CASO 6: desenvolvimento e fabrico de uma máquina de processamento de materiais compósitos

Este trabalho reporta um estudo de selecção de materiais com vista ao fabrico de um modelo protótipo de hélice de um aeromodelo. Tendo como base de trabalho uma geometria definida para a hélice e uma liga de alumínio como material de referência, procurou-se estudar uma gama de materiais poliméricos, com e sem reforço, com vista a melhorar as propriedades mecânicas da hélice, reduzindo assim, o seu peso final. Depois de realizados os ensaios de determinação das propriedades mecânicas e do estudo de simulação em serviço dos materiais seleccionados, procedeu-se ao fabrico da hélice com recurso a técnicas de prototipagem rápida.

i) INTRODUÇÃO

A selecção de materiais é uma das etapas mais críticas do processo de projecto e fabrico de modelos de aviões, procurando-se aliar as melhores propriedades mecânicas ao menor peso possível, sem com isso pôr em risco a integridade do modelo de aeroplano. No presente trabalho pretendeu-se seleccionar o material a usar no fabrico de uma hélice de um modelo de avião, visando garantir a integridade estrutural com o mínimo de peso associado. O material de referência para validar a geometria desenvolvida em termos de aerodinâmica foi uma liga de alumínio. Como alternativa, optou-se por seleccionar uma gama de materiais poliméricos com vista ao seu fabrico por um processo de injecção em vácuo. Foram realizados ensaios experimentais para determinar as propriedades elásticas e de resistência mecânica destes materiais. Com os valores obtidos, procedeu-se ao estudo de simulação numérica da geometria com vista a determinar as tensões nas zonas críticas da geometria desenvolvida para a hélice e garantir a sua integridade estrutural. Para fabricar a hélice de alumínio utilizou-se o processo de maquinagem a alta velocidade, enquanto as hélices obtidas por injecção de resina epoxídica, com e sem reforço, foram fabricadas com recurso às técnicas de prototipagem rápida (Thermojet 3-D, Figura 2.27.b)) e vazamento em vácuo em molde de silicone (Figura 2.27.d)).

ii) RESULTADOS EXPERIMENTAIS: MATERIAIS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Como material de referência para a hélice considerou-se uma liga de alumínio 3.4365.7 laminado, temperado e revenido, com uma tensão de rotura de 480-530 MPa. Os materiais alternativos foram obtidos a partir da resina epoxídica 520 e do catalisador 523. Para o reforço desta resina utilizaram-se mantas de fibra de vidro bidireccionais com gramagens de 120g e 200g (E= 80 GPa e σR=2 GPa) e manta de fibra de carbono (E=230 GPa e σR=3,9 GPa). Considerando que o peso específico do alumínio é de 2700 kg/m3 e que a resina epóxida é de 1120 kg/m3, a substituição de alumínio por resina epóxida permite uma redução de peso de cerca de 58%.

Os provetes para determinação das propriedades mecânicas destes materiais foram obtidos por vazamento em vácuo em molde de silicone (Figura 2.27.d)). Depois de se proceder à cura dos provetes, foram realizados ensaios de tracção unidireccional de acordo com a norma NP 2257-1998 numa máquina de ensaios electromecânica INSTRON 4206 conforme ilustrado na Figura 2.27.e). Os ensaios foram feitos à temperatura ambiente com uma velocidade de carregamento de 2 mm/min.

Na Tabela 2.8 são apresentadas as propriedades mecânicas obtidas com os materiais processados. Os resultados obtidos com a resina epóxida estão de acordo com os indicados pelo fornecedor do material. Como esperado, a introdução das fibras teve como consequência o aumento do módulo de Young e da resistência mecânica. Os resultados obtidos com os dois tipos de fibras de vidro são muito semelhantes. No caso do material composto com fibras de carbono, os resultados são significativamente maiores: maior resistência mecânica e maior rigidez.

iii) RESULTADOS NUMÉRICO

A hélice foi estudada numericamente para determinar as tensões máximas principais. Foi estudada apenas metade da hélice, considerando adequadas condições de contorno. A definição da geometria foi feita com cortes em 100%, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5 e 1% (228.a.)), sendo esta percentagem definida como:

hub máx hub

R

R

R

R

−

−

=

%

onde Rmax é o raio máximo da hélice (= 241,3 milímetros). Uma fina camada de fibra de reforço (0,1-0,25 mm de espessura) foi considerada na superfície. Na Figura 228.a.) e b) são apresentadas as secções consideradas na analise bem como a geometria correspondente à secção de 30%. As cargas consideradas são as indicadas na Figura 228.b), e foram obtidos a partir de análises aerodinâmicas. A força centrífuga também foi considerada.

Tabela 2.8. Propriedades mecânicas

Material

σ

ε

Epoxy 520 78,1 6,8 3094,8

Epoxy + fibra de vidro (120 g) 64,8 1,9 3941,5

Epoxy + fibra de vidro (200 g) 53,1 1,5 4183,6

Epoxy + fibra de carbono 83,8 0,91 9486,2

A análise pelo MEF foi feita utilizando o programa comercial COSMOS/M 2.0, tendo-se considerado cerca de 30000 elementos isoparamétricos de 20 nós e 100000 nós. Na Figura 2.28.c) apresenta-se a malha de elementos finitos e a distribuição de tensões equivalentes de Von Mises (Figuras 2.28.d) e e)) na secção crítica da hélice. Pode notar-se que a distribuição de tensões é típica de uma secção sujeita à flexão, com tensões mínimas junto à linha neutra e máximas nos pontos mais afastados. A tensão máxima é claramente inferior à tensão de rotura dos vários materiais, o que indica que a hélice está bem dimensionada. É, assim, possível reduzir significativamente o peso da hélice utilizando os materiais aqui estudados (compósitos de matriz polimérica reforçados com fibra de vidro ou carbono).

Na Tabela 2.9 são apresentadas as tensões principais máximas na hélice, para diferentes materiais e frequências de rotação. Os valores da tensão resultante das forças centrífuga e aerodinâmica são apresentados separadamente e combinadas. As tensões centrífugas são mais elevadas do que as resultantes da aerodinâmica e, como esperado, aumentam a frequência de rotação.

Tabela 2.9. Tensões principais máximas

Material; frequência rotacional

(σ1)Max [MPa]

Centrifuga Aerodinâmica Combinada

Epoxy 520, 4000 r/min 661.25 93.17 572.9

Epoxy + fibra 0.1mm, 4000 r/min 4406 512.7 3854

Epoxy + fibra 0.25mm, 4000 r/min 2507 323.8 2197

Epoxy + fibra 0.25mm, 2500 r/min 979.4 144.3 845

A inclusão das fibras de reforço nas superfícies aumenta a resistência mecânica da hélice. O aumento da espessura das camadas de fibra (de 0,1 para 0,25 mm) proporcionou uma redução significativa da tensão máxima. Consequentemente, o aumento na espessura das camadas de reforço ou a utilização de múltiplas camadas mostra ser benéfica para a segurança dos componentes mecânicos em carga. Estes resultados podem ser comparados com os valores de resistência mecânica da resina epóxida (78 MPa), da fibra de vidro (2 GPa) e fibra de carbono (3,9 GPa). Pode concluir-se que uma hélice fabricada apenas com resina epóxida não é recomendável, pois resistência mecânica necessária para o seu funcionamento em serviço. A hélice feita com fibra de carbono, com 0,25 mm de espessura nas superfícies, tem uma elevada resistência mecânica e um factor de segurança de 1,8 para uma frequência de rotação de 4000 r.p.m., quando comparada com a hélice em alumínio.

Figure 2.27. a) modelo virtual e físico da hélice; b) Thermojet 3-D, utilizada no fabrico do modelo físico da hélice; c) geometria dos provetes utilizados nos ensaios; d) molde em silicone utilizado no fabrico dos

provetes; e) provetes ensaiados

iv) Processo de fabrico

Uma vez concluído o processo de design, o passo seguinte foi o de fabricar a hélice em material compósito com fibra de carbono. Foi utilizado como modelo a metade da hélice em cera (Thermojet, Figura 2.27.a) e b)) para fabricar o molde em silicone para produzir as duas metades de hélice (e outras hélices). Foi realizado um estudo relativo ao processamento da hélice, definição da linha de junta, saída de ar e modelação. Após o vazamento do silicone numa caixa de madeira construída para o efeito o passo seguinte foi a cura a 30ºC durante 24 horas. Concluída a fase de cura, o molde foi aberto pela linha de junta e removido o modelo da hélice em cera. Em seguida foram colocadas as camadas de tecido de fibra impregnadas com resina nas duas cavidades do molde em silicone. O molde foi fechado e procedeu-se à injecção de resina para o seu interior. Após o vazamento da resina epóxida no interior do molde, iniciou-se a fase de cura dentro da câmara de vácuo (Figura 2.28.b)). A fase de cura consistiu na manutenção a 20ºC durante 24 horas, seguido por um período de 16h a 60ºC. O processamento em vácuo acima descrito foi realizado por duas vezes para obter as duas partes simétricas da hélice (Figura 2.29.b). Estas peças foram limpas e montadas para obter o resultado compósito de carbono reforçado hélice ilustrada na Figura 2.29.d).

d) e) 15 6 18 10 4 R6 c)

Figura 228.a) secções consideradas na definição da geometria da hélice; b) Geometria da secção 30 % e malha de elementos finitos; c) malha de elementos finitos; d) tensão equivalente de Von Mises, na secção crítica, para a hélice em resina epóxida sem reforço; e) tensão equivalente de Von Mises, na secção crítica, para a hélice em resina epóxida com reforço de camadas de fibra (0,25 mm).

a)

c)

b)

d)

Figura 2.29.a) protótipo de metade da hélice em cera (Thermojet 3-D) e sequência de fabrico de molde em silicone; b) câmara de cura em vácuo; c) molde em silicone com a hélice; d) componentes da hélice em material compósito com fibras de carbono e montagem.

v) CONCLUSÕES

Diferentes materiais foram considerados no fabrico de uma hélice de um modelo de avião: liga de alumínio e materiais compósitos de matriz em resina epóxida reforçados com fibras de vidro e de carbono. Os resultados indicam que os compósitos estudados são uma alternativa interessante às ligas de alumínio pois permitem uma redução significativa de peso (-58%) sem afectar a integridade estrutural. O posicionamento das fibras apenas nas superfícies é uma solução interessante, pois permite uma utilização optimizada dos materiais de reforço.

Foi realizada uma análise numérica com o objectivo de obter uma distribuição de tensões na hélice. As tensões máximas principais foram comparadas com os valores obtidos experimentalmente para avaliar a segurança do componente estrutural. A inclusão de fibras na superfície aumenta, naturalmente, a resistência local. A resistência mecânica foi obtida em ensaios de tracção unidireccional. Os provetes de matriz em resina epóxida e materiais compósitos com reforço de fibra na superfície foram obtidos por processamento em vácuo. A comparação das tensões máximas principais com os valores de resistência mecânica obtidos experimentalmente indicam que os materiais compósitos tem as propriedades adequadas, e que a segurança dos componentes pode ser aumentada com a adição de uma camada mais espessa de fibra ou usando fibra de carbono. A inclusão de mais camadas de reforço também pode aumentar a resistência mecânica do componente estrutural. O protótipo de hélice foi produzido com material compósito com fibras longas de carbono na superfície. O fabrico foi realizado com recurso a técnicas de prototipagem rápida: produção de um modelo 3D (Termojet) que foi usado modelo para produzir o molde silicone. Estas técnicas são adequadas para o desenvolvimento de protótipos funcionais para aplicações estruturais.

a) b)

2.3.7. CASO 7: desenvolvimento e fabrico de um molde para