Desenvolvimento e implementação de procedimentos experimentais para a caracterização mecânica de polímeros termoplásticos, estudo de caso: UHMWPE

Abstract

Devido ao amplo uso de polímeros termoplásticos com função mecânica na indústria, faz-se cada vez mais necessário o desenvolvimento de metodologias robustas para a caracterização de comportamento mecânico destes materiais. O presente trabalho apresenta uma proposta de metodologia de ensaios para caracterização mecânica de termoplásticos, contemplando carregamentos trativo, compressivo uniaxial e compressivo biaxial, em regime de deformações finitas, com deslocamentos monotônicos e cíclicos. Para a implementação experimental da proposta foram projetados e fabricados três novos dispositivos de fixação e posicionamento da amostra para estes ensaios. Foi projetado também, um novo conceito de transdutor de deslocamento biaxial para corpos de prova de pequenas dimensões, capaz de medir simultaneamente as deformações longitudinal e transversal do corpo de prova. Nos ensaios experimentais a curva tensão-deformação verdadeira foi obtida utilizando-se a técnica de correlação de imagens digitais (DIC) e transdutores de deslocamento do tipo LVDT. Como estudo de caso foram realizados ensaios de caracterização mecânica do Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE), material utilizado para aplicações médicas nas superfícies de contato articulado de próteses para artroplastia de joelho, quadril e ombro, principalmente. A metodologia proposta possibilitou a obtenção da curva tensão-deformação verdadeira para o material analisado e a determinação dos parâmetros associados. Foram detectadas diferenças no comportamento do material quando testado nas diferentes direções com relação ao sentido da extrusão da barra original. Os dispositivos projetados foram capazes de obter, com homogeneidade, deformações acima de 50% e seus projetos estão autorizados para reprodução. Os desenhos técnicos estão disponíveis nos apêndices deste documento. Os resultados completos dos ensaios realizados podem ser acessados no site deste projeto.<br>

Abstract: Due to the extensive use of thermoplastic polymers with special mechanical characteristics in the industry, the development of robust methods for the characterization of the mechanical behavior of these materials is increasingly important. This master thesis proposes a method for mechanical characterization of thermoplastics, contemplating specimens under tensile, compressive uniaxial and biaxial compression under conditions of finite strains, with monotonic and cyclic loads. For the experimental implementation of the proposal three new fixtures and positioning systems were designed and manufactured. It was also designed a new concept of biaxial displacement transducer for small specimens, capable of simultaneously measuring the longitudinal and transverse strains of the specimen. In experimental trials the true stress-strain curve was obtained using the digital image correlation technique (DIC) and displacement transducers of the LVDT type. At the study case, mechanical characterization tests of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) were performed. This material is used for medical applications in articulated contact surfaces of prostheses for knee arthroplasty, hips and shoulder, especially. With the proposed methodology it was possible to obtain true stress-strain curve for the analyzed material and the associated parameters. Differences in the behavior of the material when tested in different directions with respect to the direction of extrusion of the original bar were identyfied. The designed devices were able to reach, with homogeneity, over 50% of strain. Their designs are authorized for reproduction and are available in the appendices of this document. The full results of mechanical tests are available on the website of this project.