[pt] Este trabalho tem como objetivo a analise numérica da extrusão de pastas cerâmicas. Essas pastas são formuladas a partir de materiais de comportamento conhecido como viscoplástico, que consiste de um fluido não-newtoniano que sofre efeito de uma tensão limite de escoamento. Fizemos este material sofrer um escoamento em contração abrupta. Foram utilizados dois modelos numéricos para o estudo dessa extrusão, o chamado modelo de Carreau-Yasuda e o chamado modelo de bi-viscosidade modificado, baseado no modelo de Herschel-Bulkley. Foi testado como se comportam as variáveis quando variamos parâmetros reológicos da pasta e parâmetros operacionais do processo de extrusão, buscando a compreensão deste processo e sua otimização. / [en] The present work is focuse in the numerical analisis of ceramical paste extrusion. These pastes are formulated from materials with a typical behavior known as viscoplastic, that are non newtonian fluids with a flow limit tension. In our study we made this material go through an abrupt contraction flow. Two numerical models were used for the study of this extrusion, the Carreau-Yasuda model and the modified bi-viscosity, based on the the Herschel-Bulkley model. It was tested the behavior of the variables when we vary the reological parameters of the paste and the operational parameters of the extrusion process, searching the better understanding of the process and its otimization.

[pt] O objetivo deste trabalho foi produzir, caracterizar e avaliar o comportamento mecânico de um compósito de matriz termoplástica (ABS) reforçado por fibras de carbono para uso futuro em manufatura aditiva. Misturas foram produzidas contendo diferentes quantidades (0 por cento, 5 por cento e 16,7 por cento) e comprimentos (3 mm e 6 mm) de fibras. Cada mistura foi processada através de uma extrusora dupla rosca para a produção de pellets. Os pellets de cada mistura (incluindo pellets de ABS puro) foram analisados para a caracterização do material processado. Posteriormente, corpos de prova foram extrusados para a determinação das propriedades mecânicas e análise da superfície de fratura. As técnicas utilizadas para a caracterização do material foram: espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), reometria capilar e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a avaliação do comportamento mecânico, os corpos de prova extrusados foram ensaiados para a determinação da resistência à tração, módulo de elasticidade e ductilidade. Em seguida, as superfícies de fratura dos corpos de prova foram analisadas no MEV. Foi verificada a possibilidade de degradação da matriz polimérica e formação de vazios durante o processamento inicial do material, que foram eliminados após a segunda extrusão. As fibras de carbono causaram aumento no módulo de elasticidade e diminuição da ductilidade do compósito, apesar de pouco influenciarem as propriedades reológicas. Além disto, pequenas variações na estabilidade térmica foram observadas. Ao final, em anexo, foi elaborado um panorama sobre a Manufatura Aditiva (MA) e a oportunidade de utilização de compósitos em técnicas de impressão 3D. / [en] The goal of this work was to produce, characterize and analyze the mechanical behavior of a carbon fiber reinforced thermoplastic composite with future applications in additive manufacturing. Mixtures were produced with varying carbon fiber content (0 per cent, 5 per cent, and 16,7 per cent) and initial length (3 mm and 6 mm). Each mixture was processed via a twin-screw extruder to produce pellets. Pellets from each mixture (including pure ABS) were analyzed to investigate the processed material properties. Afterwards, test specimens were extruded from each mixture s pellets for mechanical testing and fracture surface analysis. The following techniques were used for material characterization: Fourrier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), capillary rheology and Scanning Electron Microscopy (SEM). For the evaluation of mechanical properties, the extruded test specimens yield strength, Young s modulus and ductility were determined. Also, the fracture surfaces were observed using SEM. The effects of processing parameters and of the introduction of carbon fibers in the ABS polymer were determined. Results pointed out the possibility of degradation during initial processing and the formation of voids in the pellets structure, which were eliminated during the second extrusion. Results also showed an increase in modulus and a decrease in ductility of the composite, whereas rheological properties seemed largely unaffected. Additionally, small variations in thermal stability were observed with varying carbon fiber content and length. Finally, as an annex, a brief overview of Additive Manufacturing and the opportunities for using carbon fiber reinforced thermoplastics in 3D printing techniques is presented.

[pt] O processo de revestimento de substratos é uma das principais etapas na manufatura de diversos produtos, tais como eletrônicos transparentes, fitas magnéticas e adesivos. Em sua grande maioria, os estudos disponíveis na literatura consideram que o líquido de revestimento é um fluido Newtoniano. No entanto, em grande parte das aplicações, este fluido é mais complexo, sendo composto por partículas dispersas em uma fase contínua. Nesse sentido, efeitos reológicos relacionados à presença das partículas no escoamento ainda não são bem estabelecidos. Por exemplo, variações nos valores locais de taxa de cisalhamento e concentração induzem à diferentes mecanismos de migração de partículas que, por sua vez, podem mudar os padrões do escoamento e a estrutura final do filme. Além disso, se o tamanho das partículas é pequeno o suficiente de modo que forças coloidais são relevantes, fenômenos locais como redução ou aumento de viscosidade podem ocorrer dependendo das contribuições macroscópicas do escoamento. Neste trabalho, as equações de conservação de massa, momento e transporte de partículas são consideradas juntas com um modelo de viscosidade sensível a variações locais tanto de concentração quanto da taxa de cisalhamento. Nesse sentido, o Modelo de Fluxo Difusivo é empregado com o intuito de capturar fluxos difusivos de partículas em casos nos quais interações irreversíveis entre partículas são relevantes. As equaçõoes de conservação são acopladas a um sistema de equações diferencias que descreve o mapeamento numérico entre o domínio físico e outro de referência, e são discretizadas usando o Método de Elementos Finitos com a formulação fraca de Galerkin. O sistema não-linear resultante é resolvido por meio do método de Newton associado à um robusto método LU de decomposição matricial. Os resultados mostram que o comportamento reológico de suspensões coloidais afeta a distribuição final de partículas no filme depositado e os limites de operação de um processo típico de revestimento de substrato por extrusão. / [en] Coating is the main step in the manufacturing process of many common and new products such as paper, adhesive and magnetic tapes, and flexible and transparent electronics. Most of the available analyses consider the coating liquid as Newtonian. However, in many applications the coating liquid is a complex fluid composed by particles suspended in a viscous medium. The effect of suspended particles in the coating liquid on the coating flow remains unknown. Local variation of particle concentration associated with different mechanisms of particle migration may lead to viscosity gradients, which can change the flow pattern and final particle structure in the coated film. Moreover, if the particles are small enough, colloidal forces are important and hence non-Newtonian behavior such as shear-thinning and shear-thickening may occur. In this study, the conservation equations of mass, momentum and particle transport, are considered in which the viscosity is assumed to vary not only with local particle concentration but also with local shear rate (i.e. shear sensitive liquids). With this in mind, we employ the Diffusive Flux Model (DFM) to capture particle diffusion where irreversible particle-particle interactions are dominant. The conservation equations together with the set of differential equations that describes the mapping between the unknown flow domain to a fixed reference domain are solved using the Galerkin/Finite Element Method (GFEM). The resulting non-linear system of algebraic equations is solved using Newton s method coupled with a robust LU frontal solver. The results show how the rheological behavior of colloidal suspensions affects the particle distribution on the deposited liquid film and the process limits in a typical slot coating flow.

[pt] Diversos processos apresentam escoamentos com superfícies livres. Alguns desses processos vão além dos problemas de engenharia, incluindo questões cotidianas como gotas de chuva caindo do céu, água fluindo pelo rio ou através de uma torneira. Na indústria, o processo de extrusão e revestimento são dois exemplos de processos que são fortemente afetados pelo comportamento da interface. O modelo de interface livre mais comumente utilizado foi desenvolvido no século XIX e descreve como isotrópico o comportamento das interfaces e dependente de um único parâmetro, denominado tensão interfacial. Desde então, os avanços na área de reologia interfacial vêm mostrando que os fenômenos interfaciais são mais complexos e precisam de mais informações para serem modelados. Nesta linha de pensamento, este trabalho analisa o efeito da viscosidade interfacial na dinâmica do processo de extrusão e revestimento por slot, no qual o conjunto de equações diferenciais que governam o problema é resolvido pelo método dos elementos finitos. / [en] Several processes present free surfaces flows. Some of those processes go beyond engineering problems, including everyday issues like raindrops falling from the sky, water flowing down the river or through a faucet. In industry, extrusion and coating process are two examples of processes that are strongly affected by the behavior of the interface. The most commonly used free interface model was developed in the 19th century and describes as isotropic the behavior of interfaces and dependent on asingle parameter called interfacial tension. Since then, advances in the areaof interfacial rheology have been showing that the interfacial phenomena are more complex and accurate of more information to be modeled. In this line of thinking, this work analyzes the effect of interface viscosity on the dynamics of extrusion and slot coating process, in which the set of differential equations that governs the problem is solved by Finite Element method.