Gradativamente, os materiais poliméricos passaram a ter uma importância maior para as indústrias do setor automobilístico. O aumento do uso de materiais poliméricos está em desencontro com as questões ambientais, quando leva em consideração o destino final a ser dado para as peças produzidas em materiais poliméricos. Este trabalho tem por objetivo apresentar resultados de ensaios utilizando misturas de polipropileno reciclado com polipropileno virgem, aplicados à produção de peças de envoltórios de rodas automotivas. Foram utilizados dois fornecedores para o polipropileno virgem, quatro fornecedores para o polipropileno reciclado e dois fornecedores de masterbatch. Concluiu-se que o uso de polipropileno reciclado para a produção de envoltório de rodas é possível sem prejuízo ao desempenho do produto final. As amostras contendo o material PPR4 do (polipropileno reciclado 4) do fornecedor de polipropileno reciclado 4, com misturas até 50%, apresentaram desempenho funcional que satisfazem às exigências da indústria automotivas, montagem sem restrições no dispositivo dimensional, sem quebras no ensaio de resistência ao impacto por queda de esfera. O material PPR4 quando misturado a um masterbatch com modificador de impacto e antioxidante, MB1, do fornecedor de masterbatch 1, apresentou valores médios acima de 18kJ/m para o ensaio de resistência ao impacto Charpy, e para o ensaio de resistência a termooxidação suportou mais que 200h. Resultados que evidenciam a possibilidade do uso de polipropileno reciclado na produção de envoltórios de roda. Portanto, este estudo visa fornecer uma contribuição para o aumento do uso de material reciclado dentro da indústria automotiva. / Gradually, the polymeric materials have been given greater importance for the automotive industry. The increasing use of polymeric materials is in disagreement with environmental issues, while taking into account the final destination to be given for parts produced in polymeric materials. This paper aims to present results of tests using mixtures of recycled polypropylene with virgin polypropylene, used to produce parts of wraps of automotive wheels. We used two suppliers for the virgin polypropylene, four suppliers for recycled polypropylene and two suppliers of masterbatch. It is concluded that the use of recycled polypropylene to produce wheel wrap is possible without detriment to the final product performance. The samples containing the material PPR4 (recycled polypropylene 4), of the supplier for recycled polypropylene 4, with mixtures of up to 50% showed functional performance that meets the requirements of the automotive industry, assembly unrestricted dimensional device, without breaks in the trial of impact resistance by falling ball. The material PPR4 when mixed with a masterbatch with an impact modifier and antioxidant, MB1, supplier of masterbatch 1, showed values above 18kJ/m for the testing of Charpy impact strength, and to test for resistance to thermo-oxidation endured more than 200h. Results show that the possibility of using recycled polypropylene in the production of wheel wraps. Therefore, this study aims to provide a contribution to the increased use of recycled material in the automotive industry.

A constante evolução dos Materiais Poliméricos e seus compostos, a procura por um melhor desempenho e redução de peso em peças técnicas, têm levado a busca de soluções inovadoras em materiais termoplásticos para peças tradicionalmente produzidas em materiais metálicos. Nestes casos, a fase inicial de um projeto deve ser realizada com muito cuidado e é onde as metodologias de Seleção de Materiais e Processos de Fabricação (SMPF) mais podem contribuir para o sucesso de um produto. Existem muitas ferramentas para seleção de materiais, algumas delas até mesmo voltadas especificamente aos polímeros, mas nota-se que uma metodologia adequada - e talvez específica - ainda seja necessária. O objetivo deste trabalho foi analisar os métodos utilizados na academia e na indústria para a seleção de materiais termoplásticos, bem como os bancos de dados e programas de computador disponíveis, na busca de subsídios para auxiliar profissionais de projeto de produtos, sejam eles engenheiros ou não. Assim, tratou-se inicialmente de aspectos de Engenharia de Materiais e de SMPF e especificamente de Materiais Poliméricos termoplásticos, na busca de oferecer uma base comum por meio de definições e premissas utilizadas. Como é de interesse entender a inserção da filosofia de SMPF na indústria de transformação de materiais termoplásticos, investigou-se os processos de SMPF na academia e na indústria. A partir desta investigação, é apresentada uma discussão entre as semelhanças e uma possível intersecção entre estas duas realidades, analisando-se os sistemas existentes de maneira a apontar caminhos para estas duas áreas e culminando com uma proposta de modificações nas metodologias atuais para adequá-las as necessidades dos projetistas que trabalham com materiais poliméricos. / The constant evolution of polymers and its compounds, the search for better performance and weight reduction in parts have been leading to innovative solutions in thermoplastic replacing metals in parts traditionally made of the later. In such cases, the initial stages of a project needs a special care and are where the Material and Process Selection (MPS) tools can really shine. If the designer chooses wisely and take advantage of the design freedom made possible by the use of plastics, a part can not only be made more economically but also with a better performance. Many tools are available in the marketplace, some even designed to deal specifically with polymers, but it is becoming clear that a more adequate and specific polymer selection methodology is needed. The objective of this work is to analyze the methodologies used in the academy and in the industry in the area of thermoplastic materials selection, together with the databases and software available, in search for subsidies to help product designers in their work. In this way, this work deals initially with materials engineering, materials and process selection (MPS) and thermoplastic materials basic knowledge, in a way to offer a basis for discussion. As it tries to understand the MPS in the industry, these processes are investigated in the academy first, leading to a discussion on the similarities and possible intersection between both worlds, an analysis of the existing tools, and finally pointing towards modifications on the actual methodologies to bring the theory of MPS to the real world of designers.

O uso de componentes injetados de plástico aumentou nos últimos anos na maioria dos segmentos industriais. Como resultado, os processos envolvidos no projeto e na fabricação de moldes de injeção ganharam uma significativa atenção devido a grande complexidade, necessidade de baixo custo e, principalmente, curto tempo de manufatura. O uso de técnicas de Prototipagem e Ferramental Rápido (Rapid Prototyping/Rapid Tooling) surgiram como opções para esse setor, visando à rápida obtenção de peças protótipos. Porém, um dos desafios ainda presente está em garantir que as peças protótipos resultantes dessas técnicas atendam todas as dimensões solicitadas em aplicações reais. Este trabalho aborda a aplicação de materiais alternativos para a fabricação de moldes híbridos de injeção, dentro do conceito de Ferramental Rápido, com o objetivo de contribuir para uma melhor compreensão da influência desses materiais na qualidade final das peças protótipos obtidas. Um molde experimental, instrumentalizado com sensores de temperatura e, com uma das cavidades intercambiável, foi projetado e manufaturado para a injeção de uma peça de referência. As diferentes propriedades dos materiais utilizados na cavidade intercambiável, principalmente as propriedades térmicas, foram analisadas, bem como a influência dessas no produto final. Doze configurações diferentes (material da cavidade temperatura do molde) foram definidas para a obtenção de amostras. O experimento foi definido com o apoio de simulação matemática computacional. As amostras obtidas foram analisadas com relação as suas propriedades mecânicas (resistência ao impacto e à tração), propriedades físicas (dimensionamento, estudo morfológico e de cristalinidade) e propriedades químicas onde o grau de contaminação por metais pesados foi avaliado. As conclusões obtidas nesse trabalho mostram a importância da influência do material da cavidade do molde, e apresentam uma correlação das diferentes variáveis de processo com as propriedades obtidas nas peças protótipos injetadas através de técnica de Ferramental Rápido. / Submitted by Marcelo Teixeira (mvteixeira@ucs.br) on 2014-05-14T19:23:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Deives R Bareta.pdf: 9212045 bytes, checksum: 2808a91c52ab325c093e19f6e0199ed0 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-14T19:23:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Deives R Bareta.pdf: 9212045 bytes, checksum: 2808a91c52ab325c093e19f6e0199ed0 (MD5) / The application of plastic components has grown significantly in most of industrial segments during last years. This has attracted considerably attention for the injection mould design and manufacturing processes, which is one of the most expensive phases of injected plastic components development process. Techniques such as Rapid Prototyping/Rapid Tooling have appeared as potential solution in the field. However, one issue not resolved is how the prototypes obtained by these techniques can attend all features demanded by a true prototype. This research explores the application of softer alternative material to hybrid prototype injection moulds within the concept of rapid tooling, providing a better understanding about the influence of these materials in the final properties of plastic injected prototypes. An experimental injection mould, assembled with temperature sensors, and with interchangeability of the moulding blocks (core and cavity) has been designed and manufactured based on a tubular reference component. The different properties of the core materials, in special thermal, have been analyzed, as well as their influence on the reference component. A set of twelve configurations (core material mould temperature) have been defined to obtain the samples. Mathematical computational simulation was used to identify the more appropriate injection moulding parameters. The final samples have been analyzed in terms of mechanical properties (stress-strain and impact), physical properties (dimensions, morphology and crystallinity) and chemical properties. The conclusions show the influence of alternative materials, applied to core injection mould, on the final injected components. Also, a relationship between the different injection moulding parameters and the final prototype component properties are discussed.

O uso de componentes injetados de plástico aumentou nos últimos anos na maioria dos segmentos industriais. Como resultado, os processos envolvidos no projeto e na fabricação de moldes de injeção ganharam uma significativa atenção devido a grande complexidade, necessidade de baixo custo e, principalmente, curto tempo de manufatura. O uso de técnicas de Prototipagem e Ferramental Rápido (Rapid Prototyping/Rapid Tooling) surgiram como opções para esse setor, visando à rápida obtenção de peças protótipos. Porém, um dos desafios ainda presente está em garantir que as peças protótipos resultantes dessas técnicas atendam todas as dimensões solicitadas em aplicações reais. Este trabalho aborda a aplicação de materiais alternativos para a fabricação de moldes híbridos de injeção, dentro do conceito de Ferramental Rápido, com o objetivo de contribuir para uma melhor compreensão da influência desses materiais na qualidade final das peças protótipos obtidas. Um molde experimental, instrumentalizado com sensores de temperatura e, com uma das cavidades intercambiável, foi projetado e manufaturado para a injeção de uma peça de referência. As diferentes propriedades dos materiais utilizados na cavidade intercambiável, principalmente as propriedades térmicas, foram analisadas, bem como a influência dessas no produto final. Doze configurações diferentes (material da cavidade temperatura do molde) foram definidas para a obtenção de amostras. O experimento foi definido com o apoio de simulação matemática computacional. As amostras obtidas foram analisadas com relação as suas propriedades mecânicas (resistência ao impacto e à tração), propriedades físicas (dimensionamento, estudo morfológico e de cristalinidade) e propriedades químicas onde o grau de contaminação por metais pesados foi avaliado. As conclusões obtidas nesse trabalho mostram a importância da influência do material da cavidade do molde, e apresentam uma correlação das diferentes variáveis de processo com as propriedades obtidas nas peças protótipos injetadas através de técnica de Ferramental Rápido. / The application of plastic components has grown significantly in most of industrial segments during last years. This has attracted considerably attention for the injection mould design and manufacturing processes, which is one of the most expensive phases of injected plastic components development process. Techniques such as Rapid Prototyping/Rapid Tooling have appeared as potential solution in the field. However, one issue not resolved is how the prototypes obtained by these techniques can attend all features demanded by a true prototype. This research explores the application of softer alternative material to hybrid prototype injection moulds within the concept of rapid tooling, providing a better understanding about the influence of these materials in the final properties of plastic injected prototypes. An experimental injection mould, assembled with temperature sensors, and with interchangeability of the moulding blocks (core and cavity) has been designed and manufactured based on a tubular reference component. The different properties of the core materials, in special thermal, have been analyzed, as well as their influence on the reference component. A set of twelve configurations (core material mould temperature) have been defined to obtain the samples. Mathematical computational simulation was used to identify the more appropriate injection moulding parameters. The final samples have been analyzed in terms of mechanical properties (stress-strain and impact), physical properties (dimensions, morphology and crystallinity) and chemical properties. The conclusions show the influence of alternative materials, applied to core injection mould, on the final injected components. Also, a relationship between the different injection moulding parameters and the final prototype component properties are discussed.

O objetivo central deste trabalho é implementar modelos constitutivos hiperelásticos não lineares em um código computacional que faz análise não linear geométrica de cascas. São necessários, para este propósito, conceitos sobre álgebras linear e tensorial, cinemática, deformação, tensão, balanços, princípios variacionais, métodos numéricos e hiperelasticidade. Tal programa usa a formulação Lagrangiana posicional, o método dos elementos finitos, o princípio dos trabalhos virtuais e o método iterativo de Newton-Raphson para solução das equações não lineares. O elemento finito de casca possui dez nós, sete parâmetros por nó e variação linear da deformação ao longo da espessura. Para dedução dos novos modelos usou-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração, o tensor deformação de Green-Lagrange e o tensor da tensão de Piola-Kirchhoff de segunda espécie. O código desenvolvido foi usado em simulações de diversos exemplos e apresentou boa precisão na análise mecânica de polímeros naturais altamente deformáveis. A ocorrência do fenômeno travamento não se manifestou nas análises realizadas. A presente pesquisa confirmou outros trabalhos, reforçou a necessidade de se usar modelos hiperelásticos não lineares para simular o comportamento mecânico de polímeros naturais e apresentou resultados condizentes com dados experimentais existentes na literatura científica e às respectivas soluções analíticas. / The main objective of this work is to implement nonlinear hyperelastic constitutive models in a computational code of geometrically nonlinear analysis of shells. For this purpose, concepts of linear and tensor algebras, kinematics, strain, stress, balances, variational principles, numerical methods and hyperelasticity are necessary. Such program uses the positional Lagrangian formulation, the finite element method, the principle of virtual work and the iterative method of Newton-Raphson for the solution of the nonlinear equations. The shell finite element has ten nodes, seven parameters per node and presents linear variation of the strain along the thickness. To achieve the new constitutive models the multiplicative decomposition of the deformation gradient, the Green-Lagrange strain tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor are used. The developed code is tested for simulations of various examples and presents good accuracy in the mechanical analysis of highly deformable natural rubber. The locking phenomena didn\'t appear in the proposed analysis. The present research confirms other works, corroborates the need of using nonlinear hyperelastic models to simulate the mechanical behavior of natural rubber and presents suitable results when compared to existent experimental data of the scientific literature and to the respective analytical solutions.

Os biopolímeros surgem como materiais alternativos no atendimento aos requisitos de desempenho que a área médica tem exigido para implantes ósseos. Nesse contexto o polímero poliuretano derivado de óleo de mamona (Ricinus communis) tem obtido lugar de destaque. Mesmo assim, esse material, considerado um biopolímero regenerador ósseo, ainda necessita de investigação mecânica consistente para uma aplicação de forma confiável. No entanto, há uma grande dificuldade em se prever o comportamento mecânico das estruturas fabricadas por biopolímeros. Diante desse fato, o presente projeto de pesquisa visa através de ensaios experimentais em amostras padronizadas para ensaios de tração e compressão, bem como, ensaios normalizados para próteses de quadril, adquirir propriedades de material adequadas para a implementação dos modelos computacionais, assim como dados de comportamento mecânico sob solicitação. De posse desses dados, através do método dos elementos finitos, são realizadas simulações computacionais com o objetivo de verificar a capacidade do modelo de material de Drucker-Prager representar o comportamento mecânico do biopolímero. Este modelo é aplicado inicialmente na simulação dos ensaios de tração e compressão e posteriormente nas simulações das próteses em biopolímero, onde carregamentos mais complexos estão presentes. Os resultados obtidos nas simulações são analisados e discutidos para fins de validação do uso deste modelo de material em estruturas fabricadas com o biopolímero. / Biopolymers have been widely used as alternative materials to attend the performance requirements that medical area has demanded to bone implants. In this way, the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis) has taken a distinct place. Nevertheless, this material, considered bone constructive, still needs a consisting mechanical investigation for a reliable application, despite the great difficulty to predict the mechanical behavior of biopolymer structures. Face this fact, this work intends through experiments in normalized specimens for tensile and compressive tests, as well as normalized tests for hip implants, to obtain material properties and mechanical behavior data required to implement computational models of the hip prosthesis. Using the finite element method, computational simulations are carried out to verify the capability of Drucker-Prager material model to represent the biopolymer mechanical behavior. This model is first applied in tensile and compressive tests simulations, and further in prosthesis biopolymer simulations, where more complex loadings are present. The results of these simulations are analyzed and discussed in order to validate the use of this material model in biopolymers structures.

Tese de mestrado. Engenharia de Segurança e Higiene Ocupacionais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

O objetivo central deste trabalho é implementar modelos constitutivos hiperelásticos não lineares em um código computacional que faz análise não linear geométrica de cascas. São necessários, para este propósito, conceitos sobre álgebras linear e tensorial, cinemática, deformação, tensão, balanços, princípios variacionais, métodos numéricos e hiperelasticidade. Tal programa usa a formulação Lagrangiana posicional, o método dos elementos finitos, o princípio dos trabalhos virtuais e o método iterativo de Newton-Raphson para solução das equações não lineares. O elemento finito de casca possui dez nós, sete parâmetros por nó e variação linear da deformação ao longo da espessura. Para dedução dos novos modelos usou-se a decomposição multiplicativa do gradiente da função mudança de configuração, o tensor deformação de Green-Lagrange e o tensor da tensão de Piola-Kirchhoff de segunda espécie. O código desenvolvido foi usado em simulações de diversos exemplos e apresentou boa precisão na análise mecânica de polímeros naturais altamente deformáveis. A ocorrência do fenômeno travamento não se manifestou nas análises realizadas. A presente pesquisa confirmou outros trabalhos, reforçou a necessidade de se usar modelos hiperelásticos não lineares para simular o comportamento mecânico de polímeros naturais e apresentou resultados condizentes com dados experimentais existentes na literatura científica e às respectivas soluções analíticas. / The main objective of this work is to implement nonlinear hyperelastic constitutive models in a computational code of geometrically nonlinear analysis of shells. For this purpose, concepts of linear and tensor algebras, kinematics, strain, stress, balances, variational principles, numerical methods and hyperelasticity are necessary. Such program uses the positional Lagrangian formulation, the finite element method, the principle of virtual work and the iterative method of Newton-Raphson for the solution of the nonlinear equations. The shell finite element has ten nodes, seven parameters per node and presents linear variation of the strain along the thickness. To achieve the new constitutive models the multiplicative decomposition of the deformation gradient, the Green-Lagrange strain tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor are used. The developed code is tested for simulations of various examples and presents good accuracy in the mechanical analysis of highly deformable natural rubber. The locking phenomena didn\'t appear in the proposed analysis. The present research confirms other works, corroborates the need of using nonlinear hyperelastic models to simulate the mechanical behavior of natural rubber and presents suitable results when compared to existent experimental data of the scientific literature and to the respective analytical solutions.

Os biopolímeros surgem como materiais alternativos no atendimento aos requisitos de desempenho que a área médica tem exigido para implantes ósseos. Nesse contexto o polímero poliuretano derivado de óleo de mamona (Ricinus communis) tem obtido lugar de destaque. Mesmo assim, esse material, considerado um biopolímero regenerador ósseo, ainda necessita de investigação mecânica consistente para uma aplicação de forma confiável. No entanto, há uma grande dificuldade em se prever o comportamento mecânico das estruturas fabricadas por biopolímeros. Diante desse fato, o presente projeto de pesquisa visa através de ensaios experimentais em amostras padronizadas para ensaios de tração e compressão, bem como, ensaios normalizados para próteses de quadril, adquirir propriedades de material adequadas para a implementação dos modelos computacionais, assim como dados de comportamento mecânico sob solicitação. De posse desses dados, através do método dos elementos finitos, são realizadas simulações computacionais com o objetivo de verificar a capacidade do modelo de material de Drucker-Prager representar o comportamento mecânico do biopolímero. Este modelo é aplicado inicialmente na simulação dos ensaios de tração e compressão e posteriormente nas simulações das próteses em biopolímero, onde carregamentos mais complexos estão presentes. Os resultados obtidos nas simulações são analisados e discutidos para fins de validação do uso deste modelo de material em estruturas fabricadas com o biopolímero. / Biopolymers have been widely used as alternative materials to attend the performance requirements that medical area has demanded to bone implants. In this way, the Castor Oil Polyurethane (Ricinus communis) has taken a distinct place. Nevertheless, this material, considered bone constructive, still needs a consisting mechanical investigation for a reliable application, despite the great difficulty to predict the mechanical behavior of biopolymer structures. Face this fact, this work intends through experiments in normalized specimens for tensile and compressive tests, as well as normalized tests for hip implants, to obtain material properties and mechanical behavior data required to implement computational models of the hip prosthesis. Using the finite element method, computational simulations are carried out to verify the capability of Drucker-Prager material model to represent the biopolymer mechanical behavior. This model is first applied in tensile and compressive tests simulations, and further in prosthesis biopolymer simulations, where more complex loadings are present. The results of these simulations are analyzed and discussed in order to validate the use of this material model in biopolymers structures.