Development of high specific strength components, with internal cellular structure, for several applications

Abstract

Today's society is characterized as a consumer society in terms of natural resources. In this sense, the most important resources are related to energy and materials. The goal is to try to reduce this excessive consumption of resources. One of the solutions is to turn the use of the raw material more efficient in components, in this case applied to mechanical engineering. The subject of this dissertation, "Development of high specific strength components, with internal cellular structure, for several applications", meets the goal of the material used, thus aiming to reduce the amount of material in areas where it is not being properly employed. The first step was to choose an iconic component of mechanical engineering, a heavy duty piston. From the original design of that piston is made a static simulation, where the boundary conditions are the result of state of the art. With the results of that simulation it is possible to extract and analyze the areas where stresses are not too high, comparing to the maximum stress. These are areas that are likely to be improved iteratively making the piston lighter than the original. Moreover, a thermal analysis was performed, since the piston is subject to high thermal loads. At the end, the simulations of either the conventional piston or the idealized piston, are compared and the mechanical and thermal properties are kept. After the computational validation of the new component, proceed to the 3D printing in PLA.

A sociedade de hoje é caracterizada como sendo uma sociedade consumista em termos de recursos naturais. Neste sentido, os recursos mais importantes estão ligados à energia e aos materiais. A questão é de tentar reduzir este consumo excessivo de recursos. Umas das soluções é praticar um uso eficiente do material em componentes, neste caso, aplicados à engenharia mecânica. O tema desta dissertação, “Desenvolvimento de peças de elevada resistência específica, com estrutura celular, para aplicações diversas”, vai de encontro ao aproveitamento do material usado, visando assim reduzir a quantidade de material em zonas em que o mesmo não está a ser propriamente aproveitado. O primeiro passo foi escolher um componente icónico da engenharia mecânica, um pistão utilizado em transportes pesados. A partir do desenho original desse mesmo pistão é feita uma simulação estática, onde as condições de fronteira são fruto do estado da arte. Através dos resultados dessa mesma simulação é possível extrair zonas onde as tensões não são elevadas, comparando com a tensão máxima. São essas zonas que são passíveis de ser iterativamente melhoradas tornando o pistão mais leve do que o original. Também foi realizada uma análise térmica, dado que o pistão está sujeito a elevadas cargas térmicas. No final, as simulações, quer do pistão convencional quer do pistão idealizado, são comparadas e as propriedades mecânicas e térmicas são mantidas. Após a validação computacional do novo componente, procede-se à impressão de ambos os pistões em PLA.