Electric Properties versus Mechanical Stress of Components Processed by Additive Manufacturing

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO uso de materiais compósitos em todas as áreas de desenvolvimento tem sido cada vez mais abundante devido às inúmeras características que se podem obter através da mistura de diferentes tipos de materiais. Os polímeros, por norma, não são condutores elétricos. No entanto, compósitos de matriz polimérica com reforço de material condutor podem suprir este problema. Estes materiais abrem novas possibilidades na produção de componentes elétricos inovadores e úteis em várias áreas.O processamento por fabrico aditivo oferece inúmeras vantagens, como liberdade no design, complexidade e personalização da geometria dos componentes elétricos, bem como nos parâmetros de impressão. Contudo, as propriedades dos materiais termoplásticos sob forma de filamentos podem sofrer alterações durante o processamento.Atualmente, existem no mercado vários filamentos de materiais compósitos diferentes. Neste trabalho foram estudados dois filamentos comerciais, o FilaFlex®, um compósito constituído por poliuretana termoplástica (TPU) e “lampblack”, e o Koltron G1®, um compósito constituído por poli(diflureto de vinilo) (PVDF) e grafeno. O objetivo deste trabalho foi analisar a possível alteração das propriedades elétricas dos materiais compósitos após o processamento por fabrico aditivo, com a variação do ângulo de enchimento (+45º/-45º e 0º) e durante ensaios mecânicos. A caracterização dos materiais englobou as vertentes química, térmica, elétrica (ensaios estático, dinâmico e cíclico) dos filamentos comerciais e dos provetes impressos. A análise da variação das propriedades elétricas dos materiais (ensaio estático) permitiu concluir que existe uma perda destas propriedades nos dois materiais após a impressão. Os filamentos de FilaFlex® e Koltron G1® apresentam condutividade elétrica de 33 e 30 S.mm-1, respetivamente e os provetes impressos de FilaFlex® e Koltron G1® apresentam condutividade elétrica de 11 e 15 S.mm-1, respetivamente. Através dos ensaios dinâmicos, realizados tanto nas amostras de filamento como nos provetes impressos, foi possível constatar que o material FilaFlex®, quando sujeito a tração, tem uma maior estabilidade elétrica e menor resistência elétrica em comparação com o material Koltron G1®. Nos ensaios cíclicos, foi possível observar que a resistência elétrica de ambos os materiais tende a decrescer durante o ensaio. Esta caracterização permitiu ainda observar que existe um padrão de resposta da resistência elétrica do material FilaFlex® em função da deformação do material.The use of composite materials has been increasingly growing due to the diverse characteristics and properties that can be obtained by mixing different types of materials. Polymers, as a rule, are not electrical conductors. However, polymer matrix composites reinforced with conductive material can overcome this problem. These materials open up new possibilities in the production of innovative and useful electrical components for application in several areas.Additive manufacturing processing offers numerous advantages such as freedom in design, complexity and customization of electrical component geometry as well as printing parameters. However, the properties of thermoplastic materials in the form of filaments may change during processing.Currently, there are several filaments of different composite materials on the market. In this work, two new commercial filaments were studied, FilaFlex®, a composite made of thermoplastic polyurethane (TPU) and “lampblack”, and Koltron G1®, a composite made of poly(vinyl difluoride) (PVDF) and graphene.The objective of this work was to analyse the possible change in the electrical properties of composite materials after processing by additive manufacturing, with the variation of the filling angle (+45º/-45º and 0º) and during mechanical tests. The characterization of the materials included the chemical, thermal, electrical properties (during static, dynamic and cyclic tests) of commercial filaments and printed specimens.The analysis of the variation of the electrical properties of the materials (static test) allowed to conclude that there is a loss of these properties in the two materials after printing. FilaFlex® and Koltron G1® filaments present electrical conductivity of 33 and 30 S.mm-1, respectively, and the printed specimens of FilaFlex® and Koltron G1® present electrical conductivity of 11 and 15 S.mm-1, respectively.Through dynamic tests, performed both on the filament samples and on the printed specimens, it was possible to verify that the FilaFlex® material, when subjected to traction, has greater electrical stability and lower electrical resistance compared to the Koltron G1® material.In the cyclic tests, it was possible to observe the electrical resistance of both materials tends to decrease during the test. This characterization also allowed us to observe that there is a response pattern of the electrical resistance of the FilaFlex® material as a function of the material's deformation