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dc.creatorShigueoka, Marcelo Okada-
dc.date.accessioned2025-07-16T20:19:47Z-
dc.date.available2026-01-24-
dc.date.available2025-07-16T20:19:47Z-
dc.date.issued2024-07-25-
dc.identifier.citationSHIGUEOKA, Marcelo Okada. Desenvolvimento de meios porosos cerâmicos por manufatura aditiva de dupla extrusão de pasta com e sem agente porogênico. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37481-
dc.description.abstractPorous media (PM) play an important role in various industrial applications, especially in the Oil & Gas industry. With an emphasis on the need to control pore hierarchy to meet specific requirements, such as regulating fluid flow to replicate the properties of sedimentary rock reservoirs, additive manufacturing (AM) emerges as a promising technique for creating such porous materials with complex geometries, with lattice structures being one of the alternatives. However, it is important to highlight the limitations in producing lattice structures with respect to hierarchical porosity, particularly as the need to reduce pore diameter increases. This study proposes the use of dual extrusion in AM with ceramic materials, such as porcelain ceramic paste, incorporating porogenic agents like starch and calcium carbonate. Preliminary tests were conducted to select the porogenic agent with the best adhesion to porcelain and processability with AM’s Material Extrusion (MEX) Direct Ink Writing (DIW) technologies. The materials used included one with only porcelain (MB – base material) and materials with different porogenic agents incorporated into porcelain (MAP – material with porogenic agent). The tests involved evaluating the shrinkage of the materials and identifying interface failures between the two extruded materials, MB, and MAP. After selecting starch as the porogenic agent for printing the PM, porous media were produced by dual extrusion. In the lack of a second extruder head, a manual application method for MAP was developed to replicate the proof of concept. The geometry of the PM consisted of a conventional lattice structure from MEX technologies with filaments deposited in a zigzag pattern, interspersed by rotating the MB raster angle by 90°. In the void regions between the MB filaments (gaps), MAP was manually deposited. To verify its application as PM, the PM were tested in a permeameter to determine the Darcian coefficient k1 and non-Darcian coefficient k2 and compared with existing literature results of siliciclastic sedimentary rock reservoirs. The PM showed a mass reduction of 13.9%, with a standard deviation of only 0.4%. The density registered an average value of 1.54 g/cm³ and a coefficient of variation of 1.56%, indicating notable consistency in the developed manufacturing process regarding the regularity of the deposited material quantity. The PM showed the presence of pores in the range of tenths of millimeters and the uniformity of material deposition. In cross-sections of the material, it was possible to clearly visualize and identify each area of the section, with the ellipses of the filament cross-sections measured. Regarding the permeability of the PM, the average values of the coefficients k1 (10.65×10-15 m2) and k2 (5.32×10) m) obtained in the tests indicate the stability of the developed process for both coefficients. These results indicate that the method can be successfully applied to the production of PM with customized strategies, going beyond a “conventional” lattice. Furthermore, it stands out for its ability to control deposition provided by material extrusion in additive manufacturing. This threedimensional control makes it possible to achieve properties, such as permeability, like those of porous materials obtained by conventional techniques and even natural rocks.Keywords: porous media; additive manufacturing; dual extrusion; lattice structures; pore forming agent; ceramic materials.pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Tecnológica Federal do Paranápt_BR
dc.rightsembargoedAccesspt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/pt_BR
dc.subjectPorosidadept_BR
dc.subjectManufatura aditivapt_BR
dc.subjectProcesso de extrusãopt_BR
dc.subjectAnálise estrutural (Engenharia)pt_BR
dc.subjectMaterial cerâmicopt_BR
dc.subjectProcessos de fabricaçãopt_BR
dc.subjectMateriais porosospt_BR
dc.subjectPorositypt_BR
dc.subjectAdditive manufacturingpt_BR
dc.subjectExtrusion processpt_BR
dc.subjectStructural analysis (Engineering)pt_BR
dc.subjectCeramic materialspt_BR
dc.subjectManufacturing processespt_BR
dc.subjectPorous materialspt_BR
dc.titleDesenvolvimento de meios porosos cerâmicos por manufatura aditiva de dupla extrusão de pasta com e sem agente porogênicopt_BR
dc.title.alternativeDevelopment of ceramic porous media by dual extrusion additive manufacturing paste with and without pore forming agentpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR
dc.description.resumoMeios porosos (MP) desempenham um papel importante em diversas aplicações industriais, especialmente na indústria de petróleo e gás. Com ênfase na necessidade de controlar a hierarquia de poros para atender a requisitos específicos, como a regulação do fluxo de fluidos para replicar propriedades de reservatórios com rochas sedimentares, a manufatura aditiva (AM – Additive Manufaturing) surge como uma técnica promissora para criar tais materiais porosos com geometrias complexas, sendo a estrutura de lattice uma das alternativas. No entanto, deve-se destacar as limitações na produção de estruturas de lattice em relação à porosidade hierárquica, especialmente conforme a necessidade de redução do diâmetro dos poros aumenta. Este estudo propõe a utilização da dupla extrusão na AM com materiais cerâmicos, como a massa cerâmica de porcelana, incorporando agentes porogênicos como o amido e o carbonato de cálcio. Testes preliminares foram conduzidos para selecionar o agente porogênico com melhor aderência à porcelana e às tecnologias de Direct Ink Writing (DIW) por extrusão de material (MEX) da AM. Os materiais utilizados incluíram um com apenas porcelana (MB – material base) e materiais com diferentes agentes porogênicos incorporados à porcelana (MAP – material com agente porogênico). Os testes envolveram a avaliação da contração dos materiais e a identificação de falhas na interface entre os dois materiais extrudados, MB e MAP. Após a seleção do amido como agente porogênico para a impressão dos MP, foram produzidos meios porosos por dupla extrusão. Na ausência de um segundo cabeçote extrusor, um método de aplicação manual do MAP foi desenvolvido para replicar a prova do conceito. A geometria do MP consistia em uma estrutura de lattice convencional das tecnologias MEX com filamentos depositados em zigue-zague, intercalados pela rotação em 90° do ângulo de raster do MB. Nas regiões dos vazios entre os filamentos de MB (gaps), foram depositados MAP de forma manual. Para atestar sua aplicação como MP, os MP foram ensaiados em permeâmetro para determinação dos coeficientes darciano k1 e não-darciano k2, e comparados com os resultados existentes na literatura de reservatórios siliciclásticos de rochas sedimentares. Os MP apresentaram uma redução de massa de 13,9%, com desvio padrão de apenas 0,4%. A densidade registrou um valor médio de 1,54 g/cm³ e um coeficiente de variação de 1,56%, indicando uma notável consistência no processo de fabricação desenvolvido quanto à regularidade da quantidade de material depositado. Foi evidenciada a presença de poros na faixa de décimos de milímetros e a uniformidade da deposição do material. Em seções transversais do material, foi possível visualizar e identificar claramente cada área da seção, com as elipses das seções transversais dos filamentos mensuradas. Com relação à permeabilidade dos MP, os valores médios dos coeficientes k1 (10,65×10-15 m2) e k2 (5,32×10-11 m) obtidos nos ensaios indicam a estabilidade do processo desenvolvido, para ambos os coeficientes. Esses resultados indicam que o método pode ser aplicado com sucesso na produção de MP com estratégias personalizadas, indo além de um lattice “convencional”. Além disso, destaca-se pela capacidade de controle na deposição proporcionada pela extrusão de material na manufatura aditiva. Esse controle tridimensional possibilita alcançar propriedades, como permeabilidade, semelhantes às de materiais porosos obtidos por técnicas convencionais e até mesmo a rochas naturais.pt_BR
dc.degree.localCuritibapt_BR
dc.publisher.localCuritibapt_BR
dc.creator.IDhttps://orcid.org/0000-0003-4435-4831pt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/2892053081148878pt_BR
dc.contributor.advisor1Volpato, Neri-
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1523-3977pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8414652619232683pt_BR
dc.contributor.referee1Foggiatto, José Aguiomar-
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0001-5393-3654pt_BR
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8013863352635494pt_BR
dc.contributor.referee2Berti, Lucas Freitas-
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0002-9720-9040pt_BR
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8514222359362903pt_BR
dc.contributor.referee3Innocentini, Murilo Daniel de Mello-
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-5396-7798pt_BR
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/5681181471077426pt_BR
dc.contributor.referee4Volpato, Neri-
dc.contributor.referee4IDhttps://orcid.org/0000-0003-1523-3977pt_BR
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8414652619232683pt_BR
dc.contributor.referee5Beal, Valter Estevão-
dc.contributor.referee5IDhttps://orcid.org/0000-0003-4651-0383pt_BR
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/1079662152082050pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiaispt_BR
dc.publisher.initialsUTFPRpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAOpt_BR
dc.subject.capesEngenharia Mecânicapt_BR
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