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https://hdl.handle.net/1822/86703
Título: | Methodology for parameters optimization and development of new materials for additive manufacturing of SLS products |
Outro(s) título(s): | Metodologia para otimização de parâmetros e desenvolvimento de novos materiais para fabrico aditivo de produtos SSL |
Autor(es): | Lopes, Ana Carina Ferreira |
Orientador(es): | Pontes, A. J. Sampaio, Álvaro M. |
Palavras-chave: | Additive Manufacturing Selective Laser Sintering Process parameters Energy density Composite materials Electrostatic discharge Numerical analysis Fabrico aditivo Sinterização Seletiva a Laser Parâmetros de processo Densidade de energia Materiais compósitos Descarga electroestática Análise numérica |
Data: | 2-Jun-2023 |
Resumo(s): | The continuous technological progress of Selective Laser Sintering (SLS) is essential for the successful manufacturing of leading-edge products demanded by the industrial society. This includes critical optimization of the SLS process parameters through a comprehensive understanding of the process-structure-property relationship and the development of multi-functional materials for non-conventional applications. In this context, carbon-based composites are raising much interest due to their potential to comply with the requirements of end-use parts that incorporate or are in contact with electronic components. The use of such materials as a preventive measure to protect the sensitive components and preserve their quality demands the establishment of a conductive network capable to ensure a slow electrostatic discharge (ESD) throughout their life cycle.
The influence of the energy density supplied by the laser beam during the SLS process, depending on the laser power, hatch distance, scan speed and layer thickness, was assessed in the initial stage of this work. A series of hatching and contour parameters were defined and applied through single and multiple exposure types in parts produced with Polyamide 12. The characterization included dimensional, geometric, mechanical and morphological tests in order to understand the potential of a combined parameterization to minimize the trade-off between strength and accuracy of SLS parts. After an in-depth understanding of the process, functional composite material integrating Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) and Graphene Nanoplatelets (GNP) in different weight percentages were prepared through mechanical mixing and processed by SLS with adequate energy density. The parts were dimensionally, mechanically, thermally, electrically and morphologically characterized in order to obtain high-value solutions with electrical surface resistance in the ESD range with minimum development costs. Afterwards, the experimental results were used to validate numerical methods needed for the development of models capable to characterize the properties of SLS parts as a function of the input process variables, using ANSYS software. Finally, the feasibility of the research for practical applications was demonstrated with a case-study. A product with protection against ESD interferences was produced by SLS with the composite materials and numerical methodology previously established and validated in real context of application. O continuo progresso tecnológico da Sinterização Seletiva a Laser (SSL) é essencial para o fabrico bem-sucedido de produtos de vanguarda exigidos pela sociedade industrial. Isso inclui uma crítica otimização de parâmetros de processo SSL através de uma abrangente compreensão da relação processo-estrutura-propriedade e do desenvolvimento de materiais multifuncionais para aplicações não convencionais. Neste contexto, materiais compósitos à base de carbono estão a despertar muito interesse devido ao seu potencial para assegurar os requisitos de peças de uso final que incorporam ou estão em contacto com componentes eletrónicos. A utilização desses materiais como uma medida preventiva para proteger os componentes sensíveis e preservar a sua qualidade exige a criação de uma rede condutora capaz de garantir uma descarga eletrostática (ESD) lenta durante o seu ciclo de vida. A influência da densidade de energia fornecida pelo feixe de laser durante o processo SSL, dependendo da potência do laser, distância entre vetores de laser, velocidade de varredura e espessura da camada, foi avaliada na etapa inicial desta investigação. Uma série de parâmetros de preenchimento e contorno foi definida e aplicada por meio de tipologias de exposição única e múltipla a peças produzidas em Poliamida 12. A caracterização incluiu testes dimensionais, geométricos, mecânicos e morfológicos de modo a compreender o potencial de uma parametrização combinada em assegurar a compatibilidade entre resistência e precisão de peças SSL. Posteriormente, materiais compósitos funcionais incorporando Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas (MWCNT) e Nanoplaquetas de Grafeno (GNP) em diferentes percentagens em peso foram preparados através de misturas mecânicas e processados por SSL com adequada densidade de energia. As peças produzidas foram caracterizadas dimensionalmente, mecanicamente, termicamente, eletricamente e morfologicamente a fim de se obter soluções com resistência superficial elétrica na gama ESD com o mínimo custo de desenvolvimento. De seguida, os resultados experimentais foram utilizados para a validação de métodos numéricos necessários para o desenvolvimento de modelos capazes de caracterizar as propriedades de peças SSL em função das variáveis de entrada do processo, utilizando o software de simulação ANSYS. Por fim, a viabilidade da investigação para aplicações práticas foi demonstrada com um caso de estudo. Um produto com proteção contra interferências ESD foi produzido por SSL com os materiais compósitos e a metodologia numérica previamente estabelecida e validado em contexto real de aplicação. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/86703 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | DEP - Teses de Doutoramento |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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