fernanda rodrigues 21681

Aluno: Fernanda Rodrigues Matrícula:21681 Curso: Engenharia de Materiais Período: 4º período Vigência: Março de 2013 a Fevereiro de 2014

Propriedades mecânicas de laminados fibra metal, obtidos pelo processo de moldagem por transferência de resina assistido a vácuo.

Universidade Federal de Itajubá - 2013/2014

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Resumo

Os laminados fibra metal são compósitos híbridos constituídos de múltiplas finas camadas de metal coladas com finas camadas de fibras reforçadas com polímeros, combinando assim as melhores propriedades do metal e do compósito. Esses compósitos híbridos laminados são conhecidos por serem leves, terem boas propriedades de resistência à fadiga e ao impacto, terem elevadas propriedades estáticas específicas, além de serem resistentes a chama e a corrosão. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desempenho mecânico dos laminados fibra metal, produzidos pelo processo alternativo de moldagem por transferência de resina assistida a vácuo, por meio da análise de suas principais propriedades mecânicas obtidas por ensaios mecânicos de tração uniaxial, e de fadiga por tração-tração, torção-torção.

Palavras-chave: Laminados Fibra Metal, Transferência de Resina Assistida a Vácuo,

Ensaios Mecânicos, Ensaios de Fadiga.



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Índice

Resumo ....................................................................................................................................... ii

Índice ......................................................................................................................................... iii

1. Introdução ............................................................................................................................... 1

2. Objetivos ................................................................................................................................ 1

3. Justificativa para o projeto e sua descrição ............................................................................ 1

4. Revisão da Literatura ............................................................................................................. 2

4. 1. Laminados Fibra Metal .............................................................................................. 2

4. 2. Processamento Convencional de Laminados Fibra Metal ......................................... 3

4. 3. Moldagem por Transferência de Resina Assistida a Vácuo ....................................... 3

4. 4. Comportamento mecânico .......................................................................................... 4

5. Metodologia a ser utilizada .................................................................................................... 4

5. 1. Revisão bibliográfica .................................................................................................. 4

5. 2. Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo ........................................... 5

5. 3. Ensaios mecânicos ...................................................................................................... 5

5.4. Análise dos resultados ................................................................................................. 6

5.5. Preparação de relatórios e elaboração de publicações científicas ............................... 6

6. Cronograma de atividades ...................................................................................................... 6

7. Principais contribuições esperadas do trabalho ...................................................................... 7

8. Bibliografia ............................................................................................................................. 7



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1. Introdução

Os laminados fibra metal (LFM) são compósitos híbridos constituídos de múltiplas finas camadas de metal coladas com finas camadas de fibras reforçadas com polímeros, combinando assim as melhores propriedades do metal e do compósito. Esses compósitos híbridos laminados são conhecidos por serem leves, terem boas propriedades de resistência à fadiga e ao impacto, terem elevadas propriedades estáticas específicas, além de serem resistentes a chama e a corrosão. Essas propriedades são muito importantes para materiais para aplicações aeronáuticas (1). Tradicionalmente esses LFMs são produzidos em processos que utilizam autoclaves, limitando a dimensão de elementos estruturais aeronáuticos e tornando muito caro a produção deles. Um processo alternativo é a utilização de fibras secas em moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM – Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding). Essa alternativa é potencialmente vantajosa por ser um processo mais econômico e permitir a produção de painéis que não são limitadas dimensionalmente pelo tamanho da autoclave. Porém em as placas de alumínio devem ser perfuradas para permitir a infiltração da resina entre as camadas, fazendo com que esse laminado deva apresentar maior tolerância à perfuração em chapas (blunt notch strength) (1). O objetivo deste trabalho é apresentar o potencial desses LFMs obtidos pelo processo alternativo VARTM, por meio da determinação de seu desempenho mecânico. Como resultados serão apresentados suas principais propriedades mecânicas obtidas por ensaios mecânicos de tração uniaxial, e de fadiga por tração-tração, torção-torção.

2. Objetivos

Este projeto de iniciação científica tem como objetivos o estudo da viabilidade da aplicação de um processo alternativo de fabricação de laminados fibra metal por meio de moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM).

Pretende-se também, com esse projeto, determinar as principais propriedades mecânicas, como a tensão de escoamento, o limite de resistência, a tensão de ruptura, o módulo de elasticidade, utilizando ensaio estático de tração uniaxial. E testar métodos de análise de ensaios dinâmicos para determinar propriedades de resistência à fadiga, em tração-tração, tração-torção.

3. Justificativa para o projeto e sua descrição A importância da utilização de LFMs envolve vários fatores como redução de peso, melhorias relativas à resistência à corrosão e desgaste, aumento de desempenho de aeronaves e, principalmente acesso ao conhecimento tecnológico envolvido no processamento desse material, com uma possível participação no mercado de competitividade de vendas de aeronaves. Em função da constante atualização tecnológica exigida no setor aeronáutico, visando um maior desempenho das aeronaves, maior segurança em vôo, menor custo de manutenção, além da satisfação do operador, o presente trabalho visa contribuir ao domínio nacional da obtenção de estruturas aeronáuticas em compósito fibra/metal. Para atingir este objetivo serão



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necessários conhecimentos nas áreas de tratamentos superficiais de metais, especialmente as ligas de alumínio, e no processamento de compósitos estruturais e a infra-estrutura necessária ao processamento e à caracterização desses compósitos. A viabilidade de um processo alternativo de fabricação de laminados fibra metal tem uma fundamental importância na redução de custos de processos de fabricação de elementos estruturais aplicados na indústria aeronáutica, tornando-os mais baratos, sem restrições dimensionais, e sem o uso de equipamentos complexos. Além da viabilidade econômica desse processo alternativo, a compreensão de seus comportamentos mecânicos estáticos e dinâmicos é necessária para determinar a sua correta aplicação em elementos estruturais aeronáuticos seguros e econômicos.

4. Revisão da Literatura

Para a realização desta iniciação científica, um estudo sobre diversos temas na área de processamento de laminados fibra metal, ensaios mecânicos estáticos e dinâmicos, faz-se necessário.

4. 1. Laminados Fibra Metal A utilização de materiais compósitos foi restrita a alguns setores da indústria durante algumas décadas, mas atualmente há um crescimento de 5% ao ano no uso deste tipo de material [1, 2]. Atualmente, várias aeronaves civis e militares, de todas as grandes empresas como BOEING, AIRBUS, EMBRAER e Bombardier, utilizam materiais compósitos como componentes estruturais (2). Os materiais compósitos são combinações de pelo menos duas fases distintas denominadas de matriz e reforço. Em particular, podem ser combinações de polímeros com fibras ou materiais híbridos metal/compósito. Esses materiais são muito resistentes à corrosão, são mais leves e, em muitos casos, os compósitos apresentam propriedades especiais que seus constituintes não possuem separadamente (3). Os materiais compósitos resultantes da combinação entre reforço e matriz dependem das proporções entre esses constituintes, da forma do reforço e do processo de fabricação (4). Sabe-se que os compósitos poliméricos apresentam muitas vantagens quando comparados aos materiais metálicos, devido principalmente à relação entre peso e alta resistência e rigidez além das propriedades de resistência à fadiga e corrosão [6]. Na década de 80 foram introduzidas fibras uniaxiais de aramida nas camadas intermediárias de adesivo em placas metálicas de espessura muito finas (0,3 a 0,5 mm). Em 1982, o primeiro produto comercial com o nome ARALL (Aramid Aluminium Laminate) foi lançado pela ALCOA e as marcas ARALL 1 e ARALL 2 foram patenteadas. O ARALL 1 é obtido com alumínio 7075, enquanto que o ARALL 2 utiliza camadas de alumínio 2024 (7,8) . Em trabalhos anteriores, foi constatado que o ARALL possuía uma resistência muito maior ao crescimento da trinca por fadiga que se encontra associado com o mecanismo de transmissão de carga na trinca durante o aparecimento das primeiras trincas, quando comparado aos compósitos convencionais. Alguns anos depois, as fibras de aramida foram substituídas por fibras de vidro avançadas, sendo esse compósito laminado fibra metal denominado comercialmente como GLARE®. Várias propriedades do GLARE (laminado de



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fibra de vidro reforçado com alumínio) eram superiores quando comparadas às do ARALL, tais como maior resistência à fadiga e maior tolerância à perfuração em chapas (8,9). Os laminados fibra metal (LFM) são compósitos híbridos, com elevada resistência e apresentam-se como uma alternativa aos compósitos reforçados com fibras de carbono ou vidro em matriz de resina epóxi (5).

4. 2. Processamento Convencional de Laminados Fibra Metal O processo mais comum para produzir LFM envolve processos com uso de autoclave em cinco etapas (10): 1) Preparação de ferramentas e materiais: durante essa etapa a camada superficial do alumínio tem um pré-tratamento superficial com ácido crômico ou fosfórico para melhorar a adesão entre o sistema adesivo e a liga de alumínio utilizada; 2) Laminação do material: incluindo o corte e a laminação propriamente dita; 3) Preparação para a cura, incluindo a limpeza da peça e a transferência em alguns casos ou preparação de bolsa de vácuo em todos os casos; 4) Cura, incluindo os processos de consolidação de fluxo, reações químicas de cura assim como ligações entre as camadas fibra/metal;

5) Inspeção, geralmente por ultrassom, raios X, técnicas visuais e testes mecânicos. Esses laminados apresentam uma estrutura tipo sanduíche, que consiste em alternar lâminas finas de alumínio, com espessuras variando de 0,2 a 0,5 mm, com camadas de pré-impregnados de compósitos poliméricos de fibras de reforço (vidro ou carbono) com resina epóxi (prepregs), obtendo-se materiais com combinações denominadas de compósitos híbridos fibra/metal (LFM), conforme ilustrado na Figura 1 (9).

Figura 1 – Esquema da configuração de um LFM (9).

4. 3. Moldagem por Transferência de Resina Assistida a Vácuo

No processo de moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM – Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding), figura 2, as finas camadas de metal e de fibras sem pré-impregnação são empilhadas em um molde único. Tubos de distribuição de resina devem ser colocados abaixo e acima das camadas de fibra para facilitar o escoamento da



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resina longitudinalmente à peça. A camada superior é coberta por uma camada flexível, que é fixada ao molde para selar a peça pré-moldada. Após a selagem, todo o ar é retirado usando uma bomba de vácuo. A resina é inserida ao molde a partir de um reservatório externo, e a sua cura acontece enquanto o molde ainda este em vácuo. Essa resina deve ter uma baixa viscosidade para permitir uma completa impregnação e reduzir a formação de vazios no interior do compósito. As placas de LFM feitas por VARTM são curadas por cinco horas a 52°C seguida de uma pós-cura de seis horas a 74°C.

Figura 2 – Esquema do processo de VARTM.

4. 4. Comportamento mecânico Na busca de um ótimo desempenho, metal e fibras reforçadas com resina são combinados para obter o melhor de ambos os materiais. Nos LFMs o número e a espessura das chapas de alumínio podem variar e o número de camadas e orientação das fibras também. A curva tensão-deformação desse material laminado é uma curva combinada pelas propriedades das fibras e dos metais, a qual depende da orientação da fibra e a direção de aplicação da carga. Existem métodos para descrever a curva tensão-deformação para o alumínio, porém a combinação do metal com o compósito resulta em uma curva cuja descrição é mais complexa. A plasticidade do alumínio e a tensão residual após a cura da resina, devido à diferença de expansão térmica dos constituintes dos laminados fibra metal, são alguns dos parâmetros que tornam complexos a descrição matemática da curva tensão-deformação desses materiais. Tornando assim necessários os ensaios mecânicos estáticos e dinâmicos para a determinação dos comportamentos mecânicos desses materiais, principalmente os ensaios dinâmicos, pois estes apresentam o comportamento do material nas condições de trabalho de elementos estruturais aeronáuticos.

5. Metodologia a ser utilizada

Para alcançar os objetivos apresentados, este projeto de iniciação científica constará de uma revisão bibliográfica, ensaios mecânicos estáticos e dinâmicos, análise dos resultados desses ensaios e a preparação de relatórios e elaboração de publicações científicas.

5. 1. Revisão bibliográfica

Deverá ser feito um levantamento bibliográfico sobre os processos de fabricação dos laminados fibra metal, suas principais propriedades mecânicas, e como tais propriedades são obtidas experimentalmente utilizando parâmetros que simulam as condições de trabalho



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desses materiais. Além disso, deverão ser objetos de estudo os conceitos de mecânica da fratura, resistência dos materiais e vibrações mecânicas.

5. 2. Moldagem por transferência de resina assistida a vácuo Este processo consiste em preencher os espaços vazios de uma região, cavidade ou molde injetando por um ou vários pontos uma resina de baixa viscosidade já catalisada, e dependendo das características finais do componente, submetê-lo à pressão e temperaturas para cura final do produto. Os reforços são colocados previamente, no interior do molde e a resina é injetada preenchendo os vazios, enquanto um sistema de vácuo retira simultaneamente o ar. Na figura 3 pode-se visualizar um esboço esquemático do processo, o pré-formado posicionado no molde quando então injeta-se a resina e simultaneamente aplica-se um vácuo para retirada do ar.

Figura 3 - Exemplo esquemático de processo VRTM (12).

5. 3. Ensaios mecânicos A caracterização das propriedades mecânicas dos materiais LFMs será realizada com a execução de ensaios mecânicos estáticos e dinâmicos.

- Ensaio de resistência a tacão: Nesse ensaio é avaliado o comportamento do material ao se medir o resultado em força quando a amostra é submetida a um determinado deslocamento. Dentre as principais propriedades determinadas está o módulo de elasticidade, a tensão de escoamento, o limite de resistência à tração e a tensão máxima de ruptura.

- Ensaio de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS): Esse ensaio utiliza o mesmo dispositivo de ensaio de flexão em três pontos, para determinar a resistência ao cisalhamento interlaminar dos LFMs, que deve ser realizado de acordo com a norma ASTM D2344.

- Ensaios de fadiga: Nesses ensaios serão avaliadas as resistências a fadiga quando os corpos de prova são solicitados em carregamento dinâmico (variável com o tempo) em tração-tração e em torção-torção. O carregamento tração-tração tem variação senoidal de um valor mínimo até um valor máximo de tensão de tração sem que haja passagem por uma carga nula,



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e o carregamento de torção-torção tem uma variação senoidal de um valor negativo até um o mesmo valor positivo de ângulo de torção.

5.4. Análise dos resultados Os resultados obtidos nesses ensaios serão analisados com a finalidade de o desempenho mecânico dos materiais Laminados fibra metal.

5.5. Preparação de relatórios e elaboração de publicações científicas

Ao final das etapas anteriormente mencionadas, tem-se como previsão a publicação de trabalhos a serem apresentados em congressos científicos, submissão e possível publicação de artigos em periódicos, bem como a confecção de dois relatórios de pesquisa (um intermediário e outro final).

6. Cronograma de atividades A Tabela 01 mostra as etapas ou atividades que serão desenvolvidas neste projeto de iniciação científica. Na Tabela 02 está o cronograma das atividades ao longo de um ano.

Tabela 01 – Atividades a serem desenvolvidas no projeto de pesquisa.

INÍCIO DO TRABALHO 03/13 02/14

ETAPAS/ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS

1 Revisão bibliográfica; 2 Desenvolvimento do laminado fibra metal por VARTM; 3 Preparação e entrega do relatório parcial (até 31/05/2013); 4 Preparação de amostras e realização de ensaios de tração; 5 Realização de ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar e análise de resultados; 6 Preparação e entrega do relatório parcial (até 31/08/2013); 7 Ensaio de fadiga em tração-tração; 8 Ensaio de fadiga em torção-torção e análise de resultados; 9 Preparação e entrega do relatório parcial (até 30/11/2013);

10 Análise dos resultados finais e redação de artigo científico; 11 Preparação e entrega do relatório final (até 28/02/2014).



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Tabela 02 – Cronograma de atividades do projeto de pesquisa.

2013 2014

Ativ. MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV

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7. Principais contribuições esperadas do trabalho Desenvolvimento de um procedimento para produção de laminados fibra metal por

moldagem por transferência de resina assistida a vácuo; Determinação das principais propriedades mecânicas de laminados fibra metal por

moldagem por transferência de resina assistida a vácuo; Preparação de dois relatórios (um parcial e um final) apresentando os resultados

alcançados no desenvolvimento do plano de trabalho; Previsão de publicação de um trabalho em Congresso descrevendo a aplicação de um

método alternativo na produção de laminados fibra metal e a caracterização das propriedades mecânicas desses materiais;

Apresentação do trabalho na Jornada de Iniciação Científica, Tecnológica e de Inovação da UNIFEI;

Formação de pesquisadores na área de engenharia de materiais e mecânica e no tema proposto neste projeto de pesquisa.

8. Bibliografia

(1) GUOCAI WU AND J.-M. YANG, “The Mechanical Behavior of GLARE Laminates for Aircraft Structures”, JOM, p.72-79, January, 2005.

(2) BOTELHO, E.C., “Compósitos aeronáuticos processados a partir de fibras de carbono impregnadas com PA 6/6 via processo de polimerização interfacial.”, 2002, 272f. Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica), Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

(3) PARDINI, L.C.; F. LEVY NETO, “Compósitos Estruturais - Ciência e Tecnologia.”, Sao Paulo: Edgard Blücher, 2006.



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(4) BRITO JÚNIOR, C.A.R., “Caracterização dinâmico-mecânica de compósitos metal fibra e compósitos fibra de carbono/resina epóxi para uso aeronáutico.”, 2007, 151f. Tese (Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica), Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

(5) ASUNDI, A.; A.Y.N. CHOI, “Fiber metal laminates: An advanced material for future aircraft”. Journal of Materials Processing Technology, v.63, n.1-3, p. 384-394, 1997.

(6) BOTELHO, E.C., et al., “Elastic properties of hygrothermally conditioned glare laminate”, International Journal of Engineering Science, v.45, n.1, p. 163-172, 2007

(7) VLOT, A.; J.W. GUNNINK, “Fibre Metal Laminates: An Introduction”, Kluwer Academic Publishers, 2001.

(8) BEUMLER, T., “Flying GLARE”, 2004. 488f. Tese (Doutorado), Technische Universiteit Delft, Delft.

(9) VLOT, A., “Glare: History of the Development of a New Aircraft Material”, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001.

(10) GUTOWSKI, T.G., “Advanced Composites Manufacturing”, 1. ed. New York, USA: John Wiley & Sons 1997.

(11) M. HAGENBEEK, C. VAN HENGEL, O. J. BOSKER and C. A. J. R. VERMEEREN “Static Properties of Fibre Metal Laminates”, Applied Composite Materials 10: 207–222, 2003.

(12) YOUNOSSI O, KENNEDY M, GRASER J.C. “Military Airframe Costs: The Effects of Advanced Materials and Manufacturing Process. Randi publication Database, 2001.

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