As a result, a new model was obtained for the component and the technical feasibility in using the composite as a substitute material, presenting advantages such as lower weight and dielectric strength, which are important for the studied application.
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Citação
ZAMBALDI, E. da S. Simulação numérica de compósitos poliméricos de poli(ácido lático) reforçado com celulose nanofibrilada para aplicações industriais. 2020. 109 p. Tese (Doutorado em Engenharia de Biomateriais) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2020.