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O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de novas estruturas híbridas de cortiça e de espuma de alumínio de porosidade aberta para aplicações em engenharia. A cortiça e a espuma de alumínio são sólidos celulares leves, multifuncionais, não inflamáveis e recicláveis. A cortiça é bom isolante térmico e acústico, impermeável a líquidos e gases, de elevada compressibilidade e resiliência. A espuma alumínio de porosidade aberta tem uma elevada permeabilidade, estabilidade térmica, uma elevada área superficial interna e boa capacidade de dissipação de calor. Estas estruturas híbridas são obtidas através do enchimento dos poros celulares da espuma de alumínio com uma mistura de grânulos de cortiça e de cola. Neste estudo, otimiza-se os parâmetros de fabrico destas estruturas e estuda-se o efeito do tamanho de grânulos e do tipo de cola (flexível e rígida) nas propriedades finais dos aglomerados e das estruturas híbridas resultantes, recorrendo-se a técnicas de caraterização de materiais, como a microscopia computadorizada de raios-X, ensaios de compressão uniaxial monotónica (quase-estático e dinâmico) e cíclica (fator de perda), ensaios do tubo de impedância (absorção sonora). Os resultados mostram que as estruturas híbridas e os aglomerados de cortiça fabricados com grânulos de cortiça de maior dimensão (500 - 1000 μm) e cola rígida (adequada para produzir aglomerados de alta densidade e dureza) são as estruturas que apresentam maior desempenho mecânico em termos de tensão, de energia absorvida por unidade de massa e por unidade de volume e de fator de perda. As estruturas híbridas apresentam desempenhos mecânicos superiores aos aglomerados de cortiça, em que os valores em regime dinâmico são superiores em regime quase estático. The present work aims to develop new hybrid structures of cork and open-cell aluminium foam for engineering applications. Cork and aluminium foam are lightweight, multifunctional, non-flammable and recyclable cellular solid materials. Cork is an excellent thermal and acoustic insulator, impermeable to liquids and gases, with a high compressibility and resilience. Open-cell aluminium foam has high permeability, thermal stability, high internal surface area and good heat dissipation capacity. These hybrid structures are obtained by filling the cellular pores of the aluminium foam with a mixture of glue-coated cork granules. In this study, the manufacturing formulation of these structures is optimized and the effect of granule size and type of glue (flexible and rigid) on the final properties of the resulting hybrid structures is studied, using materials characterization techniques, such as computerized X-ray microscopy, monotonic (quasi-static and dynamic) and cyclic (loss factor) uniaxial compression tests and impedance tube method (sound absorption). Results show that hybrid structures and cork agglomerates made with larger cork granules (500 - 1000 μm) and rigid glue are the ones with the highest mechanical performance in terms of stress, energy absorbed per unit of mass and per unit volume and loss factor. Hybrid structures exhibit superior mechanical performances compared with their individual components (open-cell aluminium foam and agglomerated cork, in which the values in dynamic regime are superior in quasi-static regime. Mestrado em Engenharia Mecânica

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia The use of lightweight materials with good mechanical properties has gained increasing importance at an industrial level. Thus, the demand for hybrid structures made of aluminium and fiber-reinforced composites has increased significantly in recent decades.There are already several processes that allow the connection of these two dissimilar materials, however, most techniques have several limitations. In this work we propose the use of the explosion welding process, to connect an aluminium plate AA6082-T6 to a sheet of composite material of polyamide matrix reinforced with glass fibers.Four experimental tests were carried out, where parameters were varied, such as the base plate support; the type of explosive; the explosive ratio and the base and flying plate. In none of the tests were welded connections obtained. However, in two of the explosive tests, it was found that there was adhesion of the polymeric material and glass fibers to the aluminium plate.With the realization of this work it was realized that parameters such as the explosive ratio and the impact speed have a lot of influence on the connection between these two types of material. The higher are these two parameters, the higher the adhesion of fibers and polymeric material to aluminium. On the other hand, it was also found that the degradation of the composite increases with the increase in the ratio and impact velocity, so it is necessary to reach a middle ground, so that the polymeric material and the glass fibers adhere to the aluminium without degradation being excessive. It was also found that the use of a protective plate over the flying plate is extremely important, and that the use of base plate supports with the capacity to absorb the impact, results in less degradation of the composite material plates. A utilização de materiais leves com boas propriedades mecânicas tem ganho cada vez mais importância a nível industrial. Dessa forma, a procura por estruturas híbridas constituídas por alumínio e compósitos reforçados com fibras, tem aumentado de forma significativa nas últimas décadas. Já existem vários processos que permitem a ligação destes dois materiais tão dissimilares, contudo a maioria das técnicas apresenta várias limitações. Neste trabalho propõem se a utilização do processo de soldadura por explosão, para ligar uma chapa de alumínio AA6082-T6, a uma chapa de material compósito de matriz poliamida reforçado com fibras de vidro.Foram realizados quatro ensaios experimentais, onde se variaram parâmetros como, o suporte da chapa base; o tipo de explosivo; o rácio de explosivo e a chapa base e voadora. Em nenhum dos ensaios se obtiveram ligações soldadas. Contudo, em dois dos ensaios explosivos, verificou-se que houve adesão do material polimérico e das fibras de vidro à chapa de alumínio.Com a realização deste trabalho percebeu-se que parâmetros como o rácio de explosivo e a velocidade de impacto têm bastante influência na ligação entre estes dois tipos de material, visto que a adesão das fibras e do material polimérico ao alumínio, é tanto maior quanto maior forem estes dois parâmetros. Por outro lado, também se verificou que a degradação do compósito aumenta com o aumento do rácio e da velocidade de impacto, pelo que é necessário chegar a um meio termo, de forma a que o material polimérico e as fibras de vidro adiram ao alumínio sem que a degradação seja excessiva. Verificou-se, ainda, que a utilização de uma chapa de proteção por cima da chapa voadora é de extrema importância, e que a utilização de suportes da chapa base com capacidade para absorver o impacto, resultam numa menor degradação das chapas de material compósito.

Resumo A União Pontual por Fricção (FSpJ) é uma técnica inovadora para união de estruturas híbridas metal-polímero e baseia-se na geração de calor por fricção. Juntas de alumínio 2024-T3 e compósito laminado de poli(sulfeto de fenileno) com fibra de carbono (CF-PPS) foram produzidas com filme intermediário de PPS. Duas espessuras de filme foram investigadas: 100 e 500 µm. Ensaios de cisalhamento sob tração demonstraram que as juntas com filmes de 100 µm são mais resistentes (2093 ± 180 N) em relação às juntas com filme de 500 µm (708 ± 69 N). Adicionalmente, as superfícies de fratura das juntas revelaram áreas de união maiores para as juntas com filmes de 100 µm (53 ± 2 contra 40 ± 1 mm2). Para o filme mais fino, a extensão do amolecimento devido ao calor friccional é maior. Consequentemente, a baixa viscosidade atingida com a fusão do polímero favorece a molhabilidade das superfícies dos componentes da junta pelo PPS amolecido, resultando em melhor adesão entre as partes. Ademais, análises microestruturais demonstraram que a formação do cerne metálico e a interdifusão das moléculas de PPS entre compósito e filme também são favorecidas. Portanto, concluiu-se que a adição do filme mais fino produziu juntas mais resistentes. Abstract Friction Spot Joining (FSpJ) is an innovative friction-based joining technique for metal-polymer hybrid structures. Friction spot joints of aluminum alloy 2024-T3 and carbon-fiber reinforced poly(phenylene sulfide) composite laminate (CF-PPS) were produced with an additional PPS film interlayer. Two different film thicknesses were investigated in this study: 100 and 500 µm. Lap shear testing demonstrated that the joints produced with 100 µm film (2093 ± 180 N) were stronger than the joints with 500 µm (708 ± 69 N). Additionally, the fracture surface analysis revealed a larger bonding area for the joints with 100 µm film (53 ± 2 mm2) as compared to the joints with 500 µm film (40 ± 1 mm2). Considering the low thermal conductivity of PPS, the thinnest film is more likely to soften by the frictional heat during the joining process. Hence, the low viscosity of the molten PPS favors the wettability of the parts’ surface. Microstructural analyses proved that the metallic nub formation and the interdiffusion of PPS chains between film and composite matrix are also favored for thinner film use. Thus, superior adhesion between the partners is achieved. Therefore, it was concluded that the addition of the thinnest film interlayer leads to stronger joints.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho apresenta a análise e o desenvolvimento experimental de uma estrutura topológica de Retificador Híbrido Monofásico Bidirecional (RHMB) com elevado fator de potência (FP) e reduzida Distorção Total de Corrente (DTI) para aplicação em microrredes de Corrente Contínua (CC). A estrutura proposta oferece as características operacionais de retificador ou de inversor de acordo com a demanda do sistema, drenando uma corrente em conformidade com a norma de qualidade de energia IEC 61000-3-2 durante a retificação e injetando uma corrente em conformidade com a norma IEEE 1547 durante a injeção. Para analisar o comportamento da topologia, implementou-se um modelo computacional na plataforma PSIM® através do qual foi possível verificar a eficiência da estratégia de controle para imposição de corrente senoidal baseada no cálculo da DTI em tempo real durante as condições normais de operação (operação como retificador) e ainda o fornecimento de um barramento CC constante e injeção de potência ativa na rede durante a condição de excedente de energia (operação como inversor). Por fim, com o intuito de corroborar com a teoria proposta, desenvolveu-se um protótipo para potência nominal de 1kW com estratégia de controle digital implementada a partir de um DSP (Digital Signal Processor). Foram realizados ensaios individuais em cada uma das etapas de operação além de ensaios apresentando a transição entre os dois modos de forma a comprovar suas características de estrutura híbrida e bidirecional. This work presents the analysis and the experimental development of a topological structure of a Bidirectional Single-Phase Hybrid Rectifier (BSHR) with High a Power Factor (PF) and reduced Total Harmonic Distortion (THD) for applications in DC Microgrids. The proposed structure offers the rectifier or inverter operating characteristics according to system demand by draining a current in accordance with the IEC 61000-3-2 power quality standard during a rectification and injecting a current in accordance with the IEEE 1547 standard during the injection. In order to analyze the behavior of the proposed topology, a computational model was implemented in the PSIM® platform through which it was possible to verify the efficiency of the control strategy for sinusoidal current imposition based on real-time THD calculation during normal operating conditions (working as a rectifier) and also the supply of a constant DC bus and active power injection in the grid during the surplus energy condition (power inverter operation). Finally, in order to corroborate with the proposed theory, a prototype was developed for nominal power of 1kW with digital control strategy implemented from a DSP (Digital Signal Processor). Individual tests were carried out in each of the stages of operation besides tests presenting the transition between the two modes in order to prove its characteristics of hybrid and bidirectional structure. Dissertação (Mestrado)

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, This thesis has the main objective to study three distinct typologies of structures. These structures are, form-active structures, in particular membrane structures, bending-active structures and the integration of both concepts with a kinetic principle, therefore adaptive hybrid structures. Both membrane and bending-active are structures that require form finding, since the form of these structures is dependent on the loading and boundary conditions, thus only known a posteriori. These structures are subject to large deformations and thus, geometric nonlinearities must be considered during the calculation. Additionally, the flexibility of membrane structures conjugated with the elastic behaviour of bending-active structures creates the perfect conditions for the development of hybrid kinetic structures that adapt according to the external loading conditions present. This study intends to elaborate an exploratory approach on these concepts, thus bringing forward the main problems that originate when analysing a structure of this type. Therefore, firstly a study on membrane, bending-active, hybrid and kinetic structures is presented, containing the most relevant knowledge that currently exists regarding these topics. Then, the structural aspects that are inherent to these structures are exposed. Three routines are developed in Sofistik® in order form find and calculate the above-mentioned structures. Validations are made on these routines and software analysis. The structural feasibility of an architectural concept proposed by Costa (2017) of a hybrid adaptive concept is studied by applying these routines, and the kinetic hybrid concept is simulated in Sofistik®. The adaptive principle is also extended to function structurally, by taking advantage of the bending prestress implied by the bending-active elements. Finally, external wind loads are applied to this structure, in order to test the effectiveness of the structural adaptive concept. It was concluded that there is significant importance of the bending adaptive movement in the loadbearing capacity of the overall system. Additionally, the choice of the initial shape of the structure defines a crucial step on the definition of the structure, since it affects the process of form finding, that latter affects the structural performance., A presente dissertação tem como objetivo principal estudar três tipologias distintas de estruturas. Estas estruturas são as estruturas de forma ativa, particularmente as estruturas em membrana, as estruturas de flexão ativa e a integração de ambos os conceitos com um princípio cinético, ou seja, estruturas hibridas adaptativas. Tanto as estruturas de membranas como as estruturas de flexão ativa são estruturas que requerem determinação da forma pois, como a forma destas estruturas é dependente das condições de tensão e de fronteira, apenas é conhecida a posteriori. Estas estruturas estão sujeitas a grandes deformações e, portanto, as não linearidades geométricas devem ser consideradas durante o cálculo. Para além disto, a flexibilidade das estruturas de membrana conjugada com o comportamento elástico das estruturas de flexão ativa geram condições perfeitas para o desenvolvimento de estruturas cinéticas hibridas que se adaptam de acordo com as condições de carregamento presentes. Este estudo pretende elaborar uma aproximação exploratória a estes conceitos, trazendo para primeiro plano os principais problemas originários da análise deste tipo de estruturas. Desta forma, primeiramente é apresentado um estudo sobre estruturas de membrana, flexão ativa, hibridas e cinéticas, contendo a informação mais relevante que existe atualmente sobre estes assuntos. De seguida, os aspetos estruturais inerentes a estas estruturas são expostos. Três rotinas são desenvolvidas no Sofistik® de forma a determinar a forma e calcular as estruturas anteriormente mencionadas. São realizadas validações destas rotinas e da análise preconizada pelo software. A viabilidade estrutural de um conceito de arquitetura proposto por Costa (2017) sobre uma estrutura hibrida adaptativa é estudada através da aplicação destas rotinas, e o princípio cinético hibrido é simulado através do Sofistik®. O princípio adaptativo é alargado de modo a funcionar estruturalmente, tirando partido da pretensão implícita pelos elementos de flexão ativa. Finalmente, são aplicadas cargas externas de vento à estrutura, de forma a testar a eficácia do principio adaptativo estrutural. Foi concluído que o movimento adaptativo de flexão tem uma importante significância ao nível da carga admissível na estrutura. Adicionalmente, a escolha da geometria inicial da estrutura define uma etapa fundamental na definição da estrutura, pois afeta o processo de form finding, que mais tarde afeta o desempenho estrutural.

Resumo A Rebitagem por Fricção tem se demonstrado como alternativa para união de perfis de compósito termofixo aplicados na construção civil, frente às necessidades atuais por tecnologias eficientes de união de estruturas multimateriais. Nesse processo, a extremidade de um rebite metálico é plastificada e forjada dentro de um componente polimérico, via calor friccional. Sua viabilidade técnica já foi demonstrada para juntas de Ti-6Al-4V/poliéster termofixo reforçado com fibra de vidro. Este artigo tem como objetivo complementar esse estudo através da análise do efeito da velocidade de rotação do rebite na temperatura do processo, microestrutura e propriedades mecânicas locais e globais das juntas. Foram fabricadas juntas com dois níveis de velocidade de rotação: 9000 rpm e 10000 rpm (os demais parâmetros foram mantidos constantes). Temperaturas do processo (655-765 °C) superiores em 96% da temperatura de início de decomposição da matriz de poliéster (370 °C) foram atingidas, desencadeando degradação polimérica acentuada na região de união. O aumento da velocidade de rotação e, portanto, do aporte térmico, não contribuiu estatisticamente para o aumento na profundidade de penetração e na largura da extremidade deformada do rebite. Porém, a extensão da área polimérica degradada aumentou em 47%, a qual resultou em redução proporcional de 50% da resistência à tração das juntas (de 4,0 ± 1,2 kN para 2,0 ± 0,7 kN). Adicionalmente, mapas de microdureza no rebite evidenciaram possíveis transformações de fase da liga que favoreceram seu endurecimento, com o aumento da velocidade de rotação. Contudo, nenhuma correlação pôde ser evidenciada entre a dureza e o desempenho mecânico das juntas sob tração, já que as amostras falharam majoritariamente por arrancamento completo do rebite da placa de compósito. Portanto, no desenvolvimento de juntas rebitadas por fricção de Ti-6Al-4V/ poliéster termofixo reforçado com fibra de vidro, a otimização da velocidade de rotação é essencial para se obter suficiente deformação plástica do rebite e minimizar a extensão da degradação da matriz de poliéster, garantindo um satisfatório desempenho mecânico sob tração das juntas. Abstract Facing the actual demand for efficient joining technologies for multi-materials structures, Friction Riveting was shown to be an alternative joining technology for thermoset composite profiles in civil infrastructure. This process is based on plasticizing and deforming the tip of a rotating metallic rivet within a polymeric component through frictional heating. The feasibility of friction-riveted hybrid joints of Ti-6Al-4V/glass-fiber reinforced thermoset polyester was already demonstrated in a separate work. This paper complements this study by analyzing the rivet rotational speed effect on the process temperature, joint microstructure and the local and global mechanical properties of the joint. Joints were produced using two different levels of rotational speed: 9000 rpm and 10000 rpm (the other parameters were kept constant). The results showed process temperatures (655-765 °C) up to 96% higher than the onset decomposition temperature of the polyester matrix (370 °C); this led to severe degradation of the composite in the joint area. The increase in rotational speed, and therefore in heat generation, led to a statistically insignificant increase of the rivet penetration depth and the rivet diameter widening. However, the extension of the degraded composite area increased 47% which was responsible to deteriorate in 50% the joint tensile strength (from 4.0 ± 1.2 kN to 2.0 ± 0.7 kN). Moreover, the microhardness map of the joined rivet evidenced possible phase transformations in the alloy, favoring the material hardening by increasing in rotational speed. However, no correlations could be established between the changes in hardness and the joint tensile strength since the joints majority failure by full rivet pull-out. Thereby, for the improvement of friction-riveted Ti-6Al-4V/ glass-fiber reinforced thermoset polyester joints, the optimization of rotational speed is essential. This can guarantee the formation of efficient anchored joints and wider rivet tip deformation, concomitantly with the minimizing of the extension of the matrix degradation and finally leading to better tensile strength of the joints.

Este artigo tem como objetivo complementar a primeira parte do estudo já publicado (Parte I), ilustrando a viabilidade da técnica FricRiveting, através da análise da temperatura processual (via termometria e termografia) e desempenho mecânico (via ensaios de tração, cisalhamento e microdureza) de juntas produzidas a partir de polieterimida (PEI) com rebites de alumínio 2024-T351. Os resultados deste estudo mostram que a máxima temperatura de processo é próxima da temperatura de fusão do rebite de alumínio e temperatura de transformações térmicas do PEI (300ºC a 500ºC); altas temperaturas de processamento e altas taxas de deformação, implicam em excelente performance de ancoramento do rebite; e consequentemente, ótimas propriedades mecânica das juntas. Essas evidências, reforçam o grande potencial de aplicação do FricRiveting como nova técnica de união e fabricação de juntas de termoplásticos avançados e ligas leves. This present manuscript complements the work presented in the firs part of the study (Part I) tackling the feasibility of the Friction Riveting (FricRiveting). This paper reports on the thermal history (the process temperature evaluated by thermometry and infrared thermography) and mechanical performance (tensile strength, lap shear strength and microhardness) of polyetherimide (PEI) / aluminium 2024-T351 joints. The results showed average process temperatures within 300ºC to 500ºC. These are values close to the melting temperature of the aluminium rivet and the thermal degradation range of PEI. The high temperatures and shear rate induce the formation of the deformed tip of the rivet (anchoring zone) responsible for the high anchoring efficiency of the rivet, and consequently, excellent mechanical properties of joints. The FricRiveting was demonstrated to be well adequate to hybrid engineering thermoplastic and lightweight alloy joints.

A rebitagem por fricção (do Inglês "Friction Riveting") é uma nova técnica de união pontual desenvolvida para a fabricação de estruturas híbridas do tipo polímero-metal. Nesta técnica, um rebite metálico cilíndrico é usado para unir um ou mais componentes termoplásticos. O processo de união ocorre através da plastificação e forjamento da extremidade do rebite via calor friccional, oriundo da rotação e pressão axial do rebite em contato com os componentes a serem unidos. Vantagens dessa nova técnica de união são, entre outras, ciclos de união curtos associados com a ausência ou diminuição do tempo de preparação das superfícies dos componentes, ausência de emissões tóxicas, e simplicidade operacional. Juntas rebitadas por fricção apresentam elevada resistência mecânica. Nesse artigo a viabilidade da técnica foi demonstrada através de um estudo de caso em juntas de polieterimida com rebites de alumínio 2024-T351. Juntas com elevada resistência mecânica (com valores médios de até 93% da resistência à tração do rebite) foram produzidas e caracterizadas em termos de microestrutura (microscopia ótica, de varredura e por microtomografia computadorizada).The Friction Riveting (FricRiveting) technique is a new alternative spot joining process developed for polymer-metal hybrid structures. In the technique, a cylindrical metallic rivet is used to join one or more thermoplastic-metal components by means of plasticizing and deforming the tip of the rotating rivet through frictional heating. Advantages of this new technique are short joining cycles, minimal sample preparation, absence of environmental emissions and simple operability. Friction riveted joints have enhanced mechanical performance. This study demonstrates the feasibility of FricRiveting by analyzing a case-study joint on polyetherimide / aluminum alloys. Sound joints on polyetherimide/aluminum 2024-T351 with elevated mechanical strength (up to 93% of the rivet strength) were successfully produced and characterized in terms of microstructure (light optical and scanning microscopy and computer microtomography).

Friction Spot Joining (FSpJ) is an innovative friction-based joining technique for metalpolymer hybrid structures. Friction spot joints of aluminum alloy 2024-T3 and carbon‑fiber reinforced poly(phenylene sulfide) composite laminate (CF-PPS) were produced with an additional PPS film interlayer. Two different film thicknesses were investigated in this study: 100 and 500 μm. Lap shear testing demonstrated that the joints produced with 100 μm film (2093 ± 180 N) were stronger than the joints with 500 μm (708 ± 69 N). Additionally, the fracture surface analysis revealed a larger bonding area for the joints with 100 μm film (53 ± 2 mm2) as compared to the joints with 500 μm film (40 ± 1 mm2). Considering the low thermal conductivity of PPS, the thinnest film is more likely to soften by the frictional heat during the joining process. Hence, the low viscosity of the molten PPS favors the wettability of the parts’ surface. Microstructural analyses proved that the metallic nub formation and the interdiffusion of PPS chains between film and composite matrix are also favored for thinner film use. Thus, superior adhesion between the partners is achieved. Therefore, it was concluded that the addition of the thinnest film interlayer leads to stronger joints.

Resumo O uso de estruturas híbridas metal-polímero é uma alternativa para a redução de peso e de consumo de combustível na indústria de transporte que visa minimizar a emissão de gases nocivos ao efeito estufa. A Rebitagem por Fricção (‘Friction Riveting) é uma técnica relativamente nova para união de estruturas híbridas metal-polímero. O processo baseia-se na geração de calor friccional entre os componentes resultando na deformação plástica da extremidade do rebite metálico, que é ancorado dentro do componente polimérico. O presente estudo avaliou a viabilidade técnica da união de AA 6056 T6 e PA6, com foco na influência da velocidade de rotação do rebite no desempenho mecânico das juntas. A máxima temperatura atingida no processo aumentou com o acréscimo na velocidade de rotação, de 291 ± 6°C com 10000 rev/min para 375 ± 5°C com 15000 rev/min. A utilização de maiores valores de velocidade de rotação causou a deformação plástica da ponta do rebite durante a fase de fricção. Isso levou a juntas mecanicamente mais resistentes, devido à maior ancoragem do rebite metálico na placa polimérica. As juntas de AA 6056 T6-PA6 apresentaram bom desempenho de resistência à tração atingindo 85% da resistência à tração do rebite metálico. Portanto, verificou-se que é possível unir AA 6056 T6 e PA6 pela técnica de rebitagem por fricção e que a velocidade de rotação influencia diretamente a resistência à tração das juntas. Abstract Hybrid metal-polymer structures are an alternative solution to reduce weight and fuel consumption in the transportation industry in order to minimize the emission of noxious gases in regard to the greenhouse effect. Friction Riveting is a relatively new technique for joining metal-polymer hybrid structures. The process relies on the generation of frictional heat between the components causing the plastic deformation of the metallic rivet and its anchoring in the polymer component. This study evaluated the technical feasibility of friction-riveted AA 6056 T6 and PA6 joints, and the influence of the rotational speed (RS) on the maximum process temperature and on the mechanical performance of the joints. The maximum temperature reached increased with the rotational speed, from 291 ± 6 °C at 10000 rev/min to 375 ± 5 °C at 15000 rev/min. The use of greater rotational speeds induced the plastic deformation of the tip of the metallic rivet during the frictional phase. This led to mechanically stronger joints due to the larger anchoring of the metallic rivet within the polymeric plate. The AA 6056 T6-PA6 joints had good tensile strength, achieving 85% of the metallic rivet’s tensile strength. Therefore, the feasibility of friction-riveted AA 6056 T6-PA6 joints was proven. Furthermore, it was shown that the rotational speed influences directly the rivet anchoring and thus the tensile strength of the joints.

A rebitagem por fricção (do Inglês "Friction Riveting") é uma nova técnica de união pontual desenvolvida para a fabricação de estruturas híbridas do tipo polímero-metal. Nesta técnica, um rebite metálico cilíndrico é usado para unir um ou mais componentes termoplásticos. O processo de união ocorre através da plastificação e forjamento da extremidade do rebite via calor friccional, oriundo da rotação e pressão axial do rebite em contato com os componentes a serem unidos. Vantagens dessa nova técnica de união são, entre outras, ciclos de união curtos associados com a ausência ou diminuição do tempo de preparação das superfícies dos componentes, ausência de emissões tóxicas, e simplicidade operacional. Juntas rebitadas por fricção apresentam elevada resistência mecânica. Nesse artigo a viabilidade da técnica foi demonstrada através de um estudo de caso em juntas de polieterimida com rebites de alumínio 2024-T351. Juntas com elevada resistência mecânica (com valores médios de até 93% da resistência à tração do rebite) foram produzidas e caracterizadas em termos de microestrutura (microscopia ótica, de varredura e por microtomografia computadorizada). The Friction Riveting (FricRiveting) technique is a new alternative spot joining process developed for polymer-metal hybrid structures. In the technique, a cylindrical metallic rivet is used to join one or more thermoplastic-metal components by means of plasticizing and deforming the tip of the rotating rivet through frictional heating. Advantages of this new technique are short joining cycles, minimal sample preparation, absence of environmental emissions and simple operability. Friction riveted joints have enhanced mechanical performance. This study demonstrates the feasibility of FricRiveting by analyzing a case-study joint on polyetherimide / aluminum alloys. Sound joints on polyetherimide/aluminum 2024-T351 with elevated mechanical strength (up to 93% of the rivet strength) were successfully produced and characterized in terms of microstructure (light optical and scanning microscopy and computer microtomography).

Financiadora de Estudos e Projetos Multimaterial structures are currently a technologically attractive field of research. The growing use of polymer composites replacing metals in structures aiming for weight and emission reduction is part of the motivation of this study. The currently used techniques adhesive bonding and mechanical fastening are limited in certain aspects, opening a path for innovation in this area. Joining of polymers and metals via Injection Clinching Joining (ICJ) is an innovative technique based in injection molding, adhesive bonding and staking. This work studies this technology in its theoretical aspects and applies it to a preliminary study with commercial materials: 30% short glass fiber reinforced polyamide 6,6 (PA66/FG30%); and aluminum alloy AA2024-T351. A design of experiment of one factor at a time analyzed effects of the process parameters on macro- and microstructure, local and global mechanical properties, and thermal properties. It was possible to create joints in which the polymer completely filled cavities in the metallic hole, but the reproducibility was not good, for most joints had only partial filling of the cavities, factor which improves the mechanical performance of the joint. The lap shear testing of overlapped joints determined the global mechanical strength of the joint, which ranged from 20,90 MPa to 51,48 MPa (35,9% to 88,5% of the ultimate tensile strength of PA66/FG30%), and the best performances are attributed to a large contact volume of polymeric material with the chamfer on top of the stud, and effective cavity filling. Two types of fracture were observed, a ductile and gradual (rivet pull-out), and a fragile and catastrophic (net-tension). The thermal properties of the polymer after joining were not significantly changed compared to the base material. This scientific and technological research featured ICJ as a viable process for joining of multimaterial structures, achieving good mechanical performance without significantly changing the properties of the base materials. Estruturas multimateriais são hoje um campo de estudo atrativo tecnologicamente. O crescente uso de compósitos poliméricos substituindo metais em estruturas para redução de peso e de emissão de gases faz parte da motivação deste trabalho. As técnicas usadas atualmente ligação adesiva e junção mecânica são limitadas em certos aspectos, abrindo caminho para inovação nesta área. A união entre polímeros e metais por rebitagem por injeção (adaptação de Injection Clinching Joining ICJ) é uma técnica inovadora baseada em moldagem por injeção, ligação adesiva e rebitagem. Este trabalho estuda esta técnica em seus aspectos teóricos e a aplica em um estudo preliminar com materiais comerciais: poliamida 6,6 reforçada com 30% de fibras curtas de vidro (PA66/FV30%); e liga de alumínio AA2024-T351. Um projeto de experimento de um fator por vez analisou efeitos dos parâmetros de processo sobre a macro- e microestrutura, propriedades mecânicas localizadas e globais, e propriedades térmicas. Foi possível criar juntas nas quais o polímero preencheu completamente cavidades no furo metálico, porém não houve boa reprodutibilidade, sendo que a maioria das juntas obteve preenchimento parcial das cavidades, fator que melhora consideravelmente a resistência mecânica da junta. Os ensaios de cisalhamento por tração de juntas sobrepostas determinaram a resistência mecânica global da junta, que variou de 21 MPa a 51 MPa (35,9% a 88,5% da resistência mecânica da PA66/FV30%), sendo que melhores desempenhos são fruto de um grande volume de contato com o chanfro no topo do pino, e de maiores preenchimentos de cavidades. Foram observados dois tipos de fratura, uma dúctil e gradual (arrancamento do pino), e outra frágil e catastrófica (nettension). As propriedades térmicas do polímero após a união não foram alteradas significantemente em relação ao material de base. Esta pesquisa científica e tecnológica caracterizou o ICJ como um processo viável para união de estruturas multimateriais, possuindo boa resistência mecânica e sem alterar significantemente as propriedades dos materiais de base.

Relatório 11-DEC/E-16

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009