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SURGIMENTO DOS COMPÓSITOS

O desenvolvimento de compósito tem sido motivo de interesse não só para a indústria aeronáutica, a qual tenta encontrar materiais cada vez mais leves e resistentes para suas aeronaves, como também para agencias de governo tais como a NASA, que tem seu próprio departamento de pesquisa com a finalidade de aplicar tecnologia de compósitos em seus próprios produtos.

O assunto também tem despertado interesse cada vez maior por partes das empresas que fabricam estruturas ou partes de compósitos como barcos, cadeiras, containers, vasos de pressão, etc. e para fabricantes de fibras e resinas. Os compósitos representam uma tendência cada vez maior da construção aeronáutica mundial com possibilidade de grandes saltos tecnológicos principalmente na aviação civil e militar.

USOS DO COMPÓSITO

O emprego de novos materiais, com altíssimos valores de rigidez e resistência específica, já se faz necessário em muitos setores industriais.

No campo Aeronáutico, a necessidade é muito maior, portanto, a indústria aeroespacial tem se mostrada particularmente interessada no emprego de Compósitos nos seus produtos, não só em pecas secundárias, mas também em componentes estruturais críticos.

Atualmente são em grandes quantidades as áreas de utilização dos compósitos como:

AVIAÇÃO EM GERAL INDÚSTRIA AUTOMOTIVA

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COMPÓSITO NA AVIAÇÃO

Compósito no Boeing 777-200.

Compósito no ERJ-145.

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COMPÓSITO NA AVIAÇÃO

Compósito no Airbus A380.

HISTÓRICO DE DESENVOLVIMENTO DO COMPÓSITO

SÉCULO XIX

No inicio do século passado Baekeland reconheceu as vantagens de reforçar resina fenólica com fibras têxteis.

ENTRE 1930 E 1940

- Aplicou-se, pela primeira vez a fibra de vidro na fabricação de subconjuntos no final da 2ª guerra.

- Fabricação de pequenos barcos em fibra de vidro.

- Testada e aprovada a 1ª estrutura de avião, porém não foi feito vôo.

1950

- Rápida expansão da fibra de vidro em aplicações como: - Carros, barcos, equipamentos esportivos.

- Inicio da fabricação de componentes para estruturas de aeronaves visando redução de custos.

- Inicio do uso da resina epóxi.

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HISTÓRICO DE DESENVOLVIMENTO DO COMPÓSITO

1960

- No inicio da década o boro se torna viável economicamente. - Apareceram as fibras de carbono. Paralelamente foram feitas experiências com aglomerantes vítreos e cerâmicos, assim como outras fibras especiais.

1965

- Ocorre a descoberta da Fibra de aramida (Kevlar). - 1ª certificação do FAA para fabricação de estruturas de aeronaves.

1970

- Utilização de compósitos na fabricação de estruturas para aviões militares e comerciais.

1971

- A produção de compósitos atinge a marca de 2,5 milhões kg/ano.

1980

- Desenvolvimento do sistema de matrizes. - As fibras a base de polietileno passam a ser viáveis comercialmente.

- Desenvolvimento de matrizes mistas em compósitos (cerâmica/metais).

- Liberada a fabricação de estruturas principais para a aviação comercial.

1982

- A produção de compósitos atinge a marca de 21 milhões kg/ano.

1990

- Desenvolvimento para melhorias dos sistemas de matrizes. - Expansão no uso de compósitos no setor aeroespacial.

- Diminuição nos custos de fabricação de peças e matéria-prima.

2000

- Nas aeronaves modernas cerca de 25 a 30% de sua estrutura são de compósitos e o uso da tecnologia de colagem estrutural (metal/metal).

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HISTÓRICO DO USO DE COMPÓSITO NA EMBRAER

1969

- Ocorrem os primeiros passos no desenvolvimento de compósito na empresa aeronáutica com o processo de impregnação manual nos primeiros aviões Bandeirante.

- Daí para frente houve um acréscimo muito rápido, sendo que atualmente o projeto ERJ - 145 conta com a participação de cerca de 25% em compósito.

1982

- A etapa significativa para o crescimento dos chamados compósitos avançados ocorreu com o projeto do avião ERJ - 120 Brasília.

1983

- A introdução do programa NORTHROP (colagem metal/metal) forneceu condições para o início de trabalhos em corpos de prova. Ao mesmo tempo começaram a ser feitos os primeiros contratos com a SIKORSKY e foi criada a Seção de Projetos de Compósito.

ENTRE 1985 E 1986

- Foram desenvolvidas as poltronas de passageiros e as divisórias. Teve inicio também o processo de certificação e normas.

EM 1987 E 1988

- Foi assinado o contrato com a Mc Donnel-Douglas para o projeto MD-11.

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COMPONENTES DO COMPÓSITO

Compósito é o produto da combinação de dois ou mais elementos para se obter uma estrutura cujas vantagens e melhorias nenhum dos constituintes em separado poderia fornecer em termos de rigidez, resistência específica etc. Dentro da Industria Aeronáutica os chamados compósitos são essencialmente sistemas formado por fibra/resina. E dentro desse conceito os principais constituintes dos compósitos são a matriz aglutinante (resina) e o reforço (fibra).

Frequentemente esse sistema tem sua rigidez aumentada através de utilização de materiais de enchimento, ou seja, núcleos de colméia, espumas, etc e exerce um papel importante de ligação entre os núcleos os chamados adesivos.

RESISTÊNCIA DO COMPÓSITO

Compósito

Compósito com maior rigidez

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PONTOS POSITIVOS DO COMPÓSITO

Existem muitos pontos positivos e negativos no uso de compósito. Dentre eles os principais pontos positivos são:

- Economia de mão-de-obra; - Alta resistência especifica e rigidez;

- Aumento de vida em serviço;

- Ausência de corrosão;

- Maior resistência a fadiga;

- Redução do número de partes;

- Obtenção de geometrias complexas;

- Baixo índice de peso/resistência, gerando economia de combustível, aumento da carga útil e da carga paga.

ALGUNS PONTOS NEGATIVOS

- Maior custo da matéria prima; - Maquinagem limitada;

- Absorção de umidade acentuada;

- Ensaios necessários;

- Inspeção rigorosa;

- Armazenamento da matéria prima (produto perecível).

FATORES QUE INFLUENCIAM NAS PROPRIEDADES DO COMPÓSITO

Os principais fatores que alteram diretamente as propriedades dos compósitos.

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CARACTERÍSTICAS DO COMPÓSITO

A escolha por determinada tecnologia paro fabrico de um produto não é uma mera decisão pessoal, e sim uma decisão analisada através do estudo de vários fatores, entre os quais destacam-se:

- Compromisso estrutural do componente: com conseqüente avaliação da relação resistência/peso.

- Condições de trabalho: temperatura, umidade e intempéries sujeitas pelo componente.

- Fabricabilidade: existência de meios disponíveis paro fabrico do componente, o que engloba mão- de- obra qualificada, equipamentos e manutenção de prazos compatíveis com o planejamento.

- Custo: pode barrar uma escolha apesar da viabilidade técnica e de meios disponíveis de fabrico.

As pessoas envolvidas na escolha por compósito ou metal devem ter em mente as características básicas de cada tecnologia, estando assim aptas a fazer a melhor opção.

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GABARITO

FABRICAÇÃO DE GABARITOS

Os moldes, gabaritos ou tacos, como podem ser chamados, têm papel decisivo na qualidade do produto final e podem ser metálicos e de compósito. A escolha depende de alguns fatores:

- Geometria da peça; - Ciclo de cura (temperatura e pressão);

- Precisão dimensional.

PROCESSOS BÁSICOS DE FABRICAÇÃO DE GABARITOS

METÁLICOS

Maquinado: O bloco de alumínio é usinado com o numero de eixos necessários para obtenção da geometria desejada.

Chapas Perfiladas e/ou Calandradas: São posicionadas nervuras maquinadas ao longo do comprimento, das quais recebem as chapas calandradas e/ou perfiladas para ajustes e posterior soldagem.

MOLDES MAQUINADOS E MOLDES DE CHAPAS METÁLICAS

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GABARITO MAQUINADO

A figura abaixo mostra um exemplo de um molde com chapa usinada.

GABARITO DE CHAPA CALANDRADA

A figura abaixo mostra um exemplo de um molde com chapa calandrada.

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GABARITO DE COMPÓSITO

Os gabaritos de compósitos são obtidos através de um modelo dimensional estável (maquete).

Podem ser feitas “passagens” intermediárias de fabricação dependendo do acabamento e do tipo de molde.

Ao gabaritos são definidos em função da temperatura de cura do produto, ou seja cura 120 °C e cura 180 °C.

PRODUÇÃO DE GABARITOS DE COMPÓSITO

Os moldes de compósitos são obtidos através de informações de um modelo dimensionalmente estável (maquete) e, dependendo do lado que se deseja bom acabamento, e do tipo do molde que se procura, faz-se uma ou mais "passagens" intermediárias de fabricação como ilustra a seqüência a seguir:

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GABARITOS METÁLICOS X GABARITOS DE COMPÓSITO

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TIPOS DE GABARITOS

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COMPONENTES DO COMPÓSITO

MATRIZ AGLUTINANTE (RESINA)

As resinas utilizadas em compósitos, tem por finalidade de formar uma liga com os reforços, de modo a:

- Transmitir, por corte, os reforços entre os filamentos; - Proteger os filamentos de abrasão mútua, danos e meios de degradação;

- Atuar como um meio de transferência de carga para filamentos descontínuos e quebrados;

As resinas podem ser termofixas (moléculas tridimensionais) e termoplásticas (moléculas lineares, que podem der fundidas e resfriadas várias vezes).

O mecanismo de cura processa-se através de combinações químicas com agentes de cura ou pela ação de catalisadores (normalmente sem evolução de subproduto). É de uso comum nas empresas fabricantes de aeronaves a resina epóxi, a resina fenólica e a polimida.

RESINA EPOXI

São as resinas termofixas em forma de líquidos viscosos ou sólidos quebradiços. Tem excepcional resistência química e elevada resistência as tensões.

APLICAÇÕES E CARACTERÍSTICAS

Usada principalmente em peças estruturais (alta resistência mecânica) É cada vez menos usada em interiores. Custo relativamente baixo (só é mais cara que a resina poliéster).

RESINAS FENÓLICAS

Basicamente utilizadas em substituição às resinas Epóxi convencionais, devido à resistência, ao calor e baixa emissão de fumaça (requisito básico para homologação de aeronaves.

APLICAÇÕES E CARACTERÍSTICAS

Usada principalmente em peças de interiores. A formulação da resina é geralmente auto-extinguível. Baixa toxidez, quando em chama. Aplicação onde a resistência à alta temperatura é importante (tubulação de ar quente).

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RESINAS POLIMIDAS

Caracterizam-se por serem polímeros de alta resistência, ou seja, alta resistência à temperatura, boas propriedades mecânicas, boa resistência química e baixa emissão de fumaça. Antes essas resinas eram termoplásticas. Atualmente com algumas alterações na sua cadeia básica é obtida maior facilidade no processo, temos um termofixo que recebeu a designação de Resina Bismaleimida. A temperatura máxima de trabalho é de aproximadamente 210 °C.

APLICAÇÕES E CARACTERÍSTICAS

Boa resistência a temperatura, boas propriedades mecânicas, boa resistência química e baixa emissão de fumaça.

RESISTÊNCIA À TEMPERATURA DAS DIFERENTES RESINAS

Influência da temperatura na resistência mecânica das resinas.

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REFORÇOS

Os reforços utilizados para compósitos são as fibras de vidro, carbono e aramida (comercialmente conhecida como Kevlar).

As fibras são responsáveis pela rigidez estrutural do compósito já que a resina não tem a função estrutural, é apenas um elemento de ligação.

Existem várias formas de construir-se um esforço por meio de fibras, ou seja, as fibras podem estar alinhadas, tecidas, torcidas ou mesmo picadas.

Fibra de vidro: Resistência ao esforço de compressão.

Fibra de aramida (Kevlar): Resistência ao esforço de impacto e tração, mas perde desempenho na compressão.

Fibra de carbono: Resistência a tração, mas não resiste a impactos.

FIBRA DE VIDRO

É o mais barato e portanto, o mais usado tipo de reforço. É largamente utilizado na confecção de peças onde não há grande responsabilidade estrutural, embora tenha boa resistência ao esforço de compressão, o que impossibilita o uso do Kevlar.

As fibras de vidro são aplicadas em peças de formas complexas como duto e canaletas. Sua densidade é de 2.550 g/cm³ (maior que a das outras fibras).

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

- Baixo custo; - Boas qualidades de maquinagem;

- Boa durabilidade.

PONTOS NEGATIVOS

- Baixa resistência mecânica; - Baixa rigidez;

- Mais pesado que a aramida e o carbono.

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FIBRA DE ARAMIDA (KEVLAR)

Fibras orgânicas: Em geral não apresentam boas propriedades mecânicas, exceto no caso da polimida aromática (aramida), chamada Kevlar.

O Kevlar tem substituído o vidro nas suas diversas aplicações, devido a seus excelentes valores de resistência à tração e ao impacto, porém apresenta baixos valores de resistência a compressão e corte interlaminar. O Kevlar apresenta a densidade mais baixa quando comparada com a fibra de vidro e carbono 1.440 g/cm³.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

- Alta resistência especifica ao impacto. - Alta resistência a tração: o dobro do vidro e dez vezes maior que o alumínio. - Baixa densidade.

PONTOS NEGATIVOS

- Baixos valores de resistência à compressão. - Difícil maquinagem. - Necessita de ferramenta especial para maquinação. - Degrada em contato com raios ultra-violeta.

FIBRA DE CARBONO

É a fibra que apresenta alta resistência e rigidez sendo assim largamente utilizada na confecção de peças com grande responsabilidade estrutural. Existem duas matérias-primas básicas de onde obtém-se as fibras de carbono, ou seja, poliacrilonitrila (PAN) do petróleo (resíduo do processo de refinação). As fibras de carbono são fabricados em dois tipos; tecidos e teipe. O tecido de carbono é, geralmente, mais utilizado em componentes onde haja predomínio de carregamento de corte e o unidirecional onde haja predomínio de carregamento axial. Possui densidade média, isto, é menor que a fibra de vidro e maior que a fibra de aramida ou seja 1.770 g/cm³.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

- Alta resistência a tração; - Alta rigidez; - Transparente ao Raio “X”.

PONTOS NEGATIVOS

- Maior peso na estrutura (Comparado ao Kevlar); - Frágil; - Necessita de ferramenta especial para maquinação; - Pouco resistente ao impacto.

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FORMAS DE REFORÇOS

Os reforços apresentam-se das seguintes formas:

Unidirecionais: Todas as fibras estão colimadas na mesma direção as quais são denominadas “tapes”.

Bidirecionais: São denominadas “tecidos” por conter urdume.

Aleatórias: São denominadas “mantas”.

Multi-Axiais: “Tapes” superpostos costurados entre si.

TIPOS DE REFORÇOS

TECIDO DE FIO NÃO TORCIDO TECIDO DE FIO TORCIDO

TAPE FIBRA PICADA (CHOPPED)

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OUTROS TIPOS DE REFORÇOS

Outros tipos de tramas também utilizados nos compósitos.

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OUTROS TIPOS DE REFORÇOS

Formas de reforços pouco usados:

Abesto - são produzidos sob as formas de fibras soltas, folhas, mantas e telas. São utilizados como material anti-corrosivo em interiores e tubos. (foram condenados por serem cancerígenos).

Metais, madeiras, fibras vegetais e papéis - São pouco utilizados devido a sua aplicação ser específica a exigências especiais.

MATERIAIS PRÉ-IMPREGNADOS

A aplicação de resina, ao reforço, pode ser otimizada através de um processo de pré-impregnação, que se resume em aplicar resina com a devida proporção de catalisador, homogeneamente, em toda a extensão do reforço. Esta impregnação pode ser feita de dois processos básicos:

- Por solvente; - Por prensagem (hot melting).

Devido ao fato da resina já conter o catalisador, a cura é função da temperatura e do tempo. Por esse motivo o material deve ser guardado a baixas temperaturas (-18° C).

Shelf Life - (Tempo em freezer), desde o fabricante, transporte e a armazenagem.

Pot Life - (tempo fora do freezer), desde a retirada do freezer até a autoclave, ou estufa, somatória dos tempos (horas) em temperatura ambiente.

Pela responsabilidade deste material no produto final, é importante um processo de garantia de qualidade cobrindo, o recebimento da matéria-prima, o estoque, o manuseio e a cura onde a polimerização é realizada.

Vantagens da utilização dos materiais pré-impregnados (pré-pregs):

- Espessura uniforme ao longo de toda a camada; - Processo limpo;

- Proporção ideal de resina;

- Economia de resina e tempo.

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REFORÇOS HÍBRIDOS

A função de um reforço é fornecer um material com propriedades ideais, através da adição de elementos cujas características se completem.

O carbono por exemplo, possui rigidez mas perde em impacto. Por sua vez a aramida de alta tenacidade, é resistente ao impacto e fraco quanto a resistência à compressão.

A adição de 50% de reforço de carbono à aramida, aumenta sua resistência ao dobro, ou seja, de 182 Mpa para 413 Mpa.

Esta combinação dobra a resistência ao impacto, em relação ao uso de 100% de carbono.

FABRICAÇÃO DE MATERIAL PRÉ-IMPREGNADO

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NÚCLEOS

Os núcleos são utilizados para formação de estruturas de compósitos, onde se deseja alta relação entre rigidez e peso.

O núcleo caracteriza-se por ser um material de baixa densidade como madeiras, espumas, sendo porém, mais usados os núcleos com construções celulares ou colméias como são comumente conhecidas, e as espumas estruturais, como a polimetacrilimida.

As colméias participam da construção em compósitos como parte integrante dos chamados sanduíche estruturais que são formados através de colagem de um revestimento a elas.

Tais estruturas com núcleos são formadas através de colagem de um revestimento que pode ser metálica ou não, a um núcleo de baixa densidade, como mostra a figura a seguir.

A estrutura com núcleo é análoga a viga “l”, onde as faces resistem aos esforços de tração e compressão, como as flanges da viga, e o núcleo resiste aos esforços de corte entre as faces estabilizando-as.

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MATERIAIS DO NÚCLEO

Os núcleos para aplicações aeronáuticas são colméias de liga de alumínio, de tecido de fibra de vidro ou aramida resinado, de liga de aço inox, de liga de titânio e de papel resinado.

As colméias mais utilizadas são:

COLMÉIA DE ARAMIDA

Colméias de papel de aramida (NOMEX) tratado com resina fenólica, de alta resistência mecânica e rigidez numa pequena célula, assim como baixa densidade sendo recomendada para serviços de até 150°C. É um bom isolador térmico.

Aplicação: Compósitos (faces de materiais não metálicos)

COLMÉIA DE ALUMÍNIO

Colméia de alumínio, com alta resistência mecânica, rigidez, boa absorção de energia e resistência a temperatura elevadas.

Aplicação: Em colagem estrutural (faces de materiais metálicos)

Estas colméias são produzidas com uma grande variação do tamanho das células e espessura da parede. Com isso obtém-se uma gama variada de densidade.

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TIPOS DE CÉLULAS

Há uma grande variedade de configurações de células, porém as mais utilizadas são as colméias hexagonais e as de núcleo flexível, flex-core, apresentadas abaixo:

Formato hexagonal (Hexagonal Core): Para aplicação geral em peças planas ou com simples curvatura.

Formato Flex-core: Para aplicação em peças de contornos complexos.

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USO ESTRUTURAL DE COLMÉIAS

A definição da orientação da colméia em uma peça é importante, pois ela possui propriedades superiores na direção da fita.

DIMENSÕES

As dimensões de células, variam de 1,6 mm (1/16”) a 25 mm (1”); com variações em múltiplos de 1,6 mm (1/16”).

Para aplicações especiais, tais como insertos, os núcleos podem ser densamente localizados pela subexpansão ou amassamento das células.

A subexpansão pode ser conseguida com o preenchimento das células do núcleo em espumas expansivas termofixas (filme adesivo esponjoso FOAM).

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Para especificar um painel com núcleo ou uma colméia, deve-se levar em consideração:

DENSIDADE

- Colméias de baixa densidade (1,6 a 2,3 lb/ft³): Utilizadas em painéis ou peças sem responsabilidade estrutural onde sua falha não compromete em nada, como nos revestimentos internos, nas divisórias etc.

- Colméias de média densidade (acima de 2,3 a 4,0 lb/ft³): As mais utilizadas em peças estruturais, como bordo de ataque, carenagens, pisos e estrutura em geral.

- Colméias de alta densidade (acima de 4,0 a 7,9 lb/ft³):De uso restrito para painéis ou peças que são submetidas a grandes esforços de corte e de compressão.

FORMATOS CONVENCIONAIS DE COLMÉIAS

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COLMÉIAS FLEXÍVEIS

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FABRICAÇÃO DE COLMÉIAS PELO MÉTODO DE EXPANSÃO

FABRICAÇÃO DE COLMÉIAS PELO MÉTODO DE ONDULAÇÃO

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NÚCLEOS PARA A CONSTRUÇÃO DE COMPÓSITOS

ESPUMAS ESTRUTURAIS

É fornecida em placas planas, de várias espessuras e densidades, tendo propriedades mecânicas inferiores às dos núcleos de construção celular (colméia) da mesma densidade. Porém, tem baixo custo, fácil maquinagem e conformabilidade a quente, estrutura isotrópica e por não possuir cavidades celulares, permite um excelente acabamento superficial. Deve ser tratada para evitar absorção de umidade.

ADESIVOS

Os adesivos são usados para colagem entre estruturas de compósitos, metais, ou mesmo para outros fins, como reparos, insertos ou colagem de núcleos a faces de uma estrutura, suportando as cargas dos diversos tipos, (assim como os fixadores) são projetados para resistir principalmente ao corte.

A aplicação de cada tipo de adesivo depende do desempenho que se pretende para aquela união, quando se deseja alta responsabilidade estrutural para a junção colada. Parte-se então, para os adesivos de cura a quente, filme ou pasta, dependendo do material e do acabamento das partes a serem unidas.

As colagens secundárias são normalmente realizadas com adesivos pastosos de cura à temperatura ambiente.

Observação: É importante salientar que dentre os vários fatores que determinam a qualidade de uma união colada, dois são de capital importância:

1 - Controle da vida útil e das condições de estocagem dos adesivos. 2 - A preparação superficial das partes que serão coladas.

FILME ADESIVO

O uso mais comum do filme adesivo para compósito, é na união de revestimento com colméias e revestimento com revestimento. São também utilizados para colagem metal/metal e metal/laminado.

ADESIVO PASTOSO

Os adesivos pastosos que se curam em condições de baixa temperatura ou temperatura ambiente, são utilizados em colagens de insertos e nas colagens secundarias. Os adesivos pastosos que se curam a alta temperatura, são utilizados de forma eficiente com uniões estruturais de duas ou mais peças de compósito já curadas

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ADESIVO ESPONJOSO

Os adesivos esponjosos são utilizados na união colméia/colméia, pontos de grandes esforços onde preenchem-se os vazios do núcleo ou ainda, em extremidades.

Os adesivos esponjosos são fornecidos em forma de lamina e curam-se a ± 177°C e podem ser usinados após a cura.

ADESIVOS UTILIZADOS EM MATEIAL COMPÓSITO E SUAS APLICAÇÕES

FILME ADESIVO (120°C)

FILME ADESIVO (180°C)

ADESIVO PASTOSO

ADESIVO ESPONJOSO (120°C E 180°C)

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OUTROS MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO DE COMPÓSITO

Armalon: Usado como desmoldante entre a peça e o saco de vácuo;

Absorvedor: É colocado sobre o armalon para absorver o excesso de resina;

Butiltape (BamBam): É usado para fixar o saco de vácuo e evitar a entrada de ar no bico de vácuo;

Canalizador: Usado para dar homogeneidade ao vácuo;

Bico de Vácuo: Usado para introduzir o vácuo na peça;

Saco Plástico: Usado para limitar a área de vácuo da peça e ajudar a compactar a mesma;

Caul Plate: Usado para ajudar na compactação das camadas, ou melhor fixação dos núcleos;

Chapelona: Usado para corte de tecidos de acordo com o desenho. Atualmente são usadas máquinas programáveis para corte de tecidos;

Micro esfera de vidro oca (carga): Usada para aumentar a densidade da resina no acabamento e reparo de peças;

Outros: Peel Play (proteção de peças para posterior colagem), Tedlar (filme para acabamento de interior de peças internas do avião);

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DETALHES DAS PEÇAS DE COMPÓSITO

Fibra envolvida na resina.

PROCESSO BÁSICO DE FABRICAÇÃO DE PEÇAS DE COMPÓSITO

Uma vez definidos os compósitos para um determinado produto, deve-se adequá-lo ao processo que atenda aos requisitos do projeto.

Uma definição de processo engloba, entre outros fatores, o tipo de ferramental a ser utilizado, o melhor sistema de cura e os equipamentos envolvidos, visando sempre alta qualidade pelo menor custo.

Existem diversos processos de fabricação para peças de compósitos, sendo que para fins aeronáuticos, o processo em autoclave é responsável por quase a totalidade das peças estruturais da atualidade.

Impregnação manual: É o processo mais simples para fabricação de compósitos. Aqui os reforços são impregnados com resina, individualmente, e dispostos em camadas sobre o molde.

A impregnação é feita com pincel e a cura da resina realizada à temperatura ambiente ou sob lâmpadas/ estufa até 60°C.

Apesar de trabalhosa, a impregnação manual oferece o máximo em flexibilidade de projeto e o mínimo de equipamento.

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As resinas utilizadas neste processo são geralmente as epóxi ou poliester.

O processo de impregnação manual pode ser empregados em três diferentes tipos de moldagem: Moldagem Livre, Moldagem por Prensagem e Moldagem livre a Vácuo.

Moldagem Livre: Caracteriza-se por utilizar molde aberto, cura a temperatura ambiente ou com calor mas sem pressão.

Esta moldagem é bastante versátil quanto as dimensões e formato das peças e à simplicidade de execução.

Os inconvenientes são excesso de resina resultando uma peça mais pesada, acabamento satisfatório somente do lado do molde, propriedades e espessura irregular.

A aplicação aeronáutica restringe-se a alguns dutos e na fabricação de moldes.

MOLDAGEM LIVRE (MOLDE ABERTO)

GABARITO PREPARAÇÃO DO GABARITO PARA LAMINAÇÃO

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MOLDAGEM LIVRE (MOLDE ABERTO)

LAMINAÇÃO DAS CAMADAS

DESMOLDAGEM DA PEÇA

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MOLDAGEM LIVRE (MOLDE ABERTO)

DESCOLAGEM DA PEÇA COM O AUXÍLIO DE UMA ESPÁTULA

COMPARAÇÃO DO ACABAMENTO NAS PARTES

INTERNA E EXTERNA DA PEÇA

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MOLDAGEM POR PRENSAGEM (MACHO E FÊMEA)

Este é um processo alternativo ao anteriormente mencionado, utilizado com o intuito de obter-se peças com acabamento em duas faces.

Consiste em fabricar um gabarito macho e fêmea com um sistema de grampos que gere uma pressão interna no laminado, de forma a obter-se a geometria desejada, além de um controle de espessura e uma pequena extração de resina.

Este processo é aplicado onde não se tem requisito estrutural, mas sim a necessidade de encaixes ou ajustes, com bom controle dimensional.

Devido a reação da resina ocorrer em uma área confinada, espera-se um laminado com porosidade. Da mesma forma que a impregnação manual livre, a cura pode ser processada à temperatura ambiente ou em estufa.

GABARITO

PREPARAÇÃO DO GABARITO PARA LAMINAÇÃO

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MOLDAGEM POR PRENSAGEM (MACHO E FÊMEA)

APLICAÇÃO DO TECIDO E DA RESINA

PRENSAGEM COM A OUTRA METADE DO GABARITO

PEÇAS PRONTAS PARA A COLAGEM

PEÇA FINALIZADA

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MOLDAGEM LIVRE A VÁCUO

Caracteriza-se pela utilização de molde aberto, cura de preferência em estufa e pressão proporcionada através da bolsa de vácuo. Neste processo, resultam-se peças mais leves e uniformes.

MOLDAGEM EM AUTOCLAVE

Este é sem dúvida o melhor processo e o mais amplamente utilizado na fabricação de peças de compósitos para a indústria aeronáutica.

É um processo semelhante ao da moldagem a vácuo. Aqui o laminado é feito somente de camadas pré-impregnadas de resina e submetido durante a cura a pressões bem maiores dentro de um vaso de pressão especial, denominado autoclave.

Observação: Na empresa aeronáutica a pressão é controlada com nitrogênio, evitando o uso de oxigênio já haveria a probabilidade de combustão do material.

O processo em autoclave utiliza o vácuo para ajudar na remoção do ar preso e voláteis desprendidos durante a cura. Os ciclos de vácuo e pressão da autoclave são ajustados de modo a remover a máximo de ar sem provocar fluxo excessivo de resina.

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MOLDAGEM EM AUTOCLAVE

O vácuo é comumente aplicado durante o estágio inicial do ciclo, enquanto a pressão da autoclave é mantida durante o ciclo de aquecimento e resfriamento.

As pressões de cura variam normalmente entre 30 a 100 psi e as temperaturas atingem de 120°C a 180°C, dependendo da resina empregada.

Quando comparada com a moldagem a vácuo, este processo produz laminados com controle mais rígido da espessura, uma porcentagem de vazios bem menores, melhor controle de proporção fibra/resina o que, em outras palavras significa melhor nível de resistência, menor peso, melhor acabamento, maior uniformidade de espessura e geometria das peças.

A figura a seguir ilustra a obtenção de uma peça em pré-preg, até a sua preparação para a cura.

Tais operações são precedidas da retirada do material (pré-preg) do congelador para que o mesmo atinja a temperatura ambiente dentro do invólucro que o protege.

Evita-se deste modo a formação de umidade sobre o material, o que deterioraria sua qualidades.

GABARITO METÁLICO

PREPARAÇÃO DO MOLDE

COM DESMOLDANTE

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MOLDAGEM EM AUTOCLAVE

LAMINAÇÃO DAS CAMADAS

DE TECIDO

COLOCAÇÃO DO SACO DE VÁCUO PARA A CURA

CURA EM AUTOCLAVE

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MOLDAGEM EM AUTOCLAVE

PEÇA FINALIZADA

CICLO DE CURA

A cura deve ser efetuada de acordo com o ciclo de cura abaixo:

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COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

MOLDE LIVRE

Molde Cinza Epóxi

Madeira (tipo aberto)

Cura Temperatura Ambiente

Lâmpada Infravermelha

Acabamento Bom do lado do Molde Características das Peças Peças pesadas

Peças com bolha

Indicação Alguns dutos Fabricação de moldes

MOLDE POR PRENSAGEM

Molde Cinza Epóxi

Madeira (tipo macho-fêmea)

Cura Temperatura ambiente ou Estufa

Acabamento Todas as faces

Características das Peças Peças com bom controle dimensional

Peças com peso médio Indicação Peças pequenas e de geometria complexa

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MOLDAGEM A VÁCUO

Molde Metálico (tipo aberto) PRFV

Cura Temperatura ambiente Lâmpada infravermelha ou estufa

Acabamento Impregnação manual:ótimo do lado do molde e bom do lado oposto Características das Peças Peças com peso menor que o processo livre e prensado Indicação Impregnação manual para peças com difícil acomodação do tecido (pouco utilizado) Reparos

MOLDAGEM EM AUTOCLAVE

Molde PRFV

Fibra de carbono

Metálico (tipo aberto)

Cura Compressão + Temperatura e vácuo

Acabamento Ótimo em todas as faces

Características das Peças Maior compactação e alta relação fibra/resina

Menor peso

Indicação Pelas com alta responsabilidade estrutural

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DESMOLDAGEM

A última fase do processo produtivo é a desmoldagem das peças curadas e conseqüentemente o acabamento.

A desmoldagem deve ser feita somente com o auxílio de espátulas não metálicas, não sendo permitido o uso de formão, pois pode causar danos irreversíveis no molde ou na peça.

Caso haja alguma dificuldade para a desmoldagem, deve-se verificar o projeto do molde, se o ângulo de saída foi considerado ou se existem partes destacáveis.

Nunca forçar a saída da peça, pois há risco de ocasionar delaminações nos bordos ou mesmo internamente.

Após desmoldadas, as peças são levadas para o acabamento, onde as mesmas são recortadas, rebarbadas, furadas, escareadas etc.

Terminadas as operações de maquinação (quando necessário e aprovado), pode-se efetuar as operações de retrabalhos superficiais na peça.

Inicia-se o acabamento final, utilizando-se lixas d’água com granas 150, 180, 220 em tanque de água. (Observação: peças com poucas camadas e núcleo não devem se lixadas na água.

As peças devem ser secas em estufas com circulação de ar durante 15 minutos em forno de 70°C).

DEFEITOS SURGIDOS DURANTE A DESMOLDAGEM

Os defeitos em peças de compósito são identificados em dois tipos:

DEFEITOS REJEITÁVEIS

- Delaminações; - Descontinuidades de camadas;

- Fibras esfiapadas;

- Buracos;

- Áreas pobres em resinas;

- Dobras;

- Curas incompletas;

- Corpos estranhos.

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DEFEITOS NEGLIGÍVEIS (SUPERFICIAIS)

- Ranhuras; - Rupturas na resina;

- Vestígios de pancadas;

- Bolhas de ar superficiais.

Na empresa aeronáutica as inspeções utilizadas para compósito são:

- Top. test; - Visual;

- Percussão;

- Dimensional;

- Ultra-som;

- Eddy current.

REPAROS

São aquelas operações executadas, para corrigir a peça após a rejeição pelo Controle da Qualidade. Peças (Instaladas ou não) que sofrem algum tipo de dano, deverão ser analisadas pelo Controle da Qualidade, que optará por repará-la ou sucateá-las.

ACABAMENTO ESTÉTICO EM COMPÓSITO

PINTURA

O processo de pintura em peças de compósito exige técnicas especiais desde a preparação da superfície até a aplicação do esmalte de acabamento. Geralmente são utilizados os esmaltes de Poliuretano.

REVESTIMENTO VINÍLICO

Este tipo de material é utilizado somente para peças de interior da aeronave, dando um acabamento esteticamente perfeito. Podemos citar como exemplo os revestimentos mais utilizados:

- Revestimento com adesivo ativável a quente; - Revestimento com auto adesivo sensível a pressão.

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ESPECIFICANDO O COMPÓSITO NOS PROJETOS

ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO

Uma vez que a escolha tenha sido por fabricar o componente em compósito, deve-se dar início à especificação do projeto, que envolve a de definição das diversas variáveis envolvidas.

MATERIAL

Os materiais disponíveis na empresa são a combinação dos reforços de vidro, carbono e kevlar com as resinas epóxi, fenólica podendo-se ainda incorporar um núcleo de baixa densidade como colméia ou espuma rígida (ROHACELL)

De posse destes dados a engenharia se encarrega de definir a constituição do produto, ou seja, a definição do conjunto reforço/fibra, assim como a necessidade ou não de núcleos, tudo em função das necessidades de resistência e das condições de trabalho da peça.

DOCUMENTANDO AS ESPECIFICAÇÕES DO COMPÓSITO

Uma vez definida a constituição da peça, deve-se colocar todas estas informações em um desenho que é constituído por DI, LP, e LC onde: todos os detalhes devem ser especificados, ou seja:

- Número de camadas; - Material por camada;

- Orientação das fibras;

- Tipo de junção;

- Dimensão do núcleo (caso haja);

- Dimensão de cada camada, etc.

Os desenhos antes eram feitos nas pranchetas e hoje são feitos por computadores (sistemas Auto CAD ou Catia).

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AUTOCAD E CATIA

Lista de peças mecanizadas feitas com o auxílio do computador. A lista mecanizada é utilizada nos programas mais modernos como Empresa aeronáutica 170/190 e ERJ-145.

DESENHO DO COMPÓSITO

LEITURA DE DESENHOS

PRANCHETAS Lista de peças emitida manualmente pelos desenhistas.

Quando se fala de leitura de desenhos deseja-se apenas referir à compreensão de poder olhar um desenho e saber exatamente o que o desenhista tenta expressar, de maneira que o eleitor possa seguir as suas instruções, tal qual se estivesse a ler qualquer instrução por escrito.

É necessário reconhecer as indicações da direção de camadas, a quantidade de camadas, as conexões, as juntas, os reforços e acima de tudo, a localização dos cortes dos reforços das nervuras e dos detalhes adicionais.

Enquanto se recebe o alumínio ou o aço já com suas próprias resistências para formar as peças desejadas, o compósito tem que ser desenhado e fabricado à medida daquela resistência e comportamento necessário a peça.

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DESENHO DO COMPÓSITO

Cada camada indicada no desenho corresponde a um tecido ou tape que, juntamente com a matriz e o processo de cura, resultam num laminado.

Um núcleo metálico ou não metálico pode ser interposto entre as camadas, juntamente com um adesivo, como mostra a figura abaixo.

NOTAS

1 - Cada camada recebe uma numeração própria, mesmo que haja outra exatamente igual em forma, dimensão, material e orientação.

2 - O núcleo, assim como insertos, filmes adesivos, telas metálicas, materiais de acabamento e espumas adesivas, são chamados como posição e não são indicados na tabela.