El uso de los materiales poliméricos en el campo de la medicina ha demostrado un gran avance durante los últimos años, buscando mejorar y ofrecer nuevos tratamientos de rehabilitación más especializados. Un material muy utilizado hoy en día es el poli(ácido láctico) (PLA) el cual es un polímero termoplástico con características limitadas como su biocompatibilidad y biodegradación, por otro lado sus buenas propiedades mecánicas, procesamiento y fácil modificación superan estas limitaciones convirtiéndolo en un polímero con muchas posibilidades de desarrollo. Hoy en día este polímero es muy utilizado para su investigación en el campo de los armazones (scaffolds). Los armazones son estructuras temporales que promueven la reparación, regeneración de tejidos y órganos; por tal razón se ha convertido en un tema de estudio actual e importante en el campo de desarrollo de la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa. De esta manera se plantea la fabricación de armazones utilizando la técnica de modelado por deposición de fundido (FDM) utilizado frecuentemente en la impresión 3D. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de armazones (scaffolds) a partir de poli (ácido láctico) (PLA) y polietilenglicol (PEG) utilizando la técnica de modelado por deposición fundida empleada en impresión 3D. Para el cumplimiento de los objetivos se utilizaron filamentos de PLA para fabricar armazones de diversas características morfológicas según la metodología experimental, la cual considera la evaluación de los valores y rangos de estudio de los diversos parámetros de impresión en relación con el material utilizado. Los ensayos realizados para la caracterización de las propiedades de los armazones fueron los siguientes: tracción, compresión, calorimetría diferencial, microscopia estereoscópica y degradación. Siguiendo en la mayoría las recomendaciones y procedimientos propuestos en las normas ASTM. Se fabricaron armazones con poros interconectados de diferente morfología, con tamaños de poro en el rango de 176 a 675 micras, resistencias a la tracción desde 8,33 MPa hasta 11,28 MPa, resistencias a la compresión desde 6,15 MPa hasta 15,17 MPa y porosidades entre 56,12% a 63,3% además los valores descritos cumplen los requerimientos para su potencial utilización como armazones para la reparación y regeneración de diversos tipos de tejidos duros, como el hueso esponjoso, y blandos como el cartílago. / Tesis

Hoy en día la manufactura aditiva está teniendo una gran acogida tanto en el campo académico como industrial, ya que con ella se pueden fabricar piezas con geometrías complicadas sin la necesidad de usar moldes o los clásicos procesos de manufactura por remoción de material, donde un gran porcentaje del material es desperdiciado sin la opción en muchos casos a poder reciclarlos. En cambio con la manufactura aditiva se pueden obtener piezas de manera directa partiendo de un modelo tridimensional hecho por un programa de diseño asistido por computador (CAD). Sin embargo el limitado uso de materiales y la anisotropía de las propiedades mecánicas de piezas obtenidas por manufactura aditiva, no la hacen muy llamativa en ciertas aplicaciones donde se requiera una alta exigencia mecánica. En ese sentido el objetivo del presente trabajo es desarrollar materiales compuestos de matriz termoplástica: Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Y Poliácido Láctico (PLA), reforzadas con nanoarcillas, utilizando la técnica de modelado por deposición fundida (FDM: Fused deposition modeling) empleada en manufactura aditiva. La investigación se desarrolló principalmente en dos etapas. Primero, se estudió el efecto de los principales parámetros de impresión sobre las propiedades mecánicas de piezas obtenidas por FDM con el objetivo de seleccionar valores de dichos parámetros que permitan una fácil impresión para generar piezas de ABS y PLA con buenas propiedades mecánicas. Segundo, se evaluaron las propiedades mecánicas de probetas impresas mediante FDM a partir de filamentos de material compuesto de matriz termoplástica (ABS y PLA) reforzado con nanoarcillas. Se demostró que las propiedades mecánicas de las probetas impresas mediante FDM varían considerablemente con la temperatura de impresión, altura de capa y ángulo de impresión, encontrando resistencias a la tracción desde 28.3 MPa hasta 43.4 MPa para el ABS y desde 52.9 MPa hasta 61.2 MPa para el PLA. Así mismo se logró una adecuada impresión 3D de materiales compuestos, aumentando la resistencia a la tracción del ABS con contenido de nanoarcillas, pero una caída en la resistencia al impacto. Mientras que para el PLA la resistencia a la tracción disminuyo sensiblemente al introducir las nanoarcillas, pero su resistencia al impacto se incrementó con un contenido de 3% de nanoarcillas. / Tesis

O principal desafio na tecnologia de processamento de materiais compósitos estruturais é a obtenção de uma adequada interface/interfase entre o reforço e a matriz. Um método para modificar e controlar as propriedades físicas desta região interfacial é pela aplicação de um sizing (recobrimento) na superfície do reforço, antes de sua impregnação com a matriz polimérica. Atualmente, as poliimidas (PI) têm sido utilizadas como sizing, devido às suas altas temperaturas de transição vítrea (210 - 430C ou superior) e de decomposição (> 500C). Outra forma de utilização das PI como interfase está no emprego de uma técnica de processamento de compósitos termoplásticos bastante inovadora: a pré-impregnação via suspensão polimérica. Esta técnica envolve a impregnação do reforço, pelo contato deste em uma suspensão aquosa das partículas davmatriz polimérica de impregnação. Uma vez que, a fabricação de compósitos termoplásticos é dificultada pela alta viscosidade das matrizes fundidas, este método mostra-se bastante atrativo como uma alternativa às técnicas tradicionais de processamento. Além disso, a utilização do precursor da PI, os poli(ácido âmico) (PAA), como agentes responsáveis para promover a suspensão das partículas da matriz polimérica no sistema de pré-impregnação, oferece a vantagem deste, atuar como formador da região interfacial em compósitos. O objetivo do presente trabalho é comparar duas técnicas de processamento de compósitos termoplásticos: por moldagem por compressão a quente e por suspensão polimérica e analisar a influência da região interfacial formada na resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) dos compósitos preparados. Neste trabalho foram feitas cinco diferentes sínteses de PAA para a utilização no processo de pré-impregnação via suspensão polimérica, pela variação dos dianidridos (BTDA e PMDA) e das diaminas (DHPr, ODA, DDS, Bis-P). O sucesso das síntese e da conversão dos PAA em PI foi confirmado por análise de DSC, TG, MEV, FTIR, GPC e RMN de sólidos. A partir dos PAA sintetizados foram preparadas suspensões com os polímeros PEEK, PPS, PEI e nylon 6/6, que foram utilizadas na preparação de pré-impregnados com tecidos de fibras de carbono. Os resultados de ILSS dos laminados obtidos pelas duas técnicas mostram que, de uma maneira geral, as PI formaram uma região interfacial que melhorou a adesão da fibra de carbono com as matrizes poliméricas estudadas.

Os materiais compósitos de matriz termoplástica vem sendo cada vez mais utilizados na indústria aeronáutica. A praticidade na moldagem e o fato de serem recicláveis e assim ambientalmente amigáveis são duas das vantagens que este tipo de material apresenta sobre os compósitos de matriz termorrígida. Para serem utilizados, dois aspectos importantes de suas propriedades devem ser caracterizados, a vida em fadiga e o efeito ambiental em suas propriedades mecânicas. Sabe-se que os esforços em vôo são muito repetitivos e as diferentes condições ambientais que as aeronaves estão submetidas variam muito, desde -55 C até 80 C, com umidade muito alta ou quase seca. Atuando nesta faixa de temperatura e umidade, foi feita a determinação da resistência ao cisalhamento interlaminar, tração estática e fadiga em condições que variavam entre -55 e 80 C e com umidade absorvida de zero a 75% da umidade no ponto de saturação de absorção de água do material. Foi feita a análise fractográfica das superfícies de fratura após os ensaios mecânicos, determinando-se os modos de falha e identificando-se os aspectos fractográficos nos componentes do material, definindo-se onde o dano foi maior. De modo geral, constatou-se que o modo de falha para os ensaios em fadiga foi frágil com dano predominante na matriz, tanto na condição seca quanto úmida, para amostras à -55 C, frágil tendendo a dúctil nas amostras à 20 C, predominante na matriz e dúctil nas amostras à 80 C, predominante na interface e com dano por abrasão na matriz.

Usualmente, componentes termoplásticos estruturais são obtidos pela técnica de moldagem por compressão a quente, porém a dimensão da peça é limitada pelo tamanho e capacidade da prensa. Procurando contribuir para ampliar a aplicação de compósitos termoplásticos, pela possibilidade de se fabricar peças maiores e com maior potencial de integração, pelo uso de infraestrutura já disponível em processadores de compósitos, este trabalho aborda o processamento de laminados de poli(sulfeto de fenileno) (PPS) reforçado com fibra de carbono em autoclave, pelo uso de quatro diferentes ciclos de consolidação. Os resultados mostram a viabilidade da consolidação do compósito termoplástico de PPS/fibra de carbono em autoclave, em substituição à moldagem por compressão a quente. Resultados de inspeção por ultrassom revelam que os laminados processados apresentam-se homogêneos e sem descontinuidades. Análises de DSC mostram que as porcentagens de cristalinidade dos laminados variam entre 18-30% em função dos parâmetros de processamento utilizados nos quatro ciclos estudados, sendo que o ciclo com menor taxa de resfriamento (1-5 C/min) favoreceu a maior cristalinidade da matriz polimérica (30%). Resultados dos ensaios mecânicos realizados (compressão, flexão e cisalhamento interlaminar) mostram valores equivalentes aos apresentados na literatura para laminados processados por moldagem por compressão a quente e, também, que as amostras com maior cristalinidade apresentam menor resistência à compressão, uma vez que o maior grau de cristalinidade promove uma maior fragilização da matriz polimérica.

Neste trabalho foram avaliadas três condições de soldagem por resistência em um compósito híbrido de fibra de vidro e fibra de carbono com matriz de PPS. Os métodos utilizados para caracterizar a soldagem foram: 1 - Avaliação da tenacidade à fratura interlaminar em modo I da junta soldada pela técnica DCB; 2 - Avaliação da resistência ao cisalhamento interlaminar através do ensaio de flexão em 3-pontos em vigas curtas; 3 - Inspeção não-destrutiva pelo método de ultrassom; 4 - Avaliação micrográfica da seção soldada; e 5 - Análise de falha da superfície de fratura. Das propriedades avaliadas, GI e cisalhamento interlaminar, os corpos-de-prova soldados apresentaram características que se situaram entre as condições de referência (laminados sólidos produzidos em autoclave e laminados sólidos produzidos por co-consolidação). Em termos do ensaio de tenacidade à fratura interlaminar em modo I os resultados permitiram avaliar a qualidade da soldagem nesse modo de solicitação.

O interesse na utilização de compósitos de matriz termoplástica tem crescido continuamente na indústria aeroespacial, demandando a necessidade de ampla investigação do comportamento mecânico desses materiais para verificação da viabilidade de sua aplicação no produto. A proposta deste trabalho é avaliar as influências da fadiga (4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos) e das condições ambientais (-55C, 23C, e 82C/Umid) na resistência final à compressão do compósito termoplástico poli(sulfeto de fenileno) reforçado com fibra de carbono, por meio de ensaios de compressão com furo induzido (Open-Hole Compression - OHC). Análises do efeito da fadiga evidenciam que às temperaturas de -55 e 23C, as resistências OHC finais foram 6-13% e 5-10% maiores para os corpos-de-prova fadigados que para os não-fadigados; na análise pós-falha, observa-se uma maior quantidade de delaminações ao redor do furo para os corpos-de-prova que sofreram fadiga em comparação aos que não sofreram fadiga, possivelmente devido a separações das fibras e delaminações durante o ensaio de fadiga, causando a redução da concentração de tensão no furo e assim o aumento de sua resistência final. Na condição 82C/Umid, não há alteração na resistência OHC com a ciclagem: a temperatura próxima à temperatura de transição vítrea (Tg) associada à umidade pode ter resultado em amolecimento da matriz, sugerindo uma redução na separação das fibras durante a ciclagem, observando-se características de falha similares, apresentando mínima delaminação na região do furo. Análises do efeito da temperatura mostram que resistências OHC finais diminuem com o aumento da temperatura e nota-se uma maior quantidade de danos com a diminuição da temperatura de ensaio. Da condição 23C para 82C/Umid, a resistência à compressão do compósito diminui em 6-7%, 13-20% e 18-20% após 0 ciclos (estático), 4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos, respectivamente, uma vez que a temperatura próxima à Tg da matriz, associada com umidade, resulta no seu amolecimento, reduzindo o suporte lateral às fibras 0, direcionando para uma falha devido à instabilidade da fibra. Por outro lado, uma baixa temperatura (-55C) melhora a resistência à compressão em 8-10%, 13-14% e 4-7% após 0 ciclos (estático), 4,0 × 104 e 8,0 × 104 ciclos, respectivamente, quando comparado com a condição 23C, podendo ser atribuído a interfaces fibra-matriz mais compactas aumentando a contribuição da fibra para resistência à compressão. Observam-se características de falhas por compressão, como bandas de torção e microflambagem das fibras fora-do-plano, nos corpo-de-prova pós-falha para todas as condições ambientais.

No processamento de compósitos poliméricos de alto desempenho a fibra de carbono (FC) é um reforço muito utilizado por oferecer vantagens como altos valores de resistência mecânica e de módulo de elasticidade e baixa massa específica, além de propriedades como inércia química, resistência térmica e condutividade elétrica. Entretanto sabe-se que, a FC possui baixa molhabilidade por determinadas matrizes poliméricas dificultando a adesão fibra-matriz, que é fator determinante para o sucesso da aplicação dos compósitos. Para minimizar essa limitação utiliza-se tratamentos de superfície nas fibras visando melhorar a adesão fibra-matriz e, conseqüentemente, as propriedades finais desses materiais. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo a avaliação do efeito do tratamento da superfície da FC com ácidos clorídrico e nítrico e, também, com plasmas frios de argônio e de oxigênio. As fibras de carbono tratadas foram avaliadas por microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia fotoeletrônica de raios-X e ensaios de resistência à tração, sendo esses últimos analisados pela estatística de Weibull. Compósitos foram preparados pelo uso das fibras tratadas e de matrizes termoplásticas de poli (éter-éter-cetona), poli (éter-imida) e poli (sulfeto de fenileno), e avaliados por ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS). Correlacionando-se os resultados obtidos, conclui-se que os tratamentos de superfície utilizados mudaram tanto a rugosidade como a natureza química da superfície das fibras. O tratamento com o ácido nítrico foi o que provocou as mais significativas mudanças químicas na fibra de carbono e os melhores resultados nos ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar.

Neste trabalho encontra-se apresentada a produção de compósitos termoplásticos pela impregnação de fibras de carbono contínuas com poliamida 6/6, utilizando o processo de polimerização interfacial. Para isto, foi projetado e construído um sistema de polimerização interfacial, no qual foram utilizados como monômeros para a síntese da poliamida 6/6, o cloreto de adipoíla e o hexametilenodiamina. Após a impregnação dos cabos de fibras com a poliamida recém sintetizada foi produzido um tecido e este foi laminado e submetido ao processo de moldagem por compressão a quente, na obtenção dos laminados termoplásticos. As propriedades físicas, mecânicas, reológicas e térmicas, bem como as características microestruturais destes compósitos foram correlacionadas. A síntese da poliamida 6/6 via polimerização interfacial foi realizada com sucesso, apresentando as mesmas características da poliamida comercial (fornecida pela Rhodia) e o controle da espessura do recobrimento da poliamida 6/6 sobre a superfície da fibra de carbono também apresentou resultados satisfatórios. Os resultados mostraram que o processo de polimerização interfacial associado ao processo de moldagem por compressão a quente é viável para a obtenção de compósitos com um volume do reforço em torno de 60%, atendendo requisitos aeronáuticos. Os compósitos obtidos via polimerização interfacial apresentaram um comportamento mecânico similar, e em alguns casos, superior aos compósitos obtidos via moldagem por compressão a quente a partir da poliamida comercial.

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.