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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
A Engenharia Mecânica nos Transportes Aéreos
Os Materiais e Processos de Fabrico na Airbus
Projeto FEUP 2014/2015 -- MIEM :
Prof. Armando Sousa Prof. Teresa Duarte
Equipa 1M03_2:
Supervisor: Prof. Ana Reis Monitores: Luís Faria e Ana Silva
Estudantes & Autores:
Daniel F. Gomes [email protected] Francisco V. Almeida [email protected]
Gonçalo M. Loureiro [email protected] Guilherme C. de Melo [email protected]
Hugo Semeão [email protected]
II
Resumo
O presente trabalho é subordinado ao tema “A engenharia mecânica nos transportes
aéreos”, tema o qual foi decidido especificar abordando os materiais e processos de fabrico nas
diferentes gamas comerciais da empresa Airbus.
Com este trabalho pretende-se conhecer os diferentes subsistemas de um avião, o seu
funcionamento bem como os diferentes materiais que os constituem e os processos de fabrico
necessários à sua produção, focando a evolução destes ao longo do tempo.
Um outro objetivo deste trabalho passa por analisar as perspetivas futuras, visando as
principais transformações e alterações aos níveis referidos.
III
Palavras chave
Materiais
Airbus
Processos de Fabrico
Compósitos
Alumínio
Ligas Metálicas
Conformação Plástica
CFRP
Estrutura
Componentes de Propulsão
Revestimentos
Motor
Asas
Fuselagem
Aviação
Gamas Comerciais
Evolução Histórica
IV
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer aos supervisores e monitores que nos acompanharam neste
trabalho, nomeadamente à Professora Ana Reis , ao Engenheiro João Duarte, à monitora Ana
Silva e especialmente ao monitor Luís Faria, pelo seu apoio constante ao longo do
desenvolvimento deste trabalho, pelo feedback, ajuda e pelos conhecimentos que nos
transmitiram, sem os quais este trabalho não seria possível.
V
Índice
1 Glossário
2 Introdução
3 Contextualização Teórica
3.1 Transportes Aéreos
3.2 Airbus
3.3 Materiais
4 Subsistema A - Componentes Estruturais
4.1 Passado
4.1.1 Materiais
4.2 A Atualidade das Estruturas na Aviação
4.2.1 Materiais
4.2.2 Processos de Fabrico
4.3 O Futuro das Estruturas
4.3.1 Materiais
4.3.2 Processos de Fabrico
5 Subsistema B - Propulsão e Componentes Relacionados
5.1 Passado
5.2 Os Componentes de Propulsão Atuais
5.3 O Futuro das Estruturas de Propulsão
6 Subsistema C - Revestimentos
6.1 Passado
6.1.1 Materiais
6.1.2 Processos de Fabrico
6.2 A Atualidade dos Revestimentos na Aviação
6.2.1 Materiais
6.2.2 Processos de Fabrico
6.3 O Futuro dos Revestimentos
6.3.1 Materiais
6.3.2 Processos de Fabrico
7 Síntese de conhecimentos
8 Considerações finais
9 Referências bibliográficas
1
1 Glossário
Airbrakes - componente situada na parte traseira do avião com a função de criar mais atrito
durante a aterragem.
Airbus - companhia de aviação civil de origem francesa
Anodização - tratamento químico usado em metais fundamentado na criação de uma película de
oxido na peça através de um banho eletrolítico
Autoclave - camara de alta pressão utilizada na esterilização através de vapor de água
Aviões jumbo - aviões de grande porte
Conformação plástica - processo mecânico no qual a peça desejada é obtida através de uma
compressão no material colocado num molde, deformando-a plásticamente.
Decapagem - acabamento que visa a remoção de qualquer impureza superfície do material
Extrusão - processo de conformação plástica no qual o material adquire a forma desejada
atraves da passagem forçada deste por uma matriz
Fibra - fio usado nos produção dos compósitos, (material tipicamente usado como reforço).
Força de arrasto - força proveniente de fluidos que se opõe ao movimento.
Flaps - dispositivos presentes na parte posterior das asas do avião que, quando acionados,
provocam uma maior força de arrasto e levam a uma maior sustentabilidade do avião.
Força intermolecular - força fraca existente entre moléculas de uma substancia
Fresadora - máquina usada na maquinagem que, através do movimento rotativo das ferramentas
apropriadas, remove apara de peça que se trabalha para atingir a forma desejada.
Fuselagem - camada exterior de proteção de uma estrutura
Maquinagem - processo de fabrico baseado na remoção de material para se obter a forma
desejada
Polímeros - materiais formados por macromoléculas, ou redes de moléculas
Propulsão - movimento proveniente da força de impulso
Rudder - dispositivo em forma de pá utilizado para manobrar o avião
Spoilers - dispositivo posicionado nas asas do avião com a função de diminuir e sustentabilidade
do avião
Sustentação - força com o sentido contrário ao peso, gerada quando o objeto está imerso num
fluido, que, neste caso, impede o avião de cair.
2
Termoplásticos - um tipo de polímero sintético
Velocidades Supersónicas - velocidades superiores à do som ao nível das águas do
mar(aproximadamente 343m/s)
3
2 Introdução
A sociedade é um sistema em constante evolução, e numa fase de globalização como a
que se sente nos dias que correm, cada vez mais as viagens longas e rápidas são a solução de
preferência pela população mundial. Assim sendo, a aeronáutica tem sofrido inúmeros avanços
de modo a responder às necessidades de cada vez mais pessoas. Partiu daí a escolha do tema
deste trabalho. Da necessidade de perceber os avanços que se sentem nos transportes aéreos, ao
nível dos materiais e processos de fabrico, entendendo o papel da engenharia mecânica na
constante evolução de um meio que cada vez mais influencia as nossas vidas.
Com este trabalho pretende-se dar a conhecer os progressos que se fizeram sentir desde o
passado até aos dias que correm, bem como dar a conhecer as previsões para o futuro, focando
esta visão nos aviões de classe comercial da Airbus, e explicitando o papel crucial que a
engenharia mecânica tem neste meio, nomeadamente ao nível dos materiais e dos processos de
fabrico necessários a este progresso.
O trabalho está organizado de modo a aprofundar os vários aspetos a ter em conta num
avião, dividindo-o em três subsistemas cruciais, os elementos estruturais, os motores, e o
revestimento da aeronave. Embora estes estejam implicitamente interligados, sofrem alterações e
evoluções em rumos distintos e que consideramos ser importante diferenciar. Antes dessa divisão
porém, apresenta-se uma introdução teórica, explicando a evolução da aeronáutica e da própria
Airbus, nas gamas em estudo neste trabalho, bem como aprofundando o conhecimento sobre os
materiais utilizados na construção destes aviões, referidos posteriormente.
4
3 Contextualização Teórica
3.1 Transportes Aéreos
A história da aviação é constituida por muitas tentativas e inovações que foram criadas e
testadas ao longo do tempo, mas o conceito de avião nasceu pelas mãos de Sir George Cayley
que definiu as forças de elevação e atrito. Sir George Cayley criou a primeira máquina voadora
com asas fixas. Sem a sua inovação não teríamos as incríveis máquinas que nos levam ao espaço
e a velocidades supersónicas.
Após Sir George Cayley muitos se seguiram, fazendo pequenas evoluções de cada vez,
até aos mais conhecidos pioneiros da aeronáutica, os irmãos Wright que, em 1903, foram
reconhecidos pela FAI ( Federação Internacional de Aeronáutica ) como sendo os detentores do
primeiro avião controlado e motorizado mais-pesado-que-o-ar, mas muitos mais aeronautas lhes
sucederam, continuando assim a evolução da arte de voar.
O avião foi assim sendo aperfeiçoado e logo se percebeu a sua utilidade e sua evolução
foi exponencial. Chegou a I Grande Guerra e com ela o uso dos aviões pela primeira vez em
modo militar. Em 1919 foi executada a primeira viagem trans atlântica. Na II Grande Guerra o
avião já estava presente em todas as batalhas. O primeiro avião a jato operacional entrou em
serviço em outubro de 1947. O Bell X-1 foi o primeiro avião a quebrar a barreira do som. Em
1952 foi colocado o primeiro avião ao serviço de uma companhia aérea. Em 1958 entrou em
serviço o Boeing 707 que serviu 50 anos e em 1970 o maior avião de passageiros, Boeing 747,
até que foi destronado pelo Airbus A380. Nos últimos anos a industria aeronáutica deu mais um
grande passo, a redução drástica do peso total do avião com um aumento significativo do uso de
compósitos de carbono nomeadamente a alteração do material da fuselagem de alumino para
estes compósitos, primeiro através da Boeing com o seu modelo 787 que entrou em serviço em
2011 e agora o novo Airbus A350XWB que entrará em serviço no final de 2014. [1.][2.]
5
3.2 Airbus
Nos anos 60 o monopólio da indústria aeronáutica estava contido na América, com as
empresas europeias sem capacidade de oferecer resistência aos aviões de grande calibre da
Boeing, Lockheed e McDonnell Douglas.
Com as necessidades, das companhias aéreas europeias de aviões que transportassem mais de
100 passageiros em viagens de media e longa distancia, nasceu a ideia de uma cooperação
conjunta da Europa, de criar um avião capaz de responder a essas mesmas necessidades. Apos
muitos projetos e negociações é assinado em julho de 1967 com representações de França,
Alemanha e Grã-Bretanha um projeto de um avião com capacidade para 320 pessoas com 2
motores intitulado Airbus A300.
O projeto do A300 avançou com a promessa da compra de 75 aviões pelas companhias
aéreas Airfrance, BEA e Lufthansa. Apesar disso o projeto proposto em 67 sofreu grandes
alterações e em 1969, foi aceite o projeto do avião A300B, pela França e Alemanha um avião
mais leve que os seus rivais da América com capacidade para 250 passageiros.
Em 23 de maio de 1974 o primeiro Airbus, o A300B, fez o seu voo inaugural ao serviço
da Airfrance de Paris para Londres. O A300B era um avião 20% mais económico que os seus
competidores de 3 motores da América obtendo assim a atenção, até essa date negada ás outras
construtoras da Europa, das companhias aéreas, atenção que em 1979 tinha rendido 256
encomendas de A300.
Após o sucesso do A300 a Airbus continuou a inovar para oferecer ás companhias
variadas opções, criando o A310 em julho de 1978, uma variação do A300 mais curta, desenhado
para longas distancias capaz de transportar 218 passageiros. Foi no A310 que a Airbus introduziu
o uso de CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) em estruturas secundárias como spoilers,
airbrakes e rudder.
Em 1987 foi lançado o avião de médias distáncias, o A320 que proporcionou á Airbus
que se aproxima-se da Boeing no mercado da aviação. O A320 obteve 400 encomendas antes do
seu primeiro voo, valor que apesar de elevado não fazia adivinhar o sucesso do A320 que em
1990 tinha obtido 650 aviões entregues e 1700 pedidos registados obtendo ainda encomendas da
grande companhia americana PANAM e tornando-se na família de aviões mais bem vendida de
sempre.
6
Mas a Airbus não se ficou pelo A320, ainda eram necessários aviões de longa distância,
assim nasceu o A340 em 1993 e o A330 em 1994.
Por esta altura a industria da aeronáutica estava reduzida a duas empresas, Airbus e
Boeing, com a Boeing a absorver a sua compatriota McDonnell Douglas em 1997. Após este
grande crescimento da airbus, o mesmo sistema de cooperação internacional, que proporcionou a
entrada na industria dos grandes aviões, já não era funcional devido as fronteiras nacionais e
politicas passando a solução por 3 das 4 empresas acionistas da airbus uniram-se na EADS
(European Aeronautic Defence and Space Company) que se tornou na maior empresa de aviação
europeia.
Em 2003 a Airbus finalmente ultrapassou a Boeing obtendo 24 mais entregas que a
Boeing e manteve esta liderança no resto da década, tal como se pode constatar na Figura 1.
Figura 1: Número de entregas da Airbus e Boeing desde 1997 a 2010 [1]
Ainda assim a Boeing detinha a supremacia nos aviões jumbo, com o seu 747, que obteve
resposta da Airbus através do A380 que fez o seu voo de teste a 27 abril de 2005.
Com a evolução das tecnologias passou a ser possível o uso de fuselagem de CFRP usada
no Boeing 787, ao que a Airbus comentou como um uso prematuro de compósitos nessa
quantidade e em 2013 lançou o A350, o seu avião com fuselagem de CFRP, que se mostrou até
hoje superior ao 787 da Boeing. [3.][4.][5.]
7
3.3 Materiais
Ligas de Alumínio
As ligas de alumínio são consideradas um dos materiais mais importantes na indústria
aeronáutica porque possuem características tais como baixa densidade, grande intervalo de
propriedades de dureza e rigidez, são facilmente trabalhadas, apresentam resistência à corrosão,
condutividade térmica e elétrica média, são inofensivas para o ser humano e, acima de tudo, são
recicláveis, o que permite um uso sustentável destas.
Devido à variedade de combinações possíveis entre os elementos constituintes das ligas,
dos tratamentos térmicos e dos acabamentos é possível obter materiais com uma vasta gama de
qualidades/propriedades mecânicas e químicas.
As ligas de alumínio abordadas neste trabalho fazem parte das Wrought Alloys: Solution Heat
Treated e Age Harden Aluminium Alloys. [6.] [7.]
Dentro das ligas de alumínio existem várias séries, das quais apenas se vão abordar as
mais usadas nas estruturas estudadas. São estas as séries 2000, 6000 e 7000.
Série 2000
Constituída essencialmente por alumínio, cobre e magnésio, esta é uma liga que pode ser
temperada para atingir determinados acabamentos para melhorar as propriedades mecânicas (à
semelhança das outras ligas discutidas neste tópico) e aumentar os níveis de rigidez. [8.]
Série 6000
Ligas que contêm alumínio, magnésio e silício de base. Estes materiais possuem
qualidades apreciáveis para a criação de peças extrudidas, já que permitem que as ligas sejam
tratadas com soluções de iões à temperatura da extrusão. Para além disto as ligas são facilmente
soldadas e oferecem boa resistência à corrosão. [9.] [10.]
Série 7000
Esta série é conhecida pela elevada rigidez o que a torna compatível com muitas
aplicações nos componentes da estrutura de um avião. Mais especificamente, possui uma
combinação de propriedades de rigidez, dureza e reduzida sensibilidade a fraturas criadas pela
temperatura do processo de soldadura. As ligas da série 7000 são constituídas principalmente por
alumínio, zinco e magnésio, não excluindo a presença de outros metais que lhes poderão atribuir
diferentes características. [11.] [10.]
8
Caso se procure aumentar a resistência deste material também se pode recorrer a
processos de temperamento, que consistem em envelhecer o material de forma artificial. Se for
feito num período de vinte horas ou mais, a uma temperatura relativamente baixa (entre os 100 e
150ºC), mais normalmente referido por T6, o material atinge o máximo de rigidez e resistência
mecânica que pode adquirir.
Fibra de carbono
A estrutura atómica da fibra de carbono é similar à da grafite, consistindo em camadas
hexagonais de átomos de carbono, estando a diferença entre a grafite e a fibra de carbono na
forma como estas camadas estão ligadas. Na grafite as camadas encontram-se colocadas
paralelamente umas às outras, havendo assim uma força intermolecular fraca.
Na fibra de carbono, dependendo do material através do qual se obtêm, as camadas
podem estar dispostas tal como na grafite ou de forma turboestrática (entrelaçadas entre si) que
lhe confere a força que é necessária para o seu uso na aeronáutica. O processo de fabrico mais
usado que provoca esta forma na fibra de carbono chama-se PAN em que o carbono é formado
através da poliacrilonitrila.
No processo PAN o primeiro passo é denominado de Oxidação, onde as fibras de
poliacrilonitrilo são aquecidas até 300ºC numa atmosfera rica em oxigénio permitindo a
formação de uma estrutura reticular da cadeia molecular. O objetivo desta fase é suprimir
artificialmente o ponto de fusão das fibras.
De seguida ocorre a Carbonização onde a cadeia molecular é aquecida até 1100ºC num
forno de atmosfera neutra, permitindo que apenas átomos de carbono permaneçam no final.
O terceiro passo é a Gratifização onde em atmosfera neutra é feita a pirólise das fibras, obtendo-
se um elevado grau de orientação da estrutura e, consequentemente fibras com elevado módulo
de elasticidade. [12.]
Mas a fibra de carbono não é usada na sua forma original.O material usado é um
composito de fibra de carbono conjugado com uma matriz de metal ou polímérica para este
efeito numa atmosfera de ácido nítrico ou ácido sulfúrico as condições de superfície são
modificadas de forma a atingirem-se elevados níveis de adesão entre as fibras e os vários
sistemas de resina empregues como matrizes.
9
Para a aeronáutica, a matriz mais usada, é a resina Epoxy que confere ao compósito as
características apresentadas nas figuras 2, 3 e 4.
Figura 2: Durabilidade [2] Figura 3: Força mecânica relativa [2]
Figura 4: Caraterísticas térmicas [2]
O CFRP (o compósito de fibras de carbono e matriz) é então leve mas ao mesmo tempo
forte e durável pois apesar do carbono ser um material muito leve comparando com os outros
metais (massa molar: carbono- 12.011 alumínio- 26.981 ) o CFRP tem excelentes propriedades
mecánicas, em alguns casos superiores as dos metais, tais como uma grande resistencia á tração,
10
rigidez, resistência ao calor, estabilidade química, propriedade auto-lubrificante e boa condução
de calor. [13.][12.]
11
4 Componentes Estruturais
A estrutura de um avião é constituída principalmente pela fuselagem e pelas asas. A
fuselagem é o corpo central do avião onde se situam os passageiros, o cockpit, a carga e é a
estrutura de suporte não só das asas mas também do nariz, do trem de aterragem e da cauda. As
asas são a estrutura que dá sustentação ao avião e onde também estão situados os motores e os
flaps.
A evolução dos materiais nestas duas estruturas, sendo elas as mais influentes no peso
total do avião, tem vindo a focar-se em substituir os metais por compósitos, na procura de reduzir
peso de ambas. Aplicar-se-ão então ao longo do capítulo quais os materiais usados na fuselagem
e nas asas do A300, primeiro avião da Airbus em 1972, e ir-se-á comparar com os materiais
usados nos novos aviões da Airbus, o A380 de 2005 e A350 de 2013. Faremos também uma
referência ao avião concept também da Airbus.
4.1 Passado
4.1.1 Materiais
O A300B é o avião mais antigo da frota da Airbus, tendo iniciado a sua “carreira” nesta
família em 1974. A sua estrutura é composta maioritariamente por alumínio (cerca de 70%)
usando assim mais alumínio do que qualquer avião anterior. É de notar que o alumínio é mais
leve que a sua alternativa, na época em questão, o aço como representado na figura 5.
Assim sendo, a utilização das ligas de alumínio em 70% da estrutura conduziu à
produção de um avião mais leve e, consequentemente, mais económico. Para além disto, o
A300B foi o primeiro avião comercial twin-aisle ou seja, capaz de suportar na sua fuselagem um
maior número de passageiros do que o considerado normal para a época. Este aumento na
fuselagem deve-se ao facto de existir uma maior percentagem em alumínio, já que com a redução
de massa é possível alargar o avião sem que este fique com excesso de peso.
12
Figura 5: Relação entre espessura e peso de diferentes materiais [2]
4.2 A Atualidade das Estruturas na Aviação
Neste subtópico abordam-se as categorias de aviões da Airbus que se encontram em uso
nos dias de hoje. Para este efeito foram escolhidos os modelos que se considerou terem maior
importância no mundo dos transportes aéreos. Sendo assim, os modelos escolhidos foram o
A380 e A350XWB.
4.2.1 Materiais
13
Como se sabe, com a evolução dos materiais pretende-se obter uma melhor relação entre
peso e resistência. Assim, chegou-se à conclusão de que em todos os aviões que são atualmente
concebidos tenta-se utilizar materiais como compósitos e ligas de metais de baixa densidade, por
exemplo, para reduzir o peso e manter a integridade estrutural da aeronave.
Falando agora mais especificamente do modelo A380, que fez o seu primeiro voo a 27 de
Abril de 2005, um avião de dois andares que tem como função transportar o maior número de
pessoas com o menor custo por lugar possível mantendo algum conforto para os passageiros,
pode-se afirmar que o uso de compósitos e de ligas metálicas na sua estrutura permitiram reduzir
a sua massa de forma significativa (visto que aproximadamente quarenta por cento da estrutura é
feita a partir de compósitos de fibra de carbono e de materiais metálicos avançados). Para além
da redução de massa, estes novos materiais usados na estrutura também oferecem vantagens em
termos de fiabilidade, manutenção e facilidade de reparação.
Pormenorizando, é utilizado pela primeira vez CFRP na ligação entre a fuselagem e a
caixa central onde atracam as asas (zona cor-de-rosa na figura 6) aumentando a resistência à
flexão. As asas são compostas por CFRP ou por painéis de metal (na zona exterior) e por ligas
avançadas de alumínio nas partes interior e intermédia. Ainda na estrutura das asas, os flaps
interiores são de alumínio enquanto os exteriores, em conjunto com os spoilers e ailerons, de
CFRP. A parte inferior da fuselagem é composta por ligas de alumínio soldadas a laser.
Figura 6: Constituição dos componentes da fuselagem do A380. [3]
Os encaixes dos motores, as vigas do piso superior, a fuselagem despressurizada e o
anteparo de pressão traseiro (localizado na parte anterior do avião perto da cauda; tem como
14
função separar a zona dos passageiros do resto da fuselagem mantendo a pressão da cabine) são
todos feitos a partir de CFRP.
Para além destes componentes também há a porta pela qual os passageiros entram que é
feita de ferro fundido e a parte frontal da asa que é composta por termoplástico. Estes materiais
não são explorados neste relatório uma vez que se pretende focar apenas as ligas de alumínio e o
CFRP, visto serem os dois elementos que constituem a maior parte da estrutura do avião.
Tal como já foi referido anteriormente, um dos objetivos no desenvolvimento e
construção do A380 é utilizar materiais que conduzam à estrutura mais leve possível, sendo para
isto os compósitos e as ligas metálicas os materiais favoritos pelas diferentes aplicações e pela
relação força/peso. Contudo o comportamento dos materiais numa dada aplicação não depende
só das propriedades individuais destes, mas também da forma geométrica pretendida e das
capacidades de a reproduzir. Isto é, devido às diferenças no comportamento mecânico, os
critérios utilizados na conceção e fabrico dos diferentes componentes varia se estes forem
produzidos a partir de compósitos ou de metais. Estas diferenças provêm do facto, por exemplo,
dos compósitos não serem isotrópicos (possui as mesmas propriedades físicas,
independentemente da direção considerada) ou, por exemplo, da dificuldade que existia em
prever analiticamente o comportamento dos compósitos no que toca a falhas e fraturas na
estrutura do próprio material, já que este avião foi um dos pioneiros no uso deste tipo de
compósito e, por isso, ainda não havia muita informação sobre o seu comportamento.
O CFRP é usado quando é difícil obter a forma pretendida utilizando as técnicas
tradicionais. [2.] [14.]
Neste modelo específico (A380), a percentagem de alumínio presente na sua estrutura é
de 61%, a de compósitos é de 22% e os restantes 13% são de materiais como titânio, ferro e
fibras de metal laminado.
Assim sendo, aprofundam-se agora os tipos de ligas de alumínio mais usadas nas asas e
na fuselagem (visto serem estes os elementos mais importantes no que toca ao uso de tipos
inovadores de ligas de alumínio).
Os principais componentes das asas para os quais foram desenvolvidos novos tipos de
ligas metálicas são: os spars (mastros), as ribs (nervuras), os painéis e as stringers (vigas).
Começando pelos spars que, como numa vela, são as estruturas principais de suporte da asa, foi
desenvolvida uma liga de alumínio (7040-T7651) com elevada resistência à rutura, LRS (low
15
residual stress) e que possuísse características que permitam recuperar a forma original quando
arrefecida (após a expansão causada pelo aumento de temperatura). Para as ribs foi escolhida a
liga 7449-T7651 visto cumprir os critérios exigidos para este componente, ou seja, possuir
resistência mecânica e baixa densidade. No que toca aos stringers da asa inferior a liga usada é a
2027-T3511 que contem zircónio, visto esta oferecer maior resistência à fratura e à fadiga. Por
ultimo, para os painéis foram usados dois tipos de ligas; para os painéis da parte superior da asa
foi escolhida a liga 7056-T7951 por ter oferecido um aumento de 40% no que diz respeito à
resistência a fraturas. Na parte inferior da asa, encontrasse painéis produzidos a partir da liga
2024A-T351.
Avançando para a fuselagem, a Alcan-Airbus (grupo responsável pela pesquisa e
desenvolvimento do A380) decidiu utilizar diferentes tipos de ligas para as diferentes zonas, à
semelhança do que se fez nas asas, unindo os painéis através de Laser Beam Wealding (LBW) o
que permite uma soldadura mais resistente. Assim, usou-se a liga 7040-T7451 para componentes
da estrutura integralmente maquinados, para os encaixes das janelas do cockpit, para algumas
vigas e para outros acessórios. Esta liga tem vantagens sobre outras para a mesma função visto
possuir uma menos quantidade de cobre e magnésio na sua composição química, o que lhe
confere elevada resistência mecânica, resultando numa menor quantidade de tensões residuais
causado pela maquinagem no processo de formação das peças. Por outro lado, escolheu-se a liga
de alumínio 6156-T6 para a fuselagem inferior uma vez que esta necessita de elevada tolerância
ao dano(high damage tolerance - HDT) e de conseguir suportar um peso elevado. Por fim, para
as secções extrudidas (figura 7), que fazem parte de muitas estruturas da fuselagem devido à sua
massa e eficiência de aplicação, foi escolhida a liga 2024-T432 já que confere resistência e
comportamento à flexão satisfatório. [14.] [15.]
Figura 7: Secções extrudidas. [4]
16
Em 2013 foi lançado o A350 (extra wide body) da Airbus. O A350 XWB é o avião mais
confortável para os passageiros da Airbus com o seu interior luxuoso e mais espaçoso devido à
sua fuselagem larga, tendo sido desenhado para viagens de média-longa distancia. Quanto ao uso
de compósitos o A350 é muito mais evoluído do que o A380.
É o primeiro avião da airbus em que os seus painéis de fuselagem e a estrutura das asas
são constituídos de fibra de carbono substituindo assim o típico alumínio usado no A380.
Esta nova fuselagem do A350 não alterou só o material constituinte de alumínio para
CFRP mas também a forma foi otimizada com o principal objetivo de redução de peso. A
fuselagem é dividida em secções longitudinais o mais longas possíveis e essas secções
longitudinais divídem-se em apenas quatro secções circulares como observado na figura 8.
Figura 8: Secções longitudinais e circulares constituídas de CFRP na estrutura do A350XWB. [5]
O alongamento destas secções, proporcionado pelo CFRP, tem como objetivo a redução
das juntas necessárias entre cada uma das secções, reduzindo assim o peso do avião uma vez que
as juntas são normalmente de metal e por isso pesadas.
Apesar disso os metais continuam presentes nas zonas mais exigentes do avião. As
estruturas normalmente denominadas de ribs, que se podem comparar ao esqueleto do avião, são
de alumínio-lítio tal como as frames, que são um suporte da fuselagem. O titânio também está
presente em alguns elementos estruturais em volta dos passageiros, portas de carga e suportes de
motores.
As asas são também principalmente constituídas de CFRP tal como a fuselagem.
Colocando assim a asa exterior do A350 como a maior peça de fibra de carbono da aviação civil,
17
com 32 metros de comprimento e 6 metros de largura, a caixa interior da asa também é de CFRP
enquanto que as ribs das asas são de alumínio-lítio.
A distribuição de materiais diferentes em partes distintas do avião leva a que a estrutura
do A350 seja apelidada de estrutura inteligente. No total a estrutura do A350 é constituída por
53% de compósitos, 14% titânio, 6% ferro, 19% ligas de alumínio e 8% de outros materiais. É
pois, na sua maioria, constituída por CFRP. [16.][17.][18.]
4.2.2 Processos de Fabrico
As ligas de alumínio podem ter diversos tratamentos consoante o seu uso. Desde
encroamento a tratamentos térmicos, o tratamento dado a estas ligas influencia largamente o
comportamento e utilização das mesmas.
Algumas peças em ligas de alumínio são feitas por extrusão. Extrusão é um processo no
qual se formam peças de ligas de alumínio (principalmente da série 6000) por aplicação de
forças num Billet quente obrigando-o a passar por uma forma que lhe atribuirá uma forma. Este
processo pode ser feito pela forma direta ou inversa, dependendo da parte que se move (ver
figuras 9 e 10). Fundamentalmente, a extrusão decorre da seguinte forma: o billet aquecido é
colocado numa camara também aquecida (a temperatura varia consoante a liga usada, contudo
encontra-se normalmente entre 450-500 graus Celsius). A esta temperatura a liga encontra-se
num estado suficientemente maleável para permitir a sua deformação ao ser prensada contra o
molde. Quando sai deste a temperatura que encontra tem de ser adequada para não gerar fraturas
ou uma superfície com acabamento superficial reduzido. [15.]
18
Figura 9: Método de extrusão direta. [4]
Figura 10: Método de extrusão indireta. [4]
A eficiência do processo depende do tipo de ligas, como já foi referido, porque a
composição destas afeta, por exemplo, a sua rigidez, dureza, densidade e ponto de fusão. Esta
relação está presente no gráfico da figura 11.
No caso do A350, as placas de CFRP são fabricadas por conformação plástica.
São dispostas as camadas de CFRP num molde macho, que, após o posicionamento dos stringers
(peças de ligação) é envolto num saco de vácuo e disposto numa autoclave, formando assim as
placas de fibra de carbono por pressão, num processo semelhante ao do fabrico de GLARE.
19
Depois estas placas são maquinadas numa fresadora de 5 eixos para o corte das janelas e portas
bem como para acabamentos finais. [19.]
Figura 11: Eficiência do processo de extrusão em diferentes ligas de alumínio. [4]
4.3 O Futuro das Estruturas
O avião Airbus Concept é uma previsão das tecnologias que poderão estar presentes num
avião em 2050. Tem variadas tecnologias que, apesar de possíveis são improváveis de alguma
vez se apresentarem desta forma especifica. Portanto não é um avião que irá voar, mas uma
forma de alargar a imaginação dos engenheiros, focando alguns dos desafios e decisões que
serão apresentados futuramente na aviação. Ilustra as principais tecnologias a serem exploradas
em antecipação ás necessidades futuras dos passageiros e á necessidade de dimiuição da
poluição.
Como a Airbus afirma “O avião concept é único porque pode unir tecnologias diferentes,
sem ter de se preocupar com o impacto que uma pode ter nas outras - por isso representa o
melhor de todos os mundos.” [20.]
4.3.1 Materiais
20
Estrutura Biónica
A estrutura biónica é uma estrutura que tenta reproduzir a estrutura dos ossos dos
pássaros. Esta estrutura seria leve mas forte ao mesmo tempo pois os ossos fazem tensão apenas
onde ela é necessária, reduzindo o espaço usado e o peso total do avião para 65% do peso de um
avião normal. Assim a estrutura tem a força necessária mas ao mesmo tempo tira proveito do
espaço. Isto também permite outras vantagens no avião como portas de embarque maiores (ver
figura 12). [20.]
Figura 12: Representação da estrutura biónica [6]
Membrana de biopolímero
A estrutura da cabine é de membrana de biopolímero que controla a quantidade de luz
natural, humidade e temperatura, provocando opacidade ou transparência como desejado
eliminando a necessidade de janelas. Esta estrutura permitiria reduzir o peso do avião e permitir
igualmente aos passageiros uma vista de 360º (ver figura 13). [20.]
21
Figura 13: Membrana de biopolímero. [6]
Integrated Neural Network
O sistema elétrico poderá ser comparado ao cérebro humano, com uma rede de pulsação
inteligente. Esta rede será constituída pelos próprios materiais constituintes do avião substituindo
as centenas de quilómetros de cabos dos aviões de hoje (ver figura 14). [20.]
Figura 14: Integrated Neural Network. [6]
Morphing Materials
Morphing Materials são materiais auto-modificadores constituídos por metais ou
polímeros que se adaptam às necessidades dos passageiros, mudando de forma e que
posteriormente através de um sistema de memória voltam à sua forma inicial. Estes materiais
permitem também monitorizar os sinais biológicos dos passageiros, por forma a se ajustarem
para o maior conforto destes.
Todos os materiais usados na cabine têm também como objetivo ser completamente
recicláveis. [20.]
4.3.2 Processos de Fabrico
22
Embora este projeto Concept esteja ainda em desenvolvimento, com metas para 2050, de
acordo com a Airbus estas estruturas inovadoras sofrerão alterações quanto ao processo de
fabrico das mesmas.
Com os avanços da impressão a três dimensões, as peças estruturais do Concept da
Airbus serão em princípio impressas.
A impressão 3D não só é um método que possibilita a utilização matérias primas de
diversas naturezas, sejam estas orgânicas ou não orgânicas, naturais ou artificiais, o que se
enquadra com a previsão dos materiais biónicos, como também diminui os custos de produção e
o impacto ambiental, um fator crucial neste projeto ecologicamente sustentável.
Para este processo, a Airbus pretende imprimir as suas peças nas impressoras 3D que está
a desenvolver, imprimindo peças contínuas e de geometria complexa, mas mantendo uma
integridade estrutural garantida pela natureza e planeamento do processo de impressão, e pela
inexistência de necessidade de juntas, rebites e outros componentes de ligação, dispensáveis
nestas peças contínuas que podem atingir os 80 metros de comprimento. [21.]
23
5 Propulsão e Componentes Relacionados
O aparecimento dos motores a jato é visto na atualidade como um acontecimento
determinante para a existência da aviação moderna como a conhecemos, tendo sido também uma
fator importante para o processo de globalização, permitindo uma rápida circulação de pessoas e
bens em transportes de longa duração.
Este tipo de propulsor foi desenvolvido durante a década de 30 , sendo de destacar o
trabalho tanto de Sir Frank Whittle como de Hans Von Ohain, sendo ambos considerados co-
inventores do motor a jato. Apesar da sua invenção remontar à década de 30, a sua utilização na
aviação comercial apenas se verificou na década de 50, encontrando-se reservada até essa data
exclusivamente à aviação militar. [22.]
Com o passar do tempo e com a rápida adaptação do motor a jato à aviação comercial
começou a haver uma maior necessidade de melhorar os métodos de produção e os materiais
utilizados no sentido de diminuir os custos associados não só ao fabrico, mas também à
manutenção e ao consumo de combustível, visto que este era a resposta adequada à necessidade
de um transporte mais rápido e comodo. Assim nasceu o desafio de produzir motores que
cumprissem estas exigências e que aguentassem com o uso exaustivo caraterístico dos voos
comerciais (Figura 15). [23.]
Figura 15: Motor a jato [7]
24
Recentemente, a projeção dos motores a jato têm sido direcionada para a criação de
modelos com emissões de gases poluentes mais baixas de forma a respeitar as normas
internacionais referentes a este campo.
A atual capacidade dos motores em produzir uma grande quantidade de força de
propulsão com baixas emissões é fruto do trabalho de múltiplos investigadores. A fiabilidade e
resistência deste tipo de motores permitem as grandes cargas de esforço a que são sujeitos na
atualidade, levando assim ao verdadeiro estabelecimento das linhas aéreas que ligam os
continentes.
O funcionamento do motor a jato baseia-se na teoria de Sir Isaac Newton que afirma que,
de acordo com a sua 3ª lei do movimento, um fluxo de ar quente poderia produzir força
suficiente para movimentar um veículo. Assim, para tornar possível a aplicação desta ideia foi
criado um motor com uma câmara na qual era comprimido e aquecido o ar sendo logo de seguida
libertado, gerando uma força de propulsão devido à sua rápida expansão causada pelo aumento
da temperatura. [24.]
Deste modo, os motores a jato têm cinco componentes fundamentais para que possam
gerar a força de propulsão: a hélice, a camara de compressão, a camara de combustão, a turbina,
o misturador e a zona de escape (Figura 16).
Figura 16: Estrutura fundamental do motor a jato [7]
● Hélice - componente composto por pás, posicionado na parte dianteira do motor, que
através de um movimento giratório cria um fluxo de ar direcionado para o interior do
motor.
25
● Câmara de compressão - secção na qual o ar proveniente da entrada do motor é
comprimido através de um conjunto de hélices ligadas ao eixo principal da montagem,
que levam o ar para camaras progressivamente mais pequenas. De seguida o ar passa para
a camara de combustão.
● Câmara de combustão - o ar comprimido é misturado com o combustível e de seguida
incendiado, a ignição é fruto da presença do oxigénio do ar na mistura que dá origem à
libertação de gases quentes em expansão. Esta reação exotérmica provoca um fluxo de ar
de alta temperatura, altamente energético.
● Turbina - encontra-se no seguimento da camara de combustão e está ligada ao veio
principal do motor. Aproveita alguma da energia do fluxo de ar proveniente da secção
anterior que, devido à sua ligação ao eixo, e fornece-a à hélice e à câmara de compressão.
● Misturador - secção onde é adicionado combustível para se dar uma segunda combustão,
Só é usado em situações de maior esforço,
● Nozzle - direciona o fluxo de ar quente (produtos de combustão - gases de escape)
proveniente do motor que proporciona a força de propulsão.
Este novo conceito de motor rapidamente foi evoluindo levando à origem de 5 grandes
tipos de motores a jato: o turbojato, turbopurpulsor, turbofans, turboshafts, e os ramjets.
É importante também fazer referência ao tipo de combustíveis usados. O primeiro
combustível a ser usado para alimentar os motores a jato foi a querosene. Esta substância é um
óleo fino obtido através da destilação fracionada do petróleo com um alto poder calorífico.
Contudo, devido à falta de especificações do combustível a ser usado, a prestação dos primeiros
motores variava significativamente. Deste modo em 1943 no Reino Unido foram publicadas as
primeiras especificações dos combustíveis na aviação para motores a jato. Estes documentos
definiam os parâmetros que certas propriedades do combustível deveriam cumprir, como o ponto
de congelamento, a viscosidade, a volatilidade, etc. Hoje em dia, na aviação civil, é usada uma
mistura de querosene com alguns aditivos, semelhante aos primeiros combustíveis certificados
mas mais seguro no seu manuseamento e transporte.
26
5.1 Passado
Tomando como exemplo o A300, um dos primeiros modelos da Airbus, vinha equipado
com o motor CF6-50, motor da General Electric, linha CF6, que celebrou 40 anos de existência
em 2011. Este motor enquadra-se na categoria de turbofan com o peso aproximadamente igual a
4100 kg (sensivelmente 3% do peso do avião). É evidente que, apesar de já ser um motor muito
avançado a nível de fabrico e de materiais, não se consegue encontrar termo de comparação para
os seus descendestes mais atuais. Os seus processos de fabrico passavam pelo forjamento das pás
das hélices de titânio, à semelhança dos motores atuais, até à fundição de alguns componentes
como os compressores, feitos de alumínio. A câmara de combustão, sendo uma zona de alta
pressão e temperatura, é construída à base de ligas de titânio, devido à sua resistência ao calor,
assim como o escape. Nestes primeiros motores a camada exterior do motor era feita de fibra de
vidro.
Um processo de fabrico importante era a manufatura dos discos dos compressores aos
quais se ligavam as pás. Este passava pelo corte do material formando uma forma aproximada da
desejada e, de seguida, o material era aquecido e através de processos mecânicos era levado à
forma desejada, já que as tolerâncias para este tipo de peças são muito baixas.
É também de grande notoriedade o processo de fabrico das turbinas: fundição por cera
perdida. Neste método é produzido um modelo numa cera da peça desejada, em seguida é feito
um molde a partir desse modelo, ficando este dentro do molde. Este sendo uma carapaça
cerâmica, necessita de curar, isto é, ser aquecido. É durante este aquecimento que a cera que se
encontrava no interior derrete, ficando a carapaça enrijecida. No final o metal liquido é vazado
para o molde. Para finalizar é retirada a peça da carapaça cerâmica, não sendo possível
aproveitar o molde.
5.2 Os Componentes de Propulsão Atuais
Para representar os motores a jato atuais, foram escolhidos os motores considerados mais
inovadores quer a nível de redução de peso e baixas emissões quer a nível de grande potência.
Assim, os modelos que mais se adequam a estes parâmetros são os motores dos aviões
A350XWB e o A380. Ambos os aviões se encontram equipados com motores Rolls Royce,
27
sendo o do primeiro avião o modelo Trent XWB e o do segundo o Trent 900. Estes motores são
significativamente diferentes visto que os modelos de aviões aqui apresentados são
prospectivamente um dos modelos mais eficientes do mercado e o maior modelo de passageiros
alguma vez fabricado.
Efetivamente o primeiro motor, o Trent XWB destaca-se por ser um motor leve,
energeticamente eficiente e ainda com emissões de gases poluentes muito reduzidas. Este motor
foi especificamente desenhado para responder as necessidades do modelo A350WXB, um dos
aviões tecnologicamente mais avançados em produção na atualidade. O segundo motor, o Trent
destaca-se pela capacidade de conjugar uma grande capacidade de propulsão com níveis de
consumo relativamente baixos, tendo sido esta a escolha da Airbus para equipar o seu maior
avião, o A380.
Este nível de performance só foi possível através da evolução tecnológica quer a nível
dos compósitos utilizados, quer a nível dos processos de fabrico dos motores.
Em comparação com o motor referenciado no ponto anterior, o processos, em geral,
mantiveram os seus fundamentos. No entanto existem alguns processos significativamente
diferentes como a produção dos discos dos compressores que, em vez de ser usado o processo
referenciado no ponto anterior de uma maquiagem aproximada, usa Powder metallurgy. Este
processo utiliza o material em pó que, seguidamente é compactado através de processos térmicos
e mecânicos para formar a forma desejada da peça.
Ainda em continuação da comparação feita com o motor referenciado no ponto anterior, é
importante denotar que a estrutura exterior do motor, em vez de fibra de vidro, é produzido com
kevlar.
5.3 O Futuro das Estruturas de Propulsão
Em concordância com o atual rumo do desenvolvimento tecnológico, também a evolução
dos motores a jato encontra-se focalizada na área do desenvolvimento sustentável, sendo o
principal objetivo deste desenvolvimento uma diminuição do nível de desperdício que
atualmente se encontra associado a este tipo de motores, nomeadamente ao nível do consumo de
combustível, mas também ao nível do tipo de materiais utilizados na produção destes motores.
28
Atualmente encontram-se em estudo e desenvolvimento novos conceitos em termos da
estrutura do motor que, com a alteração de alguns componentes, espera-se que venha a reduzir a
quantidade de combustível desperdiçada, aumentando assim o rendimento do motor.
Exemplificando, atualmente a Rolls Royce [5.], um dos principais fornecedores de motores a jato
para a Airbus, focou os seus esforços de desenvolvimento no sentido de construir um motor
capaz de reduzir o nível de consumo em pelo menos 20 % em comparação com os seus modelos
da década de 90, aplicando nesse sentido um nova ventoinha, á qual designaram “Ultra Fan”
(Figura 17), que foi estruturalmente reconcebida de forma a aumentar a sua eficiência. Segundo a
empresa, esta tecnologia apenas se encontrará disponível no final da presente década.
Figura 17: “Ultra Fan” [8]
Em linha com o atual motor Trent XWB, a Rolls Royce aposta nas fibras de carbono
como o compósito do futuro, incorporando a incrível resistência deste matéria com a capacidade
de produzir peças significativamente mais leves do que as usadas até a data, minimizando assim
os níveis de consumo de combustível deste tipo de motor. [25.]
29
6 Revestimentos
O revestimento de uma aeronave é toda a camada que protege e cobre a estrutura da
aeronave e pode ser dividido em várias categorias, consoante a sua função. A pele representa o
revestimento principal do avião que cobre a fuselagem e as asas. No entanto, as estruturas
abertas da aeronave, se existentes, são cobertas por tecido, uma prática começada desde a origem
dos aviões e continuada em aviões mais leves, com tecidos extremamente resistentes e com a
introdução de novos materiais como o polímero politereftalato de etileno, mais conhecido por
PET. O revestimento de uma aeronave pode ainda ser coberto por PSP (Pressure-Sensitive
Paint), uma ferramenta (e consequente método) de medir a pressão numa dada superfície. Dois
outros tipos de revestimento são a estrutura monocoque, em que o revestimento é o responsável
por suportar e estruturar o avião, ou semimonocoque, que combina esta técnica com a acrescida
estabilidade estrutural das longarinas, vigas fabricadas com ligas metálicas, e assim, de elevada
resistência.
Dada a dimensão e gama das aeronaves Airbus que o trabalho foca, o elemento em
destaque é a pele do avião, pele esta que detém uma enorme importância na durabilidade e
estabilidade do avião, e cujos materiais têm vindo a evoluir de modo a responder às novas
necessidades dos avanços da aeronáutica e da engenharia.
6.1 Passado
6.1.1 Materiais
O revestimento das primeiras gamas da Airbus era relativamente simples. Na sua maioria
era constituído por ligas metálicas, nomeadamente ligas de alumínio. Estas ligas eram o material
de eleição devido à sua elevada resistência em função do seu peso. Outro fator era ainda o facto
de as ligas de alumínio possuírem elevada resistência à corrosão, comparadamente com o
material alternativo, o aço. “No entanto, pela perda de resistência mecânica a altas temperaturas,
não podem ser utilizados em superfícies de aeronaves que aqueçam muito ao voar duas vezes
acima da velocidade do som” [26.], o que não é o caso dos aviões da gama A300, caso em estudo
30
neste trabalho. No entanto, já nesta altura os compósitos começavam a marcar a sua presença no
revestimento de elementos cruciais nos aviões. (Figura 19)
Figura 19 : Localização dos Materiais Compósitos nos aviões A300 [9]
No revestimento da fuselagem, estas aeronaves estão sujeitas primariamente a forças de
desgaste, daí a necessidade de utilizar uma liga de alumínio com propriedades que sustenham
tais forças, tais como a resistência a fadiga e a tenacidade (capacidade em absorver energia
plástica). Daí a escolha de uma liga como a 2024-T3, uma liga de alumínio e cobre (3.8-4.9%)
com uma resistência a fadiga de 138 MPa e uma tenacidade de 32 MPa · m1/2
[27.]
No entanto, no revestimento superior das asas, as forças a atuar são maioritariamente de
compressão, daí a utilização de uma liga diferente, com uma maior resistência a tais forças e de
31
elevada rigidez, tal como a liga 7475-T7651 composta por alumínio, cobre (1.2-1.9%) e zinco
(5.2-6.2%), com uma resistência de 460 MPa [28.].
Por outro lado, o material do revestimento inferior das asas da aeronave precisa de
caraterísticas diferentes, em função das forças de desgaste que sofre. Este processo de escolha
pode ser baseado em dois critérios. “O primeiro é identificar as ligas que satisfaçam os requisitos
quanto à resistência à tração e resistência à rutura. O segundo passo é determinar qual destas
ligas tem a melhor resistência ao desenvolvimento de fendas pela fadiga do material.”
(University of Liverpool, European Aluminium Assossiation, AlluMATTER), (Figura 20).
Assim sendo a liga 2024-T3 é também neste caso a liga usada pela Airbus na gama A300 para o
revestimento inferior das asas.
Figura 20 : Resistência à Tração - Tenacidade [10]
6.1.2 Processos de Fabrico
Como foi anteriormente referido, as ligas de alumínio podem ter diversos tratamentos. A
indicação -T3 na liga 2024 refere-se ao tratamento térmico (têmpera), usado para obter uma liga
32
mais resistente. Este tratamento consiste no aquecimento da liga e posterior maquinagem a frio,
encroando a mesma.
No caso da liga 7475, o T refere-se também a um tratamento térmico, tratamento este
aliado a um processo de conformação plástica por vácuo, de modo a obter a forma necessária ao
revestimento das asas da aeronave.
Este processo de conformação plástica dá-se em duas fases: por aquecimento a 177ºC e
pressurização da liga num molde, conferindo a forma pretendida. Ao fim de um certo tempo
nesta forma, a peça arrefece, saindo do molde, ja formada (Figura 21).
Figura 21: Processo de conformação plástica do revestimento da asa [11]
Após o processo de fabrico, o revestimento do avião é então preso à estrutura por rebites,
ao contrário do que acontece no automobilismo em que é usado um processo de soldadura, pois
estes aguentam melhor as vibrações a que estes componentes são sujeitos. Na gama A300 estes
rebites são compostos também por ligas de alumínio tais como as referidas anteriormente.
6.2 A Atualidade dos Revestimentos na Aviação
6.2.1 Materiais
Na gama A380 da Airbus, o revestimento sofreu uma evolução em grande escala. Sendo
este o maior avião de passageiros da Airbus, criou a necessidade de serem introduzidos novos
materiais, como os compósitos e uma estrutura laminada formada por camadas de metal e fibras.
33
Existem três tipos de compósitos utilizados no revestimento deste avião: o GFRP, o QFRP e o
CFRP.
O GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) e o QFRP (Quartz Fiber Reinforced Polymer)
são usados em menor extensão, e como o nome indica, são dois dos compósitos de polímeros
reforçados com fibras, neste caso, fibra de vidro e quartzo respetivamente. São usados no
revestimento do leme na cauda e no nariz do avião.
O CFRP, já referido anteriormente no relatório, é usado apenas no revestimento da cauda.
Para os revestimentos das asas continuam a ser usadas as ligas de alumínio já referidas.
No entanto, a maior inovação introduzida no revestimento desta aeronave foi o GLARE®
(GLAss fibre REinforced aluminium), o material usado no revestimento da fuselagem, sendo
assim o material mais utilizado no revestimento total do avião. Esta estrutura é formada por
várias camadas de ligas de alumínio (2024-T3 ou 7475-T76) e fibra de vidro, dispostas
alternadamente (Figura 22). “A espessura de cada camada de alumínio varia entre os 0,2 e os 0,5
mm, e a espessura de cada placa de fibra de vidro ronda os 0,125 mm, sendo uma camada
composta por três ou quatro placas, dependendo da sua utilização” [29.].
Figura 22: Estrutura do GLARE® [12]
As propriedades mecânicas deste material são as mais favoráveis ao revestimento da
fuselagem, demonstrando uma resistência tênsil e resistência a fracturas superior à do seu
precedente, a liga 2024-T3 (Figura 23).
34
Figura 23: Desenvolvimento de fendas de fadiga de alguns híbridos laminados de metal e da liga
2024-T3 [13]
No caso da gama A350, a Airbus deu um passo noutra direção, escolhendo um
revestimento inteiramente de material compósito do tipo CFRP.
Neste modelo, as placas das quatro secções estruturais já referidas no ponto 3.2.1
funcionam também como revestimento sendo o material de eleição “devido à redução de peso
adjacente ao seu uso e às suas propriedades não corrosivas” [30.].
As asas deste modelo são também inteiramente compostas de CFRP, como referido no
ponto 3.2.1, sendo o seu revestimento parte da peça em si.
6.2.2 Processos de Fabrico
Para o fabrico do GLARE® é necessária a junção das placas de alumínio e das camadas
de fibra de vidro.
Para tal ser possível, o alumínio tem de ser tratado com o objetivo de melhorar a sua
adesão às fibras. Para tal, as camadas de alumínio são submetidas a um processo de limpeza,
decapagem, anodização e a aplicação de um primário, tornando assim possível a adesão das
fibras à sua superfície.
Após este processo, o laminado é então disposto na sua estrutura final e a sua adesão é
feita por cura numa autoclave, usando moldação por saco de vácuo (Figura 24).
35
Figura 24: Representação esquemática do sistema de vácuo [13]
O fabrico das placas do revestimento do Airbus A350 foi referido no ponto 3.2.2 pois
nesta aeronave a diferença entre o revestimento e a estrutura é muito ténue, partilhando maior
parte dos elementos, sendo assim um processo de conformação plástica semelhante ao do
GLARE®
6.3 O Futuro dos Revestimentos
6.3.1 Materiais
A tecnologia de hoje limita a evolução do revestimento dos aviões comerciais, seja pela
falta de capacidade de evolução, ou por elevados custos de produção que novos materiais
trariam. No entanto, a Airbus tem a sua visão para o ano 2050 já formada, uma visão baseada
não só nos materiais já existentes, mas também numa projeção daquilo que a constante evolução
nos mais diversos campos da engenharia, incluindo a mecânica aliada a outras componentes.
(Figura 25)
36
Figura 25 Airbus Concept - Vista exterior [14]
Os planos para o avião Concept da Airbus incluem um revestimento transparente, na
forma de uma membrana biónica a acompanhar a estrutura da mesma base, na “Zona
Vitalizante” (Figura 26) [31.].
Figura 26: Vista interior da cabine e zona vitalizante [14]
37
Outra aplicação da vasta área dos revestimentos é o revestimento interior. O Concept
planeia usar revestimentos interiores, nomeadamente nos acentos, num material inteligente que
utilizará um sistema de recolha de energia térmica do corpo dos passageiros para alimentar os
sistemas biónicos e elétricos do avião. (Figura 27)
Figura 27: Acentos do Airbus Concept com recolha de energia corporal [14]
Outra novidade em desenvolvimento são os materiais auto-sustentáveis (self-reliant), que
se limpam a si próprios baseando-se no mecanismo utilizado nas folhas de uma lótus onde a água
rola pela superfície da folha levando os contaminantes consigo. Hoje em dia este tipo de
tecnologia já está em uso nas cabines de casa de banho e espera-se a sua adaptação aos
revestimentos. Estes materiais podem ainda ser auto reparadores, o que torna a manutenção
destas aeronaves muito mais fácil.
Os materiais necessários a tais proezas estão contudo, ainda em fase de investigação,
desenvolvimento ou teste, daí a necessidade de uma projeção para um ano como 2050 para estes
materiais estarem disponíveis para o uso comercial.
É de realçar, ainda assim, que embora esta seja uma visão para o futuro, o trabalho de
investigação e desenvolvimento deste tipo de materiais inteligentes já começou há alguns anos,
como é o exemplo do material desenvolvido pela CICECO, o Centro de Investigação em
Cerâmicas e Materiais Compósitos, da Universidade de Aveiro - revestimento auto-reparador
38
para ser utilizado em aviões e outras aeronaves. Neste material, “a funcionalidade de auto-
reparação é introduzida nos aviões através de nano-contentores que são incorporados nas tintas
utilizadas no revestimento dos aparelhos” [32.]. Este revestimento vai ser utilizado pela Airbus
no futuro, estando incluído nos planos para o Concept de 2050.
6.3.2 Processos de Fabrico
Com este Concept projetado para um futuro mais evoluído em termos de processos
tecnológicos, é espectável e compreensível que o fabrico destes materiais e aplicações deste
avião seja ainda desconhecido ou impraticável. No entanto, à semelhança do que o que se prevê
acontecer para os outros subsistemas, já foi referido pela Airbus que planeia utilizar novos
processos de fabrico tais como a impressão 3D para a conceção de peças tão complexas e difíceis
de produzir por métodos convencionais, dada a natureza dos seus materiais e a extensão das
peças.
39
7 Síntese de conhecimentos
Ao longo do trabalho foi assim possível estabelecer relações temporais entre os diferentes
materiais na aviação aos mais diversos níveis do avião.
Ao nível da estrutura, a evolução deu-se a partir da estrutura quase inteiramente composta
por ligas de alumínio, na gama A300, passando pela introdução dos compósitos, nomeadamente
o CFRP na estrutura da fuselagem do A380, e culminando com o A350, cuja estrutura externa é
inteiramente feita de CFRP e cuja estrutura interna passa pela combinação deste compósito com
ligas inovadoras de alumínio-lítio. No futuro prevê-se a utilização de ainda mais materiais
inovadores como estruturas biónicas, sistemas integrados nos próprios materiais, criando redes
estruturais, materiais adaptáveis aos passageiros nos acentos e membranas de bipolímeros, com a
capacidade de controlar as condições interiores do avião.
Por sua vez, a evolução dos revestimentos acompanhou o progresso das estruturas devido
à estrita ligação existente entre estes dois componentes. Partindo das ligas de alumínio na gama
A300, o revestimentos adoptou depois várias vertentes. Na gama A380 foi utilizado o GLARE, a
estrutura laminada que combina as propriedades das anteriores ligas de alumínio com a fibra de
vidro, seguida da gama A350 em que este material foi substituido pelo CFRP, na gama que é
marcante pela abundância da utilização deste material. Para o futuro espera-se a utilização de
membranas biónicas transparentes, a recolha de energia corporal pelo revestimento dos acentos e
ainda materiais auto-sustentáveis e auto-reparadores, um passo que marcaria a história da
aeronáutica.
Ao nível da estrutura dos aviões, reparou-se no progresso que acompanha a passagem do
alumínio para os compósitos, onde as ligas de alumínio eram tratadas por extrusão. Com a
introdução dos compósitos o fabrico destes componentes passou para a conformação plástica em
autoclaves, num saco de vácuo, após um cuidadoso lay-up das camadas necessárias num molde
macho. Para o futuro a Airbus planeia a utilização de impressão 3D a grande escala, um processo
que facilitará o fabrico e diminuirá os custos de tais elementos do avião.
Ao nível dos revestimentos, notou-se que embora a conformação plástica tenha sido uma
constante nestas gamas, na gama A300 o processo de fabrico das peças em ligas de alumínio
consistia num processo de cura por aquecimento e pressurização destas ligas num molde. Por sua
vez as peças produzidas em GLARE e CFRP utilizam um processo baseado em vácuo numa
40
autoclave. Para o futuro, porém, prevê-se uma grande alteração, com a utilização de impressoras
3D de dimensões adequadas à produção destas peças contínuas, que podem chegar aos 80 m.
Por se tratar de um dos principais componentes do avião, o sistema de propulsão é um
dos componentes onde é visível uma grande evolução ao longo da sua existência. No sistema de
propulsão houve um enorme avanço, desde o combustível até ao material usado no fabrico do
motor, com a aplicação de compósitos para diminuir o peso e o custo. Os materiais evoluiram
desde a evolução das fibras de vidro até as fibras de kevlar ao nível dos compósitos, e com a
possível introdução de fibras de carbono no futuro, ou mesmo compósitos de matrizes cerâmicas.
Ao nível dos processos de fabrico nota-se a evolução do forjamento, fundição e maquinação para
a Powder Metallurgy, e com a introdução da impressão 3D e conformação plástica aliada a
processos químicos no Concept. Com a evolução da construção do sistema de propulsão, é
notável um maior aproveitamento do poder energético do combustível e uma menor emissão de
gases poluentes, mantendo ainda a utilização de compósitos como a fibra de carbono para
maximizar a performance destes motores.
41
8 Considerações finais
Com este trabalho teve-se conhecimento dos progressos que se fizeram sentir aos níveis
explorados na classe comercial da Airbus bem como das previsões para o futuro.
Desenvolveram-se capacidades e conhecimentos ao nível do funcionamento dos aviões
comerciais, entendeu-se as propriedades de diferentes materiais aplicados à aeronáutica, e
conheceram-se os processos de fabrico necessários, bem como a evolução destes e a sua
implicação para o desenvolvimento e funcionamento dos aviões.
Numa época em que as viagens de avião são a resposta às necessidades da população, foi crucial
este entendimento num dos temas que mais contribui para a expansão destes meios, bem como o
papel do engenheiro na concepção de respostas às necessidades de um mundo em mudança.
42
9 Referências bibliográficas
Referências Textuais
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brothers.org/History_Wing/History_of_the_Airplane/History_of_the_Airplane_Intro/History
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