Processos de fabrico

As propriedades finais de um compósito não são apenas função das propriedades individuais dos materiais constituintes, mas também do modo como os materiais são produzidos e da forma como são inseridos nesse compósito. Neste sentido várias alterações aos processos de fabrico convencionais têm sido experimentadas. No fabrico de compósitos reforçados com nanopartículas, após a preparação prévia da mistura resina/nanopartículas o compósito é fabricado de acordo com os materiais constituintes. Os processos de fabrico mais experimentados na produção de compósitos laminados reforçados com nanopartículas são: moldação por contacto manual (“hand lay-up”), moldação em saco de vácuo (“vacuum bagging”), moldação por transferência de resina (“Resin Transfer Moulding”) e processos de

infusão. No processo de moldação por contacto manual a resina modificada com

Compósitos nano-reforçados fibra de vidro /epóxido/nanopartículas

(Três fases)

Tenacidade à Fratura

Melhoria das propriedades mecânicas

Melhoria das propriedades

da resina (matriz modificada)

Compressão, Impacto Fadiga etc. Nanopartículas

Nanocompósitos (duas fases)

com a ajuda de um rolo ou pincel. Aqui, o laminado é deixado a curar sob condições atmosféricas normais, podendo seguir-se um processo de pós-cura. Este processo é um dos mais utilizados na indústria há muitos anos e é de muito fácil aprendizagem. Tem a desvantagem de a mistura da resina, a quantidade de resina modificada no laminado e a qualidade do laminado estarem muito dependentes da qualidade da dispersão das nanopartículas na resina e da habilidade dos laminadores.

Figura 2.13. Representação esquemática do processo de fabrico “hand lay-up”.

O processo de moldação em saco de vácuo é basicamente uma extensão do processo manual, em que é aplicada pressão no laminado para melhorar a sua consolidação. O ar dentro do saco é extraído através de uma bomba de vácuo. O saco é flexível, pelo que a pressão atmosférica exterior comprime o interior do saco, provocando a consolidação da estrutura. O saco de vácuo reduz a quantidade de produtos voláteis durante a cura assim como bolhas de ar que possam ocorrer durante o processo de fabrico. A figura 2.14 mostra uma representação esquemática deste processo.

Figura 2.14. Representação esquemática do processo de fabrico com saco de vácuo.

Camadas de fibra Rolo Resina modificada com nanopartículas Molde Camada removível (“Peel ply”) Feltro Ligação ao calibrador da bomba Ligação à bomba de vácuo Saco de vácuo Fita isoladora Molde

Quanto ao processo de moldação por transferência de resina (RTM), as camadas de reforço são devidamente empilhadas no molde inferior. Estas camadas de reforço são, por vezes, pressionadas previamente na forma do molde e ligados por um material ligante. Um segundo molde é colocado por cima do primeiro e a resina é injetada para a cavidade entre eles. Pode ser aplicado vácuo para facilitar a progressão da resina ao longo das camadas de reforço. Com a aplicação de vácuo, o processo é conhecido por VARI (injeção de resina assistida a vácuo). Estando o reforço impregnado de resina, a injeção de resina é selada e o compósito laminado é deixado a curar. Este processo permite obter um laminado com uma elevada fração de fibra e com poucas imperfeições. A técnica RTM é largamente utilizada no fabrico de peças de materiais compósitos. A moldação de compósitos reforçados com nanopartículas via RTM pode apresentar interessantes resultados quando comparados com um compósito convencional obtido a partir de uma matriz sem a presença de nanopartículas. São observados aumentos no módulo de elasticidade e nas resistências à tração, flexão e ao corte interlaminar, em relação aos compósitos convencionais, assim como o aumento de resistência térmica e propriedades de barreira (Hamidah et al., 2010; Karippal et al., 2011). Na figura 2.15 é mostrada uma representação esquemática de um equipamento RTM.

Figura 2.15. Representação esquemática do processo de fabrico RTM.

Neste processo de fabrico uma bomba de pressão direciona o fluxo dos monómeros e do

Monómeros

Câmara de mistura

Agente endurecedor Bomba de

pressão _{saída de ar} Vácuo ou

O molde encontra-se fechado previamente à infusão da mistura

seguida, a mistura é direcionada por um duto até ao interior de um molde que se encontra fechado, possuindo a forma da peça desejada e com uma pré-forma de fibra devidamente disposta no interior, que também respeita as dimensões da cavidade. No entanto o sucesso deste processo depende do controlo dos diferentes parâmetros envolvidos e em particular da cinética de reação química que rege o processo de cura e a viscosidade da mistura resina/nanopartículas. De facto a adição de nanopartículas à resina conduz a um aumento substancial da viscosidade da mistura, o que poderá causar problemas de controlo do processo.

As principais técnicas de RTM são a SRIM “moldação por injeção e reação estrutural”, e a própria moldação por transferência de resina. A principal diferença entre estas duas técnicas de moldação reside na injeção da resina (figura 2.16). No processo RTM, a resina catalisada é injetada num molde fechado no qual que se encontra o reforço e uma vez cheio tem lugar a polimerização à temperatura ambiente ou por entrada de calor. Pelo contrário, no processo SRIM, parte-se de componentes dissociados, que se introduzem por separado numa câmara de injeção onde se produz a mistura que posteriormente é injetada no molde. A reação de polimerização ocorre ao mesmo tempo, de forma que este processo só tem sentido quando a reatividade da mistura proporciona ciclos curtos.

Figura 2.16. Representação esquemática dos processos RTM e SRIM.

RTM

Catalisador

Tanto a técnica RTM como suas derivadas seguem um processo de fabrico muito similar, que basicamente se pode dividir em três fases: (i) colocação do reforço ou preforma no molde; (ii) injeção da resina no molde fechado e (iii) cura da resina.

Figura 2.17. Representação esquemática generalizada dos processos de infusão.

Devido à grande capacidade e polivalência do processo RTM como sistema de produção, as suas evoluções, foram desenvolvidas de acordo com o tipo de peça a fabricar e nível de produção que devem suportar, com o objetivo de obter maior precisão. Estas evoluções são os processos RTM-light ou VARTM (moldação por transferência de resina assistida a vácuo) e o processo RTM-MIT (multiple insert tooling”). Estes processos mantêm o mesmo procedimento de fabrico mas com variações relacionadas principalmente com a pressão de injeção que são capazes de suportar. A pressão de injeção reflete-se diretamente na sua capacidade de produção, que é a principal diferença para determinar qual destes processos de produção deve ser utilizado em cada caso particular.

Nos processos de fabrico por infusão (SCRIMP, RIFT, VARTM), a primeira proposta com sucesso foi o processo SCRIMP (“seeman composite resin infusion manufacturing process”), desenvolvido por Bill Seeman nos EUA. Este processo, também denominado de infusão por vácuo, caracteriza-se por um menor custo no fabrico do molde, em comparação com outros processos que utilizam moldes fechados, como por exemplo, a técnica de RTM.

Recipiente da resina Ligação à bomba de vácuo Reforço Camada removível Molde Saco de vácuo Fita isoladora

conjunto de reforços é coberto com uma camada removível e um tipo de tecido não estrutural. É então aplicado vácuo de modo a recolher todo o ar presente nos reforços e de seguida é injetada a resina no laminado. A distribuição de resina pode ser feita com o auxílio de tecido não estrutural de modo a fluir facilmente e depois é drenada para os outros reforços impregnando completamente o laminado.