DEVELOPMENT OF MULTIFUNCTIONAL STRUCTURES FOR MEASURING TEMPERATURE, STRAIN, ANGLE, AND VIBRATION FREQUENCIES USING ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUES

Name: ROBERTSON WESLEY MONTEIRO PIRES JUNIOR

Publication date: 17/04/2024
Advisor:

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ARNALDO GOMES LEAL JUNIOR Advisor

Examining board:

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CARLOS ALBERTO FERREIRA MARQUES Examinador Externo
CAMILO ARTURO RODRIGUEZ DIAZ Examinador Interno
ARNALDO GOMES LEAL JUNIOR Presidente
ANSELMO FRIZERA NETO Coorientador

Summary: Essa Disserta c ao de Mestrado apresentou o desenvolvimento de diferentes estruturas
multifuncionais embutidas com redes de Bragg em fibras opticas (FBGs). Para a fabrica c ao
dessas estruturas foram utilizadas t ecnicas de manufatura aditiva, por ser um m etodo
de fabrica c ao que se popularizou principalmente a partir do advento das impressoras de
fabrica c ao por filamento fundido (FFF). As estruturas multifuncionais fabricadas consistem
em um tend ao artificial capaz de monitorar parˆametros de deforma c ao, temperatura e
ˆangulo de curvatura; um sensor de temperatura capaz de medi-la em diferentes ambientes;
e um medidor de frequˆencia na forma de uma viga em balan co. O tend ao artificial foi
fabricado ao escoar a resina de poliuretano (PU) dentro de um molde fabricado com
filamento de poli acido l actico (PLA), de forma que a resina resvestisse as FBGs. O sensor
de temperatura foi fabricado com resina fotopolimeriz avel e a FBG foi embutida em um
orif cio na estrutura. Foram fabricados dois acelerˆometros por FFF utilizando filamentos
de n ailon e 17-4 PH, que e um a co inoxid avel mas na forma de filamento est a agregado
com particulados polim ericos. Os materiais utilizados na fabrica c ao das estruturas foram
caracterizados por ensaios mecˆanicos est aticos e dinˆamicos. Nos ensaios est aticos notou-se
que o m odulo de Young (E) aumenta em fun c ao do aumento da se c ao transversal do corpo
de prova, que foi modificada atrav es da varia c ao do preenchimento e da espessura de
parede do corpo. Contudo, a resistˆencia mecˆanica da fibra optica predominou sobre essas
caracter sticas construtivas ap os o seu embutimento nos corpos de prova. Esse impacto fica
mais percept vel nos resultados da fibra embutida no PU, j a que o E do corpo de prova com
a fibra embutida e quase 10 vezes maior do que com o PU bruto. Nos ensaios dinˆamicos as
cadeias polim ericas amorfas do n ailon embutido com fibra fazem com o material apresente
diferentes E durante sua transi c ao at e o platˆo de borracha, que s o e atingido a partir de
60 °C, enquanto o 17-4 PH n ao apresenta diferen ca not avel em E quando a frequˆencia de
vibra c ao varia. O tend ao artificial foi caracterizado para strain apresentando diferentes
sensibilidades entre as FBGs posicionadas no centro e pr oximas da parede do tend ao. Al em
disso, o tend ao apresentou sensibilidade m edia de 9.06 pm/°C para caracteriza c ao entre
0°C e 30°C e uma raiz do erro quadr atico m edio de 3.25o quando o ˆangulo de curvatura
variou de 0o at e 90o. O sensor de temperatura teve a sensibilidade diminuida, sendo
necess ario utilizar um novo projeto para esta estrutura. Por fim, o cantilever de aquisi c ao
de frequˆencia de 17-4 PH mostrou sensibilidade para a varia c ao de amplitude de vibra c ao
(que variou de 0.5 V at e 2.0 V) de 1.79 pm/V quando vibrado na frequˆencia de 10 Hz e
3.61 pm/V para 100 Hz. Portanto, em trabalhos futuros, pretende-se aplicar as estruturas
multifuncionais desenvolvidas, com o tend ao artificial sendo utilizado no acionamento de
pe cas rob oticas, e os acelerˆometros na an alise preditiva de vibra c oes, por exemplo.

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