[pt] DESENVOLVIMENTO DE BIOCOMPÓSITOS FABRICADOS POR MANUFATURA ADITIVA COM O USO DE FIBRAS NATURAIS CONTÍNUAS COMO REFORÇO POR FABRICAÇÃO DE FILAMENTOS FUNDIDOS (FFF)

[en] DEVELOPMENT OF ADDITIVELY MANUFACTURED BIO-BASED COMPONENTS WITH THE USE OF CONTINUOUS NATURAL FIBERS AS REINFORCEMENT IN FUSED FILAMENT FABRICATION (FFF)

[pt] NATALIA VICTORIA DOS SANTOS

[pt] IMPRESSAO 3D

[pt] FABRICACAO POR FILAMENTO FUNDIDO

[pt] FIBRA NATURAL

[pt] BIOCOMPOSITO

[en] 3D PRINTING

[en] FUSED FILAMENT FABRICATION

[en] NATURAL FIBER

[en] BIOCOMPOSITE

[pt] Manufatura aditiva (impressão 3D) evoluiu da prototipagem para a produção de estruturas complexas com materiais avançados, possibilitando designs inovadores e reduzindo o desperdício de recursos. No entanto, o uso de polímeros em componentes estruturais é limitado por suas propriedades mecânicas e longos tempos de impressão. Em resposta à crescente demanda da indústria da construção por materiais sustentáveis, esta tese se concentra no desenvolvimento de biocompósitos reforçados com fios contínuos de fibras naturais (juta, rami, sisal e linho) e um polímero de ácido polilático (PLA). A pesquisa abrange o desenvolvimento de técnicas de impressão para fios naturais contínuos, análise termomecânica desses biocompósitos impressos, juntas adesivas impressas e a produção em larga escala de componentes de biocompósitos. Este estudo demonstrou a viabilidade do uso de um bico de grande diâmetro para a impressão de biocompósitos reforçados com fios vegetais, resultando em economia de energia e substituição de até 48,2 por cento do conteúdo polimérico, reduzindo assim a pegada de carbono do compósito. A análise térmica confirmou que as fibras naturais permanecem intactas na temperatura de processamento do PLA, enquanto a adição de fibras aumentou a temperatura de transição vítrea do compósito. O principal desafio na impressão de fibras naturais contínuas foi a impregnação da fibra, que impactou diretamente a adesão fibra-matriz e o desempenho mecânico. O método de filamento semiacabado (SF) melhorou a ligação da fibra, resultando em maior resistência à tração e módulo de elasticidade (até 18,4 por cento superior à impregnação no bico) e permitindo velocidades de impressão mais altas. Além disso, o reforço com fibras naturais aprimorou o comportamento mecânico de juntas adesivas sobrepostas simples, especialmente em aplicações bi-materiais. As juntas JFRP-madeira apresentaram as maiores cargas de falha, demonstrando seu potencial para estruturas mistas sustentáveis. Além disso, a otimização da orientação das camadas melhorou significativamente o desempenho mecânico, com ganhos de rigidez e resistência de até 35,2 por cento e 80,0 por cento, respectivamente. Os resultados destacam a viabilidade do reforço com fibras naturais contínuas na manufatura aditiva, abrindo caminho para aplicações estruturais escaláveis e sustentáveis. Trabalhos futuros devem se concentrar na melhoria da interação fibra-matriz por meio de pré-tratamentos e na otimização dos parâmetros de impressão para aprimorar o desempenho dos compósitos.

[en] Additive manufacturing (3D printing) has evolved from prototyping to producing complex structures with advanced materials, enabling creative designs and reducing resource waste. However, the use of polymers in structural components is limited by their mechanical properties and long printing times. In response to the construction industry s growing demand for sustainable materials, this thesis focuses on developing biocomposites reinforced with continuous natural yarns (jute, ramie, sisal, and flax) and polylactic acid (PLA) polymer. The research covers the development of printing techniques for continuous natural yarns, thermomechanical analysis of these printed biocomposites, printed bonded joints, and large-scale production of biocomposite components. This study demonstrated the feasibility of using a large-diameter nozzle for printing biocomposites reinforced with vegetable yarns, leading to energy savings and replacing up to 48.2 percent of polymer content, thereby reducing the composite s carbon footprint. Thermal analysis confirmed that natural fibers remain intact at PLA s processing temperature, while the addition of fibers increased the composite s glass transition temperature. The primary challenge in printing continuous natural fibers was fiber impregnation, which directly impacted fiber-matrix adhesion and mechanical performance. The semi-finished filament (SF) method improved fiber bonding, resulting in superior tensile strength and elastic modulus (up to 18.4 percent higher than in-nozzle impregnation) and allowing faster printing speeds. Additionally, natural fiber reinforcement enhanced the mechanical behavior of single-lap bonded joints, particularly in bi-material applications. JFRP-wood joints exhibited the highest failure loads, demonstrating their potential for mixed sustainable structures. Furthermore, optimizing layer orientation significantly improved mechanical performance, with stiffness and strength gains of up to 35.2 percent and 80.0 percent, respectively. The findings highlight the viability of continuous natural fiber reinforcement in AM, paving the way for scalable and sustainable structural applications. Future work should focus on improving fiber-matrix interaction through pre-treatments and optimizing printing parameters to enhance composite performance.

DANIEL CARLOS TAISSUM CARDOSO

DOINA MARIANA BANEA

PAOLO MINETOLA

FLAVIO DE ANDRADE SILVA

DANIEL CARLOS TAISSUM CARDOSO

DOINA MARIANA BANEA

PAOLO MINETOLA

SANDRO CAMPOS AMICO

THIAGO DE CARVALHO RODRIGUES DOCA

GIOVANNI FILIPPONE

2025-05-29

2025-02-25

[pt] TEXTO

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INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=70676@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=70676@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.70676