reparação de compositos
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Este trabalho tem como objetivo principal, analisar e apresentar todos os
processos de reparação e retificação aos quais as peças em compósitos,
realizadas noutro módulo, foram sujeitas.
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Resumo
2
Índice
3
1. Introdução Teórica
4
2. Caracterização do material utilizado
12
3. Caracterização do equipamento utilizado
14
4. Caracterização do equipamento de segurança utilizado
17
5. Procedimento experimental
18
6. Análise e discussão de resultados
26
Conclusão
28
Bibliografia
29
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1. Introdução teórica
Nas últimas décadas, os materiais compósitos têm vindo a revelar-se
como um dos grupos de materiais tecnológicos mais interessantes e dinâmicos.
As razões da sua crescente utilização estão ligadas às suas propriedades e
características, tais como o seu baixo peso, elevada resistência e rigidez. Entre
as desvantagens na sua utilização podemos citar o seu elevado custo de
produção e a necessidade de proteção específica dos trabalhadores, para além
de potenciais custos associados à sua reciclagem. Embora o desenvolvimento
destes materiais tenha sido efetuado pelas indústrias de defesa e aeroespacial,
assiste-se recentemente ao alargamento do uso destes materiais noutras áreas
como a aeronáutica, náutica ou automóvel.
Os materiais compósitos são definidos por integrarem pelo menos dois
constituintes: uma matriz e um reforço. Estes dois componentes entreajudam-
se uma vez que a matriz assume a função de garantir a estabilidade
dimensional e química do compósito, conferindo-lhe a forma e protegendo as
fibras de reforço das condições ambientais. Por sua vez, o material de reforço,
garante a estabilidade das propriedades mecânicas tais como a rigidez ou a
resistência a esforços dos mais diversos níveis.
Fig.1 - Organigrama com os vários tipos de materiais compósitos existentes.
Tipos de materiais compósitos
Compósitos
Partículas
Compósitos de
Fibras
Compósitos
Laminares
Compósitos
Naturais
Betão
Asfalto
Cermet
Fibras de
carbono,
kevlar, vidro,
etc.
Matriz Epóxy,
poliéster,
PEEK, etc.
Contraplacado
Laminados de
fibras e resina
Sandwich
Madeira
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No caso dos compósitos reforçados com fibras, importa referir que
existem 3 tipos de matriz: Matriz Polimérica, Matriz cerâmica e Matriz
Metálica. Por sua vez existem inúmeros tipos de reforço, tais como a Fibra de
vidro, a fibra de carbono, a Aramida, etc.
1.1 Os Reforços
Os reforços podem ser de diversos tipos, no entanto os mais comuns
são as fibras de carbono, as fibras de aramida (ou Kevlar) e as fibras de vidro.
Os produtos básicos destes são filamentos contínuos, reunidos em feixes que
somam milhares desses filamentos (especifica-se como 1k, 3k, 6k, 12k, etc. um
feixe de mil, três mil, seis mil, etc. filamentos). Os filamentos podem ou não
estar alinhados ou torcidos (girando em torno deles mesmos como as roscas
de um parafuso), e podem posteriormente, através de tradicionais tecnologias
têxteis, ser usados como matéria-prima para a produção de tecidos. Estes
tecidos, por sua vez, podem ser feitos segundo diversos padrões e tramas
diferentes.
1.1.1 Fibra de carbono
A fibra de carbono, é sem dúvida a mais famosa e a mais cobiçada. De
coloração grafite escura, uma das suas propriedades mais negativas, no
entanto, é seu alto custo. O metro quadrado de um tecido “plain” de fibra de
carbono de qualidade aeroespacial pode custar mais de €170, o que
frequentemente limita seu emprego a componentes de extrema solicitação
mecânica. Além disso, as fibras de carbono são produzidas segundo
especificações diversas, sendo que somente as mais resistentes (e caras) têm
propriedades adequadas ao uso aeroespacial.
A sua principal vantagem é, a altíssima resistência às solicitações de
tensão, podendo superar em mais de 5 vezes (proporcionalmente ao peso) a
resistência do melhor aço. Em outros termos, se um cabo de aço que pesa 1 kg
pode suportar um peso de 1 tonelada, um feixe de fibra de carbono com uma
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quantidade de filamentos tal que o feixe também pese 1 kg, poderá suportar
até 5 toneladas.
No entanto, apesar disso, a fibra de carbono possui algumas
desvantagens em relação às outras fibras e aos metais em especial. O seu
módulo de elasticidade é muito pequeno. Em outros termos, ao pendurar 1
tonelada em um cabo de aço, o cabo de aço esticará um pouco. Solicitando da
fibra de carbono o mesmo trabalho, esta esticará bem menos. Assim se
queremos que haja um pouco de flexibilidade (por exemplo, para que uma asa
possa absorver rajadas de vento verticais), então a extensão do uso da fibra de
carbono em sua estrutura deve ser bem planeada.
Além disso, componentes feitos em fibra de carbono são frágeis em
qualquer tipo de solicitação que não seja o de tensão. O que, mais uma vez,
limita significativamente o seu uso.
Fig.2 - Manta de fibra de Carbono.
1.2 A matriz
A matriz é o material no qual as fibras são “mergulhadas”. As matrizes
podem ser subdivididas em 3 grandes grupos. O primeiro e mais comum é o
das resinas termoendurantes, o segundo são os termoplásticos e, por fim, as
matrizes metálicas. Cada grupo tem propriedades típicas distintas que
apresentam vantagens e desvantagens.
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Entre as matrizes termoendurantes, as mais comuns são as resinas
poliéster e as resinas epoxy. São fornecidas em duas partes: a resina
propriamente dita, e o endurecedor ou catalisador. A reação entre os dois
provoca uma cascata de reações químicas que, com o aumento na
temperatura da resina, leva a seu endurecimento e cristalização.
O processo não é reversível, no sentido de que, aumentando novamente
a temperatura do material endurecido, não se obtém um líquido que pode
novamente ser endurecido, como é o caso com os termoplásticos. Esses
últimos por sua vez são mais ou menos o mesmo material do qual são feitos o
painel do seu carro, ou uma infinidade de cadeiras e mesas em bares
espalhados pelo mundo.
É o bom e velho plástico, que sob alta temperatura derrete e se torna um
líquido de baixa viscosidade que pode novamente ser moldado em outra forma,
sem perder suas propriedades. As resinas termoendurentes normalmente são
mais duras e frágeis, ao passo que os termoplásticos são mais flexíveis e
resistentes, embora mais pesados.
1.2.1 Resinas epoxy
As resinas epoxy são de tipo termoendurante, e têm propriedades
mecânicas muito interessantes, passam por um processo químico no processo
de endurecimento e, apesar de não deixarem de ser tóxicas até certo grau, são
significativamente mais toleráveis que as resinas poliéster. E bem mais caras
também.
A mistura entre a resina e o catalizador deve ser feita segundo uma
medida precisa. Diferentemente das resinas poliéster, a função do endurecedor
não é simplesmente a de acelerar um processo que já ocorre na resina
naturalmente, mas as moléculas que o compõem ligam-se às moléculas da
resina, e por isso a mistura deve ser precisa, para que não “sobrem” muitas
moléculas e assim se prejudique a qualidade do material obtido.
O processo de cura, isto é, o endurecimento, também pode se dar de
duas formas, dependendo do processo de fabricação e/ou das especificações
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próprias da resina epoxy utilizada. Pode ocorrer sob temperatura ambiente, ou
então em uma estufa ou forno.
Na grande maioria das composições epoxy, o próprio processo químico
de ligação entre as moléculas do endurecedor com as da resina leva ao
aumento de temperatura que culmina com a cura ou endurecimento do
material. Em outros casos, esse aumento de temperatura deve ser fornecido de
fora, para que as reações químicas em questão aconteçam. A escolha do tipo
de material e do processo a ser usado cabe ao fabricante do componente, que
deverá decidir segundo critérios económicos e de produtibilidade.
1.3 Métodos de produção
Assim como são vários os materiais e as combinações possíveis entre
eles, são vários os métodos de fabricação possíveis para cada componente, e
provavelmente esse é o item mais delicado no que diz respeito à certificação
de um componente feito com materiais compostos.
O processo elementar consiste em banhar as fibras com a matriz,
segundo uma determinada proporção. A matriz infiltra-se entre os filamentos,
colando-os e mantendo-os no lugar, determinando assim a forma da peça
enquanto as fibras determinam sua resistência. Entre os métodos mais
utilizados estão: a laminação manual, a laminação a vácuo, a injecção ou
métodos automatizados.
1.4 Prepregs
Prepeg é uma abreviação para “pré impregnados” e refere-se a tecidos,
geralmente de fibra de carbono, que são fornecidos pelo fabricante já
impregnados de resina termoendurente, normalmente de tipo epoxy.
Ao manter-se o material sob condições de baixa temperatura
(literalmente abaixo de zero), este tem um tempo de vida útil relativamente alto
(algo em torno de 15 dias). Ao serem expostos a altas temperaturas, ocorre o
processo de cura e endurecimento.
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Custam muito mais caro que os tecidos de fibra secos, inclusive pelas
necessidades especiais de transporte e armazenamento. No entanto, a pré-
impregnação “de fábrica” garante uma proporção ótima entre as fibras e a
matriz, proporcionando assim uma maior eficiência na relação entre o peso e a
resistência, e são bem mais práticas, por eliminar o trabalho de impregnação.
Geralmente os prepregs são a solução adotada pela indústria aeronáutica e
aeroespacial.
Fig.3 - Prepeg de fibra de carbono.
1.5 Maquinação/reparação de compósitos
Os processos de maquinação/reparação incluem o corte de contorno, a
furação, o escariamento, operações de acabamento (rebarbação e lixagem),
etc.
A maquinação de compósitos é muito diferente da maquinação de
metais, e para cada tipo de compósito é usado um processo diferente. A
furação por exemplo é particularmente difícil porque o material pode lascar ou
até mesmo dividir-se em camadas separadas na entrada e saída do furo
(delaminação).
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1.5.1 Cuidados a ter durante a maquinação/reparação de compósitos
Os compósitos são maquináveis, apenas dentro de um limite de
temperatura;
A baixa condutividade térmica do material favorece o acumular de resina na
área de corte durante a maquinação;
Furos em materiais abrasivos vidro/carbono apresentam-se frequentemente
maiores que a broca usada.
O alto coeficiente de expansão térmica de alguns materiais torna difícil
controlar a precisão;
O uso de líquidos de refrigeração inadequado acarreta mudanças das
propriedades físicas do material não permitindo colagem posterior daquela
peça;
Variações do material devido a método de fabrico;
a) Conteúdo de resina, tipo de resina;
b) Dureza dentro dos limites aceitáveis;
c) Compactação determinada pela pressão e processo de fabrico durante a
cura da peça.
As características de maquinação dos compósitos variam de peça para
peça, sendo assim, ter conhecimento de como o material se comporta
durante a maquinação é da maior importância no fabrico, no reparo ou na
montagem de componentes.
A maquinação de fibra de vidro e carbono pode ser realizada com
ferramentas convencionais, mas existe o problema da abrasividade, que
causa redução na qualidade do corte e da vida útil da ferramenta. Esse
problema é resolvido com o uso de ferramentas especiais, como brocas de
metal duro, serras e discos diamantados. Além disso, o corte sem as
ferramentas apropriadas acaba fraturando as extremidades das fibras com
a extremidade de corte da ferramenta.
A velocidade e o avanço das ferramentas de corte são fatores importantes
que ajudam a evitar danos nas camadas das peças. Um apoio firme
também é necessário para que se evitem interrupções entre as camadas.
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O corte deve ser sempre limpo, pois a poeira e as aparas funcionam como
abrasivos, causando delaminações e danos ao furo.
As características dos materiais unidirecionais são basicamente as mesmas
dos tecidos do mesmo tipo. Esses materiais são suscetíveis a delaminações
nos pontos de entrada e saída dos cortes.
Avanço e velocidade de furo inadequadas podem provocar delaminações,
que, devido a orientação das fibras, propagam-se violentamente, enquanto
o uso incorreto das ferramentas causa o puxamento das fibras.
A maquinação destes materiais surge da necessidade de efetuar
montagens de diversas peças num conjunto – na qual também se pode
recorrer à colagem – ou pela necessidade de cumprimento de tolerâncias
apertadas. A maquinação de materiais compósitos é complexa devido à sua
heterogeneidade, registando-se diferentes comportamentos do mesmo material
apenas devido à distribuição e orientação das fibras, sensibilidade ao calor e
ao facto de os reforços serem extremamente abrasivos. Os métodos mais
tradicionais de maquinação, embora possam ser utilizados, devem ser
adaptados de forma a reduzir a criação de danos por meios térmicos ou
mecânicos.
1.6 Teoria vs. Trabalho prático
Relativamente á teoria apresentada neste trabalho, apenas se foca os
conceitos inerentes às peças sobre as quais incidiram os trabalhos práticos. Os
materiais compósitos são cada vez mais utilizados na indústria, e por isso
mesmo estes abrangem um número cada vez maior e diversificado. Assim falar
sobre todos eles ficaria um pouco fora de contexto, visto que as peças em
questão foram feitas apenas com prepegs de carbono EE305 pré-impregnadas
com resina epoxy ET445. Foi feita posteriormente uma laminação a vácuo e os
moldes foram ao forno (em vez da autoclave).
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2. Caracterização do material utilizado
Para o processo de maquinação/reparação foram utilizadas as seguintes
peças:
Fig.1,2 e 3 - Fotografias das peças utilizadas para maquinação/reparação.
Estas peças foram feitas noutro módulo, e os seus acabamentos
imperfeitos implicaram a necessidade de maquinar/retificar as arestas e os
Peça 2 Peça 1
Peça 3
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cantos. Na elaboração das mesmas, foram aplicadas 3 camadas de fibra de
carbono sendo que a 1ª e 3ª são a 0º e a 2ª a 45º.
Os seguintes materiais foram utilizados durante todo o processo de
acabamento:
a. Manta de fibra de carbono multidirecional
b. Resina Epóxi SR 1500; Catalisador SD 2505 e MEC (Metil-Etil-Cetona)
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3. Caracterização do equipamento utilizado
a. Módulo de aspiração central Plymovent® Multi dust BANK
b. Mini-Berbequim Pneumático
c. Serra pneumática
Dotco ©
NO: 14CFS95-38
1000 1/min (6.1 bar) NO: 14CFS95-38
Dotco ©
MDL: 12S1288-02
2500 RPM
90 PSIC 6.1 bar max. NO: 14CFS95-38
Plymovent®
Multi dust BANK NO: 14CFS95-38
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d. Retificadora angular
e. Suporte fixador ROLOC
f. Mandril
g. Mandril
h. Discos para Lixadora/retificadora
Shinano INC ©
SI-206S
18000 RPM
90 PSIs 6.2 bar max. NO: 14CFS95-38
MERIT ®
Holder TY3 R/O 2" MED
30.000 RPM MAX
NO: 14CFS95-38
G ®
Mandril HSS
∅4,091 a ∅4,103
NO: 14CFS95-38
20E119
“Gumaster”
SE-7MMSC
NO: 14CFS95-38
3M ®
Discos Roloc 22403 e 22401
∅50,8mm
P120 e P80
NO: 14CFS95-38
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i. Brocas
j. Folhas abrasivas
k. Tesoura
l. Trincha 1 ½ “ 38,1 mm
Indasa ®
P80, P120, P220, P400
NO: 14CFS95-38
m. Chizato
n. Pincel Super 8
GUHRING ®
Spiralbohrer Satz HSS
Brocas ∅2,5; ∅3.7 e ∅5
NO: 14CFS95-38
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4. Caracterização do equipamento de segurança utilizado
a. Bata
b. Luvas de latex
c. Óculos de proteção Lux Optical
e. Auriculares Nemo TU-200 C
d. Máscara SOP AIR 23306 FFP3D
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5. Procedimento Experimental
1. Observar e analisar quais os pontos críticos da peça, onde é necessário
intervir, e qual o melhor meio para o fazer;
2. Ligar a estação de aspiração;
3. Definir quais os materiais e equipamentos necessários para uma
reparação/maquinação adequada à não conformidade detetada.
4. Com a serra pneumática, cortar o excesso de fibras, que não interessam
na peça, tendo especial atenção para não aproximar a serra demasiado do
bordo, sob pena de cortar para lá do limite.
5. Com a retificadora pneumática, retirar o restante excesso, não
esquecendo que quanto maior for o numero de rotações, maior será o
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desbaste abrasivo na peça. Utilizar o suporte fixador com um disco
abrasivo de 80P ou 120P;
6. Em caso de duvida, assinalar com uma caneta de acetato branca, os
limites até aos quais se deve maquinar.
7. Com um berbequim e um mandril acopolado, incidir sobre os cantos
interiores da peça, tendo especial atenção para não danificar as fibras,
retirando apenas o excesso de resina acomolado.
8. No caso de haver bolhas de resina ou bolhas de ar debaixo das fibras,
causando um relevo na superfície da peça, utilizar o mandril “Gumaster”,
tendo especial atenção à enorme quantidade de material que ele retira.
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9. Consoante o acabamento inicial com que a peça ficou, escolher uma
folha abrasiva com um grão adequado, e lixar a peça para que esta fique
com um acabamento mais limpo e polido. Para acabamento final utilizar
uma lixa de água 400P, e lixar a peça diretamente debaixo de água a
correr;
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10. Fazer um furo na parte superior da peça, com uma broca 3,3 mm, tendo a
noção que este furo irá servir para segurar a peça durante a pintura;
11. Para fazer a resina a aplicar na reparação da peça, juntar a Resina Epóxi
SR1500 e o Catalisador SD2505 na proporção de 3 para 1, ou seja,
independentemente da quantidade de resina que se quer fazer, a
quantidade de catalizador SD2505 deve ser sempre 1/3 da quantidade de
resina epoxy SR1500;
Fig.4 - Mistura da resina Epoxy SR1500(A) com o catalisador SD2505(B).
A A
B
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12. Depois de misturar bem a resina, analisar a peça e perceber onde atuar;
13. O pincel não deve conter muita resina, sob pena de deixar a peça com
muitas imperfeições depois de esta polimerizar;
14. Cobrir todas as imperfeições na peça com a resina previamente feita,
tendo especial atenção, para não a deixar acumulada nos cantos e na
superfície da peça. Falhas grandes necessitarão de ser reparadas com
manta de carbono;
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15. Para as falhas grandes devem ser recortados pedaços retangulares da
manta de carbono, aplicando-os exatamente no mesmo sentido das
fibras da peça, e impregnando-os com resina, com o pincel;
16. Deixar a resina polimerizar durante umas horas;
17. Repetir o processo de retificação/maquinação para conferir à peça um
acabamento perfeito;
18. No caso de a peça não ficar conforme o desejado, retrabalhá-la repetindo
o processo de aplicação de resina e/ou manta de carbono, até que as
falhas desapareçam ou diminuam significativamente.
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19. Depois de pronta a peça deve ser lixada com uma folha abrasiva com um
grão pequeno (ex:>400P), para conferir um acabamento superficial ligeiro
e uniforme;
20. Limpar a peça.
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Ao maquinar a peça 3 surgiu também a possibilidade de fazer furação do
compósito, utilizando para tal dois moldes previamente furados com brocas de
∅2,2, a ∅3,7 e ∅5 mm. Assim:
1. Colocar cada um dos moldes, em seu lado da peça e prender com os
grampos, para que não saiam do sítio durante a furação.
2. Rodando a cabeça do berbequim manualmente no centro do furo, fazer um
uma pequena marca, para centrar a broca.
3. Pré-furar a ∅2,2 mm e posteriormente a ∅3,5 mm, tendo especial atenção
ao avanço da broca, para não provocar delaminações.
4. Finalmente, furar a a ∅5 mm, passando posteriormente uma lixa para
remover algumas fibras que tenham ficado de fora da matriz.
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6. Análise e discussão dos resultados
A maquinação/reparação das 3 peças, teve alguns contratempos em parte
devido à inexperiência dos membros do grupo, e sobretudo pela quantidade
e dificuldade das não conformidades nas peças.
A peça 1 foi de todas a mais trabalhosa, devido às bolhas de ar entre as
camadas de fibra de carbono. Ao maquinar a peça, estas saliências
desfizeram-se deixando a descoberto buracos e num caso em particular
este problema foi ainda mais complexo (ver fig.1 e 4).
O facto de esta peça ter sido curada no forno, e não na autoclave como
seria normal, fez com que a superfície da peça ficasse com estas
2
1
3
4
4
1
2
3
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descontinuidades no interior, e com uma má compactação no exterior,
deixando a superfície com excesso de resina particularmente nos cantos.
A utilização do mandril “gumaster” provou ser difícil, visto o diâmetro do
mesmo ser inadequado às exigências da peça 1 e 2. Para uma boa
utilização este mandril deveria ser não de 7mm mas de 3mm.
O corte do excesso com a serra pneumática é difícil pois os dentes da serra
agarram constantemente às fibras, desviando a mesma da linha de corte.
A raspagem do excesso de resina com o Mandril HSS ∅4,091 provou ser
uma mais-valia, embora a sua ponta direita tenha por vezes trazido algumas
dificuldades nos cantos especialmente na peça 1e 2.
A retificadora pneumática (+discos abrasivos) pode ser utilizada também
como método mais eficaz de corte, evidenciando pouca delaminação das
fibras. A sua utilização deve ser controlada e precisa, pois as altas rotações
tendem a retirar demasiado material. Apenas metade do disco deve estar
em contacto com a peça.
A resina deve ser feita com as quantidades exatas, sob pena de a deixar
liquida demais ou com espuma.
Não se deve molhar muito o pincel na resina, pois esta em excesso escorre
pela peça deixando a peça com relevos indesejados.
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As peças devem ser bem lixadas/polidas, para que não fiquem pequenos
buracos na superfície onde posteriormente a resina não entra. Em todas as
peças se verificou isto.
Um dos processos mais morosos, foi o tempo de cura da resina, que afetou
diretamente o tempo de reparação da peça.
Os pedaços de manta de carbono a aplicar na reparação não devem ser
demasiadamente pequenos, devido sobretudo ao facto de as fibras se
separarem umas das outras. (ver peça 1)
No processo de furação, o avanço demasiado rápido, pode provocar
delaminação, por isso mesmo é vital não só controlar o avanço bem como
apoiar a peça junto do local a furar. Daí que este processo na peça 3, tenha
corrido da melhor forma.
A maquinação e reparação das peças foi um processo demorado, e
sobretudo não se conseguiu melhores resultados devido ao escasso tempo,
das aulas práticas e a alguns equipamentos desajustados às exigências.
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Futuramente a drapagem deve ser feita com algum rigor, para evitar as
bolhas de ar presentes na peça 1.
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Os processos de maquinação nos materiais compósitos são de extrema
complexidade, ainda que os processos de reparação sejam ainda mais difíceis
de executar. Uma utilização delicada dos equipamentos pode fazer a diferença
entre a qualidade da peça e a não qualidade da mesma. A qualidade geral é
visível no bom acabamento, garantindo não só uma vida útil mais prolongada,
bem como a satisfação dos clientes mais exigentes.
A reparação e maquinação das peças 1,2 e 3, provou ser de extrema
exigência, fornecendo algumas ideias de como futuramente o processo poderá
correr melhor.
As peças no entanto ficaram com um bom acabamento, expecto a peça
1 cuja dificuldade de reparação e o tempo apertado, tornaram o acabamento
menos ”limpo”.
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Foi a primeira vez que fizemos o acabamento de peças em carbono. A
falta de experiência e o tempo de polimerização da resina epoxy tornaram o
trabalho moroso. A falta de ferramentas adequadas ao tipo de trabalho em
questão dificultou a nossa tarefa- o mandril de que dispúnhamos era de 7 mm e
deveria ter sido usado um de 3 mm.
Deveríamos ter aplicado a pintura às peças, mas tal não foi possível
devido à inexistência de equipamentos de proteção individual.
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Foram utilizados os ficheiros de apoio dos módulos “ Compósitos -
processos de maquinação e de reparação” e “Compósitos - análise de
falhas/danos e reparação”, bem como ficheiros do módulo Noções sobre
tecnologia dos materiais. Todas as fotografias neste trabalho, têm autoria do
grupo.