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Cálculo estrutural numérico e experimental da carenagem de um veículo Samuel Cezinando Ribeiro Furtado Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Prof. Luís Faria Orientador: Doutor Arlindo José de Pinho Figueiredo e Silva Co-Orientador e Perito Externo: Msc Cristiano Alves da Silva Vogais: Doutor Luís Sousa Outubro 2009

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Cálculo estrutural numérico e experimental da caren agem

de um veículo

Samuel Cezinando Ribeiro Furtado

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Prof. Luís Faria

Orientador: Doutor Arlindo José de Pinho Figueiredo e Silva

Co-Orientador e Perito Externo: Msc Cristiano Alves da Silva

Vogais: Doutor Luís Sousa

Outubro 2009

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“The most environmentally friendly thing that you can do for a car that burns gasoline is to make

lighter bodies” Henry Ford

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Aos meus Pais Cizinando Furtado e Adriana Furtado

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AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar gostaria de agradecer a todos os que contribuíram de forma directa ou indirecta para a conclusão deste trabalho;

Uma palavra de apreço a todos os meus colegas e amigos que, mesmo sem saberem, ajudaram-me muito ao longo da minha vida;

Ao Pedro Teixeira que, apesar dos contratempos constantes na oficina, ainda assim conseguia ajudar;

Aos Professores Luís Reis, Virgínia Infante e Manuel Freitas que, mesmo não sendo meus orientadores estiveram sempre disponíveis para ajudar;

Ao meu orientador Professor Arlindo Silva por todo o auxílio prestado, pois muitas vezes se não fosse os seus conselhos este trabalho não se concretizava. Também um obrigado pela paciência.

Aos meus ex-colegas Cristiano, Caetano, Nuno, Pedro, Hugo, Cabedal, Vargas, que

agora são meus amigos, por me terem “aturado” durante estes anos todos. Cristiano uma

palavra de apreço pela enorme ajuda;

À família Santarém, por me terem ajudado numa fase muito importante da minha

vida, o que contribuiu de forma decisiva para a continuação dos meus estudos. Obrigado

pela amizade e pelo carinho;

Aos meus amigos de infância e toda a família Semedo, por toda carinho, amizade e

lealdade demonstradas até os dias de hoje. Bela, sem a tua ajuda, isso não saía. Não digo

nomes porque são muitos;

Aos meus irmãos e os meus restantes familiares que sempre acreditaram. O vosso

apoio é muito importante na minha vida;

À minha esposa um obrigado por demonstrar tanto amor e compreensão. Amo-te

muito.

Aos meus pais por todo esforço que fizeram para nos transmitirem os mais nobres

valores, e principalmente por serem a minha referencia ainda hoje. Obrigado.

Papa bu sta sempre li!!!

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RESUMO

A indústria automóvel está actualmente muito pressionada a reduzir o peso dos componentes

dos seus veículos, e consequentemente os consumos energéticos. O conceito do eco design ou

design sustentável ganhou uma importância vital, principalmente devido à escassez de matéria-prima

e aos problemas resultantes da degradação ambiental, o que resulta cada vez mais na tentativa de

incorporar nos produtos, materiais de baixo impacto ambiental e grande abundância. Os materiais

compósitos vegetais cumprem plenamente estes requisitos.

Portanto, neste trabalho, analisou-se a possibilidade de substituir as fibras de vidro pela fibra

de juta, que é uma fibra vegetal, na construção de um capot dianteiro de um veículo automóvel (um

buggy). Foram realizados ensaios experimentais, de tracção e de flexão em três pontos aos provetes

construídos a partir de compósitos reforçados pelas referidas fibras (de vidro e de juta), e

comparados os resultados obtidos, com os resultantes da simulação computacional dos mesmos,

também realizada. O capot construído pelas fibras em diversas configurações foi analisado,

simulando a aplicação de uma carga semelhante ao que resultaria do facto de uma pessoa de 80 kg

se sentar em cima, e constatou-se que, introduzindo algumas modificações, os compósitos

construídos utilizando a fibra de juta conseguem cumprir os requisitos mecânicos necessários à sua

utilização.

Da análise do ciclo de vida realizada, constatou-se que a maior causa do impacto ambiental

(90%) é a queima de combustível durante a fase de uso de um veículo automóvel, e que por sua vez

está directamente ligada ao peso do veículo, onde o consumo aumenta com o aumento do peso do

veículo.

Palavras-chave : Automóvel, eco design, materiais compósitos, fibras de vidro, fibras de juta,

ciclo de vida

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ABSTRACT

Nowadays, the automotive industry faces a lot of pressure to reduce the weight of its vehicles

components and consequently the energy consumption. The concept of eco-design or sustainable

design gained a vital importance, principally due to the shortage of the raw materials and the resultant

problems of the environmental degradation. Because of this, there are an increase interest to

incorporate in the products, materials with low environmental impact and great abundance. The

vegetable composite materials carry out fully these requisites.

So, in this work, there was analyzed the possibility to substitute the fiberglass by jute fiber,

which is a vegetable fiber, in the construction of a frontal bonnet of a buggy.

Experimental and computational tensile and flexure test were perform for the composite

reinforced by jute fiber and fiberglass, and the obtained results were compared. The frontal bonnet

built by the different materials were analyzed, simulating the application of a similar load to what it

would result from the fact of a person of 80 kg to sit in top, and it was noticed that, introducing some

modifications, the built composite using jute fiber manage to carry out the mechanical necessary

requisites for its use. Nevertheless, the solution that also guarantees the best environmental

performance is the use of jute fiber in the bidirectional configuration [(0/90), (0/90), (45/-45),] s.

From the life cycle analysis, it was noticed that the biggest cause of the environmental impact

(90%) is the burning of fuel during the vehicle phase of use, and that for its time it is straightly

connected with the weight of the vehicle, where the consumption increases with the increase of the

weight of the vehicle.

KEYWORDS: Automobile, eco design, composite materials, fiberglass, jute fiber, life cycle

assessments

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ÍNDICE

AGRADECIMENTOS ............................................................................................................. ii

RESUMO .............................................................................................................................. iii

ABSTRACT ........................................................................................................................... iv

ÍNDICE FIGURAS ............................................................................................................... viii

ÍNDICE TABELAS ................................................................................................................. xi

MOTIVAÇÃO ....................................................................................................................... xiv

OBJECTIVOS ...................................................................................................................... xv

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 3

2.1. A problemática da substituição de materiais na indústria automóvel ........................... 3

2.2. O eco design e a indústria automóvel ......................................................................... 5

2.3. Materiais compósitos .................................................................................................. 7

2.3.1. Definição .............................................................................................................. 7

2.3.2. Tipos e Classificação ............................................................................................ 8

2.3.3. Vantagens e limitações ........................................................................................ 9

2.3.4. Aplicações ............................................................................................................ 9

2.3.5. Fabricação...........................................................................................................13

2.3.6. RTM ....................................................................................................................18

2.3.7. Reforços ..............................................................................................................23

2.3.8. Fibra de vidro ......................................................................................................24

2.3.9. Matrizes ...............................................................................................................26

2.3.10. Propriedades mecânicas do compósito .............................................................28

2.4. Compósitos naturais ..................................................................................................34

2.4.1. Historia dos compósitos naturais .........................................................................34

2.4.2. Evolução do consumo das fibras naturais na Europa ..........................................35

2.4.3. Utilização actual de materiais compósitos reforçados por fibras vegetais na indústria automóvel .......................................................................................................36

2.4.4 . Vantagens das fibras naturais em relação as fibras de vidro ..............................37

2.4.5 . Limitações das fibras naturais ............................................................................37

2.4.6. Fibra de juta ........................................................................................................38

3. CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL ............................................................................41

3.1. Materiais utilizados ....................................................................................................41

3.2. Produção/Fabricação .................................................................................................42

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3.3 - Equipamentos: ..........................................................................................................44

3.4. Ensaios experimentais ...............................................................................................45

3.5. Resultados experimentais ..........................................................................................47

3.5.1. Tracção ...............................................................................................................47

3.5.2. Flexão .................................................................................................................50

4. ANÁLISE COMPUTACIONAL ..........................................................................................53

4.1. Análise dos provetes ..................................................................................................54

4.1.1. Modelo ................................................................................................................54

4.1.2. Tipo de elemento utilizado ...................................................................................55

4.1.3. Resultados ..........................................................................................................55

4.2. Análise do capot ........................................................................................................60

4.2.1. Modelo ................................................................................................................60

4.2.2. Tipo de elemento utilizado ...................................................................................61

4.2.3. Resultados ..........................................................................................................62

5. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...............................................................65

5.1 . Resultados provetes .................................................................................................65

5.1.1 . Tracção ..............................................................................................................65

5.1.2 . Flexão ................................................................................................................66

5.2 . Resultados da simulação do capot............................................................................67

5.3 . Propostas optimização capot ....................................................................................68

5.3.1. Solução 1 – Aumento da espessura do compósito multi-direccional ....................68

5.3.2. Solução 2 – Reforço do compósito por camadas de fibra de juta bidireccional ....69

5.3.3. Solução 3 – Alteração do empilhamento da fibra de juta bidireccional .................70

5.3.4. Solução 4 - Reforço pela fibra de vidro multi-direccional .....................................71

5.3.5. Solução 5 – Reforço pela fibra de vidro bidireccional ..........................................73

6. ANÁLISE CICLO DE VIDA (ACV) .....................................................................................74

6.1 . Condições de fronteira ..............................................................................................75

6.2 . Resultados e discussão (ACV) ..................................................................................75

7. CONCLUSÕES E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS ....................................................78

7.1. Conclusões ................................................................................................................78

7.2. Futuros desenvolvimentos .........................................................................................78

8. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................80

9. ANEXOS ..........................................................................................................................84

A. Tensões ao longo da espessura dos laminados utilizados na construção do capot ......84

A.1. Configuração base [(0/90),(45/-45),(0/90)]s ...........................................................84

A.2. Soluções de optimização .......................................................................................84

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B. Desenho pormenor do molde e do capot ......................................................................87

C. Inputs utilizados no LCA ...............................................................................................88

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ÍNDICE FIGURAS

Figura 1. Buggy actual (a) e Dune Buggy anos 60 (b) [1] .................................................... xiv Figura 2. Constrangimentos e requisitos que actualmente os engenheiros têm de ter presente no desenvolvimento dos seus projectos. [11].......................................................... 4 Figura 3. Evolução dos consumos de materiais leves na indústria automóvel entre 1960 e 2000 [12] ............................................................................................................................... 5 Figura 4. Ciclo de vida de um produto[15] ............................................................................. 6 Figura 5. Renault Modus. Exemplo de aplicação do eco design, onde mediante a utilização de software específico foi possível projectar e construir um veículo 95% reciclável [13 ]. ..... 7 Figura 6. Tipos de materiais compósitos [20] ........................................................................ 8 Figura 7. Resistência específica de compósitos e de não compósitos. [21] ........................... 9 Figura 8. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria aeroespacial [22]. ....10 Figura 9. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria civil [24]....................11 Figura 10. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria marítima [22] ..........11 Figura 11. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria do desporto de alta competição e lazer [25] ........................................................................................................12 Figura 12. Exemplo de aplicação de materiais compósitos em fibra de carbono na indústria automóvel. ............................................................................................................................12 Figura 13. Classificação dos processos de fabrico de acordo com o tipo de resina [22] .......13 Figura 14. Representação esquemática da moldação por Hand lay-up, ou manual. [26]......14 Figura 15. Representação esquemática da moldação por Spray-up[22] ...............................15 Figura 16. Representação esquemática da moldação por Vácuo[27] ...................................15 Figura 17. Representação esquemática da moldação por compressão[28] ..........................16 Figura 18. Representação esquemática da moldação por injecção[22] ................................17 Figura 19. Representação esquemática da moldação em Autoclave....................................18 Figura 20. Representação esquemática da moldação por RTM [29] ....................................19 Figura 21. Exemplo de componentes obtidos através da moldação por RTM [30,31] ...........20 Figura 22. Etapas do processo RTM [22] .............................................................................22 Figura 23. SCRIMP. Variante do processo RTM [22] ...........................................................23 Figura 24. Utilização de compósito reforçado por fibra de vidro na construção dos guarda-lamas de um veículo automóvel [33] ....................................................................................24 Figura 25. Representação esquemática da produção de fibras de vidro [35] ........................26 Figura 26. Sistema de eixos da camada ...............................................................................28 Figura 27. Rotação de referencial em torno do eixo z ..........................................................29 Figura 28. Sequência de empilhamento considerado. ..........................................................30 Figura 29. Carregamento axial num compósito fibroso. ........................................................32 Figura 30. Carregamento transversal num compósito fibroso ...............................................32 Figura 31. Tipos de tecidos [37] ...........................................................................................32 Figura 32. Spitfires. Aviões de guerra britânicos que na segunda Guerra mundial, devido à escassez do alumínio utilizaram fibras de linho impregnadas com resina de phenolic na construção do revestimento da fuselagem [39] ....................................................................34 Figura 33. Traband (1950-90). O primeiro automóvel para a produção constituído por fibras naturais. ...............................................................................................................................35 Figura 34. Utilização de fibras naturais na indústria automóvel alemã entre 1996 e 2003. [41] .............................................................................................................................................35 Figura 35. Exemplos de aplicação de fibras naturais na indústria automóvel. Mercedez-benz Classe ‘A’ e Classe ‘C’[40] ...................................................................................................36 Figura 36. Produção da fibra de juta ao longo dos anos .......................................................38 Figura 37. Produção da fibra de juta: a) sementeira b) limpeza das plantas c)planta da juta 39 Figura 38. Aplicações das fibras de juta. [49] .......................................................................40 Figura 39. Configurações das fibras utilizadas: a) fibra de vidro bidireccional; b) fibra de vidro multi-direccional; c) fibra de juta bidireccional; d) fibra de juta multi-direccional ...................41

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Figura 40. Molde utilizado na injecção das placas, a partir das quais foram obtidos os provetes. ..............................................................................................................................44 Figura 41. Maquina injecção RTM (ISOJET RTM UNIT) ......................................................45 Figura 42. Provete tracção utilização no ensaio tracção .......................................................45 Figura 43. Provete alternativo utilizado na realização dos ensaios de tracção .....................46 Figura 44. Provete utilizado na realização dos ensaios de flexão .........................................46 Figura 45. Máquina de ensaios universal Instron 5566 utilizada na realização dos ensaios de tracção e de flexão. ..............................................................................................................46 Figura 46. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro bidireccional com Vf = 21% em tracção ................................................................................47 Figura 47. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com Vf = 9% em tracção ...........................................................................48 Figura 48. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23% em tracção ..........................................................................48 Figura 49. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta bidireccional com Vf = 31% em tracção ................................................................................49 Figura 50. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta multi-direccional com Vf = 14% em tracção...................................................................................49 Figura 51. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro bidireccional com Vf = 21% em flexão .................................................................................50 Figura 52. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com Vf = 9% em flexão ..............................................................................50 Figura 53. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23% em flexão ............................................................................51 Figura 54. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta bidireccional com Vf = 31% em flexão ..................................................................................51 Figura 55. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta multi-direccional com Vf = 14% em flexão ....................................................................................52 Figura 56. Modelo de aplicação das cargas para a simulação do ensaio de tracção ............54 Figura 57. Modelo de aplicação das cargas para a simulação do ensaio de flexão ..............55 Figura 58. Elemento S8R utilizado na simulação do ensaio de tracção e flexão ..................55 Figura 59. Distribuição característica da extensão (ε11) ao longo do provete nos ensaios de tracção .................................................................................................................................56 Figura 60. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de juta bidireccional na simulação do ensaio de tracção. ..........................................................................................57 Figura 61. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de vidro bidireccional na simulação do ensaio de tracção. ..........................................................................................57 Figura 62. Deslocamento registado ao longo do provete durante a simulação os ensaios de flexão ...................................................................................................................................58 Figura 63. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de juta bidireccional na simulação do ensaio de flexão. ............................................................................................59 Figura 64. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de vidro bidireccional na simulação do ensaio de flexão. ............................................................................................59 Figura 65. Modelo do Capot, apresentando a área de aplicação da carga e as condições de fronteira utilizadas ................................................................................................................60 Figura 66. Modelo do Capot utilizando elementos triangulares .............................................61 Figura 67. Modelo do Capot utilizando elementos rectangulares ..........................................61 Figura 68. Elemento triangular STRI65 utilizado...................................................................62 Figura 69. Deformação característica do capot ....................................................................63 Figura 70. Distribuição característica da tensão ao longo do capot. ‘A’ ponto de maior tensão. .................................................................................................................................63 Figura 71. Tensões ao longo da espessura do laminado do capot de fibras de juta bidireccional. ........................................................................................................................64 Figura 72. Tensões ao longo da espessura do laminado do capot de fibras de vidro bidireccional. ........................................................................................................................64

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Figura 73. Diferenças entre a evolução real e evolução considerando um comportamento totalmente linear no caso da fibra de vidro multi-direccional com Vf=23% ............................66 Figura 74. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 4 lâminas de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%) .......................................................................................................70 Figura 75. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional (Vf = 31%) e com o empilhamento [(0/90),(0/90),(45/-45)]s .............................................................................................................................................71 Figura 76. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%). .................................................................................................72 Figura 77. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 4 lâminas de fibra de vidro bidireccional (Vf = 21%). ......................................................................................................73 Figura 78. Ciclo de vida do capot. [56] .................................................................................75 Figura 79. Categoria de danos durante o ciclo de vida do capot. .........................................76 Figura 80. Etapas de produção do capot, representando uma das futuras etapas de desenvolvimentos. ................................................................................................................79 Figura 81. Desenho pormenor do molde utilizado na obtenção dos provetes. a) Molde inferior; b) Aro separador; c) Molde superior; d) Vista tridimensional do molde superior. Dimensões em mm. .............................................................................................................87 Figura 82. Desenho pormenor do capot frontal do buggy. Dimensões em mm. ....................87

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ÍNDICE TABELAS

Tabela 1. Comparação entre o RTM e outros processos de fabrico [22] ..............................19 Tabela 2. Propriedades dos vários tipos de fibra de vidro [23]..............................................25 Tabela 3. Propriedades de algumas resinas termoplásticas [22] ..........................................27 Tabela 4. Propriedades de algumas resinas termoendureciveis [22]. ...................................27 Tabela 5. Propriedades das lâminas resultantes da regra das misturas. ..............................31 Tabela 6. Propriedades das fibras de vidro e de diversas fibras naturais [43] ......................37 Tabela 7. Produção da fibra de juta entre 1999 e 2004. (106 tons) .......................................38 Tabela 8. Propriedades dos reforços [19] .............................................................................42 Tabela 9. Propriedades matriz ..............................................................................................42 Tabela 10. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro bidireccional com Vf = 21% ............47 Tabela 11. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro multi-direccional com Vf = 9% .......48 Tabela 12. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23% ......48 Tabela 13. Resultados do ensaio tracção fibra juta bidireccional com Vf = 31% ...................49 Tabela 14. Resultados do ensaio tracção fibra juta multi-direccional com Vf = 14% .............49 Tabela 15. Resumo dos Valores médios na tracção .............................................................50 Tabela 16. Resultados do ensaio flexão fibra vidro bidireccional com Vf = 21% ...................50 Tabela 17. Resultados do ensaio flexão fibra vidro multi-direccional com Vf = 9% ...............50 Tabela 18. Resultados do ensaio flexão fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23% ........51 Tabela 19. Resultados do ensaio flexão fibra de juta bidireccional com Vf = 31% ................51 Tabela 20. Resultados do ensaio flexão fibra de juta multi-direccional com Vf = 14% ..........52 Tabela 21. Resumo dos Valores médios na flexão ...............................................................52 Tabela 22. Propriedades mecânicas das lâminas construídas por fibras bidireccionais consideradas durante as simulações computacionais. .........................................................53 Tabela 23. Propriedades mecânicas das lâminas construídas por fibras multi-direccionais consideradas durante as simulações computacionais. .........................................................54 Tabela 24. Resultados da simulação do ensaio tracção .......................................................56 Tabela 25. Resultados da simulação do ensaio flexão .........................................................58 Tabela 26. Resultados obtidos na simulação do capot. ........................................................62 Tabela 27. Módulos de young previstos pela teoria clássica de Laminados .........................65 Tabela 28. Extensões máximas obtidos através da lei de Hook, utilizando o módulo de Young médio experimental ...................................................................................................66 Tabela 29. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional na configuração base [(0/90,(45/-45) ),(0/90)]s 67 Tabela 30. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na configuração bidireccional na configuração base [(0/90,(45/-45) ),(0/90)]s. .............................................................................................................................................68 Tabela 31. Resultados relativos à utilização de fibra de juta multi-direccional (Vf = 14%) na construção do capot com 7 mm de espessura .....................................................................69 Tabela 32. Resultados relativos a utilização de 4 lâminas de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%) no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%) ............69 Tabela 33. Tensões no referencial local para solução de optimização 2. .............................70 Tabela 34. Resultados relativos à utilização de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%) na construção do capot com o empilhamento [(0/90),(0/90),(45/-45)]s. .....................................71 Tabela 35. Tensões no referencial local para solução de optimização 3. .............................71 Tabela 36. Resultados relativos a utilização de 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%) com 1mm espessura cada superficie, no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%) ......................................................................................72 Tabela 37. Tensões no referencial local para solução de optimização 4. .............................72 Tabela 38. Resultados relativos a utilização de 4 lâminas de fibra de vidro bidireccional (Vf = 21%) no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%) ............73 Tabela 39. Tensões no referencial local para solução de optimização 5. .............................73 Tabela 40. Categorias de danos e impactos. [55] .................................................................74

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Tabela 41. Causas de danos em cada categoria durante o ciclo de vida do capot. ..............76 Tabela 42. Resultados totais dos danos do capot em cada categoria ..................................77 Tabela 43. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional ..........................................................................84 Tabela 44. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de vdiro na configuração bidireccional. .......................................................................84 Tabela 45. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional reforçado nas superfícies por 4 lâminas construído por fibras de juta na configuração bidireccional. Solução de optimização 2. .......84 Tabela 46. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s. Solução de optimização 3. .................................................................................................................85 Tabela 47. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional reforçado por 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%) com 1mm espessura nas superfícies. Solução de optimização 4. .............................................................................................................................................85 Tabela 48. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional reforçado nas superfícies por 4 lâminas construído por fibras de vidro na configuração bidireccional. Solução de optimização 5 . ....85 Tabela 49. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s.........85 Tabela 50. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s.........86 Tabela 51. Dados relativos a fase de produção da fibra de juta ...........................................88 Tabela 52. Dados relativos a fase de produção do capot .....................................................88 Tabela 53. Dados relativos a fase de utilização do buggy construído pelas fibras de juta e de vidro. ....................................................................................................................................88 Tabela 54. Dados relativos a reciclagem da fibra de juta e de vidro .....................................88 Tabela 55. Dados relativos ao comportamento dos resíduos no aterro ................................89

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xiii

Abreviaturas ASTM “American Society for Testing and Materials” ACV “Análise de Ciclo de Vida” BMC “Bulk Moulding Compound” CS “Coeficiente de Segurança” ELV “End of Life Vehicles” FJ “Fibra de Juta” FV “Fibra de Vidro” IST “Instituto Superior Técnico” ISO “International Standard Organization OCDE “Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico” OMS “Organização Mundial de Saúde” OPERA “Overseas Program for Economic Recycling Analyses” PNGV “The Partnership for a New Generation of Vehicles” RTM “Resin Transfer Moulding” SAE “Society of Automotive Engineers” SCRIMP “Seemann Composite Resin Infusion Process” SMC “Sheet Moulding Compound” VARTM “Vacuum Assisted Resin Transfer Molding”

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xiv

MOTIVAÇÃO

O Homem, desde o inicio da civilização, teve a necessidade de se deslocar, devido a vários

factores, tais como a procura de alimentos, a fuga em situações de catástrofes naturais, o transporte

de mercadorias, etc. Hoje, o que anteriormente era uma obrigação, passou a ser, em algumas

situações, uma forma de lazer, onde se procura um conjunto de sensações e emoções. Os veículos

automóveis de lazer têm vindo a ganhar muitos adeptos, o que faz com que o seu desenvolvimento

se torne numa área de grande interesse, não só em termos económicos, mas também em termos de

engenharia e entretenimento. Assim sendo, o estudo de um Buggy (automóvel puramente de lazer,

pois devido ao seu baixo peso e pequena distância entre-eixos faz com que tenha reacções bem

diversas de um automóvel convencional [1], proporcionando assim uma condução mais “radical”), vai

permitir obter alguns conhecimentos da realidade da construção automóvel. Os Buggies são

geralmente veículos leves e abertos, constituídos por rodas e pneus largos e com a carenagem em

compósitos de fibra de vidro (fig.1 a). Começaram a ser construídos pelo construtor californiano de

barcos em fibra de vidro Bruce Meyers que, no início da década de 60, observou alguns veículos

constituídos por um chassi com motores V8 ou VW a andar nas dunas, mas que eram bastante

rústicos e difíceis de controlar, e não tinham uma aparência muito apelativa ("Dune Buggies" (fig.1 b)).

Então, ele começou a pensar em que simples modificações poderia introduzir, de forma a torná-los

mais interessantes. Depois de várias tentativas, em Maio de 1964, estava pronto o primeiro VW

Fiberglass Dune Buggy, e a partir desta data, os buggies sofreram grandes melhorias, e hoje pode-se

encontrar buggies de várias “formas e feitios”[1].

Figura 1. Buggy actual (a) e Dune Buggy anos 60 (b) [1]

Como foi dito anteriormente, os Buggies são normalmente construídos em fibra de vidro,

material que possui inúmeras desvantagens em termos ambientais (elevados custo de eliminação de

resíduos, não biodegradável) [2]. Actualmente, há cada vez maior pressão no sentido de melhorar a

nossa interacção com o meio que nos rodeia - devido aos grandes consumos, a natureza já não

consegue repor as suas reservas, e nem absorver todos os resíduos provenientes dos processos

industriais de uma forma natural [3]. Posto isso, torna-se imperativo, que todo o projectista, no

desenvolvimento dos seus projectos, tenha uma atenção especial à interacção dos materiais e

produtos com o meio ambiente. Neste cenário, o uso de materiais naturais vegetais, como a fibra de

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juta, ganha grande importância, pois, como material natural que é, o impacto negativo no meio

ambiente é baixo ou praticamente nulo. Um outro aspecto importante é o facto de os materiais

vegetais terem origens de fontes renováveis (plantas), e de existir em grande abundância na terra, o

que lhes conferem uma importância ainda maior, pois elimina um problema importante para qualquer

indústria, que é a escassez de matéria-prima.

OBJECTIVOS

O objectivo principal deste estudo é determinar a viabilidade da substituição da fibra de vidro

por fibras vegetais, que neste caso concreto é a fibra de juta, no fabrico da carenagem de um veículo

automóvel, um Buggy. Mesmo sabendo-se de que as características mecânicas da fibra de juta são

ligeiramente inferiores as das fibras de vidro [4], é objectivo do estudo perceber se as propriedades

mecânicas da fibra de juta conseguem cumprir os requisitos mínimos necessários à sua utilização na

construção automóvel. Neste sentido, será objectivo do presente trabalho, a determinação das

características mecânicas dos diferentes compósitos (construídos em fibras de vidro e de juta),

através dos ensaios de tracção e flexão. As características mecânicas obtidas nos ensaios

experimentais serão comparados com os previstos pela teoria clássica dos laminados, com o

objectivo de perceber até que ponto esta teoria consegue prever as propriedades dos compósitos

construídos com fibras de juta. De forma a perceber se as fibras de juta cumprirão os requisitos

mínimos exigidos na construção do Buggy, serão realizadas análises computacionais ao capot

dianteiro do veículo, utilizando o programa de elementos finitos (ABAQUS). No caso de as fibras de

juta não cumprirem esses requisitos mínimos, é objectivo determinar quais serão as alterações

necessárias introduzir no projecto de forma a atingir os padrões mínimos exigidos.

Serão ainda realizadas análises do ciclo de vida para as soluções com a fibra de vidro e com

a fibra de juta com o objectivo de perceber, não só, se de facto no final o impacto ambiental das fibras

de juta será (como esperado) mais baixo, mas também de que forma as alterações introduzidas no

projecto do capot podem contribuir para um abaixamento da performance ambiental.

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1

1.INTRODUÇÃO

A redução dos consumos de combustível está directamente ligada à redução de peso dos

automóveis, o que faz com que a utilização de matérias leves na sua construção adquira um papel de

grande importância. O elevado preço do petróleo, sua anunciada escassez e seus efeitos no clima

(libertação de gases com efeito de estufa), fazem com que hoje se tenha cada vez mais uma maior

preocupação com a redução do consumo de combustíveis derivados do petróleo [5,6].

Os regulamentos quanto às emissões de gases com efeito de estufa e a eficiência no

consumo de combustível são cada vez mais restritivos [7], o que também conduz a utilização de

materiais que não só exigem uma menor quantidade de energia na sua transformação, como também

proporcionam uma melhor reciclagem, quer em termos de recursos utilizados, quer em termos da sua

decomposição final. Posto isto, a utilização de materiais amigos do ambiente ganha uma importância

vital (ex: materiais constituídos no seu todo ou em parte por materiais vegetais). Os materiais

compósitos, como uma combinação de vários materiais de diversas propriedades, possibilita a

obtenção de materiais com várias características, direccionados a aplicações específicas, evitando-se

assim “desperdícios de materiais”, tanto em peso como em “propriedades”. Esta optimização pode

fazer com que os compósitos construídos por materiais de origem vegetal, que têm normalmente

propriedades mecânicas inferiores [4], possam ser utilizados, e por conseguinte trazer claros

benefícios a todos.

O presente trabalho encontra-se dividido em seis grupos.

No primeiro grupo (secção 2), que é a da revisão bibliográfica, começa-se por apresentar um

conjunto de factores que têm impulsionado a indústria automóvel no sentido de substituírem os

materiais convencionais (aço, e outras ligas metálicas) por materiais mais leves, como o alumínio, os

plásticos e os materiais compósitos (secção 2.1). Seguidamente, é apresentado o conceito do eco

design, e como é que a sua aplicação se pode traduzir em ganhos para a indústria automóvel (secção

2.2). Na secção 2.3, analisa-se o estado da arte dos materiais compósitos, onde se mostra os vários

tipos existentes, as suas vantagens/limitações, as suas aplicações em diversas industrias, os vários

processos de fabrico utilizados na fabricação das peças a partir dos materiais compósitos, e a sua

caracterização mecânica. Os materiais compósitos naturais são introduzidos na secção 2.4, onde se

apresenta a sua história, a evolução e o consumo actual na indústria automóvel, e também o conjunto

de vantagens e limitações. A fibra de juta, como material natural principal em estudo, é apresentada

na secção 2.4.6, onde é apresentada a sua definição, os consumos actuais e as suas aplicações

principais.

No segundo grupo (secção 3), análise experimental, é apresentado e descrito o procedimento

experimental, material e equipamento utilizado no fabrico e análise dos diferentes tipos de material, e

os resultados obtidos.

No terceiro grupo (secção 4), faz-se a análise computacional dos provetes considerados na

análise experimental e do capot, onde se apresenta os modelos utilizados, as simplificações

efectuadas e os respectivos resultados obtidos.

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2

Na secção 5 (quarto grupo), os resultados experimentais e computacionais são analisados e

discutidos. Também é apresentado um conjunto de soluções de optimização do capot construído

pelas fibras de juta na configuração bidireccional e multi-direccional.

No quinto grupo (secção 6), procede-se a análise do ciclo de vida do capot, onde se

considera que o seu ciclo de vida é a de um veículo utilizado no Brasil, uma vez que ele vai ser

produzido e comercializado aí.

O estudo termina na secção 7, com a apresentação das conclusões do trabalho e das propostas para futuros desenvolvimentos (sexto grupo).

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3

2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. A problemática da substituição de materiais na indústria automóvel

Factores como a redução de custos, melhoramento da eficiência nos consumos de

combustível, melhoramentos em termos de conforto e a necessidade de cumprimento de novas leis

(ex: directiva para os veículos em fim de vida), levam muitas vezes à necessidade de substituição de

matérias nos automóveis (fig.2) [8]. Por exemplo em Edwards 2003 [9] apresentam-se três aspectos

que na última década têm influenciado o uso de novos materiais nos motores dos automóveis:

1-Restrições ambientais – Uma das formas de reduzir a emissão de gases é através da

redução do consumo de combustível, que pode ser alcançado através do aumento da eficiência

termodinâmica do motor, ou então através da redução do peso do veículo, ou ainda através da

redução da resistência aerodinâmica. Para se conseguir reduzir o peso são precisos materiais com

melhores performances - matérias com elevadas resistências e rigidez específicas (razão entre a

resistência e a densidade e razão entre a rigidez e a densidade, respectivamente) permitem obter

estruturas leves mais eficientes para suportar as cargas. Também, os materiais com boas

capacidades de processamento possibilitam a obtenção de formas muito complexas, o que faz com

que possa conceber peças com boas propriedades aerodinâmicas, e consequentemente reduzir o

consumo de combustível.

2-Requisitos económicos – Como o custo de fabrico das peças do motor representa cerca de

40% do investimento total na sua produção, e devido ao facto de hoje haver uma crescente pressão

para a produção de novos motores, faz com que haja uma maior preocupação com a redução do

custo de fabrico, um aumento da flexibilidade na produção e uma diminuição dos prazos de entrega.

Por exemplo, através de um design adequado dos encaixes e de geometrias complexas das peças,

consegue-se, utilizando o aço, construir componentes mais leves do que o habitual, mas esta opção é

muito mais dispendiosa do que a solução utilizando o alumínio [10]. Isto tudo implica o uso de

materiais que requerem um baixo investimento para o fabrico, e que possam ser processados de uma

forma mais rápida e mais barata.

3-Melhoramento das performances – Hoje há a necessidade de se ter materiais que possuam

uma grande capacidade de manter as suas características ao longo do tempo, pois com os períodos

das garantias cada vez maiores obriga a que os componentes tenham maior fiabilidade e melhor

resistência às “agressões” do meio, o que se consegue com o melhoramento da qualidade e

processamento dos materiais.

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4

Figura 2. Constrangimentos e requisitos que actualmente os engenheiros têm de ter presente no

desenvolvimento dos seus projectos. [11]

Têm sido realizados muitos estudos [10] nos últimos anos com o objectivo de substituir, na

construção dos veículos automóveis, o aço por materiais leves, como o alumínio ou as ligas de

magnésio, e chegou-se a conclusão de que, para a mesma rigidez, um veículo em alumínio é mais

leve do que o mesmo em aço. Por exemplo, consegue-se anular o efeito da parede fina numa junção

em T com a utilização do alumínio em vez do aço, pois fazendo o uso de um material de maior

espessura esse efeito é menor, conseguindo mesmo assim uma redução de peso de cerca de

29%.Todo esse esforço em reduzir o peso dos automóveis, no sentido de reduzir o consumo de

combustível e no cumprimento das legislações governamentais tem levado a um aumento do uso de

plásticos e materiais compósitos em vez do tradicional aço. Em Farag 2007 [8], pode-se ver que o

crescimento do uso de materiais leves (alumínio e plásticos) tem aumentado ao longo do tempo. Por

exemplo em 1960 alumínio e plásticos representavam, respectivamente cerca de 2% e 1% do peso

total dos veículos, enquanto que 1986 aumentaram para 4% e 7% (fig.3).

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5

Figura 3. Evolução dos consumos de materiais leves na indústria automóvel entre 1960 e 2000 [12]

Segundo Patton et al [10], the Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV)

estabeleceu como meta a redução do peso da carroçaria dos automóveis em 40%, com os ganhos

obtidos através do aumento da incorporação de novos matérias como por exemplo:

- Alumínio: 45%

- Magnésio: 67%

- Plásticos reforçados por fibras de vidro: 31%

- Plásticos reforçados por fibras de carbono: 60%.

Até agora tem-se visto que de facto, devido a vários factores, há uma grande necessidade de

substituição de materiais na construção dos diversos componentes dos automóveis. Um dos

principais factores que tem condicionado toda a indústria automóvel é o de reduzir o impacto

ambiental, não só em termos de consumo das matérias-primas, mas sim em todo o ciclo de vida do

produto. O objectivo é conceber produtos que minimizam os impactos ambientais durante todo o seu

ciclo de vida, desde a extracção da matéria-prima até ao fim de vida do produto [13]. É neste contexto

que surge o conceito de eco design ou design sustentável.

2.2. O eco design e a indústria automóvel

A característica principal do eco design é o pensar no ciclo de vida do produto, onde todas as

questões ecológicas ou ambientais são ponderadas em todas as fases do ciclo de vida dos produtos.

A ISO 14040:1997 define “ciclo de vida” como a sequencia de fases consecutivas e interligadas do

sistema do produto, desde a aquisição de materiais (primários ou secundários) até a eliminação final

[14]. Segundo a directiva europeia 2000/53/EC sobre os veículos em fim de vida (ELV), os

construtores automóveis são os responsáveis pelos seus produtos durante todo o seu ciclo de vida,

onde se espera que coordenem a implementação de todo o sistema de reciclagem dos veículos

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6

desde os fornecedores dos materiais até aos que fazem a reciclagem dos produtos, e que criem uma

linha de desmontagem, que permite fornecer produtos tanto aos construtores das peças como aos

fornecedores de materiais, e facultando todas as informações técnicas às entidades que procedem a

reciclagem dos produtos em fim de vida.

Figura 4. Ciclo de vida de um produto[15]

Para que o eco design se transforme em melhores praticas ambientais, é preciso um grande

esforço no sentido mudar quer as técnicas de design como a cultura vigentes. A sua prática só tem

sucesso se for encarado por todos (tanto dentro como fora das empresas) [13]. A sua implementação,

justifica-se também por poder criar novas oportunidades de negócios, através de novas e inovadoras

abordagens aos problemas, e ajudar a cimentar a posição das empresas num mercado cada vez

mais competitivo. O eco design também apresenta algumas vantagens potenciais, tais como:

- Melhorar a posição no mercado;

- Assegurar o compromisso com as crescentes imposições legais;

- Melhorar a qualidade do produto;

- Melhorar a eficiência e produtividade, conduzindo a redução de custos de produção;

- Avaliar e auxiliar o benchmark da performance ambiental e financeira;

- Procurar novas ideias para o desenvolvimento do produto;

- Favorecer a imagem da empresa. [14]

Um bom exemplo de aplicação do eco design, é o caso do Renault Modus, onde mediante a

utilização de um software específico (OPERA -Overseas Program for Economic Recycling Analyses),

conseguiu-se obter um veículo 95% reciclável (fig. 5).

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7

Figura 5. Renault Modus. Exemplo de aplicação do eco design, onde mediante a utilização de software

específico foi possível projectar e construir um veículo 95% reciclável [13 ].

Segundo Heloisa et al [13], o primeiro passo na implementação do eco design é a escolha do

material, onde se procuram materiais recicláveis e abundantes, materiais que não contêm

substâncias tóxicas, materiais que são compatíveis entre si, e que necessitam de pouca energia no

seu processamento. Aliás define este como o passo mais importante em todo o processo. O segundo

passo é projectar os produtos para que a montagem e a desmontagem facilitem o processo de

reciclagem do produto em fim de vida. Então, para o cumprimento do primeiro passo torna-se muito

importante a optimização das propriedades dos materiais, de forma a evitar-se qualquer tipo de

desperdício. Nesse sentido, os materiais compósitos, como uma combinação de matérias de forma a

optimizar as suas propriedades ganha um interesse especial, pois conseguindo esta optimização,

esta cumprido o primeiro passo do eco design.

2.3. Materiais compósitos

2.3.1. Definição

Segundo a American Society for Testing and Materials (ASTM) é uma mistura de dois ou mais

materiais, combinados para formar um novo material de engenharia útil com propriedades diferentes

aos dos componentes puros, podendo ser obtidos por combinação de metais, cerâmicos ou

polímeros [16]. A maior parte é constituída por dois materiais: a fibra, que constitui o reforço da base

do material, cuja designação é matriz. [17]

Os materiais compósitos possuem várias características que tornam a sua utilização, nos

diversos tipos de indústria, uma vantagem competitiva. Por exemplo, no caso da indústria automóvel,

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8

a sua utilização permite uma redução de peso de cerca de 35%, o que melhora a economia de

combustível e reduz a poluição dos gases de escape, e uma redução de custos com as ferramentas

em cerca de 50% em relação ao aço, possibilitam melhores tempos de produção e permitem reduzir

custos relativos ao processo, são facilmente transportados para a produção e possibilitam uma

grande diversidade de configurações, o que permite aos projectistas criarem vários produtos e ir de

encontro às expectativas do consumidor. [18]

2.3.2. Tipos e Classificação

Os materiais compósitos são normalmente construídos em três tipos diferentes (fig 6):

1- Compósitos de fibras, que consiste em fibras de um determinado material reforçando uma

matriz de um outro material (ex: fibras de carbono, kevlar, vidro, juta em matrizes poliméricas);

2- Compósitos de partículas, composto por partículas de grandes dimensões de um

determinado tipo material dispersam numa matriz de um outro tipo de material (ex: betão, asfalto,

cermet);

3- Compósitos laminares, que é formado por laminas de diferentes materiais, incluindo

compósitos dos dois tipos anteriores (ex: contraplacados, laminados de fibras e resina, sandwich).

[17,19]

Figura 6. Tipos de materiais compósitos [20]

Os compósitos também podem ser classificados segundo o tipo de material que constitui a

matriz, sendo metálica quando a matriz é de metal, cerâmica se for um cerâmico e polimérico se o

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9

material for um polímero. A mesma classificação também se aplica quanto ao tipo de fibras utilizadas,

sendo classificados de metálicos, cerâmicos ou vegetais, consoante a fibra for metal, cerâmico ou

vegetais, respectivamente. [4,17]

2.3.3. Vantagens e limitações

Como se tem realçado, os materiais compósitos apresentam um conjunto de vantagens sobre

os outros materiais não compósitos, tais como elevada resistência, elevada rigidez, uma grande

resistência à fadiga, baixa densidade, e principalmente uma grande capacidade de adaptação às

necessidades específicas da estrutura onde será utilizado. Esta melhor performance é alcançada

devido a sua elevada rigidez e resistência específicas (razão entre a rigidez e a densidade e razão

entre a resistência e a densidade, respectivamente) (fig.7), e também o seu carácter anisotrópico e

heterogéneo, o que faz com que haja um maior grau de liberdade na optimização da configuração do

material. Por outro lado, este grande número de soluções possíveis pode tornar o processo

demasiado abrangente e complexo. Os materiais compósitos permitem a obtenção de peças únicas,

o que possibilita a substituição de por exemplo de várias peças em aço por uma única em material

compósito, reduzindo assim o numero de peças e de ligações/montagens. Aliando isso ao facto das

peças serem mais leves, pode-se ter custos de ciclo de vida muito mais baixos. Porém, como em

determinados processos de fabrico a produção é pouca automatizada e pouca padronização, faz com

que a qualidade do produto dependa fortemente da perícia do operador, o que exige um controlo de

qualidade mais severo e mais extensivo. Também é importante salientar que as vantagens em termos

de custos podem ser “perdidos” se existirem elevados custos das matérias-primas (fibras e os pré-

impregnados) e dos materiais auxiliares utilizados no fabrico, como é o caso das fibras de carbono.

Figura 7. Resistência específica de compósitos e de não compósitos. [21]

2.3.4. Aplicações

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10

As vantagens da utilização de materiais compósitos na fabricação dos mais diversos bens

são muitas, o que tem levado cada vez mais as industriais a utilizá-los na fabricação dos seus

produtos. São vários os exemplos de indústrias que hoje utilizam materiais compósitos para a

fabricação total ou parcial dos seus produtos. Seguidamente são apresentados algumas dessas

indústrias onde se faz o uso de materiais compósitos.

- Indústria aeronáutica/aeroespacial

Foi das primeiras industriais a reconhecer os benefícios dos materiais compósitos, e hoje é

prática comum a utilização de fibras de vidro, de carbono e de kevlar tanto no projecto das peças,

como na produção de componentes para a indústria aeroespacial. Com a incorporação de materiais

compósitos no fabrico dos mais diversos componentes (fig.8), foi possível alcançar reduções de peso

de cerca de 20 a 30%, o que possibilita maior capacidade de carga nos aviões comerciais e mais

armamento para o caso dos militares. [22,23]

Figura 8. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria aeroespacial [22].

- Indústria construção civil

A indústria de construção civil é dos maiores consumidores de materiais compósitos. De

forma a reduzir as instalações e os custos com manutenção, melhorar a resistência a corrosão, e

também aumentar a durabilidade das pontes, existe actualmente uma grande pressão para o uso de

plásticos reforçados por fibras de vidro e fibras de carbono na indústria de construção civil. [22]

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11

Figura 9. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria civil [24]

- Indústria marítima

O facto de os materiais compósitos possuírem um baixo peso e uma boa resistência à

corrosão, faz com os que haja uma maior eficiência de consumo de combustível, maiores velocidades

e maior facilidade de movimentação dos barcos. Cerca de 70 % dos barcos de recreio são

construídos usando materiais compósitos. Utiliza-se maioritariamente uma estrutura sanduíche

constituído por plástico reforçado com fibra de vidro e núcleo de espuma (foam) ou favos de mel

(honeycomb) para a produção dos vários componentes. Também, devidos as suas boas propriedades

de resistência a corrosão e desempenho mecânico, os plásticos reforçados por fibra de vidro tem sido

utilizados na construção de tubagens para extracção de gás e petróleo em plataformas offshore. [22]

Figura 10. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria marítima [22]

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12

- Desportos de alta competição e lazer

Existem vários produtos desportivos que são fabricados em materiais compósito, tais como

esquis, raquetes de ténis, tacos de golfe, cordas, bicicletas, capacetes, etc. Aliás a procura por

melhores resultados desportivos tem impulsionado muito o desenvolvimento e melhoramento dos

materiais compósitos, que depois são utilizados noutras áreas (por exemplo é o caso da formula 1).

[22]

Figura 11. Exemplo de aplicação de materiais compósitos na indústria do desporto de alta competição e lazer

[25]

- Indústria automóvel

No caso da indústria automóvel, como foi visto anteriormente, a optimização dos materiais

desempenha um papel importante, e os materiais compósitos que apresentam uma grande

capacidade de adaptação às necessidades, desempenham um papel importante na redução dos

custos e dos consumos. Hoje, existem vários componentes dos veículos automóveis que são

construídos, em parte ou no seu todo, utilizando materiais compósitos, tais como os pára-choques,

guarda-lamas, carroçarias, etc.

Figura 12. Exemplo de aplicação de materiais compósitos em fibra de carbono na indústria automóvel.

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13

2.3.5. Fabricação

Os processos de fabricação dos materiais compósitos podem ser, genericamente,

classificados em dois tipos:

1.Processos em molde aberto , em que as peças obtidas possuem bom acabamento em

apenas uma das superfícies, onde há a possibilidade de realização de componentes de grandes

dimensões e de geometria complexa, mas também existe uma grande emissão de produtos voláteis

(provenientes das resinas de poliéster), que são nocivos à saúde.

2. Processos em molde fechado , onde as peças apresentam bom acabamento nas duas

superfícies, e também possibilitam uma boa reprodutibilidade. Nestes casos, a emissão de produtos

voláteis é muito mais reduzida. [23]

Os processos também podem ser classificados, de acordo com a natureza da resina utilizada

(fig.13): termoplástica ou termoendurecível. No caso das resinas termoendureciveis, utiliza-se os

ciclos de aquecimento e arrefecimento para garantir o preenchimento do molde e a consolidação da

peça, e como inicialmente a resina apresenta uma grande fluidez, permite a utilização de pressões

baixas. Já no caso das resinas termoplásticas, o aquecimento inicial, necessário para o amolecimento

e fusão, é combinada com a aplicação de pressões elevadas, seguindo-se o arrefecimento de forma

a limitar os ciclos de produção. [22]

Figura 13. Classificação dos processos de fabrico de acordo com o tipo de resina [22]

De seguida apresenta-se uma breve discrição de alguns processos de fabrico mais comuns,

dando especial atenção à Moldação por injecção a baixa pressão e por transferência (RTM), que foi o

processo utilizado na obtenção das peças ensaiadas no presente trabalho.

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14

1 - Moldação por contacto

É o método mais comum e mais económico, sobretudo na fabricação dos compósitos de fibra

de vidro, podendo ser ou não automatizado, o que faz com que haja uma distinção entre dois

métodos:

- Moldação manual (Hand lay-up)

É um método simples, com poucas restrições quanto à geometria das peças (espessuras

mínimas de 1 mm e raios de curvatura mínimos de 5 mm), que necessita de um reduzido

investimento inicial e mão-de-obra não muito qualificada. Neste método, as sucessivas camadas de

fibras são, manualmente, empilhadas e impregnadas com resina catalisada (viscosidade entre 1000 e

1500 centipoises (cP)), mediante a ajuda de um rolo, em molde aberto. Consegue-se obter

percentagens de fibra no produto final na ordem dos 25% e é adequado a pequenas séries (abaixo

dos 1000 peças por ano) e com uma cadência diária de uma a quatro peças por molde (50 a 200

kg/homem/dia). No entanto, devido a libertação de voláteis, sobretudo o estireno, exige-se que seja

realizada em locais abertos ou bem ventilados. Outras desvantagens são: forte dependência da

habilidade e cuidado do operário, baixa produtividade, bom acabamento somente numa das faces da

peça, teor da fibra heterogéneo, necessidade de maquinagem das peças após o fabrico de forma a

eliminar as rebarbas e dar um melhor acabamento. Aplica-se no fabrico de pequenos barcos de

recreio, em reparações estruturas de materiais compósitos e não só. [23]

Figura 14. Representação esquemática da moldação por Hand lay-up, ou manual. [26]

- Moldação por projecção (Spray-up)

Este processo é similar à moldação manual, diferenciando-se basicamente na forma como é

colocada cada camada, sendo que para este caso a resina (viscosidade entre 500 e 1000 cP), e a

fibra (sob a forma de roving, que é cortada no comprimento desejado) são aplicados

simultaneamente, através de uma pistola de projecção (fig.15). Adequa-se a séries de fabrico na

ordem das 1000 peças por ano com cadências diárias até 600 kg/homem/dia, e consegue-se

percentagens de fibras nas peças de cerca de 15%. Também, como no caso anterior, há a libertação

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de voláteis o que faz com o processo seja realizado em locais com boa ventilação ou abertos. Este

processo permite um certo grau de automatização, mas, na maioria dos casos a projecção é feita por

um operário. [23]

Figura 15. Representação esquemática da moldação por Spray-up[22]

2-Moldação por vácuo

Este processo consiste na aplicação de vácuo no interior do molde, permitindo a obtenção de

duas superfícies lisas, com quantidades reduzidas de bolhas de ar e percentagens de fibra até 70%.

A resina é injectada a baixa pressão para o interior do molde, ou alternativamente, a resina e o

reforço são introduzidos previamente no molde, que é depois fechado. Estando o molde fechado,

aplica-se vácuo no seu interior. O processo é adequado a peças de média e grandes dimensões e

séries entre 500 e 5000 peças por ano. [23]

Figura 16. Representação esquemática da moldação por Vácuo[27]

3-Moldação por compressão (Compression molding)

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O processo consiste na compressão de reforços de fibra vidro, sobre os quais se deposita

posteriormente a resina líquida. O processo pode ser realizado a frio ou a quente. No processo a frio,

são utilizadas habitualmente resinas de poliésteres insaturados às quais se associa um sistema

catalítico bastante activo, fortemente exotérmico, que assegura o aquecimento progressivo do molde

e permite ciclos de moldaçao adequados. Devido ao facto de as pressões aplicadas serem baixas

(inferiores a 4 bar) e de as temperaturas alcançadas se situarem entre os 30 e 45ºC, pode-se utilizar

prensas leves e moldes mais baratos (construídos e compósitos de matriz epóxida ou de poliéster).

Este processo é adequado à produção de séries médias de peças (4 a 12 peças por hora), com

superfícies entre 0,01 e 6 m2, mas os acabamentos superficiais são poucos cuidados e, devido às

contracções, a precisão dimensional é fraca. Também, não é aconselhável a utilização de modelos

que contêm ângulos vivos, nervuras ou outras partes verticais relativamente à superfície do molde.

No caso em que a moldação é realizada à quente, o processo é idêntico ao processo a frio, porém

aqui o molde é aquecido entre 80 e 170ºC e as pressões desenvolvidas podem variar entre 5 e 150

bar, o que faz com que seja necessário a utilização de moldes metálicos. O ciclo de produção pode

ser muito rápido na ordem dos 30 segundos (mais comum de 2 a 4 minutos), dependendo da

temperatura, da complexidade e do peso da peça moldada. Por conseguinte, as cadências de

produção são maiores do que no processo a frio, cerca de 15 e 30 peças por hora. Outro aspecto

importante, é o facto de neste processo se poder incorporar maior quantidade de fibra, o que pode

possibilitar a obtenção de peças com melhores propriedades mecânicas. [23]

Figura 17. Representação esquemática da moldação por compressão[28]

4-Moldação por injecção (Injection molding)

A moldação por injecção consiste na injecção da matéria-prima (granulados reforçados

prontos a moldar ou compostos de moldação), através de um êmbolo ou de um parafuso helicoidal

para o interior da cavidade do molde, que é mantida sob pressão até que a resina se cure. Com a

utilização de máquinas equipadas com microprocessadores e vários sensores, que permitem a

monitorização em tempo real de parâmetros tais como a dosagem conveniente de matéria-prima, a

temperatura, a velocidade e a pressão de injecção, a temperatura do molde e a velocidade do

parafuso, consegue-se obter peças de elevada qualidade. Os moldes são habitualmente construídos

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em aços tratados, de forma a suportarem pressões de injecção elevadas (entre 300 e 1500 bar), e

são normalmente equipados com canais de arrefecimento com circulação de água. Este é um

processo onde normalmente se conseguem cadências de produção elevadas, atingindo valores entre

20 a 100 peças por hora, dependendo essa cadência das temperaturas da matéria-prima (200 a

350ºC) e do molde (20 a 120ºC) e da pressão de injecção. Através deste processo, consegue-se

produzir peças de geometria bastante complexa, reduzindo-se assim o número de peças necessárias

para a produção de um determinado componente, que é normalmente leve, possui uma boa

estabilidade dimensional. O grande inconveniente deste processo é o facto de ser preciso um elevado

investimento nas máquinas e nos moldes. Também pode surgir anisotropia nas peças, resultante da

forma como a matéria-prima flui no interior do molde. [23]

Figura 18. Representação esquemática da moldação por injecção[22]

5-Moldação em autoclave

Este processo é particularmente adequado a pequenas séries de fabrico, onde são exigidas

peças com elevados requisitos de desempenho mecânico e qualidade, como se verifica na indústria

aeronáutica e desporto automóvel. Este processo permite a obtenção de compósitos de com elevada

percentagem de fibra (mais de 60%). O processo consiste na consolidação de um componente pré-

formado através da aplicação simultânea de temperatura, pressão e vácuo. É frequentemente

utilizado na produção de laminados. Para a obtenção desses laminados, um pré-impregnado é

cortado e empilhado sobre o molde, na sequência pretendida e até se atingir a espessura desejada.

Depois, o conjunto é inserido num saco de vácuo e sujeito a um ciclo de pressão e temperatura

definido. As suas principais desvantagens são o forte investimento inicial e o tempo necessário para a

obtenção das peças, o que faz com o processo não seja adequado para a produção de grandes

séries de fabrico. [23]

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18

Figura 19. Representação esquemática da moldação em Autoclave

2.3.6. RTM

O Resin Transfer Molding (RTM) também conhecido por liquid transfer Molding. O RTM

possibilita a obtenção de componentes próximos da sua forma final. O RTM, ao contrário da

moldação por injecção e por compressão, permite obter componentes estruturais, pois possibilita a

utilização de reforços nos mais variados formatos, e também os custos inerentes ao processo de

fabricação de volumes médios de peças são mais baixos devido ao custos com as ferramentas serem

mais baixos. No entanto, a fabricação de peças mais complexas exige muita experimentação, de

forma a se determinar os parâmetros mais adequados para o caso. É um processo de molde fechado,

o volume de fibra nos componentes pode atingir os 60%. Neste processo o reforço é colocado sobre

a cavidade do molde, que é posteriormente fechado com a outra metade do molde. Depois, a mistura

sobre pressão contendo resina, cargas, catalisador, ou por vezes compostos para darem cor à peça,

é injectada, através de uma ou mais entradas, para dentro do molde. Depois de um tempo de cura no

molde entre 6 a 30 minutos, dependendo dos parâmetros de cura escolhidos (catalisador,

temperatura), a peça é retirada do molde. Assim sendo, o RTM possibilita a obtenção de peças com

bom acabamento nas duas superfícies. Os aspectos principais do RTM são o fluxo de resina, o

processo de cura, e a transferência de calor. O processo de cura é exotérmico. [4,22,23]

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19

Figura 20. Representação esquemática da moldação por RTM [29]

Tabela 1. Comparação entre o RTM e outros processos de fabrico [22]

Processo de fabrico Cadência de produção anual

Tempo de ciclo (min)

Preocupações com emissões

Acabamento dos dois lados

da peça

RTM 200-10000 6-30 Não Sim

Processo em molde aberto (hand lay-up

e spray-up) 100-500 60-180 Sim Não

Moldação por compressão >10000 1-20 Não Sim

Moldação por injecção >20000 0.5-2 Não (bastante

seguro) Sim

Aplicações principais

O RTM é um processo muito versátil, permitindo a obtenção de peças desde pequenas até

grandes dimensões, e cadências de produção que podem variar desde pequenas até médias. Tem

sido utilizado nas mais variadas indústrias, como a automóvel, a aeroespacial e de produção de

produtos desportivos e de lazer. Os componentes fabricados através deste processo são capacetes,

componentes de portas, quadros de bicicletas, pás das turbinas eólicas, carroçaria de carros de

desportos automobilísticos, painéis diversos para os automóveis, e peças de aviões.

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20

Figura 21. Exemplo de componentes obtidos através da moldação por RTM [30,31]

Matérias-primas principais utilizadas

Podem ser utilizados como reforços pré-formas e tecidos. Tipos de pré-formas utilizados:

thermoformable mat, conformal mats, pré-formas entrelaçadas. Podem ser utilizadas diferentes tipos

de resinas, tais como poliéster, vinylester, epoxy, phenolic e methylmethacrylate, combinadas com

diferentes cargas, tais como alumina trihydrate e carbonato de cálcio. A utilização das cargas deve-se

sobretudo aos custos. Os custos das cargas são geralmente muito inferiores as resinas (por exemplo

o carbonato de cálcio custa 0,22 €/kg, enquanto que a resina poliéster 4,50€/kg), contudo a

quantidade presente na peça não pode comprometer o bom desempenho da mesma, sendo

recomendado que a dimensão da carga não ultrapasse os 10 microns, por forma a evitar problemas

de filtragem nas fibras. Recomenda-se dimensões na ordem dos 5 a 8 microns para que durante a

injecção, o escoamento da mistura resina+carga não interfira alinhamento das fibras. Obviamente

com a adição de carga a viscosidade aumenta, diminuindo assim a fluidez da mistura a ser injectado,

e aumenta o peso do componente. [22]

Ferramentas

Comparativamente aos outros processos de fabrico de materiais compósitos em molde

fechado (moldação por compressão, por injecção, etc.), o RTM apresenta uma grande vantagem,

pois as ferramentas necessárias são mais baratas. Como as pressões utilizadas durante o processo

são mais baixas, isso faz com que não seja preciso a utilização de ferramentas mais robustas, e

consequentemente mais caras. Isto tudo faz com que não sejam necessários grandes investimentos

iniciais na construção de protótipos ou para a produção, permitindo assim uma boa optimização dos

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21

custos. Sendo o processo em molde fechado, faz com que o processo tenha uma baixa emissão de

estireno, aspecto esse, que se tem tornado cada vez mais importante devido às leis cada vez mais

restritivas no que concerne a emissão de estireno [23]. Os moldes são normalmente construídos em

alumínio ou em aço, mas também existem situações, como por exemplo na construção de protótipos,

em que são construídos em plásticos ou em madeira. Os moldes são normalmente construídos em

duas metades, que podem conter um ou mais bicos de injecção ou uma ou mais saídas de ar ou de

resina. O molde deve conter rigidez suficiente de forma a suportar as pressões desenvolvidas durante

o processo. O projecto dos coeficientes de expansão térmica do molde e da peça devem ser

cuidadosamente projectados, pois as tolerâncias dimensionais da peça são afectadas tanto pelas

propriedades térmicas do molde como as do compósito. Os moldes podem custar desde os $200, no

caso de protótipos, até valores como $50000, dependendo do tamanho e da complexidade da peça a

ser fabricada. [22]

Etapas do processo

Na cavidade do molde devidamente preparado (desmoldante e gel coat), são posicionadas as

fibras e, por vezes núcleos de diferentes materiais (honeycomb) caso o objectivo for a produção de

estruturas sanduíche, na sequência e orientações correctas. Devido ao facto de os honeycomb não

limitarem a passagem da resina para o interior do núcleo, não é possível utilizar este processo no

fabrico de estruturas sanduíches em que o núcleo é do tipo honeycomb. Depois, procede-se ao fecho

do molde, que pode ser hidraulicamente ou então através de grampos. Estando o molde fechado,

procede-se a injecção da resina, em baixa ou média pressão, para a sua cavidade interior utilizando

um êmbolo. Os equipamentos são construídos de forma que possibilitam a injecção de diferentes

resinas, tais como as poliesters, as epoxides, as methacrylates e as urethanes. Tipicamente a resina

e o canalizador são armazenados em recipientes diferentes, e a mistura dá-se imediatamente antes

da injecção. A resina é normalmente armazenada num cilindro, possuindo um dispositivo que permita

que se aplique pressão, possibilitando assim a injecção da mesma. O número de bicos de injecção

depende das dimensões da peça a fabricar, sendo um para peças pequenas, e múltiplos no caso de

componentes maiores, permitindo assim que se consiga uma distribuição mais uniforme da resina ou

em certos casos a sua correcta distribuição. Também a utilização de múltiplos pontos de injecção

permite obter ciclos de produção mais curtos. A resina é injectada no ponto mais baixo do molde e o

enchimento do mesmo é realizado contra a gravidade, o que faz com se minimize a quantidade de ar

presente nas peças. As saídas estão normalmente localizadas no ponto mais alto do molde. A forma

como a resina flui e a molhagem das fibras são dois aspectos importantes do processo, que

dependem vários parâmetros, tais como a pressão de injecção, aplicação ou não de vácuo no molde,

a temperatura e a viscosidade da resina, e permeabilidade da fibra ou pré-forma. Por sua vez, a

permeabilidade da fibra depende do tipo de fibra, da sua orientação, do volume presente, etc.

Estando o molde completamente preenchido, fecha-se as entradas e saídas, e deixa-se que a resina

cure rapidamente, que se possa retirar a peça sem colocar em perigo a sua integridade. Por vezes é

preciso fornecer calor, de forma a acelerar o processo de cura no interior do molde. Estando a peça

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22

com a rigidez mínima necessária, ela é retirada e deixada para que o processo de cura se finalize.

[22]

Figura 22. Etapas do processo RTM [22]

Variantes do processo

VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)

Nesta variante do RTM, utiliza-se vácuo após a injecção para permitir que a resina impregne

mais facilmente no reforço, o que faz com que se pode aumentar o teor da fibra até 70% e

minimizando os poros na peça. [23]

SCRIMP (Seemann Composite Resin Infusion Molding Process)

Este processo é similar ao anterior ao VARTM, utilizado principalmente no fabrico de peças

de grandes dimensões. Neste processo, aplica-se vácuo de forma a, primeiro compactar os reforços,

o que faz com que se elimina os vazios e se assegure um melhor posicionamento dos reforços, e

também depois facilitar a impregnação na resina. [22,23]

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23

Figura 23. SCRIMP. Variante do processo RTM [22]

Os materiais compósitos são constituídos principalmente pelo reforço e pela matriz, podendo

em certos casos, também alguns aditivos e cargas, que são elementos utilizados com o objectivo de

complementar as propriedades dos compósitos, como por exemplo baixar os custos, facilitar o

manuseamento, melhorar as características de moldação, melhorar as propriedades pós-cura, ou

então introduzir decorativos. Essas cargas são normalmente obtidas a partir de depósitos naturais,

como por exemplo a mica, o feldspato, a sílica, o quartzo, a argila, ou o cálcio [23].

Seguidamente, são apresentados os reforços e as matrizes mais utilizadas, dando ênfase às

fibras de vidro e a matriz em resina de poliéster insaturado, pois são os materiais utilizados na

obtenção das várias peças estudadas durante este trabalho.

2.3.7. Reforços

Os reforços são os elementos responsáveis pelo bom desempenho mecânico dos materiais

compósitos, pois são eles que suportam a quase totalidade das cargas aplicadas ao material

compósito. As boas propriedades mecânicas das fibras deve-se ao facto de que um mesmo material

no formato de fibra ter melhores propriedades do que no seu formato “maciço”. No caso das fibras de

juta, a sua descrição é feita mais adiante no trabalho, como sendo um dos tipos de fibras vegetais

utilizadas na construção dos materiais compósitos vegetais. Isto deve-se ao facto de as fibras

apresentarem uma melhor estrutura que as formas maciças, pois neste formato os cristais alinhados

segundo a direcção das fibras, e além disso existem menos defeitos internos. [32]

As fibras mais utilizadas em compósitos de matriz polimérica são as fibras de carbono, de

vidro, de boro e de aramida. Nos casos em que as exigências das estruturas em matérias compósitas

são menores, também podem ser empregues outras fibras, tais como as de amianto (asbestos),

poliamidas e poliésteres.

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24

2.3.8. Fibra de vidro

Os compósitos reforçados por fibras de vidro, são dos materiais os compósitos mais

conhecidos hoje. As fibras de vidro podem ser encontradas sob diferentes formas, tais como roving,

staple fibre (filamentos de 200 a 400mm) e chopped strand mat (filamentos de 3 a 50 mm). Os

compósitos reforçados por fibras de vidro podem, hoje ser encontrados na maioria das industrias, tais

como a automóvel, a aeronáutica/ aeroespacial, a marítima, eléctrica/electrónica, a de materiais

desportivos, etc. A sua utilização em larga escala começou nos anos 50 na fabricação de barcos e

automóveis, e hoje, por exemplo, a maioria dos automóveis utilizada pára-choques em compósitos

reforçados com fibras de vidro para a cobertura das estruturas em aço.

Actualmente, podem ser encontradas fibras de vidro com varias composições químicas,

sendo a mais comum constituído a base de sílica (~50-60% SiCO2) contendo vários outros óxidos

como o do Ca, B, Na, Al, Fe, etc. Comercialmente, são produzidas três tipos fibras de vidro: E, C e S.

As fibras do tipo E, cuja designação deriva da palavra electricidade, representam cerca de 90% das

fibras de vidro produzidas. São bons isolantes eléctricos, e possuem uma boa resistência e um

razoável módulo de Young. As fibras do tipo C, apresentam uma boa resistência à corrosão. No caso

das fibras do tipo S, elas possuem uma elevada quantidade de sílica na sua constituição, o que lhes

permite suportar temperaturas mais elevadas do que os tipos E e C. [23, 32].

Figura 24. Utilização de compósito reforçado por fibra de vidro na construção dos guarda-lamas de um veículo

automóvel [33]

Propriedades

As fibras de vidro constituídas a base de sílica, normalmente apresentam uma baixa

densidade. Possuem uma elevada resistência, mas, no que diz respeito a rigidez os valores podem

não ser tão elevados, o que faz com que apresentem uma elevada resistência específica e uma

moderada rigidez específica (tab.2).

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25

Tabela 2. Propriedades dos vários tipos de fibra de vidro [23]

Propriedade Vidro E Vidro S Vidro R

Densidade (g/cm 3) 2,6 2,49 2,55

Modulo de Young(GPa) 73,0 85,5 86,0

Tensão de rotura [MPa] 3400 4580 4400

Deformação na rotura (mm) 4,4 5,3 5,2

Coeficiente de expansão térmica (10 -6/ºC) 5,0 2,9 4,0

As fibras de vidro apresentam boa resistência ao fogo e a muitos produtos, químicos. No

entanto, a absorção de humidade provoca uma grande quebra na resistência, principalmente a

absorção pela fibra recém-produzida. As fibras de vidro, também são susceptíveis de fadiga estática,

pois não suportam cargas por um longo período de tempo. No caso particular das fibras de vidro do

tipo E, elas apresentam uma resistência à corrosão em meios alcalinos presentes por exemplo em

cimentos.

Obtenção

A técnica mais comum para produzir fibras de vidro é o estiramento de vidro fundido através

de uma fieira em liga de platina-ródio com orifícios de dimensões muito precisas (fig.25). A

temperatura de fusão ronda os 1260ºC, e depende da composição do vidro. As fibras são sujeitas a

tratamentos superficiais à saída da fieira, consoante o fim a que se destinam. No caso de ser para a

utilização no fabrico de tecidos sem risco de danificação da fibra, aplica-se um revestimento têxtil. No

caso em que se quer permitir a compatibilização da fibra com as diferentes matrizes orgânicas

existentes, aplica-se um revestimento plástico. Esse revestimento plástico contém um ligante

constituído por suspensões ou emulsões de poliacetato de vinilo, resinas de poliéster ou epóxido, que

permite manter os filamentos unidos (evitando-se movimento relativo e abrasão), um agente de

adesão à base de compostos orgânicos de silício com o objectivo de facilitar a adesão fibra – matriz

de resina, um lubrificante e, agentes anti-estáticos e de impregnação. [23,34]

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26

Figura 25. Representação esquemática da produção de fibras de vidro [35]

2.3.9. Matrizes

Como já foi dito anteriormente, na construção dos materiais compósitos fibrosos existe um

aglomerante que tem como funções principais ligar e proteger as fibras, dar forma estável ao

compósito e assegurar a distribuição eficiente de carga pelas fibras, cuja designação é matriz. As

matrizes podem ser metálicas, cerâmicas ou poliméricas, dependo do tipo de material utilizado ser

metálico, cerâmico ou polimérico, respectivamente. No caso presente em estudo, a matriz utilizada é

a polimérica (o Poliéster), e por isso faz-se a seguir uma discrição dos diferentes tipos dessas

matrizes existentes.

Matrizes poliméricas

As matrizes poliméricas podem ser divididas em duas categorias principais: termo-plásticas e

termoendurecíveis. A principal diferença entre estas duas categorias é o tipo de ligação química

existente entre as suas moléculas.

Matrizes termoplásticas

As matrizes termoplásticas, também designados de plásticos técnicos, são formadas por

grandes moléculas individuais lineares sem qualquer reticulação entre si, e que são mantidas entre si

por ligações secundárias, tais como forças de van der Waals e ligações de hidrogénio. Por causa de

serem fracas as ligações entre as moléculas, há a possibilidade de fazer uma reconformaçao do

material, pois através de aquecimento promove-se uma quebra dessas ligações e permitindo assim a

mobilidade das moléculas. Após o arrefecimento as moléculas se mantêm nas posições alcanças, e

restabelecem as ligações químicas acima referidas. Os termoplásticos caracterizam-se por

apresentarem maior resistência a impacto, maior tenacidade e bastante menor higrospicidade

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27

comparativamente aos termoendureciveis, por serem facilmente processados por injecção ou por

termoformação, e por serem recicláveis. No entanto, existe maior dificuldade na impregnação

completa dos reforços. Estima-se que os termoplásticos representem cerca de 35% do mercado

mundial dos compósitos. Os vários tipos de matrizes termoplásticos são: Polipropileno (PP),

Poliamida(PA), Policabornato(PC), Poli-éter-éter-cetona(PEEK), Poliimidas termoplásticas e

Polisufureto de fenileno(PPS).[22,23]

Tabela 3. Propriedades de algumas resinas termoplásticas [22]

Tipo de resina Densidade

(g/cm 3)

Modulo Elasticidade

(GPa)

Resistência à tracção

(MPa)

Nylon 1.1 1.3-3.5 55-90

PEEK 1.3-1.35 3.5-4.4 100

PPS 1.3-1.4 3.4 80

Poliéster 1.3-1.4 2.1-2.8 55-60

PC 1.2 2.1-3.5 55-70

Teflon 2.1-2.3 --------- 10-35

Matrizes termoendurecíveis

As matrizes temoendureciveis, também conhecidos por resinas termoendureciveis, são

caracterizados por não possibilitarem o seu reprocessamento, pois as suas moléculas durante o

processo de cura formam uma cadeia tridimensional de ligações cruzadas bastantes rígidas. Quando

maior for o número dessas ligações cruzadas, maior será a rigidez e a estabilidade térmica da matriz.

Devido ao facto de as resinas termoendureciveis apresentarem uma baixa viscosidade antes da cura,

elas permitem uma maior impregnação nas fibras e facilidade de processamento, podendo ser

processados pelo RTM, pultrusão, etc. As resinas termoendureciveis apresentam normalmente boa

estabilidade térmica e dimensional, melhor rigidez e resistência eléctrica e química do que os

termoplásticos. Os mais utilizados em compósitos para aplicações não-estruturais e semi-estruturais

são os poliésteres insaturados, as resinas de vinilester e as resinas fenólicas. Para as aplicações de

compósitos de alta resistência os mais utilizados são os epóxidos, as bismaleimidas e as poliimidas.

[22,23]

Tabela 4. Propriedades de algumas resinas termoendureciveis [22].

Tipo de resina Densidade

(g/cm 3)

Módulo Elasticidade

(GPa)

Resistência à tracção

(MPa)

Epoxy 1.2-1.4 2.5-5.0 50-110

Phenolic 1.2-1.4 2.7-4.1 35-60

Poliéster 1.1-1.4 1.6-4.1 35-95

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28

2.3.10. Propriedades mecânicas do compósito

No presente estudo, os materiais utilizados são compósitos de fibras, e no formato laminar

(múltiplas laminas ou lamina única). Conhecidas as propriedades mecânicas das fibras da fibra e da

matriz, é preciso determinar as propriedades de todo o compósito. Actualmente existem vários

métodos analíticos para prever as propriedades mecânicas dos compósitos, a partir do conhecimento

das propriedades das fibras e das matrizes, e das características do compósito (percentagem de fibra

e sequência de empilhamento). Um dos métodos utilizados é a Teoria Clássica de Laminados (TCL),

e que para cada lâmina pressupõe o seguinte:

• Ortotropia e homogeneidade;

• Estado de tensões plano;

• Continuidade de deslocamentos entre lâminas adjacentes. [17]

Sendo um laminado composto por várias lâminas sobrepostas, descrever seu comportamento

mecânico pressupõe primeiramente o conhecimento do comportamento mecânico de cada lâmina.

Assim sendo, calcula-se a matriz que relaciona o vector tensão com o vector deslocamento para uma

lâmina genérica, nos eixos de ortotropia (Longitudinal, L e Transversal, T) (fig.26).

Considere uma lâmina com as fibras alinhadas paralelamente à direcção 1. A equação

constitutiva dessa lâmina em seu referencial local é dada por :

Figura 26. Sistema de eixos da camada

Seguidamente, calcula-se a matriz que relaciona no sistema de eixos (x,y) (referencial global) o

vector tensão com o vector deformação para uma lâmina(k) com uma orientação específica em

função das constantes de elasticidade da lâmina no referencial (L,T).Como normalmente os eixos

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29

principais da lâmina não coincidem com os eixos de referência do laminado (x, y) é necessário utilizar

uma matriz de transformação de coordenadas:

Figura 27. Rotação de referencial em torno do eixo z

Tal que a transformação das relações tensão – deformação do sistema L-T para o sistema x-y é dado

por:

As distribuições das deformações nas direcções x e y, segundo TCL, variam linearmente através da

espessura do laminado:

Substituindo (4) em (3) obtêm-se as tensões de uma lâmina k para uma localização z específica:

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30

A distribuição de tensão ao longo da espessura do laminado não é linear e as tensões são

descontínuas nas interfaces com as lâminas. Pelo facto das tensões variarem de lâmina para lâmina

é conveniente definir esforços [N] e momentos flectores [M] que actuam por unidade de comprimento

através da espessura h do laminado:

Donde resultam as equações fundamentais da Teoria Clássica de Laminados:

Onde:

Sendo Q������� a rigidez da lamina k no referencial global (x,y).

Figura 28. Sequência de empilhamento considerado.

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31

As constantes de elasticidade da lâmina no referencial local (L,T) são determinadas através

da regra das misturas [36].Neste modelo, a resposta longitudinal do compósito é idealizada como

uma reacção no sentido do eixo longitudinal das fibras unidireccionais, no qual as fibras recebem a

maior parte da força aplicada (em paralelo das fibras e da matriz) (fig.29). A resposta transversal é

idealizada como uma reacção no sentido perpendicular ao eixo longitudinal das fibras unidireccionais,

no qual a matriz recebe a maior parte da força aplicada (em série das fibras e da matriz) (fig.30).

Neste modelo, pressupõe-se que as forças aplicadas produzem deformações iguais nas fibras e na

matriz e, através das fracções volumétricas pode-se obter relações lineares entre as propriedades da

lâmina e as propriedades da fibra e da matriz:

Associação em Paralelo: Associação em Série:

Pc = propriedade do compósito resultante

Vi = fracção volumétrica do i-ésimo constituinte

Pi = propriedade associada ao i-ésimo constituinte

A tabela 5 ilustra as equações derivadas da regra das misturas, utilizadas para determinar as

propriedades da lâmina.

Tabela 5. Propriedades das lâminas resultantes da regra das misturas.

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32

Figura 29. Carregamento axial num compósito fibroso.

Figura 30. Carregamento transversal num compósito fibroso

Quando a lâmina é construída utilizando fibras no formato de tecidos bidireccionais as

propriedades dependem também do número de fios da trama e da teia. Nesse caso, define-se o

parâmetro k que relaciona o número de fios nas duas direcções como:

K � �� � (12)

n1 é o número de fios da teia

n2 é o número de fios da trama

Figura 31. Tipos de tecidos [37]

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33

Utilizando os valores das constantes de elasticidade, para uma hipotética lâmina com a mesma

fracção volúmica, determina-se as constantes elásticas para uma lâmina construída por fibras no

formato de tecido através de [36]:

E� � k. E� � �1 � k�. E� (13)

E� � �1 � k�. E� � k. E� (14)

G�� � G�� (15)

υ�� � υ���k � �1 � k�. ���

���� (16)

Note-se que caso n1 = n2, tem-se Ex = Ey e υxy=υlt. Esta situação ocorre no caso das telas (plain da

figura 31).

No caso de compósitos reforçados por fibras na configuração multi-direccional, considera-se

que o seu comportamento é isotrópico [16,22], e as constantes elásticas são dadas por:

Eran =�� El+

� Et (17)

Gran =�ran

!�"�νran) (18)

νran =0,3 (19)

Através dos materiais compósitos, consegue-se uma optimização das propriedades

mecânicas, possibilitando assim em muitos casos grandes reduções de peso e de custos nos

componentes. Como o princípio do eco design deve estar sempre presente, pelas razões

anteriormente apresentadas, então a optimização só pode estar completa se incluir também os

aspectos relacionados com fim de vida do produto. Posto isso, é claro que um material que tenha um

impacto ambiental praticamente nulo, durante a sua obtenção e ser biodegradável, ganha uma

grande importância. É neste contexto, que os matérias compósitos composto em parte ou no seu todo

por materiais naturais (compósitos naturais), têm um papel determinante.

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34

2.4. Compósitos naturais

Como se verá mais adiante, praticamente desde o inicio da civilização que o Homem utiliza

matérias compósitos naturais nas suas construções. A sua evolução teve altos e baixos, e hoje,

devido à consciencialização de que temos de proteger o nosso meio ambiente, cada vez mais

procura-se novas aplicações para esses materiais. Os compósitos naturais podem ser tanto de

origem animal (couro, chifre, etc.), como vegetais (sisal, juta, algodão, etc.). No caso particular deste

trabalho, o estudo incide sobre os compósitos naturais compostos por fibra vegetais (a fibra de juta) e

resina polimérica (a resina de poliéster insaturado). Estes compósitos vegetais já são bastantes

utilizados, sobretudo na indústria automóvel (em peças do interior dos veículos com baixas

solicitações mecânicas) [38], como por exemplo nos escudos protectores interiores do tejadilho. As

fibras mais utilizadas como reforço destes compósitos são de algodão, sisal, juta, Kenaf e o linho.

2.4.1. Historia dos compósitos naturais

A utilização das materiais de compósitos começou a 3000 anos, onde os egípcios reforçavam

argila ou lama com palha, para utilizarem na construção de blocos. No entanto, com o

desenvolvimento de outros materiais mais duráveis como os metais, o interesse nas fibras naturais

foi-se perdendo. A partir de então, e até ao inicio do século XX, a sua utilização praticamente

desapareceu. Em 1940 utilizou-se óleo de soja para fabricar esmalte de alta qualidade que podia ser

moldado em fibras, e que possuíam uma resistência ao choque 10 vezes superior a do aço. No

entanto, este material apresentava grandes inconvenientes, tais como longo tempo de cura e

problemas associado à sua moldagem. Em 1939-45, durante a segunda Guerra, a falta de alumínio

em Inglaterra, leva ao uso de fibras de linho impregnadas com resina de phenolic para a construção

do revestimento da fuselagem dos spitfires – “Gordon-Aerolite”.

Figura 32. Spitfires. Aviões de guerra britânicos que na segunda Guerra mundial, devido à escassez do

alumínio utilizaram fibras de linho impregnadas com resina de phenolic na construção

do revestimento da fuselagem [39]

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35

Em 1942 Henry Ford cria um automóvel protótipo em fibra de cânhamo, que não chegou a ser

produzido, devido às limitações económicas da época. Em 1950 foi constituído o primeiro automóvel

para a produção (Trabant (1950-90)) utilizando fibras naturais (algodão com matriz de poliéster).

Figura 33. Traband (1950-90). O primeiro automóvel para a produção constituído por fibras naturais.

Somente nos últimos 15-20 anos é que as fibras naturais voltam a suscitar interesse, e hoje cada vez

mais há um crescente interesse pelas fibras naturais. [40]

2.4.2. Evolução do consumo das fibras naturais na E uropa

Estudos indicam que o consumo de fibras naturais tem vindo a aumentar nos últimos anos.

Mesmo durante 2002 e 2003 em que a indústria automóvel se encontrava numa situação

relativamente mais difícil, o uso de fibras naturais aumentou (5% para as 45000 toneladas), muito

provavelmente graças ao seu baixo custo. De 1996 a 2003 o uso de fibras naturais na indústria

automóvel alemã aumentou de 4000 toneladas para 18000 toneladas por ano. De 1996 a 2002 houve

um crescimento linear de 20 a 30%, que entre 2002 e 2003 se situou nos 5% devido ao

abrandamento da indústria automóvel.

Figura 34. Utilização de fibras naturais na indústria automóvel alemã entre 1996 e 2003. [41]

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36

Para a Europa, em 2004 o consumo de fibras naturais situava-se em de cerca de 70000

toneladas. O preço das fibras para produção de componentes automóveis se situava entre 0,50 e

0.60 €/kg, o que constituiu um retorno de cerca de 10 milhões de euros para a Alemanha e 15

milhões para a Europa.

Na Alemanha, que é o principal consumidor das fibras naturais (2/3 do consumo da Europa),

estima-se que se utiliza, por cada veículo, cerca de 3,5 kg de fibras naturais, exceptuam o uso de

madeira e algodão. Com o estabelecimento deste novo material, espera-se que nos próximos anos

haja um grande crescimento. Estima-se que em 2003 na indústria automóvel se utilizou cerca de

160000 toneladas de materiais compósitos reforçados com fibras naturais (88000 de fibras naturais e

72000 de material polimérico), o que corresponde 16 Kg de fibras por veículo, tendo em conta que

foram produzidos 5.5 milhões de veículos. [41]

Vários especialistas consideram as fibras naturais como sendo um gigante adormecido, pois

as suas principais características - propriedades mecânicas, densidade e preço, vão de encontro às

exigências de sector automóvel. [42]

2.4.3. Utilização actual de materiais compósitos re forçados por fibras vegetais na

indústria automóvel

Actualmente, cada vez mais os automóveis já não são somente de metais e plásticos, mas

também já começam a incorporar vários materiais naturais nos seus componentes. Por exemplo, em

cada Classe A fabricado pela Mercedes há 27 peças produzidas com fibras naturais, com peso total

de 11,9 quilos [38]. O Audi A2 foi primeiro veículo de produção em massa completamente construído

em alumínio e com painéis das portas reforçados com linho/sisal. Outras marcas, tais como a BMW, a

Ford, a Fiat, Renault, Volkswagen, Opel GM, etc., também têm incorporado compósitos construídos a

base de fibras naturais nos componentes dos seus veículos, tais como no revestimento interior das

portas dianteiras (1.2-1.8Kg), no revestimento interior das portas traseira (0.8-1.5Kg), ou na

construção parte de trás dos acentos (1.6-2.0Kg) e dos apoios para a cabeça (~2.5Kg). [40]

Mercedes-Benz Classe ‘A’

Mercedes-Benz Classe ‘E’.Conseguiu-se uma redução

de peso em cerca de 20% com o uso de linho/Sisal.

Figura 35. Exemplos de aplicação de fibras naturais na indústria automóvel. Mercedez-benz Classe ‘A’ e Classe

‘C’[40]

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37

2.4.4. Vantagens das fibras naturais em relação as fibras de vidro

Por serem produtos orgânicos naturais, as fibras naturais não apresentam problemas

dermatológicos e nem riscos biológicos nos aterros. Elas precisam de menores quantidades de

energia para a sua produção (por exemplo: 6,500BTU’s para 2.2Kg de fibras de juta e 23,500BTU’s

para 2.2Kg de fibras de vidro). No caso das fibras vegetais, elas possibilitam a neutralização de CO2,

e como possuem uma densidade máxima de 1.5g/cm3 (densidade da juta =1.4g/cm3 e do vidro

=2.5g/cm3), e também resultam em materiais com uma grande resistência e rigidez específica

(componentes com baixo peso). As fibras naturais podem ser facilmente encontradas a nível mundial

e custam muito menos do que as fibras de vidro (Fibras naturais 0.5-0.6 Euros/kg e do vidro 9.0

Euros/kg). As fibras naturais não são abrasivas, o que faz com que haja menores desgastes nas

ferramentas e as rebarbas podem ser reaproveitadas. Têm um bom comportamento em colisões (não

estilhaça), e também permitem construção em formato celular, o que faz com que os componentes

tenham boas propriedades acústicas e na protecção térmica. [40]

2.4.5. Limitações das fibras naturais

Relativamente às limitações, existem problemas em termos de qualidade, pois as

características das fibras dependem muito da forma como são produzidos, o que faz com que seja

necessário um bom acompanhamento e sementes de qualidade, por forma garantir obtenção de boas

propriedades. A produção exige um controlo mais apertado do que as fibras de vidro. Devido a alta

concentração de defeitos nas fibras, faz com haja uma baixa resistência ao impacto. Tem uma grande

afinidade com a água, o que pode significar maiores problemas de degradação e menor capacidade

de aderência às matrizes. Podem ficar manchadas e emitir odores. [38, 40]

Tabela 6. Propriedades das fibras de vidro e de diversas fibras naturais [43]

Propriedades Fibras

Vidro E Linho Cânhamo Juta Ramie Sisal Algodão Densidade g/cm 3 2.55 1.4 1.48 1.46 1.5 1.33 1.51

Resistência à Tracção 10E6 N/m2 2400

800 - 1500

550 - 900 400 - 800 500 600- 700

400

Módulo de Young, E (GPa) 73 60 - 80 70 10 - 30 44 38 12

Módulo de Young específico

(E/densidade) 29 26 - 46 47 7 - 21 29 29 8

Extensão de rotura (%) 3 1.2 - 1.6 1.6 1.8 2 2 - 3 3 – 10 Absorção de humidade

(%) - 7 8 12 12 -17 11 8 – 25

Preço /Kg ($), em bruto (manta/tecido)

1.3 (1.7/3.8)

- 1.5 (2/4)

0.6 - 1.8 (2/4)

0.35 1.5/0.9 - 2

1.5 - 2.5 0.6 - 0.7

1.5 - 2.2

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38

2.4.6. Fibra de juta

A fibra de juta é uma das fibras naturais mais baratas, e a segunda mais produzida, somente

ultrapassada pelo algodão. Os maiores produtores do planeta são a Índia e o Bangladesh. Outros

países, tais como a China, a Tailândia, ou o Brasil, também produzem e transformam as fibras de

juta. A produção mundial das fibras de juta tem aumentado (fig. 36), principalmente devido ao

aumento do consumo e produção na Índia, país onde existe um conjunto de políticas que, directa ou

indirectamente, impingem a produção, o comércio, o processamento e a exportação da fibra de juta e

dos seus produtos. [44].

Figura 36. Produção da fibra de juta ao longo dos anos

Tabela 7. Produção da fibra de juta entre 1999 e 2004. (106 tons)

A origem

As fibras de juta são obtidas a partir do género Corchorus da ordem das Tiliáceas. Existem

duas espécies cultivadas: Corchorus capsularis e a Corchorus olitorius .Estas plantas, que são anuais

e herbáceas, exigem um solo fértil e bem drenado, assim como um clima quente e húmido. No

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39

entanto o excesso de chuva após semeagem e uma estação muito seca, podem comprometer o seu

bom crescimento. [45,46].

O processo de plantação da juta começa com os camponeses a espalharem entre Fevereiro

e Junho (dependendo das condições climatéricas) as sementes pelos solos cultivados. Passados 4

meses, e tendo as plantas atingidos uma altura de cerca de 1,8 a 3,7 m, os caules são colhidos

rapidamente, antes da floração, e amarrados em feixes. Os feixes são imersos em água cerca de 20

dias, com o objectivo amolecer os tecidos da planta, e assim facilitar a extracção das fibras. Estando

os tecidos mais macios, procede-se a separação manual das fibras do tecido. Posteriormente, as

fibras já separadas são lavadas, e secas durante cerca de 4 dias. Essas fibras são amarradas em

fardos, e conduzidas às fábricas para a fiação. [46,47]

As fibras são graduadas de acordo com a sua cor, resistência e comprimento de fibra.

Possuem cores desde o branco “sujo” ao castanho, comprimentos que variam entre os 1 e 4 m, e

diâmetros entre os 0,002 e 0,015 mm. [48]

Na figura seguinte apresenta-se imagens das diversas fases da produção da fibra de juta.

Figura 37. Produção da fibra de juta: a) sementeira b) limpeza das plantas c)planta da juta

d) Maceração e) Extracção das fibras [48]

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40

As principais aplicações

Actualmente, as fibras de juta são utilizadas principalmente no fabrico de tecidos para

embalar fardos de algodão, e também no fabrico de sacos e tecidos grossos. Elas também são

tecidas em telas, coberturas de acentos, carpetes, tecido Hessian, e como reforço de linoleum (tecido

impermeável). [47]

Figura 38. Aplicações das fibras de juta. [49]

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41

3. CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL

Conhecer as propriedades dos materiais, quando se quer fazer o uso deles para a construção

dos mais variados bens, frequentemente evita grandes prejuízos económicos e também acidentes

pessoais graves, que conduzem principalmente a uma perda de confiança na pessoa (ou na

empresa) que projectou o bem, com todas as consequências que dai advêm. Os ensaios mecânicos

para a caracterização dos materiais utilizados em engenharia, devido a esse facto, têm um papel

muito importante, pois numa fase muito precoce consegue-se descartar materiais que para a

aplicação em causa não conseguem cumprir os requisitos mínimos requeridos. Portanto, os ensaios

mecânicos de tracção e flexão, que possibilitam a determinação de características importantes

(resistências e rigidez) dos materiais, apresentam-se como boas ferramentas no conhecimento do

comportamento dos materiais em estudo.

O trabalho experimental consistiu em determinar as resistências e os módulos de elasticidade

na tracção e na flexão dos compósitos de 4 mm de espessura constituídos por fibras de vidro e de

juta, tanto na configuração de mantas bidireccionais como multi-direccionais (fig.39). O empilhamento

efectuado para o caso da configuração bidireccional foi o [(0/90),(45/-45),(0/90)] s.

Dado ao facto de as propriedades (resistência e rigidez) do vidro serem bastante superiores

aos da juta (tab.9), e de normalmente a fibra de vidro apresentar um diâmetro (8,0 - 14,0 µm) [50]

inferior ao da juta (100 - 200µm) [51], aqui procurou-se utilizar materiais com gramagens

semelhantes, de forma a ter um parâmetro comum a ambas as fibras.

Figura 39. Configurações das fibras utilizadas: a) fibra de vidro bidireccional; b) fibra de vidro multi-direccional; c)

fibra de juta bidireccional; d) fibra de juta multi-direccional

3.1. Materiais utilizados

Reforços

Na tabela 8 estão apresentados as propriedades dos diversos reforços utilizados na construção dos

compósitos.

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42

Tabela 8. Propriedades dos reforços [19]

Matriz

A matriz utilizada foi a resina de poliéster insaturada produzida pela CPB – Companhia Petroquímica

do Barreiro, SA, com as propriedades descritas na tabela seguinte (tab.9):

Tabela 9. Propriedades matriz

E (GPa) υ Densidade (kg/m 3) Poliéster insaturado 2,8 0,4 1200

Catalisador e Desmoldantes

Como catalisador utilizou-se o PMEK (Peróxido de metil cetona), e dois desmoldantes -o Álcool

polivinílico e a Cera Wiz, que foram todos fornecidos pela Matexplas.

3.2. Produção/Fabricação

Todos os compósitos testados durante esta pesquisa foram totalmente construídos nas

oficinas/laboratórios do departamento de engenharia mecânica Instituto Superior Técnico. As fibras

de vidro foram adquiridas em Portugal à Matexplas, enquanto que as fibras de juta, devida ao facto

de serem plantas tropicais, foram fornecidas do Brasil (Tapetes São Carlos e Castanhal). O processo

de produção envolveu a aquisição das matérias-primas (fibras e resina) e do molde, toda a

preparação do molde, da resina e das fibras, a injecção (RTM), o corte dos provetes e finalmente o

acabamento aos provetes.

Reforço Configuração E(GPa) υ Densidade (kg/m 3)

Gramagem (g/m 2)

Vf

(%)

Fibra de vidro

Bidireccional

69 0,25 2600

300 21

Multi-direccional 450 9

23

Fibra de juta Bidireccional

31,31 0,38 1550 310 31

Multi-direccional 500 14

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43

Obtenção dos provetes

Procedimento

1- Preparação das fibras

As fibras foram cortadas nas dimensões e orientações (mantas bidireccionais) necessárias. Devido

ao forte carácter hidrofílico da fibra de juta, estas forem submetidas a um processo de secagem

durante 12 horas num forno a 140º com o objectivo de remover toda a humidade presente nas fibras

e assim promover uma melhor aderência entre a fibra e a resina de poliéster.

2- Preparação do molde

Primeiro foi aplicado uma camada de cera Wiz, por intermédio de um pequeno pedaço de pano, e

depois, fazendo o uso de um pincel, aplicou-se o Álcool polivinílico sobre a toda a superfície do

molde. De seguida, depois de o Álcool estar totalmente seco, colocou-se a fibra no empilhamento

desejado, e procedeu-se ao fecho do mesmo, sendo depois colocado na prensa com placas

aquecidas, para que o molde atingisse uma temperatura uniforme de cerca de 40 ºC.

3- Preparação da matriz

Estando o molde à temperatura desejada, misturou-se um litro de poliéster com 0,3% de catalisador.

Apesar de a cavidade do molde só possuir a capacidade para 0.384 litros, optou-se por utilizar um

litro de resina de forma a, não só garantir um completo preenchimento da cavidade do molde, como

também expulsar as possíveis bolhas que se formam durante todo o processo de injecção.

4- Injecção RTM

Na realização do processo começou-se por colocar a resina (poliéster insaturado) no cilindro de

injecção, aplicando vácuo durante cerca de 15 minutos - de forma a eliminar gases resultantes do

processo de mistura e vazamento, e de seguida procedeu-se a injecção propriamente dita, usando

um caudal de cerca de 50 ml/mm no caso das fibras de vidro e de cerca de 40 ml/mm no caso das

fibras de juta. Finalizado a injecção, deixou-se as placas no molde a curar à temperatura do molde

(40ºC) durante cerca de uma hora e meia, para garantir que as placas conseguissem manter a sua

forma quando retiradas dos moldes. Depois a placa foi retirada, e deixada a curar à temperatura

ambiente durante um período mínimo de cerca de 336 horas (duas semanas).

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44

5- Corte e Acabamento

Estando as placas curadas, procedeu-se ao corte de forma a se obter os provetes com as fibras nas

orientações desejadas, por intermédio de uma serra de disco. Depois, de forma a eliminar defeitos

superficiais provenientes do processo de corte na serra, procedeu-se ao acabamento final das peças,

que foi realizado manualmente e utilizando lixas de baixa gramagem.

3.3 - Equipamentos:

-Molde

O molde para a obtenção das placas foi o ilustrado na figura 40, onde a espessura da placa é

determinado pela espessura do aro separador (fig.40b) que para este caso é de 4 mm. No anexo B é

apresentado o desenho de detalhe do molde, onde são apresentados em pormenor as suas

dimensões.

a) Molde superior, b) Aro separador, c) Molde inferior.

Figura 40. Molde utilizado na injecção das placas, a partir das quais foram obtidos os provetes.

- Máquina de injecção

A maquina de injecção (RTM) utilizada, foi a ISOJET RTM UNIT composta por um pistão de 3 litros

(Ref. 200707) onde esta instalado o computador de controlo e uma prensa (Ref. 2007 03) de pratos

aquecidos (fig.41)

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45

Figura 41. Maquina injecção RTM (ISOJET RTM UNIT)

3.4. Ensaios experimentais

A caracterização experimental dos materiais será realizada através dos ensaios tracção e flexão, e

baseados nas normas ASTM. Todos os ensaios foram realizados nos laboratórios do departamento

de engenharia mecânica do IST.

1- Ensaio tracção

Os ensaios de tracção foram realizados segundo a norma ASTM D3039 [52], onde o provete utilizado

nos ensaios se encontra representado na figura seguinte (fig.42):

Figura 42. Provete tracção utilização no ensaio tracção

Devido ao facto de, praticamente todos os provetes construídos a partir da fibra de juta aleatória

partirem no interior das amarras da máquina de ensaio, e depois de se ter consultado alguns

investigadores mais experientes na realização de ensaios, optou-se por alterar a forma dos provetes

para o apresentado na figura 43, o que possibilitou a obtenção de melhores resultados.

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46

Figura 43. Provete alternativo utilizado na realização dos ensaios de tracção

2- Ensaio flexão

A realização dos ensaios de flexão foi feita de acordo com a norma ASTM D790 [53], e cujo provete

recomendado está representado na figura 44.

Figura 44. Provete utilizado na realização dos ensaios de flexão

Equipamento de ensaio

Para os ensaios de tracção e flexão, foi utilizada a máquina de ensaios universal Instron 5566, cuja

célula de carga é de 10KN (fig.45).

Figura 45. Máquina de ensaios universal Instron 5566 utilizada na realização dos ensaios de tracção e de flexão.

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47

3.5. Resultados experimentais

Para ensaios de tracção e flexão são apresentados, para os provetes considerados válidos

pelas normas, os gráficos que demonstram a evolução das extensões com as cargas aplicadas, e os

respectivos valores de tensão (σ) e extensão (ε) máximas registadas pela máquina de ensaio, e o

módulo de elasticidade (E). Também é apresentado os valores respeitantes ao deslocamento (desl) a

meio vão dos provetes durante os ensaios de flexão. Posteriormente, é apresentada uma tabela

contendo os resultados médios obtidos.

3.5.1. Tracção

Tabela 10. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro bidireccional com Vf = 21%

Nº do provete E (MPa) σ (MPa) ε

9 8097,9 55,51 0,0068

10 9859,3 62,43 0,0061

11 9281,6 60,52 0,0064

12 9086,6 58,74 0,0062

13 8984,6 61,93 0,0069

15 8245,4 61,02 0,0069

MÉDIA 8925,9 60,03 0,0065 Desvio Padrão 659,7 2,56 0,0004

Figura 46. Gráfico descrevendo a evolução da tensão

com a extensão da fibra de vidro bidireccional com Vf =

21% em tracção

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,005 0,01

Te

nsã

o [

Mp

a]

Extensão

PC09 PC10 PC11

PC12 PC13 PC15

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48

Tabela 11. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro multi-direccional com Vf = 9%

Nº do provete E (MPa) σ (MPa) ε

2 4626,3 26,4 0,0056

4 4393,5 24,77 0,0057

6 4200,6 20,66 0,0049

9 4399,2 19,79 0,0045

10 4628,7 22,43 0,0048

MÉDIA 4449,7 22,81 0,0051 Desvio Padrão 180,96 2,77 0,0005

Figura 47. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com Vf = 9% em

tracção

Tabela 12. Resultados do ensaio tracção fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23%

Nº do provete E (MPa) σ (MPa) ε

4 7645,6 109,44 0,0213

5 8527,0 119,68 0,0234

6 8170,5 104,5 0,0198

7 7947,4 95,13 0,0180

8 8315,1 112,61 0,0211

9 7638,8 101,74 0,0214

10 8394,4 104,5 0,0184

11 8663,0 111,57 0,0210

MÉDIA 8162,7 107,40 0,0205 Desvio Padrão 7,55 386,97 0,0012

Figura 48. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com

Vf = 23% em tracção

0

5

10

15

20

25

30

0 0,002 0,004 0,006 0,008

Te

nsã

o[M

Pa

]

Extensão

PC10 PC02 PC04 PC09 PC06

0

50

100

150

0 0,01 0,02 0,03

Te

nsã

o [

MP

a]

ExtensãoPC04 PC05 PC06

PC07 PC08 PC09

PC10 PC11

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49

Tabela 13. Resultados do ensaio tracção fibra juta bidireccional com Vf = 31%

Nº do provete E(MPa) σ

(MPa) ε

2 5404,6 32,51 0,0062

6 5295,7 30,90 0,0058

8 4921,5 29,04 0,0059

10 5382,6 27,65 0,0051

11 5467,1 31,81 0,0060

MÉDIA 5294,3 30,38 0,0058 Desvio Padrão 659,7 2,56 0,0004

Figura 49. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta bidireccional com Vf = 31% em tracção

Tabela 14. Resultados do ensaio tracção fibra juta multi-direccional com Vf = 14%

Nº do provete E(MPa) σ (MPa) ε

2 4222,8 24,03 0,00609

5 4057,8 21,78 0,00550

6 4296,4 22,17 0,00533

7 4297,6 25,01 0,00604

8 4498,8 26,69 0,00629

9 3836,6 24,03 0,00639

MÉDIA 4201,7 23,95 0,00594 Desvio Padrão 181,0 2,77 0,0005

Figura 50. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta multi-direccional com Vf = 14% em

tracção

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,002 0,004 0,006 0,008

Te

nsã

o [

MP

a]

ExtensãoPC02 PC06 PC08 PC10 PC11

0

5

10

15

20

25

30

0 0,002 0,004 0,006 0,008

Te

nsã

o [

MP

a]

Extensão

PC02 PC05 PC06

PC07 PC08 PC09

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50

Tabela 15. Resumo dos Valores médios na tracção

Fibra Juta Fibra Vidro

Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf

= 23%) Tensão máxima

(MPa) 23,95 30,38 25,20 60,03 107,40

E (Mpa) 4201,67 5294,30 4449,66 8925,90 8162,725 ε (máxima ) 0,0059 0,0058 0,0051 0,0065 0,0205

3.5.2. Flexão

Tabela 16. Resultados do ensaio flexão fibra vidro bidireccional com Vf = 21%

Nº do provete E(MPa) σ (MPa) ε Desl

(mm) 1 5579,8 148,20 0,0279 4,80

2 7266,5 182,02 0,0252 4,53

3 6969,3 211,78 0,0210 5,42

5 6536,1 181,76 0,0277 4,79

8 6017,9 177,63 0,0288 5,05

MÉDIA 6473,9 180,28 0,0279 4,92 Desvio Padrão 686,5 22,55 0,0018 0,34

Figura 51. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro bidireccional com Vf = 21% em flexão

Tabela 17. Resultados do ensaio flexão fibra vidro multi-direccional com Vf = 9%

Nº do provete E(MPa) σ (MPa) ε Desl

(mm) 1 4839,4 68,71 0,0143 2,50

3 4518,4 74,22 0,0170 2,90

4 4637,9 69,66 0,0159 2,76

6 4814,4 79,13 0,0174 3,04

7 4782,4 68,03 0,0145 2,53

9 4741,6 61,36 0,0135 2,41

MÉDIA 4722,4 70,19 0,0154 2,70 Desvio Padrão 122,4 6,02 0,0015 0,25

Figura 52. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional

com Vf = 9% em flexão

0

50

100

150

200

250

0 0,02 0,04

Te

nsã

o[M

Pa

]

Extensão

PC01 PC02 PC03

PC05 PC08

0

20

40

60

80

100

0 0,005 0,01 0,015 0,02

Te

nsã

o[M

Pa

]

Extensão

PC01 PC03 PC04

PC06 PC07 PC09

Page 68: Cálculo estrutural numérico e experimental da carenagem de ... · Cálculo estrutural numérico e experimental da carenagem de um veículo Samuel Cezinando Ribeiro Furtado Dissertação

51

Tabela 18. Resultados do ensaio flexão fibra de vidro multi-direccional com Vf = 23%

Nº do Provete

E (MPa) σ (MPa) ε Desl (mm)

2 7338,7 187,98 0,0315 5,57

3 7600,9 219,23 0,0336 5,70

5 7239,3 215,06 0,0362 6,41

6 7429,9 197,866 0,0311 5,40

9 7079,0 203,60 0,0351 6,04

11 7036,4 206,66 0,0334 5,64

12 6821,8 186,60 0,0301 5,27

13 8013,1 203,60 0,0322 5,73

14 7421,2 193,79 0,0345 6,38

15 7535,0 180,18 0,0285 4,97

16 6882,3 198,87 0,0328 5,79

17 7351,5 182,29 0,0270 4,72

MÉDIA 7312,4 197,98 0,0322 5,64 Desvio Padrão 332,1 12,40 0,0027 0,51

Figura 53. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de vidro multi-direccional com

Vf = 23% em flexão

Tabela 19. Resultados do ensaio flexão fibra de juta bidireccional com Vf = 31%

Nº do provete E(MPa) σ

(MPa) ε Desl (mm)

1 2879,8 60,00 0,0230 3,54 2 2996,5 59,24 0,0229 3,50 4 2553,4 58,40 0,0266 4,05 5 2634,0 56,61 0,0236 3,60 9 3077,8 51,45 0,0181 2,92

MÉDIA 2828,3 57,14 0,0229 3,52 Desvio Padrão 227,2 3,42 0,0030 0,40

Figura 54. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta bidireccional com Vf = 31% em

flexão

0

50

100

150

200

250

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Te

nsã

o[M

Pa

]

Extensão

PC02 PC03 PC05 PC06

PC09 PC11 PC12 PC13

PC14 PC15 PC16 PC17

0

20

40

60

80

0 0,01 0,02 0,03

Te

nsã

o [

MP

a]

Extensão

PC01 PC02 PC04

PC05 PC09

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52

Tabela 20. Resultados do ensaio flexão fibra de juta multi-direccional com Vf = 14%

Nº do provete E(MPa) σ (MPa) ε Desl

(mm) 2 4293 39,91 0,0095 1,83

3 4055,4 50,84 0,0129 2,60

4 4242,3 54,34 0,0136 2,65 5 4208,1 47,56 0,0117 2,25

6 3955,2 43,03 0,0111 2,18

MÉDIA 4150,8 47,14 0,0118 2,30 Desvio Padrão 140,7 5,81 0,0016 0,33

Figura 55. Gráfico descrevendo a evolução da tensão com a extensão da fibra de juta multi-direccional com

Vf = 14% em flexão

Tabela 21. Resumo dos Valores médios na flexão

Fibra Juta Fibra Vidro

Características Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf = 23%)

Tensão máxima (MPa) 47,14 57,14 70,19 180,28 197,98

E (Mpa) 4150,80 2828,30 4722,35 6473,92 7312,43 ε (máxima) 0,0118 0,0229 0,0154 0,0279 0,0322

Deslocamento máximo (mm) 2,30 3,52 2,69 4,92 5,64

0

10

20

30

40

50

60

0 0,005 0,01 0,015

Te

nsã

o [

MP

a]

Extensão

PC02 PC03 PC04

PC05 PC06

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53

4. ANÁLISE COMPUTACIONAL

O objectivo principal deste trabalho, é determinar a possibilidade de substituir a fibra de vidro

por fibras de juta na construção de um automóvel, beneficiando de todas as vantagens já enunciadas.

Portanto, nesta secção, concluída a caracterização experimental dos materiais, procura-se, em

primeiro lugar analisar até que ponto a simulação computacional consegue reproduzir as solicitações

impostas às peças - através da simulação dos ensaios de tracção e flexão. Seguidamente, tendo

como controle o compósito reforçado pela fibra de vidro na configuração multi-direccional com

Vf=23%, procurar-se-á analisar as diferenças no comportamento do capot frontal do Buggy aquando

da utilização dos diversos materiais em estudo. Utiliza-se o compósito construído com fibras de vidro

no formato multi-direccional com 4 mm de espessura, pois, esta é a configuração usada actualmente

na construção de revestimentos de veículos buggy, e em várias empresas da indústria de materiais

compósitos, como é o caso das brasileiras Maquinas Agrícolas Jacto e AnCel - Plásticos Reforçados.

As propriedades mecânicas dos materiais utilizados foram determinadas de acordo com o

apresentado na secção 2.3.10 e são apresentadas nas tabelas 22 e 23, para as configurações

bidireccionais e multi-direccionais, respectivamente. Relativamente as tensões limite, no caso das

configurações multi-direccionais, fez-se o uso dos resultados obtidos nos ensaios experimentais. No

que diz respeito às configurações bidireccionais, como a matriz polimérica possui uma resistência

inferior ao da fibra, a tensão máxima ao corte (T) dos compósitos será igual ao da matriz. Como foi

visto na secção 2.3.10, por serem tecidos do tipo tela, as propriedades da lâmina construída por

fibras bidireccionais na direcção longitudinal são iguais à transversal, o que também implica que as

resistências na direcção longitudinal (X) e transversal (Y) também sejam iguais. Posto isto, como os

Vf’s são todos superiores a 5%, X e Y são determinadas da equação 20 [23].

X=Y=V$.σ$&+(1-V$�. σ'& (20)

Onde σ$& é a resistência à tracção da fibra e σ'&é a resistência à tracção da matriz

Tabela 22. Propriedades mecânicas das lâminas construídas por fibras bidireccionais consideradas durante as

simulações computacionais.

Características Fibra de vidro Bi (Vf = 21%)

Fibra de juta Bi (Vf = 31%)

E1 (GPa) 10,090 7,791 E2 (GPa) 10,090 7,791

G12 (GPa) 1,253 1,396 G13 (GPa) 1,253 1,396 G23 (GPa) 1,253 1,396

υ12 0,077 0,132 X(MPa) 496,95 88,40 Y(MPa) 496,95 88,40 T(MPa) 20,36 20,36

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54

Tabela 23. Propriedades mecânicas das lâminas construídas por fibras multi-direccionais consideradas durante as simulações computacionais.

Características Vidro (Vf = 9%)

Juta (Vf =14%)

Vidro (Vf = 23%)

E (GPa) 5,116 4,489 9,100 υ 0,3 0,3 0,3

Tensão limite Tracção (MPa) 22,81 23,95 107,40

4.1. Análise dos provetes

4.1.1. Modelo

Para os ambos os casos - tracção ou flexão, os modelos utilizados têm dimensões dos

correspondentes provetes utilizados nos ensaios experimentais. Os valores das cargas aplicadas

correspondem às cargas máximas observadas durante os ensaios mecânicos, e as condições de

fronteira procuram reproduzir fielmente o que se passa nos ensaios mecânicos, que para o caso da

tracção o provete está encastrado numa das extremidades e a carga é aplicada na extremidade

oposta (fig. 56), e no caso da flexão a peça é simplesmente apoiada em dois pontos num dos lados

(distancia entre apoios igual a 64mm) e a carga é aplicada na face oposta no centro do provete (fig.

57).

Figura 56. Modelo de aplicação das cargas para a simulação do ensaio de tracção

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55

Figura 57. Modelo de aplicação das cargas para a simulação do ensaio de flexão

4.1.2. Tipo de elemento utilizado

Devido a simplicidade da forma dos provetes, tanto no ensaio tracção como de flexão, utilizou-se o

elemento quadrangular S8R constituído por 8 nós e com comprimento dos lados igual a 2 mm

(fig.58).

Figura 58. Elemento S8R utilizado na simulação do ensaio de tracção e flexão

4.1.3. Resultados

Tracção

A tabela 24 apresenta os resultados das extensões máximas observadas durante a simulação

dos ensaios de tracção. Também, de forma a facilitar a comparação com os resultados

experimentais, são apresentados os respectivos valores determinados experimentalmente. É

apresentado na figura 59 a distribuição característica das extensões segundo a direcção de

carregamento (ε11), e nas figuras 60 e 61 a evolução das tensões (em MPa) ao longo da espessura

dos laminados constituídos pelas fibras de juta e de vidro na configuração bidireccional, onde . S11 é

a tensão segundo x, S22 é a tensão segundo y e S12 é a tensão segundo xy. Relativamente às

configurações multi-direccionais, essa evolução não é apresentada, uma vez que se assume que tais

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56

materiais apresentam um comportamento quasi-isotrópico, e por conseguinte a tensão é constante ao

longo da espessura.

Tabela 24. Resultados da simulação do ensaio tracção

Fibra Juta Fibra Vidro

Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf = 23%)

Tensão (MPa) 23,95 30,38 25,20 60,03 107,40 Extensão máxima 0,0053 0,0044 0,0049 0,0069 0,0117

Extensão experimental 0,0059 0,0058 0,0051 0,0065 0,0205

Figura 59. Distribuição característica da extensão (ε11) ao longo do provete nos ensaios de tracção

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57

Figura 60. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de juta bidireccional na simulação do ensaio de tracção.

Figura 61. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de vidro bidireccional na simulação do ensaio de tracção.

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58

Flexão

Apresenta-se na tabela 25 os resultados relativos aos deslocamentos a meio vão dos

provetes, assim como os valores referentes às extensões máximas segundo a direcção x. Na figura

62 mostra-se a distribuição característica do deslocamento dos provetes. Pelas mesmas razões

invocadas no caso da simulação dos ensaios tracção, aqui também se apresenta somente a evolução

das tensões ao longo da espessura do laminado, (fig. 63 e fig. 64).

Tabela 25. Resultados da simulação do ensaio flexão

Fibra Juta Fibra Vidro

Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf = 23%)

Carga (N) 118,87 187,02 177,75 447,65 489,30 Deslocamentos máximos (mm) 1,73 1,74 2,61 3,92 3,51

ε11 0,0097 0,0097 0,0128 0,0183 0,0201 Deslocamento

máximo experimental

(mm)

2,30 3,52 2,69 4,92 5,64

ε11

experimental 0,0118 0,0229 0,01543 0,02794 0,0322

Figura 62. Deslocamento registado ao longo do provete durante a simulação os ensaios de flexão

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59

Figura 63. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de juta bidireccional na simulação do ensaio de flexão.

Figura 64. Tensões ao longo da espessura do laminado de fibras de vidro bidireccional na simulação do ensaio de flexão.

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60

4.2. Análise do capot

O capot frontal do Buggy não é uma peça que está constantemente sujeita a grandes

esforços, pois, não é uma peça estrutural do veículo. Todavia, durante o funcionamento do buggy, o

capot pode ser submetido a esforços ocasionais elevados, e que se não forem devidamente

acautelados podem provocar estragos consideráveis, que podem comprometer o bom funcionamento

do veículo. Neste estudo, analisa-se o comportamento do capot no caso em que um peso de 80 kgf

(peso médio de um homem) é aplicada sobre o mesmo, com o objectivo de a analisar o

comportamento dos compósitos de fibras de juta, e compará-lo com o capot construído pelo material

modelo, o compósito construído pelas fibras de vidro multi-direccional com Vf = 23%.

4.2.1. Modelo

Na simulação de qualquer peça real, há sempre necessidade de se fazer várias

simplificações. Para este estudo, na simulação do comportamento do capot, aquando da aplicação de

uma carga de 80 kg, considerou-se que a carga ocupa uma área com o formato circular de raio igual

a 200 mm a meio do mesmo, e que a interacção entre a sua fronteira e a restante parte da

carenagem principal do Buggy pode ser aproximada a um encastramento na zona de ligação nas

dobradiças e a um apoio simples na região de ligação das borrachas de protecção da interface entre

o capot e o corpo principal do veículo (fig. 65). O desenho de pormenor do capot é apresentado no

anexo B.

Figura 65. Modelo do Capot, apresentando a área de aplicação da carga e as condições de fronteira utilizadas

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61

4.2.2. Tipo de elemento utilizado

Como se pode ver na figura 66, a utilização de elementos triangulares permite obter uma

malha contendo menores distorções dos elementos, comparativamente aos elementos rectangulares

(fig. 67). Posto isto, a análise é feita fazendo o uso do elemento do tipo shell triangular STRI65

contendo seis nós e cinco graus de liberdade por nó (fig.68).

Figura 66. Modelo do Capot utilizando elementos triangulares

Figura 67. Modelo do Capot utilizando elementos rectangulares

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62

Figura 68. Elemento triangular STRI65 utilizado

4.2.3. Resultados

Na tabela 26 são apresentados os valores máximos para os deslocamentos, tensões (de von

Mises) no caso da configuração multi-direccional, e a massa do capot construído pelos compósitos de

fibras de vidro e de juta, nas mesmas condições que os utilizados durante os ensaios experimentais -

mesmo número e sequência de empilhamento das lâminas, e mesma percentagem de fibra. Também

é apresentado, os valores determinados experimentalmente, relativamente às tensões máximas dos

compósitos na configuração multi-direccional, que serão aos valores de resistência considerados

durante as simulações. No caso da configuração bidireccional, uma vez que o valor da tensão

depende da direcção da aplicação das cargas e do posicionamento da lâmina no empilhamento,

esses valores não serão aqui apresentados. Serão apresentados os valores das tensões no

referencial local na secção da análise e discussão de resultados (secção 5), e os respectivos valores

no referencial global serão apresentados no anexo A. Os valores apresentados são referentes ao

ponto A da figura 70, que como se pode ver pertence à região de maiores tensões, o que aliás está

de acordo com o esperado, pois esta região situa-se próximo do encastramento. Apresenta-se na

figura 69 a distribuição característica do capot, quando é aplicada a carga de 80 kg, e nas figuras 71

e 72 a evolução das tensões ao longo da espessura do laminado no caso da utilização de compósitos

reforçados pelas fibras na configuração bidireccional.

Tabela 26. Resultados obtidos na simulação do capot.

Juta Vidro

Multi -direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi-direccional (Vf = 23%)

Deformação Máxima (mm) 28,07 26,04 27,67 24,82 23,11

Tensão Máxima (MPa) 65,27 ------------ 66,19 ------------ 75,13

Tensão limite experimental

(MPa) 23,95 ------------ 22,81 ------------ 107,4

Peso do capot (kg) 2,00 2,09 2,08 2,39 2,44

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63

Figura 69. Deformação característica do capot

Figura 70. Distribuição característica da tensão ao longo do capot. ‘A’ ponto de maior tensão.

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64

Figura 71. Tensões ao longo da espessura do laminado do capot de fibras de juta bidireccional.

Figura 72. Tensões ao longo da espessura do laminado do capot de fibras de vidro bidireccional.

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65

5. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

5.1. Resultados provetes

5.1.1. Tracção

Analisando os resultados experimentais obtidos (tab.27), constata-se que, excluindo o caso

do provete construído pela fibra de vidro na configuração bidireccional, todos os valores dos módulos

de rigidez são inferiores as previstos pela teoria clássica de laminados (TLC). No caso dos provetes

construídos pela fibra de juta no formato bidireccional, essa diferença encontra-se na ordem dos 30%,

enquanto para o caso multi-direccional é da ordem dos 7%. Para os provetes construídos pelas fibras

de vidro na configuração multi-direccional a diferença é também de 7 %. O provete em fibra de vidro

bidireccional, ao contrário dos restantes casos, apresenta um valor do módulo de elasticidade

experimental superior ao valor teórico previsto, situando a diferença nos 1%. Portanto, a diferença

significativa (> 10%) ocorre somente no caso da fibra de juta bidireccional (30%), e que poderá ser

justificada por problemas na adesão entre a fibra e matriz, pois na TLC considera-se uma adesão

perfeita entre a fibra e a matriz. Este problema é mais susceptível de acontecer nas fibras de juta na

configuração bidireccional, uma vez que os cordões que compõem a tela bidireccional são “torcidas”

durante a fase de fabricação, tornam assim a penetração da resina mais difícil.

Tabela 27. Módulos de young previstos pela teoria clássica de Laminados

Fibra Juta Fibra Vidro

Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf

= 23%) Eteórico (Mpa) 4489 6900 5116 8680 9100

Da análise dos resultados computacionais (tab.28), constata-se que no caso dos provetes

construídos a partir de fibras de vidro na configuração bidireccional, os valores das extensões são

coerentes com o facto mencionado acima, sendo 6% superior ao experimental. Relativamente aos

restantes casos, as extensões alcançadas são inferiores às experimentais. No caso das fibras de

vidro multi-direccional com VF=9% a diferença é de 4% e com VF=23% a diferença é de 75. Nota-se

que no caso das fibras de juta, as diferenças são 31,8% para a bidireccional e 11% para a multi-

direccional. A justificação para essas diferenças serem elevadas encontra-se no facto de, as relações

e tensão/extensão não serem totalmente lineares. Observando a figura 73, que é caso das fibras de

vidro multi-direccional com Vf=23%, constata-se que no inicio do ensaio a relação é linear e, a partir

do ponto B deixa de o ser, e no entanto na analise computacional considerou-se que a evolução é

totalmente linear. Ao considerar uma evolução linear, isto significa que para a tensão aplicada, a

extensão resultante será menor do que o experimental, e este efeito é maior quanto mais longe

estiver a evolução da linearidade. Aliás, se forem considerados os valores de extensão obtidos

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66

através da lei de Hook para os valores de E médios (tab. 28), as diferenças em relação aos valores

computacionais seria de 2% para a juta bidireccional, 3% para a juta multi-direccional, 3% para o

vidro bidireccional, 0% para o vidro multi-direccional com Vf=9% e 36% vidro multi-direccional com

Vf=23%. Este facto mostra que, caso se esteja a trabalhar próximo da tensão limite do material, deve-

se ter uma particular atenção aos valores das deformações obtidos nas simulações computacionais,

uma vez poderão ser superiores aos reais. Então, os resultados serão próximos dos valores reais,

somente no caso de pequenas deformações. Note-se que tanto em flexão, como em tracção as

diferenças aumentam com o aumento do teor de fibras presente no compósito de vidro e de juta, um

resultado que evidencia claramente o facto de que quando o teor da fibra é baixo, o comportamento

do compósito se aproximar do comportamento da matriz, o que é compreensível.

No que diz respeito à distribuição das tensões ao longo da espessura do laminado, constata-

se que no caso das configurações bidireccionais as evoluções são semelhantes, diferenciando-se

apenas nos valores das tensões (maior para o caso do vidro), que é o esperado, pois os

empilhamentos são iguais mas a rigidez da lâmina é diferente para cada tipo de material.

Figura 73. Diferenças entre a evolução real e evolução considerando um comportamento totalmente linear no

caso da fibra de vidro multi-direccional com Vf=23%

Tabela 28. Extensões máximas obtidos através da lei de Hook, utilizando o módulo de Young médio experimental

Fibra Juta Fibra vidro

Multi -

direccional (Vf = 14%)

Bidireccional (Vf = 31%)

Multi -direccional (Vf = 9%)

Bidireccional (Vf = 21%)

Multi -direccional (Vf = 23%)

ε11 0,0057 0,0057 0,0051 0,0067 0,0132

5.1.2. Flexão

Analisando os resultados experimentais e os computacionais (tab. 21 e 25), constata-se que

em todos os casos, a deformação máxima experimental é superior ao computacional (33% para a juta

bidireccional, 100% para a juta multi-direccional, 26% para o vidro bidireccional, 3% para a o vidro

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67

multi-direccional com Vf=9% e 61% vidro multi-direccional com Vf=23%). Consequentemente a

extensão experimental segundo x também é superior ao resultado computacional. A principal

justificação para este facto será o mesmo que no caso do ensaio tracção. No caso especifico do

ensaio flexão, poderá haver outros factores que aumentaram essas diferenças. Um desses factores é

o facto de no processo RTM, após a injecção da resina, deixar de haver um laminado no sentido

estrito da palavra, passando a haver uma única lâmina contendo várias camadas fibras e abarcadas

pela resina. Este facto leva a que distribuição possa não ser totalmente uniforme, o que pode fazer

com que por exemplo a haja mais resina do que fibra nas superfícies ou vice-versa, produzindo

resultados diferentes dos métodos analíticos e computacionais, uma vez que estes métodos

pressupõem uma distribuição uniforme das fibras. Também é de se notar que a comparação dos

resultados obtidos pelos dois formatos revela que, as diferenças nos resultados são superiores no

caso do formato bidireccional, chegando mesmo os 100% no caso da fibra de juta. No que diz

respeito a evolução das tensões ao longo da espessura do laminado, devido a simetria do

empilhamento e da forma do provete, a distribuição é simétrica, como se esperava.

5.2. Resultados da simulação do capot

O capot modelo é o construído em fibras de vidro no formato multi-direccional e com 23% de fibra,

e os resultados da simulação são 23,11 mm de deslocamento máximo e 75,13 MPa de tensão

máxima. Este valor de deslocamento de 23,11 mm constituirá o valor de referência. Relativamente a

tensão máxima (75,13 MPa), este valor é inferior ao valor limite determinado experimentalmente

(107,4MPa), alcançando por isso, um coeficiente de segurança de 1,43. No caso das outras

construções, verifica-se que, exceptuando as fibras de juta bidireccional, para todas elas as tensões

máximas são superiores às tensões limite, significando que, para os critérios de falha utilizados (von

Mises para os multi-direccionais e Tsai-Hill para os bidireccionais [34]), todos apresentam ocorrência

de falha. Da análise dos resultados laminado de juta bidireccional (tab.30) constata-se que, os valores

das tensões estão muito próximos dos valores limite (C.S. =1,18), sendo arriscado em termos de

projecto, nestas condições, garantir que o capot não apresenta falha. Para o caso do laminado da

fibra vidro bidireccional, a primeira lâmina a falhar será a 5ª, contendo as fibras alinhadas a 45º,

devido principalmente às tensões de corte na lâmina, pois assume-se que as tensões de corte

máximas da lâmina são iguais às da matriz, que como são baixos, fragilizam o compósito nesta

direcção.

Tabela 29. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional na configuração base [(0/90,(45/-45) ),(0/90)]s

Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS 6 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -54,034 -24,074 8,675 2,16

5 FJBI (Vf = 31%) (45, -45) -32,290 -20,175 17,563 1,18

4 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -28,293 14,243 4,027 4,56

3 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -15,422 27,016 -2,171 5,30

2 FJBI (Vf = 31%) (45, -45) 19,056 31,051 -12,990 1,99

1 FJBI (Vf = 31%) (0,90) 23,190 52,560 -8,369 2,30

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68

Tabela 30. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na configuração bidireccional na configuração base [(0/90,(45/-45) ),(0/90)]s.

Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS

6 FVBI (Vf = 21%) (0,90) -58,787 -21,033 8,138 5,86

5 FVBI (Vf = 21%) (45, -45) -32,115 -22,016 21,502 0,89

4 FVBI (Vf = 21%) (0,90) -33,078 17,473 3,372 28,19 3 FVBI (Vf = 21%) (0,90) -20,223 30,308 -1,395 79,64 2 FVBI (Vf = 21%) (45, -45) 19,273 29,357 -14,115 2,07

1 FVBI (Vf = 21%) (0,90) 18,341 55,979 -6,161 9,84

5.3. Propostas optimização capot

O objectivo principal deste trabalho é a substituição da fibra de vidro pela fibra de juta na construção

de componentes automóvel, aqui representado pelo capot dianteiro. Analisados os resultados do

capot construído pelas fibras de juta nas configurações dos compósitos utilizados durante os ensaios

experimentais, verifica-se que, como foi referido anteriormente, nenhuma das configurações utilizadas

consegue cumprir os requisitos necessários a sua utilização (deformação próxima do capot modelo e

sem falha). Neste sentido, nesta secção procura-se soluções que possibilitam a utilização das fibras

de juta, tanto na configuração bidireccional e multi-direccional. Assim sendo procedeu-se a dois tipos

de abordagem, apresentados a seguir:

Grupo 1 - Compósitos construídos fazendo o uso exclusivamente de fibras vegetais, onde a melhoria

dos resultados mecânicos é atingida através do aumento da espessura ou do reforço do compósito

por laminas bidireccionais para o caso das fibras de juta multi-direccionais (FJBI) (Soluções 1 e 2,

respectivamente). No caso do laminado construído por fibras de juta na configuração bidireccional

(FJBI), como se verá mais a frente, consegue-se melhorar o seu desempenho alterando a somente

sequência de empilhamento (Solução3);

Grupo 2 - Compósitos híbridos, onde camadas de fibra de vidro é utilizada como reforço no compósito

composto por fibras de juta multi-direccional. Neste caso, aproveita-se o facto de as fibras de vidro

apresentarem melhores propriedades mecânicas, e consequentemente não aumentarem

significativamente a espessura do compósito (Soluções 4 e 5).

Seguidamente, são apresentados e analisados as diferentes soluções de optimização considerados.

5.3.1. Solução 1 – Aumento da espessura do compósit o multi-direccional

A primeira solução encontrada para o caso do capot construído pela fibra de juta na

configuração multi-direccional, foi o aumento da espessura (passando de 4 para 7mm), de forma a

aumentar o 2º momento de área (I) do capot, aumentando assim a rigidez à flexão (EI), e

consequentemente aumentar a sua resistência à flexão.

Analisando os resultados obtidos (tab.33), constata-se que, em termos de deslocamentos

máximos, esta solução apresenta um valor de 4.38mm, que é muito inferior ao valor alcançado pelo

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69

capot modelo (23,11mm). O coeficiente de segurança a considerar, neste caso seria de 1,33.

Relativamente ao peso do capot, verifica-se que o valor alcançado, 3.5 kg, é superior ao valor

alcançado pelo material modelo (2,44 kg), que, como se certificará na secção 6 (Analise do ciclo de

vida), implica uma menor performance ambiental. Neste sentido, a grande vantagem das fibras

vegetais - o menor impacto ambiental, perde-se, pois, a necessidade de aumentar a espessura de

forma a manter a integridade da peça leva a um aumento significativo do peso, fazendo com que haja

um grande aumento dos consumos de combustíveis e consequente aumento do impacto ambiental.

Tabela 31. Resultados relativos à utilização de fibra de juta multi-direccional (Vf = 14%) na construção do capot com 7 mm de espessura

Tensão máxima (MPa) Deformação máxima (mm) Espessura (mm) Peso (kg)

17,95 4,38 7 3,50

5.3.2. Solução 2 – Reforço do compósito por camadas de fibra de juta bidireccional

Uma vez que a manta bidireccional apresenta resistência mecânica superior ao da multi-

direccional, aqui ela é utilizada no reforço do capot construído pelas mantas multi-direccionais.

Considera-se o capot construído por um núcleo multi-direccional, reforçado em cada superfície por

duas lâminas bidireccionais.

Constata-se que, relativamente à primeira solução, consegue-se obter uma espessura e peso

inferiores. No entanto o deslocamento máximo (5,56 mm) é ligeiramente superior, mas continuando a

ser muito inferior ao valor de referência (23,11mm). Também neste caso o peso (3,39 kg) alcançado é

superior ao do modelo (2,44 kg), significando maiores impactos ambientais.

Tabela 32. Resultados relativos a utilização de 4 lâminas de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%) no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%)

Deformação máxima (mm) Espessura (mm) Peso (kg)

5,56 6,67 3,39

Analisando a evolução das tensões (fig.74), verifica-se que, como se esperava, grande parte

dos esforços do capot são transmitidos para as lâminas bidireccionais da superfície, pois elas

apresentam maior rigidez do que as multi-direccionais. No que diz respeito ao coeficiente de

segurança, situa-se nos 2,83 (tab.33).

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70

Figura 74. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração

multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 4 lâminas de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%)

Comparando com a solução anterior, constata-se que esta solução é melhor, pois, não só

apresenta um peso e espessuras inferiores, como também um coeficiente de segurança superior.

Tabela 33. Tensões no referencial local para solução de optimização 2. Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS

5 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -17,496 -8,300 3,994 14,72

4 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -15,379 -5,938 3,420 19,48

3 FJRA (Vf = 14%) 0 -8,448 6,389 3,519 2,83

2 FJBI (Vf = 31%) (0,90) 1,559 12,963 -1,175 44,33

1 FJBI (Vf = 31%) (0,90) 3,676 15,325 -1,749 31,29

5.3.3. Solução 3 – Alteração do empilhamento da fib ra de juta bidireccional

Uma vez que, analisado o capot construído por mantas bidireccionais, constatou-se de que a

primeira lamina a falhar será a 2ª (a +/-45º), para este caso optou-se por se fazer o uso de uma das

vantagens mais importantes dos materiais compósitos laminares, que é a possibilidade “moldar” as

propriedades do nosso material, alterando os empilhamentos. Como o facto de a 2ª lamina estar a

45º, resultar no aparecimento de tensões de corte elevadas na lâmina, optou-se por “deslocar” essas

lâminas para a região mais interior do material, resultando assim no empilhamento seguinte [(0/90),

(0/90),(45/-45)]s. Com este empilhamento, as elevadas tensões normais e transversais impostas ao

capot são suportadas pela lâmina nas direcções de maior resistência (direcção L e T) (fig.75).

Como se pode constatar na tabela 34, o peso do capot construído pelas fibras de juta no

formato bidireccional (2,09 kg) é inferior ao do capot modelo (2,44 kg), e aqui, como é alterada

somente a sequência de empilhamento, então esta situação mantém-se. Desta solução resulta uma

construção com os mesmos 4 mm de espessura e 2.09 kg do material base, mas no entanto, a

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71

deformação máxima (26,38mm) é 14% superior ao alcançado pela construção usando o material

modelo (23,11mm). O coeficiente de segurança se situa na ordem dos 1,76 (tab.35).

Também é de salientar que no caso da fibra de vidro bidireccional, a utilizando a sequencia

de empilhamento [(0/90),(0/90),(45/-45)]s, evita-se a falha do componente. Os resultados são

apresentados no anexo A.

Tabela 34. Resultados relativos à utilização de fibra de juta bidireccional (Vf = 31%) na construção do capot com o empilhamento [(0/90),(0/90),(45/-45)]s.

Deformação máxima (mm) Espessura (mm) Peso (kg)

26,38 4 2,09

Figura 75. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração

bidireccional (Vf = 31%) e com o empilhamento [(0/90),(0/90),(45/-45)]s

Tabela 35. Tensões no referencial local para solução de optimização 3. Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS

6 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -54,855 -25,346 10,748 1,76

5 FJBI (Vf = 31%) (0,90) -41,704 -12,081 7,456 3,21

4 FJBI (Vf = 31%) (45, -45) -19,740 -7,630 10,265 3,42

3 FJBI (Vf = 31%) (45, -45) 6,652 18,809 -5,964 8,27

2 FJBI (Vf = 31%) (0,90) 10,899 40,979 -5,712 3,97

1 FJBI (Vf = 31%) (0,90) 24,049 54,244 -9,004 2,09

5.3.4. Solução 4 - Reforço pela fibra de vidro mult i-direccional

De acordo com o que foi dito na parte introdutória desta secção, também se procura

aproveitar as melhores propriedades mecânicas das fibras de vidro no reforço do compósito

construído pelas fibras de juta na configuração multi-direccional. Nesta solução, o compósito

construído por fibras juta na configuração multi-direccional (FVRA) é reforçado em cada uma das

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72

superfícies por lâminas de 1 mm, de fibras de vidro no formato multi-direccional (Vf=23%), resultando

assim num laminado de 6 mm de espessura.

Apesar de, em termos de deslocamentos, se obterem valores inferiores aos do capot modelo,

esta solução apresenta o inconveniente de possuir um peso superior (3,30 Kg), o que constitui uma

desvantagem em termos ambientais, como aliás já foi referido anteriormente.

Tabela 36. Resultados relativos a utilização de 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%) com 1mm espessura cada superficie, no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%)

Deformação máxima (mm) Espessura (mm) Peso (kg)

5,04 6 3,21

Da análise figura 76, constata-se que relativamente a solução 2, as tensões maiores continuam a ser

suportadas pelas lâminas de reforço nas superfícies, mas devido à maior resistência das lâminas

fibras de vidro, o coeficiente de segurança é maior (CS=3,9) (tab.37).

Figura 76. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração

multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%).

Tabela 37. Tensões no referencial local para solução de optimização 4. Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS

3 FVRA (Vf = 9%) 0 -17,727 -8,877 7,449 25,20

2 FJRA (Vf = 14%) 0 -6,976 5,305 2,847 3,92

1 FVRA (Vf = 9%) 0 3,945 14,647 -2,690 57,31

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73

5.3.5. Solução 5 – Reforço pela fibra de vidro bidi reccional

A outra solução em termos de material híbrido foi o de reforçar o compósito com fibras de juta

multi-direccionais com mantas de fibra de vidro bidireccionais (FVBI). Após tentativas, chegou-se a

conclusão que no caso da manta bidireccional de fibra de vidro em utilização, a melhor solução

possível (de menor espessura e peso), será o reforço por duas mantas em cada superfície.

Esta solução resultou num compósito de 6,67 mm de espessura, e 3.59 kg, que é a solução

de maior peso, e consequentemente maior impacto ambiental, no entanto é a solução melhor em

termos de deslocamento, apresentando um valor de 4,71 mm. Quanto ao coeficiente de segurança,

ela é de 3,76 (tab.39).

Tabela 38. Resultados relativos a utilização de 4 lâminas de fibra de vidro bidireccional (Vf = 21%) no reforço do capot construído por fibras de juta multi-direccional (Vf = 14%)

Deformação máxima (mm) Espessura (mm) Peso (kg)

4,71 6,67 3,59

Figura 77. Evolução das cargas ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração

multi-direccional (Vf = 14%) e reforçado por 4 lâminas de fibra de vidro bidireccional (Vf = 21%).

Tabela 39. Tensões no referencial local para solução de optimização 5.

Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) CS

5 FVBI (Vf = 21%) (0,90) -18,827 -9,350 3,335 35,79

4 FVBI (Vf = 21%) (0,90) -16,588 -6,769 2,858 48,60

3 FJRA (Vf = 14%) 0 -7,310 5,298 3,282 3,76

2 FVBI (Vf = 21%) (0,90) 1,325 13,880 -0,956 342,53

1 FVBI (Vf = 21%) (0,90) 3,564 16,461 -1,432 170,42

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74

6. ANÁLISE CICLO DE VIDA (ACV)

De forma a determinar o impacto ambiental das carenagens do Buggy, foi realizado a análise

do ciclo de vida do capot frontal em estudo, construído pelas fibras de vidro e pelas fibras de juta na

configuração bidireccional, utilizando o programa SimaPro 7.0, da PRé-Consultants. Considerando o

capot uma peça representativa do veículo no seu todo, procura-se perceber como a utilização dos

diferentes materiais em estudo influenciam a performance ambiental do veículo.

Na análise utilizou-se como indicador, o Eco-indicador 99 [54], que considera três categorias

básicas de danos (tab.40):

- Saúde humana, que contém a ideia de que, tanto no presente como no futuro, todos os

seres humanos devem estar livres de doenças ambientalmente transmissíveis, de qualquer “defeito”

ou de morte prematura;

- Qualidade do ecossistema, que contém a ideia de que, nenhum ser não humano deve ser

sujeito à separação da sua espécie e nem deslocadas para fora do seu habitat natural.

- Recursos, que contém a ideia de que o fornecimento pela natureza dos bens não – vivos,

que é essencial para a sociedade humana, deve manter-se disponível para todas as futuras

gerações.

Tabela 40. Categorias de danos e impactos. [55] Categoria de

dano Categoria de impacto Unidades

Saúde Humana

Cancerígenas

DALY

Inaladores orgânicos

Inaladores inorgânicos

Mudanças Climáticas

Radiação

Camada de ozono

Qualidade do ecossistema

Eco - tóxico

PDF*m2*ano Acidificação/

Eutrophication

Utilização do solo

Recursos Minerais

MJ excedente Combustíveis Fosseis

Onde,

- Disability Adjusted Life Years (DALY) é o aumento total das doenças, devido a deficiências e

morte prematura, causada por doenças específicas ou lesões. Este parâmetro também é

utilizado pela Organização Mundial da Saúde (OMS).

- Potentially Disappeared Fraction (PDF) expressa percentagem de espécies que poderão não

ser encontradas numa determinada região devido a condições desfavoráveis numa certa área

e num determinado período de tempo;

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75

- MJ excedente é a quantidade de energia em excesso que vai precisar no futuro na extracção

de minérios ou combustíveis fosseis.

6.1. Condições de fronteira

O termo condições de fronteira, neste contexto, representa as necessidades (de transporte, infra-

estruturas de apoio, consumos de combustível, etc.) durante todo o ciclo de vida do capot, desde a

fase de extracção das matérias-primas, passando pela fase de produção e de uso, até ao seu

descarte final (Fig.78).

Figura 78. Ciclo de vida do capot. [56]

Os dados relativos às necessidades no cultivo das fibras de juta foram fornecidos pelos

fornecedores da juta, podendo também ser encontrados na literatura. Relativamente à fibra de vidro,

à resina de poliéster e ao uso do veículo, foram utilizados os dados existentes na base de dados do

programa SimaPro 7.0 [35]. Quanto aos dados respeitantes ao tratamento das fibras de juta e a

produção dos capots, foram fornecidos pela AnCeL – Plásticos Reforçados. As necessidades de

transporte das matérias-primas foram fornecidas pelos respectivos fornecedores. Os dados

resultantes dos consumos de electricidade foram baseados no perfil de consumo do sistema eléctrico

brasileiro, que consta de Coltro [36]. Relativamente ao aterro e a incineração, considerou-se os dados

que constam do relatório do governo Brasileiro relativo aos Indicadores de desenvolvimento

sustentável [37,38]. Quanto aos dados sobre a reciclagem dos produtos, foram utilizados dados

obtidos através de ensaios experimentais. No anexo C são apresentados os dados sobre os produtos

em estudo, nas várias fases de uso, utilizados durante a análise do ciclo de vida do capot.

6.2. Resultados e discussão (ACV)

Page 93: Cálculo estrutural numérico e experimental da carenagem de ... · Cálculo estrutural numérico e experimental da carenagem de um veículo Samuel Cezinando Ribeiro Furtado Dissertação

76

Na figura 79 e tabela 41 são apresentados os resultados referentes às três grandes categorias de

danos (Saúde, qualidade do ecossistema e recursos) para cada uma das soluções (fibra de vidro e

fibra de juta) durante todo o ciclo de vida do capot. Os valores apresentados representam a

percentagem de dano causado pelo capot comparativamente ao dano provocado por um cidadão

europeu durante um ano. O que significa que referente a danos na saúde humana, no caso do capot

construído pelas fibras de juta, os danos provocados por este é igual a 0,384% dos danos provocado

por cidadão europeu num ano.

Tabela 41. Causas de danos em cada categoria durante o ciclo de vida do capot.

Capot de Juta Capot de vidro

Saúde Humana

Cancerígenas 0,01384385 0,015031125 Inaladores orgâ nic os 0,001738655 0,001797678

Inaladores inorgânicos 0,309766718 0,331534141 Mudanças Climáticas 0,057629756 0,062951128

Radiação 0,000786023 0,000854764 Camada de ozono 0,000188605 0,00020772

Qualidade do ecossistema

Eco - tóxic o 0,014398997 0,015742212 Acidifica ção/

Eutrophication 0,029093947 0,030722945

Utilização do solo 0,044002956 0,048129756

Recursos Minerais 0,006698004 0,007137881

Combustíveis Fosseis 4,36690636 4,780705992

Figura 79. Categoria de danos durante o ciclo de vida do capot.

0

1

2

3

4

5

6

Saúde Humana Qualidade ecossistema Recursos

Dan

o do

cap

ot/ d

ano

caus

ado

por

umE

urop

eu n

um a

no (

%)

Capot Juta Capot Vidro

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77

Tabela 42. Resultados totais dos danos do capot em cada categoria Categoria de

dano Capot de Juta Capot de vidro

Saúde Humana 0,384 0,412 Qualidade do ecossistema

0,087 0,095

Recursos 4,374 4,788

Da análise dos resultados, quer da figura como da tabela, constata-se que, para ambas as

soluções, o impacto maior é devido a degradação dos recursos (minerais e combustíveis fósseis),

representando cerca de 90% do total de danos causados. Isto deve-se ao facto de durante todo o

ciclo de vida de um veículo automóvel, a fase que causa maior impacto ambiental ser a fase de uso,

em que os danos resultam da queima dos combustíveis fosseis. Os danos na saúde devem-se

principalmente a inalação de produtos inorgânicos libertados durante a fase de produção dos

componentes. No que diz respeito aos danos na qualidade do ecossistema, representa a categoria de

menor impacto (cerca de 2% dos danos), e deve-se principalmente à utilização do solo (para

construção e manutenção de estradas e na exploração dos combustíveis) durante a fase de uso.

Relativamente ao impacto ambiental causado por cada uma das soluções, verifica-se que a

solução com a fibra de vidro causa maior impacto em todas as categorias de dano, sendo 7%

superior na saúde e na qualidade do ecossistema e 9% nos recursos. O maior impacto causado pela

solução com a fibra de vidro relativamente aos recursos, deve-se fundamentalmente ao maior peso

do capot construído pela fibra de vidro (14,4% superior), pois o consumo de combustível está

directamente ligado ao peso do veículo, sendo tanto maior, quanto maior for o peso do veículo.

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78

7. CONCLUSÕES E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS

7.1. Conclusões

Após análise dos resultados conclui-se que:

- Existe uma maior facilidade de processamento em RTM dos compósitos de fibras de vidro

do que as de fibras de juta (resultado observado durante o processo de fabrico dos provetes);

- No caso de pequenas deformações, a teoria clássica de laminados consegue prever o

comportamento dos laminados construídos pelas fibras de vidro e de juta, pois os módulos de

elasticidade teóricos e experimentais são próximos, exceptuando o caso da fibra de juta na

configuração bidireccional, onde, em RTM, há maiores dificuldades em garantir uma completa

envolvência das fibras pela resina, prejudicando assim a aderência das fibras.

- Para grandes deformações, a TLC é mais indicada para baixos volumes de fibra pois,

quanto maior for a percentagem de fibra mais o comportamento do compósito se afasta da

linearidade;

- Nas condições desta pesquisa (impossibilidade de se alterar a constituição das mantas de

fibras de juta) o principal modo de optimização para as mantas multi-direccionais é através do

aumento do 2º momento de área do capot, conseguido através do aumento da sua espessura, que

por seu lado piora a performance ambiental;

- A fase de maior importância em termos de impacto ambiental é a fase de uso, onde o

consumo de combustível contribui de forma decisiva nos danos provocados, que por sua vez está

directamente ligado ao peso do veículo;

- Apesar do facto de as fibras de juta serem vegetais e mais leves do que as fibras de vidro,

somente a solução com fibras de juta bidireccionais no empilhamento [(0/90), (0/90),(45/-45)]s

garante um menor impacto ambiental, na construção do capot, e consequentemente do buggy. A

necessidade de maiores espessuras resulta num maior peso total do componente, o que contribui de

forma decisiva para um aumento do impacto ambiental.

7.2. Futuros desenvolvimentos

A próxima etapa do estudo será a realização de ensaios experimentais do capot construído

com base nos materiais utilizados neste estudo, e assim validar as condições de fronteira utilizadas e

os resultados obtidos (fig.80).

Estudos futuros relativamente a adesão entre as fibras vegetais e a matriz serão necessários,

de forma a estar o mais próximo possível das condições de aplicação das teorias analíticas. Esses

estudos, provavelmente terão de ser desenvolvidos em conjunto com os fornecedores das matérias-

primas, uma vez que elas terão de ser fornecidas com características que facilitem os processos de

fabrico.

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79

Estudos relativamente a outras solicitações, tais como as dinâmicas, as de impacto, e

principalmente, as de absorção de água (devido ao carácter hidrofílico das fibras de juta), terão de ser

realizadas de modo a garantir um bom funcionamento dos componentes.

Os desenvolvimentos de resinas de menor impacto ambiental, tais como os polímeros

naturais, terão um papel importante, principalmente nos consumos dos materiais fosseis.

Figura 80. Etapas de produção do capot, representando uma das futuras etapas de desenvolvimentos.

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80

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84

9. ANEXOS

A. Tensões ao longo da espessura dos laminados util izados na construção do capot

A.1. Configuração base [(0/90),(45/-45),(0/90)]s

Nas tabelas seguintes (tab. 43 e 44) são apresentados os valores das tensões máximas em cada lâmina dos compósitos reforçados pelas fibras na configuração bidireccional.

Tabela 43. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 6 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -54,0342 -24,074 8,675

5 FJBI (Vf = 31%) (45/-45) -8,669 -43,796 6,057

4 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -28,293 14,243 4,027

3 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -15,422 27,016 -2,171

2 FJBI (Vf = 31%) (45/-45) 12,064 38,043 5,998

1 FJBI (Vf = 31%) (0/90) 23,190 52,560 -8,369

Tabela 44. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de vdiro na configuração bidireccional.

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 6 FVBI (Vf = 21%) (0/90) -58,787 -21,033 8,138

5 FVBI (Vf = 21%) (45/-45) -5,563 -48,567 5,050

4 FVBI (Vf = 21%) (0/90) -33,078 17,473 3,372

3 FVBI (Vf = 21%) (0/90) -20,223 30,308 -1,395

2 FVBI (Vf = 21%) (45/-45) 10,199 38,430 5,042

1 FVBI (Vf = 21%) (0/90) 18,341 55,979 -6,161

FJBI – fibra de juta bidireccional

FVBI - fibra de vidro bidireccional

A.2. Soluções de optimização

Nas tabelas seguintes são apresentados os valores das tensões máximas em cada lâmina dos compósitos considerados nas optimizações.

Tabela 45. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional reforçado nas superfícies por 4 lâminas construído por fibras de juta na

configuração bidireccional. Solução de optimização 2.

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 5 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -17,496 -8,300 3,994

4 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -15,379 -5,938 3,420

3 FJRA (Vf = 14%) 0 -8,448 6,389 3,519

2 FJBI (Vf = 31%) (0/90) 1,559 12,963 -1,175

1 FJBI (Vf = 31%) (0/90) 3,676 15,325 -1,749

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85

Tabela 46. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s. Solução de optimização 3.

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 6 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -54,855 -25,346 10,748

5 FJBI (Vf = 31%) (0/90) -41,704 -12,081 7,456

4 FJBI (Vf = 31%) (45/-45) -3,420 -23,950 6,055

3 FJBI (Vf = 31%) (45/-45) 6,767 18,695 6,079 2 FJBI (Vf = 31%) (0/90) 10,899 40,979 -5,712 1 FJBI (Vf = 31%) (0/90) 24,049 54,244 -9,004

Tabela 47. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na

configuração multi-direccional reforçado por 2 lâminas de fibra de vidro multi-direccional (Vf = 23%) com 1mm espessura nas superfícies. Solução de optimização 4.

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 3 FVRA (Vf = 9%) 0 -17,727 -8,877 7,449

2 FJRA (Vf = 14%) 0 -6,976 5,305 2,847

1 FVRA (Vf = 9%) 0 3,945 14,647 -2,690

Tabela 48. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de juta na configuração multi-direccional reforçado nas superfícies por 4 lâminas construído por fibras de vidro na

configuração bidireccional. Solução de optimização 5 .

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 5 FVBI (Vf = 21%) (0/90) -18,827 -9,350 3,335

4 FVBI (Vf = 21%) (0/90) -16,588 -6,769 2,858

3 FJRA (Vf = 14%) 0 -7,310 5,298 3,282

2 FVBI (Vf = 21%) (0/90) 1,325 13,880 -0,956

1 FVBI (Vf = 21%) (0/90) 3,564 16,461 -1,432

Tabela 49. Tensões no referencial global ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na

configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s

Lamina Reforço Orientação σx(MPa) σy(MPa) σxy(MPa) 6 FVBI (0/90) -60,2618 -23,0838 8,7686

5 FVBI (0/90) -46,9322 -9,4264 6,1524

4 FVBI (45/-45) 2,2457 -27,8986 5,1067

3 FVBI (45/-45) 5,9642 18,6384 5,1506

2 FVBI (0/90) -6,9433 45,2034 -4,3122

1 FVBI (0/90) 19,7160 58,8608 -6,9284

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Tabela 50. Tensões no referencial local ao longo da espessura do capot construído por fibras de vidro na

configuração bidireccional na configuração [(0/90),(0/90),(45/-45)]s

Lamina Reforço Orientação σL(MPa) σT(MPa) σLT(MPa) C.S.

(0/90) 6 FVBI

-60,262 -23,0838 8,769 5,076919

(0/90) 5 FVBI

-46,932 -9,4264 6,152 10,10835

(45/-45) 4 FVBI

-17,933 -7,7197 15,072 1,81896

(45/-45) 3 FVBI

7,151 17,4519 -6,337 10,20955

(0/90) 2 FVBI

-6,943 45,2034 -4,312 18,29464

(0/90) 1 FVBI

19,716 58,8608 -6,928 7,882455

FJBI – fibra de juta bidireccional

FVBI - fibra de vidro bidireccional

FJRA – fibra de juta

FVRA - fibra de vidro multi-direccional

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B. Desenho pormenor do molde e do capot

Figura 81. Desenho pormenor do molde utilizado na obtenção dos provetes. a) Molde inferior; b) Aro

separador; c) Molde superior; d) Vista tridimensional do molde superior. Dimensões em

mm.

Figura 82. Desenho pormenor do capot frontal do buggy. Dimensões em mm.

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C. Inputs utilizados no LCA

Tabela 51. Dados relativos a fase de produção da fibra de juta Fase plantação Caracterização

Cultivo Manual; Livre de substâncias quimicas

Colheita Manual; Anual

Produtivi dade 1,500kg/ha Fase remoção da casca

Maceração Manual no rio Amazonas;

Localizado próximo do local da colheita, não há transportes

Produtividade na produçao de fibras 5% da planta

Desperdícios 50% Utilizado nas cercas para gado; 50% decompõe naturalmente no rio

Fase produção das mantas

Transporte (300 km) Camião – 12 tons; Barco – 25 tons

Maquina de fiação Cerca de 4 Ton, principalmente em aço;

Consumo de energia – 3.1 kWh; Aterro – cerca de 50 ano

Produtividade 1000 kg / 42 hs Partículas Suspe nças Cerca de 0.3 kg / 1000 kg de fibra

Tabela 52. Dados relativos a fase de produção do capot

Capot Caudal de injecção (cc/min)

Vf% MB (kg)

MF (kg)

Tempo de

injecção (seg)

Energia total consumida

(kW.h)

Fibra de juta 45 31 1.74 0.65 1560 18.5

Fibra de vidro 50 21 2.02 0.74 1440 17.9

Tabela 53. Dados relativos a fase de utilização do buggy construído pelas fibras de juta e de vidro.

Valores obtidos a partir da estimativa da redução de consumo, resultante da utilização de um material mais leve [39,40], da previsão da vida de um veículo automóvel e dos seus respectivos valores consumos médios [41].

Consumo de combustível (Kg) Fibra de juta 58,81

Fibra de vidro 64,36

Tabela 54. Dados relativos a reciclagem da fibra de juta e de vidro

Capot Trituração (W)

Moagem de esfera

(W)

Coador (W)

Potência total (kW)

Tempo total (min)

Eficiencia da

reciclagem (%)

Jut a 183,33 66,25 4,17 0,25375 25 11,85 Vidro 366,67 66,25 8,33 0,44125 35 11,11

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Tabela 55. Dados relativos ao comportamento dos resíduos no aterro

Capot Reciclagem (%) Incineração (%) Aterro (%)

Juta 12 8 80 Vidro 11 9 80