The increased use of thermoplastics in load carrying components, especially in the automotive industry, drives the needs for a better understanding of its complex mechanical properties. In this thesis work for a master degree in solid mechanics, the mechanical properties of a PA 6/66 resin with and without reinforcement of glass fibers experimentally been investigated. Topics of interest have been the dependency of fiber orientation, residual strains at unloading and compression relative tension properties. The experimental investigation was followed by simulations implementing existing and available constitutive models in the commercial finite element code LS-DYNA. The experimental findings showed that the orientation of the fibers significantly affects the mechanical properties. The ultimate tensile strength differed approximately 50% between along and cross flow direction and the cross-flow properties are closer to the ones of the unfilled resin, i.e. the matrix material. An elastic-plastic model with Hill’s yield criterion was used to capture the anisotropy in a simulation of the tensile test. Residual strains were measured during strain recovery from different load levels and the experimental findings were implemented in an elastic-plastic damage model to predict the permanent strains after unloading. Compression tests showed that a stiffer response is obtained for strains above 3% in comparison to tension. The increased stiffness in compression is although too small to significantly influence a simulation of a 3 point bend test using a material model dependent of the hydrostatic stress.

Thermoplastic materials have significant nonlinear behaviour. The nonlinear behaviour is described by creep curves. The curves of creep modules are dependent on stress, temperature and time. The dissertation thesis deals with the approximation of the creep modules by Prony series. Subsequently three procedures are proposed to take account of creep modules. The proposed procedures are used in two applications. The first application deals with the ring stiffness value of a corrugated sewage pipe. The ring stiffness value is influenced by the creep modulus. The other one deals with a thermoplastic flange connection. The clamping force is dependent on the creep modulus of thermoplastics. The problems were solved by ANSYS program system.

[pt] O baixo custo, aliado a redução de peso e consequente aumento da eficiência, atingindo os mesmos níveis desejáveis de resistência mecânica, tem seduzido diversos setores da indústria à extensão do uso de polímeros termoplásticos em seus produtos finais. Dentro desses setores, o aumento em volume do emprego de polímeros não só tem crescido em aplicações de uso gerais, como também em aplicações estruturais. Com isso, o conhecimento detalhado do comportamento mecânico desses materiais faz-se necessário a fim de assegurar suas devidas propriedades em trabalho, sendo atrativo o uso de modelos constitutivos para a predição do comportamento final. Entretanto, os polímeros são materiais semicristalinos que possuem mecanismos de deformação e falha complexos. A maioria dos polímeros deformam-se homogeneamente até o escoamento, porém após esse, devido a estricção, o campo de deformações torna-se heterogêneo, fazendo com que o uso de técnicas experimentais clássicas, como a extensometria, seja inadequado. Dentre os métodos mais apropriados para a avaliação de polímeros em altas deformações, pode-se destacar a correlação de imagens digitais (CID). A técnica CID permite a avaliação da variação local da deformação e é capaz de prover uma descrição completa da deformação, inclusive na região do pescoço. Apesar do potencial de uso da CID em polímeros, seu emprego ainda é incipiente devido ao desenvolvimento recente da técnica. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento de polímeros termoplásticos sob grandes deformações mediante o uso da técnica CID. Diante do alto custo dos sistemas CID comerciais, desenvolveu-se um arranjo e procedimento simples para a aquisição e análise das imagens digitais. A fim de predizer o comportamento mecânico e entender melhor os mecanismos de deformação envolvidos, diversos modelos constitutivos também foram testados. / [en] Low cost, coupled with weight reduction and consequent increase in efficiency, reaching the same desirables levels of mechanical strength, has seduced several industry sectors to expand the use of thermoplastic polymers in their final products. Within these sectors, the increase in volume of polymer has not only grown in general use, but also in structural applications. Thus, in order to ensure their proper properties in work, the detailed knowledge of the mechanical behavior of these materials is necessary and the use of constitutive models for the prediction of the final mechanical behavior becomes attractive. However, polymers are semi-crystalline materials that show complex deformation and failure mechanisms. Most of the polymers deform homogeneously until the yield point, but after, due to necking, the strain field becomes heterogeneous, making the use of classic experimental techniques, such as extensometry, inadequate. Among the most appropriate methods for the evaluation of polymers at large deformation, it is possible to highlight the digital image correlation (DIC). DIC technique allows the evaluation of local strain and is able to provide a complete description of the strain field, including the neck region. Despite the potential of DIC in polymers, its use is still incipient due to the recent development of the technique. Thus, the present work has the objective of evaluating the behavior of thermoplastic polymers under large deformation using DIC. Given the high cost of commercial DIC systems, a simple arrangement and procedure for the acquisition and analysis of the digital images was developed. In order to predict the mechanical behavior and to better understand the mechanisms of deformation involved, several constitutive models were also tested.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.

Sur un exemple concret d’entreprise française disposant des technologies innovantes dans les domaines du chauffage et de la distribution d’eau et ayant un projet d’expansion vers un nouveau marché, en l’occurrence, le marché russe, l’auteur montre l’importance de ces technologies pour accéder au marché fortement différent du marché domestique. Au sein du secteur du chauffage dans un pays où, à cause des conditions climatiques froides, le besoin de se chauffer présente un besoin vital, où le retard technologique dû au phénomène historique du monopole du chauffage central collectif est particulièrement ressenti et où le marché est en pleine formation avec la montée de la concurrence, les technologies nouvelles ont sans doute un rôle capital à jouer. Comment l’entreprise porteuse de ces technologies doit-t-elle aborder le marché russe certes très prometteur, mais fragile surtout en cette période délicate de la crise économique mondiale? Quels en sont les risques et les perspectives ? Comment réussir ce marché ? Comment mettre en valeur et transférer de nouvelles solutions technologiques ? Quels sont les avantages de ce transfert pour l’entreprise, mais également pour son partenaire local, pour la région visée et pour l’Etat receveur ? Telles sont les questions que l’auteur se pose. Le rôle des technologies nouvelles va certainement au-delà d’un secteur ou d’un domaine d’activité : les technologies nouvelles apportées par des entreprises occidentales ont sans doute accéléré, en ce qui concerne la Russie, le passage d’un système économique du type soviétique vers un système de libre-échange que l’on connait sous le terme d’économie de marché. / On a specific example of a French company having innovative technologies in the field of heating and water distribution, and realizing an expansion project to a new market, in this case, the Russian market, the author shows the importance of technologies when penetrating a market strongly different from the domestic one. Within the heating sector in the country where, because of a cold climate, the need to feel warm is a vital need, where the technological backwardness due to the historical phenomenon of the central residential heating monopoly is obvious, and where market is taking shape and competition is now growing, new technologies have without doubt a capital part to play. How should a company with such technologies approach the Russian market certainly very promising, but also fragile especially in this delicate period of the world economic crisis? What are the risks and the perspectives for the company? How to succeed in this market? How to enhance the value and to transfer new technological solutions? What advantages does this transfer bring to the company, but also to the company’s local partner, to the targeted region, and to the receiving country? These are questions the author asks himself. The role of new technologies is certainly beyond a sector or a field of activity: the new technologies brought by western companies undoubtedly accelerated, as Russia is concerned, the change from the Soviet-type economic system to a free-market system, known as the market economy.

Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

[pt] Os termoplásticos representam a grande maioria dos polímeros empregados hoje em dia e a grande vantagem de sua aplicação é que podem ser reaquecidos e moldados repetidamente. Com a crise do petróleo em 1973, os custos para transformar o petróleo em materiais plásticos se tornaram mais atrativos do que transformá-lo em materiais mais tradicionais. Com isso, os investimentos nas indústrias de transformação cresceram, ao mesmo tempo que a preocupação com o meio ambiente. Devido a facilidade de reprocessar esses materiais a temperaturas moderadas, muitas empresas passaram a reutilizar seus resíduos dentro de seus próprios processos. Neste escopo, esse trabalho tem como objetivo estudar o comportamento mecânico do polietileno de baixa densidade (PEBD) e de uma mistura física formada por polietileno de baixa densidade (PEAD) e polietileno de alta densidade, com uma proporção de 80/20, ao serem submetidos a diversos ciclos de processamento. Os materiais estudados foram preparados e doados pela Companhia de Canetas Compactor. Para este estudo, o material sofreu dez etapas de injeção/extrusão. A partir de ensaios de tração foram determinadas as tensões e cargas máximas suportadas, calculando-se em seguida o módulo de elasticidade, alongamento e tenacidade de cada material. A adição do PEAD é responsável por aumentar a resistência e a dureza do material. Do ponto de vista prático, o material reprocessado não apresentou mudanças significativas de performance. Análises por infravermelho mostraram que não há degradação por oxidação ao longo do processo de reciclagem. / [en] Thermoplastics are the most used polymers nowadays on account of being easily reprocessable with high temperatures. During the oil crisis in 1973 the costs of transforming oil into plastic materials became more attractive than turning them into more traditional materials. Furthermore, the investments in transformation industries grew alongside the concern for the environment. Due to the ease of reprocessing these materials a lot of companies started recycling them within their process. In this context, the present study aims to analyze the mechanical behavior of a low density polyethylene (LDPE) and high density polyethylene (HDPE) blend and pure LDPE after 10 cycles of reprocessing. The polymers were donated by Companhia de Canetas Compactor. The materials suffered up to 10 cycles of injection moulding/extrusion. Tensile tests were made to determine the maximum yield stress and maximum load allowed. Afterwards, calculations were made to determine elongation, Young modulus and toughness. The HDPE addition was responsible to raise the materials yield stress and hardness. From a practical point of view the reprocessing didn t affect significantly the materials performance. FTIR analyses didn t detect oxidation through the process.

A manufatura aditiva é um processo de fabricação que se caracteriza por adicionar material camada a camada, apresentando assim pouca limitação geométrica. Esta tecnologia tem revolucionado os processos produtivos, podendo ser inclusive empregados como parte dos produtos finais. Uma das tecnologias existentes é baseada no princípio de extrusão de material, o qual se caracteriza por adicionar um filamento polimérico através de um cabeçote extrusor. Dentro do planejamento do processo deste princípio existe a etapa de planejamento da trajetória, onde é definida a estratégia de deposição de material e qual a sequência de deposição do mesmo. Neste processo observam-se movimentos ociosos (sem deposição de filamento) do cabeçote de extrusão. Vários estudos já foram realizados a fim de minimizar os tempos ociosos, envolvendo algoritmos de otimização de trajetória, porém sem a preocupação da verificação de possíveis efeitos dessa otimização nas peças produzidas. Portanto, esse trabalho tem por objetivo avaliar a influência do planejamento de trajetória sem e com otimização nas propriedades mecânicas, dimensional e no tempo de fabricação no princípio de extrusão de material utilizando o poli (ácido láctico - PLA) como material. Também foi realizado um experimento onde foi possível analisar a influência do tempo ocioso do cabeçote extrusor durante a deposição de filamento em uma mesma camada. Para isso foi programado uma interrupção do bico extrusor durante a deposição do filamento. Corpos de prova foram fabricados utilizando a impressora 3D Cloner em diferentes quantidades. Ensaios de tração, flexão a 3 pontos, comparação do tempo de fabricação e avaliação dimensional foram realizadas. Os resultados mostraram uma variação de 7% e 10% na tensão de ruptura a tração e flexão, respectivamente, entre os diferentes planejamentos de trajetória testados. Já para os experimentos com interrupção do bico extrusor a variação chegou até 46% (decréscimo na resistência a flexão). Em relação ao tempo de fabricação entre os diferentes planejamentos testados houve uma diferença de até 42,7% no tempo de fabricação e na avaliação dimensional observou-se pouca variação entre os métodos testados. / Additive manufacturing is characterized by adding material layer by layer, thus presenting little geometric limitation. This technology has revolutionized the production process and can even be employed as part of the final product. One of the existing technologies is based on the material extrusion principle, which is characterized by adding a polymeric filament through an extruder head. One of the stage of the process planning in this principle is the path planning, where the strategy and the sequence of the material deposition is defined. In this process there are idle movements (without material deposition) of the extrusion head. Several studies have already been carried out to minimize the idle time, involving path optimization algorithms, but without considering the possible side effects caused by this optimization in the manufactured parts. Therefore, the aim of this work is to evaluate the influence of path planning with and without optimization on mechanical properties, dimensional and building time of manufactured parts based in the principle of material extrusion, using polylactic acid (PLA). An experiment also was performed where it was possible to analyze the influence of the idle time of the extruder head during the material deposition in the same layer. For that an interruption of the extruder head during the material deposition was programmed. Different numbers of specimens were fabricated using 3D Cloner printer. Building time and dimensional evaluation were performed, together with tensile and 3-point bending tests. The results of tensile and bending showed a variation of 7% and 10%, on tensile at break, respectively when compared to the different path planning tested. In the experiments with interruption of the nozzle extruder the variation reached up to 46% (decrease in flexural strength). Regarding the building time between the different path planning tested, there was a difference up to 42.7% and in the dimensional evaluation it was observed small variation between the tested methods.

A manufatura aditiva é um processo de fabricação que se caracteriza por adicionar material camada a camada, apresentando assim pouca limitação geométrica. Esta tecnologia tem revolucionado os processos produtivos, podendo ser inclusive empregados como parte dos produtos finais. Uma das tecnologias existentes é baseada no princípio de extrusão de material, o qual se caracteriza por adicionar um filamento polimérico através de um cabeçote extrusor. Dentro do planejamento do processo deste princípio existe a etapa de planejamento da trajetória, onde é definida a estratégia de deposição de material e qual a sequência de deposição do mesmo. Neste processo observam-se movimentos ociosos (sem deposição de filamento) do cabeçote de extrusão. Vários estudos já foram realizados a fim de minimizar os tempos ociosos, envolvendo algoritmos de otimização de trajetória, porém sem a preocupação da verificação de possíveis efeitos dessa otimização nas peças produzidas. Portanto, esse trabalho tem por objetivo avaliar a influência do planejamento de trajetória sem e com otimização nas propriedades mecânicas, dimensional e no tempo de fabricação no princípio de extrusão de material utilizando o poli (ácido láctico - PLA) como material. Também foi realizado um experimento onde foi possível analisar a influência do tempo ocioso do cabeçote extrusor durante a deposição de filamento em uma mesma camada. Para isso foi programado uma interrupção do bico extrusor durante a deposição do filamento. Corpos de prova foram fabricados utilizando a impressora 3D Cloner em diferentes quantidades. Ensaios de tração, flexão a 3 pontos, comparação do tempo de fabricação e avaliação dimensional foram realizadas. Os resultados mostraram uma variação de 7% e 10% na tensão de ruptura a tração e flexão, respectivamente, entre os diferentes planejamentos de trajetória testados. Já para os experimentos com interrupção do bico extrusor a variação chegou até 46% (decréscimo na resistência a flexão). Em relação ao tempo de fabricação entre os diferentes planejamentos testados houve uma diferença de até 42,7% no tempo de fabricação e na avaliação dimensional observou-se pouca variação entre os métodos testados. / Additive manufacturing is characterized by adding material layer by layer, thus presenting little geometric limitation. This technology has revolutionized the production process and can even be employed as part of the final product. One of the existing technologies is based on the material extrusion principle, which is characterized by adding a polymeric filament through an extruder head. One of the stage of the process planning in this principle is the path planning, where the strategy and the sequence of the material deposition is defined. In this process there are idle movements (without material deposition) of the extrusion head. Several studies have already been carried out to minimize the idle time, involving path optimization algorithms, but without considering the possible side effects caused by this optimization in the manufactured parts. Therefore, the aim of this work is to evaluate the influence of path planning with and without optimization on mechanical properties, dimensional and building time of manufactured parts based in the principle of material extrusion, using polylactic acid (PLA). An experiment also was performed where it was possible to analyze the influence of the idle time of the extruder head during the material deposition in the same layer. For that an interruption of the extruder head during the material deposition was programmed. Different numbers of specimens were fabricated using 3D Cloner printer. Building time and dimensional evaluation were performed, together with tensile and 3-point bending tests. The results of tensile and bending showed a variation of 7% and 10%, on tensile at break, respectively when compared to the different path planning tested. In the experiments with interruption of the nozzle extruder the variation reached up to 46% (decrease in flexural strength). Regarding the building time between the different path planning tested, there was a difference up to 42.7% and in the dimensional evaluation it was observed small variation between the tested methods.

Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2016-12-22T16:34:05Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-12-22T16:34:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A reciclagem de refugos é um processo estratégico que viabiliza a expansão do mercado de plásticos, podendo gerar novos produtos. A obtenção de blendas poliméricas é uma alternativa nesse processo, já que é conhecida a perda de propriedades mecânicas dos termoplásticos nas etapas de reprocessamento. Neste trabalho, o polietileno de alta densidade (PEAD) reciclado teve adições de borracha do monômero etileno-propileno-dieno (EPDM) puro em baixos teores (1 %, 5 % e 10 %), cujo objetivo foi formar blendas miscíveis e um produto final mais resistente ao impacto. O PEAD foi submetido a quatro ciclos de moagem, extrusão e injeção (reprocessamento) e misturado ao EPDM puro por extrusão sem o uso de qualquer aditivo. Os grânulos da blenda formada foram usados para confeccionar os corpos-de-prova por injeção para seu uso nas distintas metodologias analíticas. O processo de irradiação gama foi aplicado nas doses de 50 kGy e 100 kGy e os parâmetros físico-químicos e mecânicos dessas amostras foram comparados aos das não irradiadas. Tanto as blendas irradiadas como as não irradiadas mostraramse visualmente e microscopicamente homogêneas, indicando a compatibilidade da mistura, que também é verificada por seu comportamento térmico. Os parâmetros mecânicos provenientes dos ensaios de tração e flexão, foram semelhantes nas amostras do termoplástico virgem e do reciclado; o processo de irradiação nas blendas gerou sua reticulação, sendo esta verificada não só pelo aumento dos valores desses parâmetros como também pelo aumento da fração gel. A resistência ao impacto aumentou cerca de duas vezes e meia nas amostras com maior teor de EPDM e cerca de 6 a 7 vezes nestas mesmas amostras irradiadas a 50 kGy e 100 kGy respectivamente. O novo material obtido tem fortes indicativos para a sua utilização na pequena e média indústria de plástico, uma vez que já com 1 % de EPDM apresentam melhores características mecânicas em relação ao termoplástico reciclado quatro vezes e essas características foram incrementadas após o processo de irradiação gama. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP