Produção de estruturas auxéticas para aplicações aeroespaciais

Abstract

O trabalho realizado no âmbito desta dissertação teve por objetivo analisar a integridade estrutural, assim como as propriedades auxéticas, de células produzidas com recurso à técnica de fabrico aditivo WAAM-CMT. As células auxéticas possuem coeficiente de Poisson negativo, o que se traduz num comportamento diferente do convencional. Estas estruturas expandem na direção transversal quando submetidas a cargas de tração axial. Para alcançar o objetivo desta dissertação foram produzidas células 1D, 2D e 3D de modo a avaliar as diferenças entre as suas características e comportamentos. O trabalho de análise das células auxéticas compreendeu o estudo dos ciclos térmicos envolvidos na produção das mesmas e a caracterização mecânica e microestrutural do material a partir do qual estas foram produzidas, o aço ao carbono. A caracterização mecânica compreendeu a realização de medições de dureza, efetuadas com o objetivo de estudar a evolução da resistência local em diferentes segmentos das células, e também, a realização de ensaios de tração e de compressão. Os ensaios de tração foram realizados com o objetivo de caracterizar o comportamento plástico do material a partir do qual as células foram produzidas, através do ensaio de provetes de células 1D, e ainda, de caracterizar a auxeticidade das células 2D. Os ensaios de compressão foram realizados com o objetivo de caracterizar a auxeticidade das células 3D. De realçar ainda que, na caracterização em tração das células 1D, foram ensaiadas amostras maquinadas e amostras tal como produzidas (as-built) de forma a averiguar a influência do acabamento superficial no comportamento mecânico das células. A análise dos ciclos térmicos permitiu concluir que tanto a distribuição do calor, como a velocidade de arrefecimento, condicionam a integridade das células. Com efeito, para as regiões das células onde as temperaturas máximas atingidas foram mais elevadas, foi registada a ausência de defeitos importantes e os valores de dureza mais reduzidos. Os resultados dos ensaios de tração das células maquinadas e das células as-built permitiram também concluir que o acabamento superficial das células influencia fortemente o seu comportamento mecânico, tendo sido registados valores de deformação muito mais elevados para as células maquinadas. Os ensaios de tração e compressão das células 2D e 3D, respetivamente, revelaram que as células produzidas apresentam comportamento auxético. Assim, concluiu-se que é possível produzir estruturas auxéticas recorrendo à técnica de fabrico aditivo WAAM-CMT.

The work carried out within this dissertation aimed to analyse the structural integrity, as well as the auxetic properties, of cells produced using the WAAM-CMT additive manufacturing technique. The auxetic cells have a negative Poisson coefficient, which translates into a different behaviour from the conventional one. These structures expand in the transverse direction when subjected to axial tensile loads. To achieve the objective of this dissertation, 1D, 2D and 3D cells were produced in order to evaluate the differences between their characteristics and behaviour. The analysis of the auxetic cells comprised the study of the thermal cycles involved in their production and the mechanical and microstructural characterisation of the material from which they were produced, carbon steel. The mechanical characterization consisted in hardness measurements, performed with the purpose of studying the local resistance evolution in different segments of the cells, and also tensile and compression tests. The tensile tests were carried out to assess the plastic behaviour of the material from which the cells were produced, by testing 1D cell specimens and also to characterise the auxeticity of 2D cells. Compression assays were performed to evaluate the auxeticity of 3D cells. In the tensile characterisation of 1D cells, machined and as-built samples were also tested in order to determine the influence of the surface finish on the mechanical behaviour of cells. The thermal cycles analysis allowed to conclude that both the heat distribution and the cooling speed conditioned the cells integrity. In fact, for the regions of the cells where the maximum temperatures were higher, the absence of important defects and the lower hardness values were registered. The results of the tensile tests on machined and as-built cells also demonstrated that the surface finish of cells strongly influences their mechanical behaviour, with much higher deformation values being recorded for machined cells. The tensile and compression tests of 2D and 3D cells, respectively, revealed that the produced cells exhibit auxetic behaviour. In conclusion, it is possible to produce auxetic structures using the WAAM-CMT additive manufacturing technique.