Diretrizes para pesquisas em materiais vegetais com análises por elementos finitos baseadas em microtomografia de raios X e implicações para projetos de biônica em design e engenharia

Abstract

A combinação de análises morfológicas e por elementos finitos (FEA) baseadas em imagens de microtomografia de raios X (μCT) representa uma das mais avançadas abordagens para estudo 3D de materiais de maneira não-invasiva e de alta resolução, tendo seu uso crescente nos últimos anos para diversos ramos da ciência. Contudo, é notável o ainda pouco explorado uso de FEA e μCT para materiais de origem vegetal. De maneira relacionada, o profissional em design possui potencial para trabalhar com pesquisadores de diversas áreas, promovendo o uso de novas tecnologias que possam conduzir a resultados inovadores. Desse modo, esta tese apresenta o desenvolvimento de diretrizes gerais para auxiliar pesquisadores a trabalhar com a investigação por meio de FEA baseada em μCT, com foco em materiais vegetais. Com uma revisão teórica sobre os principais tópicos relacionados às técnicas, desde o papel do designer em pesquisas, a importância da investigação de materiais de origem vegetal, os fundamentos de μCT e de FEA baseada em bioimagens, foram fundamentados e seguidos três estudos de caso de pesquisa científica, levando a novas interpretações sobre a morfologia, estrutura, e funcionalidade de amostras vegetais e de dois estudos de caso de aplicações das informações obtidas em projetos de biônica de design e engenharia. Os resultados incluem contribuições científicas, oriundas dos estudos de caso, e de contribuições técnicas, relacionadas à escolha dos métodos mais adequados para as análises de μCT e FEA. Por fim, foram desenvolvidas diretrizes básicas para auxiliar demais pesquisadores no que diz respeito à preparação de amostras, realização da digitalização por μCT, pós-processamento de imagens, discretização de malhas e execução de análises por elementos finitos.

Combining morphological and finite element (FEA) analyses based on X-ray microtomography imaging (μCT) represents one of the most advanced approaches to noninvasive and high-resolution 3D studies of materials, showing an increased use in recent years for several fields of science. However, the still little explored application of FEA and μCT for materials of plant origin is noteworthy. In a related way, designer has shown a potential to work with researchers from different areas, by promoting the use of new technologies that could lead to innovative results. Thus, this thesis presents the development of general guidelines to assist scientists working with investigations by means of FEA based on μCT, focusing on plant materials. With a theoretical review on the main topics related to the techniques, from the role of the designer in researches, the importance of the investigation of plant materials, the fundamentals of μCT, and FEA based on bioimaging, three case studies of scientific research were substantiated and followed, leading to new interpretations regarding the morphology, structure, and functionality of plant samples, and two case studies of application of the gathered information into bionic projects of design and engineering. Results include scientific contributions from the case studies and technical contributions related to the selection of the most appropriate methods for the analysis of μCT and FEA. Finally, basic guidelines were developed aiming to assist other researchers in the preparation of samples, the execution of μCT scanning, post-processing of images, discretization of meshes and conduction of finite element analysis.