Os materiais compósitos são materiais compostos por dois ou mais componentes diferentes que, ao contrário dos materiais tradicionais, podem ser projetados em simultâneo em termos de desempenho e estrutura. Os compostos reforçados por fibra de corte curto (SFRC) são amplamente utilizados em áreas como automóveis, construção e aeroespacial, com vantagens como baixo custo de fabricação, alta resistência ao impacto, peso leve, rigidez e alta resistência. No entanto, devido aos efeitos complexos da orientação da fibra, do processo de fabricação e da microestrutura do material, a previsão de suas propriedades mecânicas continua a ser desafiadora.

O estudo foi realizado em conjunto pela Thermo Fisher Scientific, Synopsys, 3Dmagination, Waygate Technologies e pelo Instituto de Engenharia de Polímeros da Universidade de Ciências Aplicadas do Noroeste da Suíça. A equipe de pesquisadores caracterizou sistematicamente o composto reciclado de poliamida reforçada com fibra de carbono curta 11 (rCF-PA11) através de tomografia por microcomputador (microCT) e análise de imagem 3D, testes mecânicos e modelagem numérica para explorar seu potencial na fabricação sustentável.

01. Preparação de amostras

O estudo utilizou fibra de carbono T700 reciclada com poliamida de base biológica 11 (PA11) como material de matriz, e o processo de preparação incluiu:

T700 Solvolyse, redimensionamento da fibra de carbono

Mistura com PA11 (15% em peso)

3. Extrusão de filamento e impressão 3D

Figura 1: Esboço do processo de preparação de fibra de carbono reciclada

Imprimir com a Tecnologia de Fusão Aditiva (AFT) da 9T Labs, que combina impressão em camadas contínuas com fusão de alta pressão para estruturas densas e componentes compostos de alto desempenho. Controle a temperatura da cabeça, a velocidade de extrusão e a altura da camada para garantir que a fibra de carbono seja distribuída uniformemente e sem danos.

Em seguida, a fusão de calor e pressão é aplicada em um molde fechado para eliminar os poros entre camadas e melhorar a força de ligação da interface fibra-matriz.

Figura 4: Curva de tensão - tensão de compostos reforçados por fibras curtas

02.Teste de desempenho mecânico

As amostras orientadas a 0° e 90° são preparadas com a norma DIN 527-1 para testes de alongamento quase estáticos a temperatura ambiente.

Os resultados mostram:

• 0 ° amostra direcional: alta rigidez, quebra frágil, o desempenho é principalmente dominado pela fibra;

• amostras orientacionais de 90°: baixa rigidez inicial, significativamente não linear, com características predominantes de polímero;

• As pequenas diferenças entre amostras com a mesma orientação indicam uma boa repetibilidade dos resultados experimentais.

03.TC de alta resolução

Realize duas tomografias computacionais com o sistema Phoenix V|tome|x M300 da Waygate Technologies:

• Scan de amostra completa: análise da distribuição total de fibras (7,3 µm³ de corpina)

• Varredura local de alta resolução: concentração na área central da amostra (2 µm³ de corpina)

Figura 5: TC reconstruída em 3D com secção local

Figura 6: Resultados de renderização volumétrica de TC de alta resolução

04. Divisão de imagem e rastreamento de fibra

Utilização da Thermo Scientific ™ Avizo ™ Módulo XFiber do software 3D Pro para segmentação de dados de reconstrução CT e rastreamento de linhas centrais de fibra. O algoritmo extrai uma única fibra através da correspondência de modelos e do rastreamento de linhas, calculando seu comprimento, orientação, curvatura e curvatura. Mais de 188 mil dados de fibra foram obtidos e os resultados exportados em tensores para a Ansys para modelagem de elementos finitos.

Figura 7: Divisão de fibra única e ampliação local

Figura 8: Distribuição de orientação de fibras dentro da região

Figura 9: Exportação de dados de tensão orientacional para simulação

Através de imagens de tomografia computacional microscópica e algoritmos de rastreamento precisos, os pesquisadores foram capazes de quantificar a distribuição orientacional e as características da interface das fibras, estabelecendo as bases para a modelagem mecânica e análise do comportamento de ruptura subsequentes.