Influence of Artificial Saliva on the Mechanical Properties of Sandwich Structures processed through Additive Manufacturing

Abstract

Com o desenvolvimento tecnológico, os processos de Fabrico Aditivo têm alcançado uma importância acrescida no mundo da indústria quando comparados com outros processos de fabrico. Tal é devido ao facto de para além de serem capazes de produzir estruturas tridimensionais complexas, que não são obtidas por nenhuma outra tecnologia, também o processo produz uma quantidade mínima, ou mesmo nula, de desperdício. A quantidade de matéria-prima que é utilizada é menor quando comparada com outros processos, o que leva à produção de partes, componentes e dispositivos mais económicos. Estes fatores têm uma elevada importância, de tal forma que se sobrepõem a algumas desvantagens associadas, em alguns casos, como à qualidade do acabamento superficial e à tolerância geométrica. Atualmente, os processos de Fabrico Aditivo têm a oportunidade de criar impacto no mundo da produção, sendo um elemento fulcral da Indústria 4.0De todas as tecnologias associada ao fabrico aditivo, a Modelagem por Deposição Fundida (Fused Deposition Modeling – FDM), comummente designada por Impressão 3D, é a mais fácil de utilizar, e que requere equipamentos mais acessíveis e de fácil aquisição. Esta dissertação centra-se na utilização desta tecnologia na produção de protetores bocais para atletas. O processo atual de produção destes dispositivos não utiliza um design adequado, e a produção personalizada envolve um elevado custo. Através do fabrico por FDM, é possível produzir protetores bocais completamente personalizados, por um custo muito menor e com um mínimo de desperdício. Um dos outros objetivos é a utilização de mono ou multi-materiais poliméricos que possam ser substitutos adequados ao material que atualmente é utilizado na produção de protetores bocais, EVA – copolímero de Acetato- de Vinilo de Etileno.Os materiais que foram objeto de estudo desta dissertação foram o copolímero Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS), Poliestireno de Elevado Impacto (HIPS), Poli(metil metacrilato) (PMMA) e a Poliuretana Termoplástica (TPU). A variação das propriedades mecânicas com a utilização dos dispositivos foi avaliada através do envelhecimento com uma solução de saliva artificial. As propriedades mecânicas foram avaliadas através de testes de Impacto Transversal e testes de Flexão em Três Pontos (Three Point Bending - 3PB) em provetes impressos em mono e em multi-material (estruturas sandwich), antes e após o processo de envelhecimento em saliva artificial. Os provetes testados foram impressos segundo as normas ASTM D790 e Charpy ISO179.

With the advances in technology, Additive Manufacturing (AM) processes have been gaining an increased importance in the world of industry when compared to other manufacturing processes. This is due to the fact that AM is able to produce parts and components with complex geometries unachievable by other technologies, while generating little or no waste during and after production. When compared to other manufacturing processes, AM uses less raw material, which lowers the production costs. The high importance of these factors overcome the drawbacks that are sometimes associated with the quality of the surface finish and geometry tolerance of printed parts. Nowadays, AM processes have the opportunity to have an impact in the manufacturing world, being a core element of the Industry 4.0.From every available process used in Additive Manufacturing, Fused Deposition Modelling (FDM), commonly known as 3D Printing, is the one which requires the less amount of equipment, and is one of the easiest, if not the easiest to use of all processes, and the equipment needed to produce parts, components or devices through this process are easily available. The main topic of this dissertation is the use of this technology with the aim of producing mouthguards for athletes. The current processes to create mouthguards do not produce devices with the adequate design and customized production has a high cost. The materials used have some hindrances associated with them, and the technologies used in the processing produce a high amount of waste. Through FDM processing, it is possible to obtain completely customized mouthguards with minimal waste. There is also the focus on the comprehension of which material and material combination will suit better this application, in order to have a reliable substitute for the current material employed in the production of mouthguards, which is EVA – copolymer of ethylene-vinyl acetate.The used materials were the copolymer Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS), High Impact Polystyrene (HIPS), Poly(methyl methacrylate) (PMMA) and Thermoplastic Polyurethane (TPU). The influence of the use on the mechanical properties was also evaluated through an aging process with an artificial saliva solution. For both mono and sandwich multi-material combinations, before and after the saliva influence, the mechanical properties were evaluated through Transverse Impact Testing and Flexural Testing (Three-Point Bending – 3PB). The tested specimens were printed according to the standards ASTM D790 and Charpy ISO179.