Ligação multimaterial de ligas leves a componentes poliméricos fabricados por impressão 3D.

Abstract

This dissertation addresses the multimaterial bonding of lightweight alloys to polymer components manufactured by 3D printing, with the aim of optimizing the joining process between dissimilar materials, in this case, Aluminium–Polymer. Through a numerical and experimental study, this work aims to improve the mechanical behaviour of the joints between AA5754-H111 aluminium alloy plates and PLA through optimized geometries for the interlocking system between the two materials.The experimental tests, which served to validate the developed numerical model, demonstrated that the geometry of the pins has a significant impact on the joint strength. While cylindrical pin-based interlocking systems tended to fail due to separation of the plates because of the lack of transverse constraints, conical pins showed a better distribution of stresses, resulting from better interlocking, which did not lead to plate separation by sliding in the pin area. However, the action of the aluminium plate, acting as a cutting wedge, tends to cause separation between the pin and the PLA base plate. The cylindrical-conical geometry revealed the most balanced performance, with failure tending to occur in the PLA plate, in the area adjacent to the pin. The numerical simulation verified that the results are intrinsically related to the location of areas with higher stress concentration.To optimize the interlocking system, two variations of the cylindrical-conical geometry were tested numerically, with different percentages of cylindrical and conical zones, i.e., 25%-75% and 75%-25%. This analysis allowed us to assess the influence of the balance of these two zones, which are part of the interlocking system, on the final performance of the joint and compare it with the other geometries studied.The results of this study highlight the potential of additive manufacturing to produce efficient metal-polymer joints. Additionally, the development of a model paved the way for future investigations with new geometries aimed at optimizing the manufacturing process to improve the metal-polymer interface with the goal of increasing joint strength.

A presente dissertação aborda a ligação multimaterial de ligas leves a componentes poliméricos fabricados por impressão 3D, com o objetivo de otimizar o processo de união entre materiais dissimilares, neste caso, Alumínio-Polímero. Através de um estudo numérico e experimental, este trabalho visa melhorar o comportamento mecânico das uniões entre chapas de liga de alumínio AA5754-H111 e de PLA através de geometrias otimizadas para o sistema de ancoragem entre os dois materiais.Os ensaios experimentais, que serviram para validar o modelo numérico desenvolvido, demonstraram que a geometria dos pinos tem um impacto significativo na resistência das juntas. Enquanto os sistemas de ancoragem à base de pino cilíndrico apresentaram tendência a ceder por separação das chapas devido à falta de constrangimentos transversais, os pinos troncocónicos mostraram uma melhor distribuição das tensões, fruto de uma melhor ancoragem, que não resulta em separação das chapas por escorregamento na zona do pino. Porém, a ação da chapa de alumínio, tipo cunha cortante, leva a que haja tendencialmente separação entre o pino e a placa base de PLA. A geometria cilíndrico-troncocónica foi aquela que revelou um desempenho mais equilibrado, tendo a rotura ocorrido tendencialmente da placa de PLA, na zona adjacente ao pino. A simulação numérica permitiu verificar que os resultados estão intrinsecamente relacionados com a localização de zonas onde se verifica maior concentração de tensões.De modo a otimizar o sistema de ancoragem foram testadas numericamente duas variações da geometria cilíndrico-troncocónica, com diferentes percentagens das zonas cilindra e troncocónica, i.e., 25%-75% e 75%-25%. Esta análise permitiu aferir a influência do balanceamento destas duas zonas que fazem parte do sistema de ancoragem, na performance final da junta e comparar a mesma com as restantes geometrias estudadas. Os resultados deste estudo destacam o potencial do fabrico aditivo para a produção de uniões metal-polímero eficientes. Além disso, a produção de um modelo abriu caminho para futuras investigações com novas geometrias que visem a otimização do processo de fabrico, de modo a melhorar a interface metal-polímero com o objetivo aumentar a resistência das junções.