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UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ

Gilnei José Stepanski

Ricardo Maury Gazzola Sigwalt

MATERIAIS COMPOSTOS NA INDÚSTRIA AEROESPACIAL

CURITIBA

2008

2

UNIVERSIDADE TUIUTÍ DO PARANÁ




Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao Curso de

Tecnologia em Manutenção

Aeronáutica da Faculdade de

Ciências Aeronáuticas da

Universidade Tuiutí do Paraná,

como requisito parcial para a

obtenção do grau de Tecnólogo

Mecânico em Manutenção de

Aeronaves.

Orientador: José Marcos Pinto

CURITIBA

2008

3


CURITIBA

2008

4

TERMO DE APROVAÇÃO




Este trabalho de conclusão de curso foi julgado e aprovado para a obtenção do título de Tecnólogo

Mecânico em Manutenção de Aeronaves no Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica da

Universidade Tuiutí do Paraná.

Curitiba, 03 de dezembro de 2008.

________________________________________

Curso de Tecnologia em Manutenção Aeronáutica

Universidade Tuiutí do Paraná

Orientador: José Marcos Pinto

Universidade Tuiutí do Paraná / Corpo docente

5

RESUMO

Este trabalho faz uma análise do uso de materiais compostos na indústria

aeroespacial, desde o seu inicio em 1930, sua evolução até os dias atuais, e

comenta sobre as tendências de utilização futura. Explica detalhadamente o que são

os materiais compostos, suas principais características, quais os principais

compostos utilizados na industria aeroespacial e suas principais vantagens.

Palavras-chave: composto; aeroespacial; fibra; matriz

6

ABSTRACT

This work makes an analise of composite materials use on aerospace industry since

the beginning in 1930, the evolution to the actuality, and comment about future use

tendencies. Makes a detailed explanation about what are composite materials, main

characteristics, most used composites in aerospace industry and your main

advantages.

Key-words: composite; aerospace; fiber; matrix

7

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 01 – GRUMMAN X-29 ................................................................................ 13

FIGURA 02 – HAWKER 400XP ................................................................................ 14

FIGURA 03 – PREMIER I.......................................................................................... 15

FIGURA 04 – DIREÇÃO DOS MATERIAIS ISO E ANISOTRÓPICOS ..................... 17

FIGURA 05 – ORIENTAÇÃO DO TECIDO NA FORMAÇÃO DE PLACAS ............... 18

FIGURA 06 – RELAÇÃO PESO/VOLUME ................................................................ 19

FIGURA 07 – RESISTÊNCIA A RUPTURA .............................................................. 19

FIGURA 08 – MÓDULO DE ELASTICIDADE ........................................................... 19

FIGURA 09 – UTILIZAÇÃO DE FIBRA DE CARBONO ............................................ 21

FIGURA 10 – DENSIDADE DAS FIBRAS ................................................................. 24

FIGURA 11 – RELAÇÃO DE CUSTO ....................................................................... 24

FIGURA 12 – TENSÃO DE RESISTÊNCIA .............................................................. 25

FIGURA 13 – TENSÃO MODULAR .......................................................................... 25

FIGURA 14 – DIFERENTES ESTILOS DE TECELAGEM ........................................ 26

FIGURA 15 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NCF ..................................... 26

FIGURA 16 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC2 ..................................... 27

FIGURA 17 – MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO ........................................ 29

FIGURA 18 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES ........................................ 30

FIGURA 19 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES ........................................ 31

FIGURA 20 – UNIDIRECIONAL ................................................................................ 32

FIGURA 21 – TECIDO .............................................................................................. 33

FIGURA 22 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG ................................. 34

FIGURA 23 – NÚCLEO HEXAGONAL ...................................................................... 36

FIGURA 24 – NÚCLEO OX ....................................................................................... 37

FIGURA 25 – NÚCLEO FLEX ................................................................................... 38

FIGURA 26 – FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX .............................................. 38

FIGURA 27 – NÚCLEO DOBLE FLEX ...................................................................... 39

FIGURA 28 – NÚCLEO TUBULAR ........................................................................... 40

FIGURA 29 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG ................................. 47

FIGURA 30 – AERONAVE BOEING 767 .................................................................. 48


8

FIGURA 32 – AERONAVE AIRBUS A340 ................................................................ 50

FIGURA 33 – AERONAVE AIRBUS A340-600 ......................................................... 51


FIGURA 35 – AERONAVE AIRBUS A380 ................................................................ 53

FIGURA 36 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE AIRBUS A380 ...... 53

FIGURA 37 – AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER .......................................... 54

FIGURA 38 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE BOEING 787

DREAMLINER ........................................................................................................... 54

FIGURA 39 – AERONAVE LANCAIR COLUMBIA 400 ............................................. 55

FIGURA 40 – AERONAVE LANCAIR 320 ................................................................ 55

FIGURA 41 – EPIC AIRCRAFT ELITE ...................................................................... 56

FIGURA 42 – AERONAVE BOEING F-18 ................................................................. 58

FIGURA 43 – AERONAVE LOCKHEED F-22 ........................................................... 58

FIGURA 44 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON .......................................... 59



FIGURA 47 – HELICÓPTERO NH-90 ....................................................................... 61

FIGURA 48 – HELICÓPTERO TIGER ...................................................................... 61

FIGURA 49 – HELICÓPTERO EC-135 ..................................................................... 62

FIGURA 50 – HELICÓPTERO MD-900 .................................................................... 62

FIGURA 51 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM HELICÓPTEROS ..................... 63

FIGURA 52 – MOTOR GE90 .................................................................................... 64

FIGURA 53 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM MOTORES ............................... 65

FIGURA 54 – FOGUETE ARIANE 5 ......................................................................... 67

FIGURA 55 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NO FOGUETE ARIANE 5 ............... 68

9

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 11

2. MATERIAIS COMPOSTOS ............................................................................ 12

2.1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS COMPOSTOS ........................................... 12

2.2. O QUE SÃO MATERIAIS COMPOSTOS? ...................................................... 16

2.3. ONDE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? ................................. 16

2.4. PORQUE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS? ............................ 16

2.5. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS COMPOSTOS .................................. 17

2.5.1. Orientação ...................................................................................................... 18

2.5.2. Comparativo de diferentes características de materiais ................................. 18

3. PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS ................................................ 20

3.1. PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS .................................................................... 20

3.1.1. Fibra de carbono ............................................................................................. 20

3.1.2. Fibra de grafite ................................................................................................ 21

3.1.3. Fibra de vidro .................................................................................................. 21

3.1.4. Fibra de boro .................................................................................................. 22

3.1.5. Fibra de aramida ............................................................................................. 23

3.2. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DAS FIBRAS? .......................................... 23

3.3. QUAIS SÃO OS DIFERENTES TIPOS DE “FORMAS DE TECIDO”? ............. 26

3.4. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS FATORES QUE AFETAM A ESCOLHA DO

REFORÇO? .................................................................................................... 27

3.5. QUAL A FUNÇÃO DA MATRIZ? ..................................................................... 28

3.6. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DE DIFERENTES MATRIZES DE

TERMOFIXOS? .............................................................................................. 29

3.7. COMPARAÇÃO DAS MATRIZES EM TERMOS DE TEMPERATURA E

PERFORMANCE MECÂNICA ........................................................................ 31

4. TECNOLOGIA PREPREG ............................................................................. 32

4.1. O QUE É PREPREG? ..................................................................................... 32

4.2. PARA QUE É USADO O PREPREG? ............................................................. 33

4.3. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS TIPOS DE PREPREGS? ................................. 33

4.4. PORQUE USAR PREPREG? ......................................................................... 34

5. O QUE É HONEYCOMB? .............................................................................. 35

10

5.1. CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB ......................................... 36

5.1.1. Núcleo hexagonal ........................................................................................... 36

5.1.2. Núcleo OX ...................................................................................................... 36

5.1.3. Núcleo hexagonal reforçado ........................................................................... 37

5.1.4. Núcleo flex ...................................................................................................... 37

5.1.5. Núcleo doble-flex ............................................................................................ 38

5.1.6. Núcleo tubular ................................................................................................. 39

5.2. MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB .................................. 40

5.2.1. Honeycomb em alumínio resistente a corrosão .............................................. 40

5.2.2. Honeycomb em fibra de vidro reforçada ......................................................... 41

5.2.3. Honeycomb em fibra de aramida reforçada .................................................... 42

5.2.4. Honeycomb especiais ..................................................................................... 43

5.3. ATRIBUTOS MAIS IMPORTANTES DE CADA TIPO DE MATERIAL ............. 44

5.4. COMPARAÇÃO E BENEFÍCIO DO HONEYCOMB X NÚCLEO DE MATERIAIS

ALTERNATIVOS ............................................................................................ 45

5.5. APLICAÇÃO DE HONEYCOMB ..................................................................... 46

5.6. HONEYCOMB COM PREPREG ..................................................................... 47

6. UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS COMPOSTOS ............................................ 48

6.1. AERONAVES CIVIS ....................................................................................... 48

6.2. AERONAVES MILITARES .............................................................................. 57

6.3. HELICÓPTEROS ............................................................................................ 60

6.4. MOTORES DE AERONAVES ......................................................................... 64

6.5. AGÊNCIA ESPACIAL ..................................................................................... 66

7. CONCLUSÃO ................................................................................................. 70

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 71

11

1. INTRODUÇÃO

Materiais compostos não são uma novidade na aviação. Muitas aeronaves

da década de 1930 foram construídas com um tipo de material composto bruto,

formado por madeira, tecido, e resina. Hoje a tecnologia evoluiu e muitos são os

tipos de compostos, bem como as informações.

A idéia da realização desde trabalho, surgiu tendo como objetivo a coleta e

estudo justamente de informações sobre o uso dos materiais compostos na indústria

aeroespacial, em virtude da ausência de artigos ou demais informações relativas ao

tema na língua portuguesa. O assunto é muito discutido no meio da aviação em

geral, porém pouco conhecido de fato pela maioria das pessoas, devido a sua

enorme abrangência e também complexidade de informações, o que acaba

dificultando o entendimento dos que não trabalham diretamente no ramo de

materiais e tornando o assunto um mito. Estudar-se-á detalhadamente o uso dos

compostos, as informações sobre a sua manufatura, as vantagens em utilizá-los,

onde utilizá-los, e far-se-á a abordagem de informações relevantes da maneira mais

simples possível.

12

2. MATERIAIS COMPOSTOS

2.1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS COMPOSTOS

Por muitos anos, Designers de aeronaves propuseram designs teóricos, os

quais não podiam construir, por que os materiais necessários para a construção não

existiam. A evolução da indústria aeroespacial, coincidiu com o desenvolvimento da

tecnologia em materiais compostos. Desde as primeiras descobertas de Honeycomb

(uma estrutura celular, feita de lâminas tanto de materiais metálicos quanto não-

metálicos), malhas para composição de peças estruturais, e sistemas de resina, as

empresas do ramo de materiais trabalharam sempre um passo a frente para atender

a exigente demanda da indústria aeroespacial.

Os compostos são os materiais mais importantes a serem usados na

aviação, desde o inicio do uso de alumínio em 1920. Como o nome sugere, são a

combinação, de dois ou mais materiais, orgânicos ou inorgânicos, estes, diferindo

entre si na forma, e na composição. Os componentes interagem, um material serve

como matriz, o qual funciona como a estrutura do material, e mantém todos os

componentes ali agrupados, enquanto o(s) outro(s) material(is) serve(m) como

reforço, em forma de fibras entrelaçadas na matriz. Atualmente, as matrizes mais

comuns são as resinas chamadas thermoset ou termofixos, tal como epóxi,

bismaleimida e poliamida. Os materiais de reforço podem ser, fibra de vidro, fibra de

boro, fibra de carbono ou alguma outra mistura de materiais mais exóticos. Juntos,

esses materiais compõe uma estrutura com qualidades bastante vantajosas, dentre

elas alta razão resistência-peso, resistência contra a corrosão e fadiga, resistência a

altas temperaturas, propriedades anti-chama, e suprema resistência a impactos.

13

A fabricação de estruturas em material composto, é mais complexa do que a

da maioria dos materiais convencionais. Para fazer uma estrutura, o material

composto propriamente dito, seja ele em forma de fita ou de tecido, é colocado em

um molde sob determinada pressão e temperatura. A matriz de resina flui, e quando

o calor é retirado, solidifica. O molde pode ter as mais diversas formas, e o método

de fabricação é influenciado diretamente pelo uso que a estrutura terá, em alguns

casos por exemplo, as fibras são colocadas de maneira bem mais “justa” entre si, a

fim de aumentar a resistência. Uma propriedade muito útil dos compostos, é que

eles podem ser construídos em diversas camadas, uma camada contendo a fibra em

uma direção, outra, na direção oposta por exemplo. Isso possibilita aos engenheiros

projetar uma estrutura, que ao ser forçada, dobrará para determinada direção, mas

não para outra. Usando este atributo, os designers da Grumman Aircraft,

desenvolveram o X-29 (Figura 01), aeronave experimental que utiliza este atributo

dos materiais compostos em seu projeto de asas com enflexamento negativo, o que

com materiais convencionais tendem a dobrar da ponta em direção a raiz quando

em vôo.

FIGURA 01 – GRUMMAN X-29

FONTE: www.fas.org

14

Os atributos mais importantes a serem considerados quando se fala em

materiais compostos, são ambos, baixo peso e força. Quanto maior o peso de uma

aeronave, mais combustível ela consome, então reduzir o peso é importante para os

engenheiros aeronáuticos. Em função da sua grande flexibilidade de design, uma

peça que normalmente teria 4 ou 5 componentes de metal, unidos entre si para

formar uma determinada forma e resistência, pode ser substituídos por apenas 1

componente, feito de material composto, com a mesma forma, e a mesma ou até

superior resistência. Isto significa uma redução de peso, em alguns casos uma

redução de custos, e uma alternativa eficiente para com o uso de materiais

convencionais, eis um dos motivos pelo qual a cada novo projeto aeronáutico que

emerge, a utilização de compostos aumenta.

Para exemplificar, um jato leve como o Hawker 400XP (Figura 02) tem

15000 peças, enquanto o Premier I (Figura 03) tem apenas 5300 partes, menos da

metade.

FIGURA 02 – HAWKER 400XP

FONTE: www.airliners.net

15

FIGURA 03 – PREMIER I


No que diz respeito ao peso e resistência, William Jones que é diretor de tecnologia da RAC, salienta que “[...] estruturas de material composto são, em média, de 25% a 30% mais leves do que as construídas em alumínio e possuem uma resistência três vezes maior a choques mecânicos.” (JONES, 2005, p.45).

As peças em composto costumam ser até 70% mais rígidas que as peças de

alumínio. Isso dispensa o uso de reforços estruturais, longarinas e rebites na

fuselagem, contribuindo ainda mais para a redução do peso total da aeronave.

Paul Jonas, diretor de engenharia da Raytheon afirma que “[...] outro fator importante é que os materiais compostos praticamente não sofrem os efeitos da corrosão e da fadiga, e sua manutenção também é fácil, utilizando técnicas simples de reparos.” (JONAS, 2005, p.45).

O material composto se tornou um diferencial competitivo na aviação pois

proporcionou o aumento do tamanho da fuselagem, por exemplo, sem o aumento

significativo dos custos de produção. Já são utilizados também na fabricação de

componentes do sistema de propulsão, como palhetas de turbina e anéis de

carenagem.

Partes feitas de materiais compostos também têm requerido o

desenvolvimento de novos métodos para teste de qualidade. Depois de removida da

autoclave, a peça passa por exames com líquido penetrante, ultrasom, e raios-x

16

controlados por computador. Uma tecnologia recente, desenvolvida e testada pela

Lockheed Martin, alia o teste de ultrasom a um novo método usando laser, o método

mostrou-se mais eficiente, e rápido que os anteriores.

2.2. O QUE SÃO MATERIAIS COMPOSTOS?

Materiais compostos, ou composite como são chamados na língua inglesa,

são produtos fabricados através da combinação de dois ou mais diferentes materiais

(como fibras e resinas) para criar um produto com excepcionais propriedades

estruturais que não encontramos em materiais convencionais.

2.3. ONDE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS?

A utilização foi pioneira na indústria aeroespacial (aeronaves, motores,

satélites, foguetes) que procurou alternativas com alto desempenho e peso reduzido

em relação aos materiais tradicionais. Os benefícios foram rapidamente aceitos

também por outros segmentos (marítimo, ferroviário, automobilístico e desportivo).

2.4. PORQUE OS MATERIAIS COMPOSTOS SÃO USADOS?

Os composites são utilizados no lugar de materiais convencionais, como

madeira e metal, para alcançar sofisticadas necessidades como redução de peso e

outras vantagens no desempenho. Embora os compostos sejam muitas vezes

utilizados na substituição de metal ou madeira em projetos já existentes, máximos

17

benefícios são obtidos em componentes que têm sido projetados para o material

composto.

2.5. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS COMPOSTOS

As fibras em um composto são fortes e firmes, e apóiam grande parte das

cargas aplicadas. A matriz contribui principalmente para a temperatura de serviço,

tenacidade e resistência do composto. Compostos unidirecionais têm

predominantemente propriedades mecânicas em uma direção, chamados portanto

de anisotrópicos. Materiais isotrópicos (a maioria dos metais) têm propriedades

mecânicas iguais em todas as direções. A figura 04 demonstra as diferentes

direções das propriedades para os materiais isotrópicos e anisotrópicos.

FIGURA 04 – DIREÇÃO DOS MATERIAIS ISO E ANISOTRÓPICOS

FONTE: Manual Prepreg Technology - www.hexcel.com

18

2.5.1. Orientação

As direções das fibras podem ser dispostas para atender necessidades de

desempenho mecânico específico do composto variando a sua orientação. Na figura

05 podemos observar a orientação do tecido durante a formação de placas com

direcionamento em apenas um sentido, ou em vários sentidos.

FIGURA 05 – ORIENTAÇÃO DO TECIDO NA FORMAÇÃO DE PLACAS


2.5.2. Comparativo de diferentes características de materiais

As características dos materiais compostos podem ser visualizadas nas

figuras a seguir. A figura 06 mostra a relação peso/volume; a figura 07 a resistência

a ruptura; a figura 08 o módulo de elasticidade.

19

FIGURA 06 – RELAÇÃO PESO/VOLUME


FIGURA 07 – RESISTÊNCIA A RUPTURA


FIGURA 08 – MÓDULO DE ELASTICIDADE


Os compostos apresentam vantagens como menor peso, maior dureza e

maior rigidez.

20

3. PROPRIEDADES DAS FIBRAS E TECIDOS

3.1. PRINCIPAIS TIPOS DE FIBRAS

3.1.1. Fibra de carbono

A fibra de carbono é utilizada (Figura 09) em uma ampla gama de

aplicações principalmente no ramo aeroespacial, graças a sua capacidade de

combinar baixo peso, alta resistência e alto módulo de elasticidade: o que é uma

combinação impossível de ser obtida com aço ou qualquer outro metal.

As principais características das fibras de carbono são:

• Propriedades mecânicas: densidade mais baixa que o metal, com

maior resistência a tração e um maior módulo de elasticidade. Possui

notáveis propriedades contra fadiga, desgaste e atrito;

• Propriedades térmicas: baixo coeficiente de expansão térmica e

excepcional estabilidade dimensional. Mínima deterioração das

propriedades mecânicas em elevadas temperaturas e baixa

condutividade térmica em baixíssimas temperaturas;

• Propriedades elétricas e eletromagnéticas: a condutividade elétrica

fornece efeito de blindagem eletromagnética;

• Propriedades químicas: Excelente estabilidade química, com notável

resistência aos ácidos e vários solventes;

• Propriedades refratárias: sua temperatura de vaporização chega aos

3.700 °C, não sofrendo modificações físicas ou químicas;

21

• É mais forte que o aço, mais leve que o alumínio e mais rígido que o

titanio.

FIGURA 09 – UTILIZAÇÃO DE FIBRA DE CARBONO

FONTE: Toho Tenax Catalogue - http://www.carbonfiber.gr.jp/english/index.html

3.1.2. Fibra de grafite

A fibra de grafite, nada mais é que fibra de carbono. O que diferencia uma

da outra é a temperatura a qual sofrem o tratamento térmico e a diferença do teor de

carbono que cada uma possui.

3.1.3. Fibra de vidro

Fibra de vidro é o nome dado tanto para a própria fibra quanto para o

material composto chamado PRFV. O PRFV é composto de finos filamentos de

vidro, que não são rígidos, altamente flexíveis, e quando adicionados a qualquer tipo

de resina transforma-se no PRFV, ou seja, "Plástico Reforçado com Fibra de Vidro".

As principais características são:

22

• Alta resistência à tração, flexão e impacto, sendo muito empregados

em aplicações estruturais;

• É leve e não conduz corrente elétrica, sendo utilizado também como

isolante estrutural;

• Permite ampla flexibilidade de projeto, possibilitando a moldagem de

peças complexas, grandes ou pequenas, sem emendas e com grande

valor funcional e estético;

• Não enferruja e tem excepcional resistência a ambientes altamente

agressivos;

• Os custos de manutenção são baixos devido à alta inércia química e

resistência às intempéries, inerente ao material.

3.1.4. Fibra de boro

A fibra de boro é produzida pelo processo de deposição de vapor químico.

Ele pode ser depositado sobre um fio de tungstênio ou filete de grafite por exemplo.

É usado em aplicações mecânicas especiais devido a sua alta resistência.

Outras características da fibra de boro são:

• Baixa densidade, elevada resistência à tração e alto módulo de

elasticidade;

• Extremamente rígido, em torno de cinco vezes maior que fibra de vidro;

• O custo tem limitado a utilização em aplicações aeroespaciais.

23

3.1.5. Fibra de aramida

A fibra de aramida é um polímero resistente ao calor e sete vezes mais

resistente que o aço por unidade de peso. Mais conhecida como Kevlar, marca

registrada da DuPont, é largamente utilizado em construções aeronáuticas.

Suas características são:

• Grande resistência, rigidez e baixo peso específico permitindo o uso de

menos material para se obter as mesmas características mecânicas;

• É resistente a rachaduras;

• Aumenta a rigidez da estrutura;

• Possui alta absorção de energia e baixo alargamento;

• Não corrói em água doce ou salgada e é incombustível.

3.2. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DAS FIBRAS?

Materiais reforçados proporcionam compostos com performance mecânica:

excelente dureza e resistência, boa propriedade térmica, elétrica e química,

enquanto oferece significativa economia de peso comparado com os metais.

A faixa de fibras é extensa. Os gráficos abaixo realçam os principais critérios

para a seleção das fibras. A figura 10 apresenta a densidade para os diversos tipos

de fibras, a figura 11 o custo, a figura 12 a tensão de resistência e a figura 13 a

tensão modular.

24

FIGURA 10 – DENSIDADE DAS FIBRAS


FIGURA 11 – RELAÇÃO DE CUSTO


25

FIGURA 12 – TENSÃO DE RESISTÊNCIA


FIGURA 13 – TENSÃO MODULAR


26

3.3. QUAIS SÃO OS DIFERENTES TIPOS DE “FORMAS DE TECIDO”?

As formas de tecido consistem de pelo menos dois fios que estão trançados

juntos: a urdidura e a trama. Na figura 14 são apresentados os estilos de tecelagem,

que podem variar de acordo com a ondulação e disposição das pregas.

FIGURA 14 – DIFERENTES ESTILOS DE TECELAGEM


Nas figuras 15 e 16 são apresentados os tecidos sem ondulação, formados

com camadas unidirecionais montadas e costuradas.

FIGURA 15 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NCF


27

FIGURA 16 – TECIDO SEM ONDULAÇÃO MODELO NC2


3.4. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS FATORES QUE AFETAM A ESCOLHA DO

REFORÇO?

Os reforços são produzidos em várias formas, e cada tipo oferece vantagens

particulares conforme mostrado na tabela 01:

TABELA 01 – VANTAGEM DE CADA REFORÇO REFORÇO VANTAGENS APLICAÇÕES

UN

IDIR

EC

ION

AL

Fita • Alta resistência e dureza em uma direção • Fibras de baixo peso ≈ 100 g/m2

Estruturas primárias de aeronaves

Produtos esportivos

Corda simples

• Adequado para filamentos sinuosos • Largura muito estreita para disposição precisa da

fibra (1mm)

Recipientes de pressão

Eixo acionador

Tubos Tira • Alta resistência e dureza em uma direção

• Fibra de alto peso ≈ 500 - 1500 g/m2 • Processamento econômico

Mastros de embarcações

Esquis

Palhetas de moinho de vento Tecido > 80% urdidura

• Para componentes que requerem predominante dureza e resistência em uma direção

• Boa manipulação • Pesos de 160 a 1000 g/m2

Indústria aeroespacial

Esporte e lazer

28

TE

CID

O Trançado

equilibrado • Dureza e resistência em duas direções • Ótimas características de manipulação • Seleção de estilo de tecidos • Possibilidade de mesclar fibras • Pesos de 20 a 1000 g/m2

Indústria aeroespacial

Esporte e lazer

MU

LT

IAX

IAIS

NCF • Economia de tempo, tecnologia de custo eficaz • Dureza e resistencia em múltiplas direções • Abilidade para otimizar distribuição de peso na

manta de “tecido” • Sem ondulação • Processo com custo reduzido

Grandes estruturas avançadas

Aeroespacial

Vigas de pisos

Setor industrial

NC2 • Igualmente ao NCF • Filamentos de distribuição homogênea na

produção da matriz: - Propriedades mecânicas melhoradas - Efeito do fluxo da resina aumentado


3.5. QUAL A FUNÇÃO DA MATRIZ?

O papel da matriz é apoiar a fibra e a cola juntos ao material composto. Ela

transfere quaisquer cargas aplicadas às fibras, deixam as fibras na sua posição e

determinam a orientação. A matriz também da ao composto resistência e determina

a máxima temperatura de serviço. Quando for escolhida, a máxima temperatura de

serviço é um dos critérios de seleção.

O mecanismo de cura do termofixo e o papel dos diferentes componentes da

matriz são apresentados na figura 17.

A cura pode ser simplesmente representada por pré-polímeros cujas

posições de ligação formam cadeias e ligações cruzadas.

Na prática, existem muitos constituintes e o processo de cura é mais

complexo. Quando esse processo é concluído, o polímero é completamente curado.

29

FIGURA 17 – MECANISMO DE CURA DO TERMOFIXO


3.6. QUAIS SÃO AS PROPRIEDADES DE DIFERENTES MATRIZES DE

TERMOFIXOS?

Existem três principais tipos de matrizes: epóxi, fenólica e bismaleimida. A

figura 18 indica as vantagens de cada tipo e aplicações típicas.

30

FIGURA 18 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES


31

3.7. COMPARAÇÃO DAS MATRIZES EM TERMOS DE TEMPERATURA E

PERFORMANCE MECÂNICA

As matrizes podem ser convenientemente classificadas de acordo com a

temperatura de serviço apresentadas na tabela 02:

TABELA 02 – VANTAGEM DE CADA REFORÇO Tipo Temper. de serviço Características Fenólica 80-100ºC Excelentes propriedades ao fogo, fumaça e toxicidade

Epoxi 100ºC Sistemas epóxi altamente endurecidoa geralmente apresentam boa aderência para colagem de honeycomb

Epoxi 130-155ºC Sistemas de epóxi endurecidos visando o máximo de propriedades relacionadas ao calor e umidade

Bismaleimida (BMI) e poliamida 260ºC

Longos ciclos de cura necessários para obter melhores propriedades. Resistência a temperatura, enquanto preserva a manipulação e qualidades de resistência.


FIGURA 19 – VANTAGENS DOS TIPOS DE MATRIZES


32

4. TECNOLOGIA PREPREG

4.1. O QUE É PREPREG?

Prepreg é um material composto feito combinando a alta performance do

reforço das fibras ou ainda fabricado com matriz de resina de termoplástico ou

termofixo. Quando curado sobre alta temperatura e pressão, excepcionais

propriedades estruturais são alcançadas. Nas figuras a seguir estão disponíveis as

formas de prepreg. Figura 20: unidirecional (apenas uma direção do reforço) e

Figura 21: “Tecido” (várias direções de reforço).

FIGURA 20 – UNIDIRECIONAL


33

FIGURA 21 – TECIDO


4.2. PARA QUE É USADO O PREPREG?

É utilizado para uma ampla gama de aplicações que requerem alta

resistência e rigidez, combinados com baixo peso. A indústria aeroespacial foi

pioneira na utilização desse material, que hoje está sendo explorado para a

construção de materiais esportivos, barcos, carros de fórmula1 e também em pás de

turbinas eólicas.

4.3. QUAIS SÃO OS PRINCIPAIS TIPOS DE PREPREGS?

São baseados em quatro tipos principais de matrizes: epóxi, fenólica,

bismaleimida e cianato éster. Reforços incluem carbono, vidro, aramida e fibras

híbridas tecidas/trançadas ou unidirecionais.

34

4.4. PORQUE USAR PREPREG?

Dois principais critérios influenciam a seleção de prepreg para uma

aplicação particular: performance e custo. A figura 22 mostra as vantagens do uso

de prepreg.

FIGURA 22 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG


35

5. O QUE É HONEYCOMB?

Honeycomb é um material leve, disponível em uma ampla gama de materiais

e configurações celulares, fornecidos em forma de lâminas, em blocos para

alongamento pelo cliente e honeycomb especiais.

O Honeycomb é usado como componente semi-acabado na fabricação de

peças e estruturas compostas. Possui tolerâncias dimensionais precisas, que

permitem eliminar estágios subseqüentes de fabricação ou processo.

Existem em torno de 700 variações de honeycomb disponíveis em uma

vasta abrangência de materiais e configurações de células, e produtos adicionais

estão sendo continuamente desenvolvidos em resposta a nova utilização da

construção de honeycomb.

Na tabela 03 podemos notar como uma estrutura de honeycomb pode

ser reforçada sem aumentar substancialmente o seu peso.

TABELA 03 – RELAÇÃO REFORÇO X PESO Lâmina de metal

sólido

Sanduíche

Sanduíche espesso

Rigidez 100 700 7 vezes mais rígida

3700 37 vezes mais

rígido

Resistência 100 350 3,5 vezes mais forte

925 9,25 vezes mais

forte

Peso 100 103

3% aumento de peso

106 6% aumento de

peso FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com

36

5.1. CONFIGURAÇÕES DE CÉLULAS HONEYCOMB

5.1.1. Núcleo hexagonal

Honeycomb hexagonal, apresentado na figura 23, é a básica e mais comum

configuração celular de honeycomb, e está disponível em todos os materiais

metálicos e não metálicos.

FIGURA 23 – NÚCLEO HEXAGONAL

FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com

5.1.2. Núcleo OX

A configuração OX, apresentado na figura 24, é uma configuração

hexagonal que foi expandida na direção W, proporcionando uma configuração que

facilita a dobra ou formação na direção L. O núcleo OX aumenta as propriedades de

cisalhamento em W.

37

FIGURA 24 – NÚCLEO OX


5.1.3. Núcleo hexagonal reforçado

Honeycomb hexagonal reforçado possui uma lâmina de material substrato

colocado juntos na direção dos nós para aumentar as propriedades mecânicas.

5.1.4. Núcleo flex

A configuração de célula com núcleo flex, apresentado na figura 25, prevê

excepcional formabilidade (Figura 26) em curvas compostas sem flexão da parede

celular. Raios de curvatura muito apertados são facilmente formados. Quando

formado em raios apertados, o núcleo flex oferece maior força de cisalhamento

quando comparado com núcleo hexagonal ou densidade equivalente. O núcleo flex

é fabricado de alumínio, folha de aramida, e substratos de fibra de vidro.

38

FIGURA 25 – NÚCLEO FLEX


FIGURA 26 – FORMABILIDADE DO NÚCLEO FLEX


5.1.5. Núcleo doble-flex

Double-flex, apresentado na figura 27, é a única grande configuração celular

de núcleo flex para excelente formabilidade e alta propriedade de compressão.

39

Double-Flex é a mais maleável (propriedade de formabilidade) configuração de

célula.

FIGURA 27 – NÚCLEO DOBLE FLEX


5.1.6. Núcleo tubular

A configuração de núcleo tubular, figura 28, proporciona um sistema de

absorção de energia quando o espaço envolvido requer uma coluna ou cilindros de

pequeno diâmetro. O projeto elimina o prejuízo pela força de esmagamento que

ocorre nas bordas convencionais de honeycomb.

Núcleo tubular é construído de lâminas alternadas de alumínio plano e folhas

de alumínio onduladas envolvidos em torno de uma haste e adesivamente coladas.

Diâmetros exteriores podem variar de 1/2 a 30 polegadas e comprimento de 1/2 a 36

polegadas.

40

FIGURA 28 – NÚCLEO TUBULAR


5.2. MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE HONEYCOMB

5.2.1. Honeycomb em alumínio resistente a corrosão

Revestimentos resistentes a corrosão consistem de uma camada base

encoberto de uma camada de primer. Honeycomb em alumínio está disponível em

duas diferentes opções de revestimentos resistentes a corrosão:

• CR III – Cromato base, que é utilizado pelos militares norte-americanos a

mais de 30 anos;

• CR-PAA – ácido fosfórico anodizado, que possui resistência superior em

ambientes salinos, a propagação de rachadura, e utilizado em ambientes

quentes e úmidos.

O revestimento resistente a corrosão é aplicado na lamina antes da resina

ser aplicada, garantindo assim proteção à corrosão a toda a superfície.

41

Honeycomb em alumínio estão disponíveis em duas séries para o ramo

aeroespacial:

• Liga 5052 – Está disponível para uso em aplicações diversas, em uma vasta

gama de combinações de tamanho/densidade de células nas configurações

Núcleo Hexagonal e Núcleo Flex. Configuração de Núcleo OX também pode

ser produzida.

• Liga 5056 – Oferece resistência superior comparada com a liga 5052. Está

também disponível em uma ampla gama de combinação de

tamanho/densidade nas configurações Núcleo Hexagonal e Núcleo Flex. As

propriedades de resistência comparada com a liga 5052 é 20% maior quando

comparadas com tamanho de célula, dimensão da lamina e densidade.

5.2.2. Honeycomb em fibra de vidro reforçada

As configurações para honeycomb em fibra de vidro reforçada são:

• HRP: É um honeycomb revestido com tecido de fibra de vidro mergulhado em

uma resina fenólica resistente ao calor para atingir sua densidade final. Esse

produto foi desenvolvido para uso em serviço de temperaturas até 177°C

(350°F). No entanto, também é bem adequado para curtas exposições a

temperaturas altas. O honeycomb série HRP está disponível na configuração

padrão hexagonal, assim como nas configurações Núcleo OX e Núcleo Flex.

• HFT: É um honeycomb revestido com tecido de fibra de vidro que incorpora

um uma cinta de fibras a ± 45° mergulhado em uma resina fenólica resistente

42

ao calor para atingir sua densidade final. Este material é recomendado para

uso em serviços com temperaturas até 177°C (350°F), mas está bem

adaptada para exposições curtas em temperaturas maiores. Essa

configuração melhora as propriedades relacionadas ao cisalhamento. HFT

possui um elevado módulo de cisalhamento que o HRP.

• HRH-327: É um tecido em fibra de vidro e poliamida, mergulhado em uma

resina de poliamida para atingir sua densidade final. Este material foi

desenvolvido para serviços prolongados em temperaturas até 260°C (500°F)

com a capacidade de alcançar por curto tempo temperatura de 370°C

(700°F).

• HDC-F: É um honeycomb de forte densidade do núcleo que oferece

avançadas propriedades relacionadas à compressão do material.

5.2.3. Honeycomb em fibra de aramida reforçada

As configurações para fibra em aramida reforçada são:

• HRH-10: Este produto é constituído de folha de fibra de aramida mergulhado

em uma resina fenólica resistente ao calor para atingir sua densidade final.

Ela apresenta alta resistência e tenacidade e baixa densidade em núcleo não

metálico. Está disponível nas configurações núcleo OX e Flex. É resistente ao

fogo e recomendado para serviços até 177°C (350°F).

• HRH-310: É produzida da mesma folha de fibra de aramida descrita acima,

exceto o mergulho em resina de poliamida para atingir densidade final. É

43

produzido em configuração de núcleo hexagonal e núcleo OX. Suas

características proeminentes são relativamente, baixa propriedade dielétrica.

• HRH-49: É feito a partir de kevlar 49 (Nome comercial da fibra de aramida

registrada pela DuPont) impregnado com resina epóxi. As vantagens do

honeycomb de kevlar 49 são: excelente estabilidade térmica e relativamente

baixo coeficiente de expansão térmica.

5.2.4. Honeycomb especiais

• HFT-G: É um honeycomb reforçado feito de fibra de carbono, mergulhado em

uma resina fenólica ou resina de poliamida para atingir sua densidade final.

Este produto foi desenvolvido para uso em serviços de temperaturas até

260°C (500°F). No entanto, é bem adequado para curtas exposições a

altíssimas temperaturas. Possui um grande coeficiente de expansão térmica e

um alto valor de módulo de cisalhamento.

• TPU: É um honeycomb construído de termoplástico de poliuretano. Possui

propriedades únicas de resistência a fadiga e flexibilidade.

• Micro-Cell: Está disponível em ligas de alumínio 5052 e 5056 e HRH-10. Foi

desenvolvido para sistemas de direcionamento de ar e para utilização em

painéis estruturais onde a redução de ondulações e deformidades da

cobertura superficial são requeridas.

• Acousti-Core: Consiste de honeycomb preenchido com fragmentos de fibra de

vidro que absorvem ondas sonoras. Qualquer material para colméia pode ser

usado, os mais comuns são HRH-10 e o alumínio.

44

5.3. ATRIBUTOS MAIS IMPORTANTES DE CADA TIPO DE MATERIAL

Cada um dos materiais utilizados na fabricação de honeycomb tem

vantagens específicas que são fundamentais para sua aplicação. Em termos gerais,

algumas das propriedades de cada matérial, seguem abaixo:

Honeycomb em alumínio

• Custo relativamente baixo;

• Melhor absorção de energia;

• Maior relação peso/resistência;

• Célula com paredes mais finas;

• Célula com paredes lisas, sem saliência;

• Condutor de transferência de calor;

• Blindagem elétrica.

Honeycomb em fibra de aramida

• retarda inflamabilidade/fogo;

• Elevada gama de tamanho de células, densidades e resistência;

• Isolador;

• Baixa propriedade dielétrica.

Honeycomb em carbono

• Estabilidade dimensional e o material proporciona que ela se mantenha;

• Performance em altas temperaturas;

• Propriedade para manter a resistência;

45

• Muito baixo coeficiente de expansão térmica;

• Alto módulo de cisalhamento;

Honeycomb em poliuretano

• Não é afetado pela umidade;

• Protege contra choques;

• Resistência a fadiga;

• Opção para escolha de cores.

5.4. COMPARAÇÃO E BENEFÍCIO DO HONEYCOMB X NÚCLEO DE MATERIAIS

ALTERNATIVOS

Diversos materiais diferentes de honeycomb são utilizados também como

núcleo. Eles são na grande maioria a base de madeira e espumas. As vantagens do

honeycomb em relação aos materiais alternativos são apresentadas na tabela 04:

TABELA 04 – COMPARAÇÃO DE MATERIAIS ALTERNATIVO COM HONEYCOMB MATERIAL PROPRIEDADE VANTAGENS DO HONEYCOMB ESPUMA PVC Relativamente baixa resistência e

rigidez ao esmagamento Excelente resistência e rigidez ao esmagamento

Polymethacrylimide Crescimento de stress com o aumento de esforço

Constante resistência ao esmagamento

Poliuretano Pode facilmente se desfazer Integridade estrutural

Poliestireno Possui limite de força aplicada Alta resistência disponível Fenólica Fadiga Alta resistência a fadiga PES Não pode ser formado em curva Configurações de núcleo OX e FLEX

possibilitam curvatura MADEIRA Compensado Densidade muito intensa Excelente relação resistência/peso Balsa Sujeita a degradação com a

umidade Excelente resistência a umidade

Aglomerado Material inflamável Auto-extinção de fogo FONTE: Manual Honeycomb Attributes and Properties - www.hexcel.com

46

5.5. APLICAÇÃO DE HONEYCOMB

Em decorrência de suas relações peso-resistência e peso-rigidez serem

bastante superiores quando comparadas a materiais convencionais, o maior uso de

honeycomb, é para aplicações estruturais.

Em um avião, as partes geralmente feitas com honeycomb são:

• Ailerons;

• Profundores;

• Flaps;

• Naceles;

• Slats;

• Suportes;

• Bordos de fuga;

• Capotas;

• Empenagem;

• Assoalho;

• Radome;

• Spoilers;

• Compensadores;

• Portas;

• Carenagens;

• Bordos de ataque;

• Leme;

• Estabilizadores;

• Sistemas de Empuxo Reverso.

47

Outros veículos da área aeroespacial que utilizam materiais compostos são:

• Helicópteros;

• Satélites;

• Mísseis;

• Ônibus Espaciais;

• Veículos de lançamento de satélites.

5.6. HONEYCOMB COM PREPREG

A construção de um sanduíche (figura 29) consiste de finas camadas de

prepreg colados em honeycomb, espuma ou núcleo de madeira balsa. Um prepreg

auto-adesivo não requer camada adesiva adicional e permite a produção de

estruturas leves e custos de fabricação reduzidos.

FIGURA 29 – VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DE PREPREG


Vantagens: baixo peso, alta resistência, durável, custos de produção reduzidos.

48

6. UTILIZAÇÃO DOS MATERIAIS COMPOSTOS

6.1. AERONAVES CIVIS

A porta de entrada para o uso de materiais compostos em aeronaves

comerciais foi aberta através da adoção de um radome feito em fibra de vidro, no

ano de 1940. Em 1975, a NASA desenvolveu para fins de pesquisa, profundores do

Boeing 727 e 737, e estabilizadores verticais do Douglas DC-10, feitos de material

composto, o que representou de modo geral, entorno de 30% na redução de peso.

A descoberta foi aplicada na fabricação dos Boeing 757’s e 767’s,

primeiramente, com a instalação de lemes compostos. Quase simultaneamente, foi

adotado o uso nos profundores, spoilers, ailerons, polaina da raiz da asa, tampas do

trem principal e de nariz, bordos de fuga das asas e dos estabilizadores. Todas

essas partes juntas ocuparam 3% do peso total da aeronave, no caso, o Boeing 767

(Figura 30).

FIGURA 30 – AERONAVE BOEING 767

FONTE: www.boeing.com

49

O Boeing 777 (primeiro vôo em 1994), figura 31, adotou módulos elásticos

de fibra de carbono como estrutura primária de partes como estabilizador vertical e

horizontal, e assoalhos, partes essas cuja tolerância a danos é essencialmente

importante.



O Airbus 320 (primeiro vôo comercial em 1998) utiliza estabilizadores

também feitos em fibra de carbono, entre diversas outras partes feitas com materiais

compostos, como os profundores e naceles de motores. Essas foram as primeiras

partes feitas com estrutura primária, fabricadas em material composto.

Posteriormente, surgiram os A330 e A340, nos quais 12% do peso total, é de

materiais compostos.

Abaixo temos como exemplo, o uso de compostos em uma aeronave Airbus

340 (Figuras 32 e 33), largamente utilizada por empresas como Lufthansa, Air

France, Virgin Airways, South African, entre outras.

50

FIGURA 32 – AERONAVE AIRBUS A340

FONTE: Manual Aerospace Brochure - www.hexcel.com

1 - Radome;

2 - Portas do trem de pouso;

3 - Galley, Closet, e Banheiros;

4 - Partições de cabine;

5 - Polainas de junção da fuselagem com as asas;

6 - Revestimento externo das asas;

7 - Superfícies de controle de vôo, ailerons, spoilers, vanes, flaps, slats;

8 - Assoalho da cabine de passageiros;

9 - Nacele dos motores e sistema de reverso;

10 - Suportes dos motores;

11 - Winglets;

12 - Keel Beam – reforço estrutural no sentido longitudinal da fuselagem;

13 - Assoalho do compartimento de carga;

14 - Capota dos atuadores dos flaps;

15 - Compartimento de bagagens interno, de teto;

51

16 - Teto e paredes laterais internas da cabine;

17 - Escada retrátil;

18 - Selo traseiro da cabine, para manutenção da pressão interna;

19 - Estabilizador Vertical;

20 - Leme;

21 - Estabilizador Horizontal;

22 - Profundor;

23 - Cone de cauda.

FIGURA 33 – AERONAVE AIRBUS A340-600


No Boeing 777 (figura 34), os estabilizadores horizontal e vertical, são feitos

em fibra de carbono aliada à resinas de última geração. Outras partes tais como

assoalho de cabine, polainas das asas, polainas dos trilhos dos flaps, e naceles de

motor, também fazem uso de compostos. Abaixo a representação gráfica mais

detalhada da utilização destes materiais na aeronave:

52


FONTE: www.carbonfiber.gr.jp

Híbridos são feitos da adição de algum material complementar como fibra de

vidro ou kevlar, a uma matriz básica de fibra de carbono/epóxi. Os materiais são

adicionados para se obter características específicas tais como maior resistência a

fratura e a impactos , e por isso, estes híbridos devem ser usados em áreas sujeitas

a possíveis danos por colisão com objeto estranho, por exemplo. A adição de fibra

de carbono/epóxi em uma estrutura de fibra de vidro por sua vez, irá prover maior

resistência a deformações elásticas.

O aumento do uso de compostos na indústria aeroespacial é uma projeção

clara e óbvia, tendo em vista que a cada ano os materiais são aprimorados, assim

como a indústria aprimora seus conceitos de acordo com cada nova descoberta. O

mais recente projeto da Airbus, o A380 (Figuras 35 e 36), e o ainda não finalizado

Boeing 787 Dreamliner (Figuras 37 e 38), provam isso:

53

FIGURA 35 – AERONAVE AIRBUS A380


FIGURA 36 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE AIRBUS A380


54

FIGURA 37 – AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER


FIGURA 38 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NA AERONAVE BOEING 787 DREAMLINER


55

Na aviação geral e executiva, o uso de compostos também é cada vez mais

alto, hoje em dia temos aeronaves cuja performance está muito além das

expectativas de alguns anos atrás. Exemplo disso são as aeronaves fabricadas por

empresas como a Lancair (Figuras 39 e 40), Cirrus, Epic Aircraft (Figura 41), Glasair,

entre outras.

FIGURA 39 – AERONAVE LANCAIR COLUMBIA 400


FIGURA 40 – AERONAVE LANCAIR 320


56

FIGURA 41 – EPIC AIRCRAFT ELITE


A recente introdução de resinas de alta performance preenchidas com

longas fibras de vidro, tem permitido a moldagem por injeção, de componentes

estruturais.

Espumas rígidas têm sido usadas para formar núcleos estruturais de baixo

peso e altíssima resistência. Esse tipo de projeto permitirá com que a fabricação de

uma aeronave, combinando esses dois métodos, seja feita em poucos, e baratos

passos. Toda a estrutura, a carenagem da aeronave e os membros de reforço serão

moldados por injeção, utilizando longas fibras de vidro. Os núcleos estruturais de

espuma, serão montados com o método “foam-in-place” que consiste na injeção da

espuma (foam) rígida já no lugar. Esses métodos, tem como resultado esperado, um

menor custo de fabricação e custo por ciclo de vida, além de melhor performance

geral da aeronave.

57

6.2. AERONAVES MILITARES

Em sua constante busca por superior performance, os projetistas de

aeronaves militares foram os primeiros a experimentar o uso dos compostos na

indústria aeroespacial, muitos aviões da década de 1930 eram construídos com um

material composto bruto, formado por madeira, tecido e resina. Uma fuselagem

experimental para o Spitfire, desenvolvida no ano de 1940, em fibra de vidro

reforçada, que na época ganhou o nome de “Aerolite”, surgiu em decorrência de

uma ameaça ao suprimento de alumínio, cortado pelos alemães, porém o

suprimento não acabou de fato, e a aeronave com fuselagem em Aerolite não

precisou entrar em linha de produção.

Até o final da década de 1960, quase todas as aeronaves militares eram

compostas primeiramente de alumínio e suas ligas. Aviões de alta velocidade como

o Lockheed SR-71 Blackbird, utilizavam uma quantia considerável de titânio em sua

fabricação, mas o alto custos e demanda desse material para produção, limitaram a

a produção da aeronave, e sua aplicação apenas para operações cuja temperatura

era relativamente alta, no caso, operações de vôo em altíssima velocidade.

Nos dias de hoje, a grande necessidade por designs otimizados, permitindo

aos pilotos executarem manobras avançadas, eleva o uso de materiais compostos

na indústria aeronáutica militar, a níveis nunca vistos anteriormente, e que

aumentam a cada novo projeto. Entorno de 16% do peso de um Boeing F/A-18E/F

(Figura 42), 22% de um Lockheed F/A-22 (Figura 43), 26% de um AV-8 Harrier, 35%

de um Lockheed F-35 JSF, devem-se às estruturas feitas em material composto.

58

FIGURA 42 – AERONAVE BOEING F-18

FONTE: www.kboing.com.br

FIGURA 43 – AERONAVE LOCKHEED F-22

FONTE: www.kboing.com.br

Atualmente, a maioria dos programas de desenvolvimento de aeronaves

militares no continente Europeu, e nos Estados Unidos, dentre eles EADS, Boeing,

BAE Systems, Dassault, Lockheed Martin, Vought e Saab contam com a empresa

Hexcel para suprir suas necessidades em materiais compostos. 70% do caça

Eurofighter Typhoon (grande destaque no uso de compostos), incluindo asas, seção

frontal e traseira da fuselagem, são feitas de prepreg epóxi, da combinação de uma

matriz de resina termoplástica, no caso o epóxi, pré impregnado a fibras de alta

performance, resultando em um material com altíssima resistência e baixo peso, o

59

restante é composto de 12% de plásticos especiais reforçados, 15% de ligas de

metais de baixo peso e titânio, 3% de outros materiais.

Abaixo, um diagrama do uso dos compostos no Eurofighter Typhoon

(Figuras 44, 45 e 46):

FIGURA 44 – AERONAVE EUROFIGHTER TYPHOON


1 - Radome

2 - Asas tipo Canard

3 - Painéis de fuselagem

4 - Dispositivos do bordo de ataque

5 - Polaina da “espinha” de entrada do estabilizador vertical

6 - Painéis de asa

7 - Polaina da ponta do estabilizador vertical

8 - Leme

9 - Painéis laterais do estabilizador vertical

10 - Superfícies de controle de vôo

60


FONTE: //quicklink.all.googlepages.com/eurofighter.htm


FONTE: //quicklink.all.googlepages.com/eurofighter.htm

6.3. HELICÓPTEROS

Helicópteros civis e militares consomem grandes quantias de materiais

compostos, para construção de diversas partes estruturais dentre elas, cone de

cauda, fuselagem, e componentes do rotor principal. Os helicópteros militares NH-90

(Figura 47) e Tiger (Figura 48), têm as carenagens de motor, pás das hélices,

fuselagem, cockpit e o tail boom, feitos completamente com compostos.

61

FIGURA 47 – HELICÓPTERO NH-90


FIGURA 48 – HELICÓPTERO TIGER


Por exemplo, muitos outros helicópteros civis e militares fazem uso destes

materiais. Dentre os helicópteros civis, é possível citar como exemplos, os

Eurocopter EC-135 (Figura 49), EC-145, McDonnel-Douglas MD-600 e MD-900

(Figura 50).

62

FIGURA 49 – HELICÓPTERO EC-135


FIGURA 50 – HELICÓPTERO MD-900


A seguir, temos o diagrama de utilização dos compostos em um modelo

representativo de Helicóptero (Figura 51):

63

FIGURA 51 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM HELICÓPTEROS


1 - Pás das hélices do rotor principal e de cauda;

2 - Hub de rotor, onde as pás estão conectadas;

3 - Barras estruturais da fuselagem,

4 - Assoalho;

5 - Assentos;

6 - Carenagens de motor e painéis de acesso;

7 - Fuselagem;

8 - Portas de acesso ao compartimento de carga;

9 - Cone de cauda;

10 - Estabilizadores horizontais;

11 - Painéis de fuselagem.

64

6.4. MOTORES DE AERONAVES

O Rolls-Royce RB108 foi um dos primeiros motores aeronáuticos a ser

construído utilizando tecnologia de materiais compostos, projetado em 1950. O

motor possui as pás e os alojamentos de compressor feitos em fibra de vidro. Nos

anos 70, projetistas voltaram-se ao uso de compostos a fins de redução de peso nas

grandes naceles necessárias para os potentes motores turbofan. Hoje, normalmente

metade do volume de uma nacele e sistema de reverso, é preenchida por

componentes em materiais por fibra de carbono e prepreg. O próximo passo, é

iniciar o uso de compostos em estruturas mais completas, como o motor

propriamente dito. O General Electric GE90 (Figura 52), é o primeiro grande turbofan

destinado a aviação comercial, que utiliza as pás do compressor de baixa, feitas de

um composto de epóxi e carbono.

FIGURA 52 – MOTOR GE90

FONTE: www.gasturbine.pwp.blueyonder.co.uk

65

Abaixo, temos um diagrama meramente ilustrativo, representando um motor

turbofan (Figura 53) de aeronave comercial, e sua utilização de materiais compostos:

FIGURA 53 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS EM MOTORES


1 - Alojamento da ECU –Electronic Control Unit;

2 - Painéis acústicos de abafamento do som;

3 - Pás do fan;

4 - Spinner do Fan;

5 - Bocal de entrada;

6 - Portas de acesso ao motor;

7 - Defletores do sistema Reverso;

8 - Carenagem de compressor;

9 - Duto de by-pass do ar;

10 - Estatores;

11 - Anel de contenção do fan;

12 - Nacele;

66

Pesquisas têm mostrado uma variada gama de novos materiais compostos

em potencial. Carbono e fibras de grafite têm sido combinadas com uma matriz de

metal, ao invés de epóxi. Esse material tem se mostrado superior em operações de

altíssima temperatura, o que é bastante interessante para aplicação na seção

quente de um motor a reação, ou no cone de escape. A utilização de uma matriz de

cerâmica, está em fase de testes e pesquisa, e também revelou-se eficiente para

operações em alta temperatura. No entanto essas tecnologias ainda não são

perfeitas, e necessitam vários ajustes, os materiais mostraram-se quebradiços, e de

difícil “colagem” um no outro

6.5. AGÊNCIA ESPACIAL

O lançamento de satélites representa o último desafio no desenvolvimento

de compostos. Poupar peso é crucial, além de prover extrema resistência estrutural

e a altíssimas temperaturas. Este mercado, a gigante dos compostos, a Hexcel

domina quase que completamente. A empresa se especializou na construção de

fitas e malhas somente para aplicação em veículos espaciais. Em 1969, os primeiros

materiais compostos viajaram no espaço e pousaram na Lua, em forma de

absorvedores de energia feitos em honeycomb, nos “pés” dos trens de pouso do

módulo lunar da Apollo 11. O último foguete lançador de satélites Europeu, o Ariane

5 (Figura 54), contém compostos em todas as seções superiores do foguete.

67

FIGURA 54 – FOGUETE ARIANE 5

FONTE: www.fluent.com

Abaixo temos um diagrama do Ariane 5 (Figura 55) demonstrando o uso dos

compostos:

68

FIGURA 55 – UTILIZAÇÃO DE COMPOSTOS NO FOGUETE ARIANE 5


1 - Painéis solares;

2 – Refletor;

3 - Estruturas do Satélite;

4 – Carenagens;

5 - Compartimento de carga externa;

69

6 - Anel EPS;

7 - Saia dianteira;

8 - Capota dos Foguetes;

9 - Yoke;

10 - Protetor de Calor.

70

7. CONCLUSÃO

Como vimos, o uso de materiais compostos, desde sua introdução no meio

aeroespacial em 1930, trouxe muitas vantagens ao desenvolvimento tecnológico

desta área. Atualmente não é mais possível pensar em projetar uma aeronave, sem

cogitar a utilização desses materiais; a cada novo projeto percebemos que a

utilização destes, aumenta significativamente, nos mais diversos componentes das

aeronaves.

A tecnologia de materiais, em especial como estamos tratando, os

compostos, só tende a evoluir ainda mais. Novas técnicas, a necessidade por novos

conceitos e idéias na ciência dos materiais, agora tomam por rumo a parte

aerodinâmica. O grande impasse que existia no começo da industria aeroespacial,

quanto a conseguir produzir um determinado componente com tal design, já é

praticamente inexistente, tendo em vista que a evolução nessa área trouxe domínio

quase que total da manufatura destes.

Assim como o metal substituiu o “arame e a madeira”, designers estão se

ajustando às novas realidades e possibilidades que as tecnologias atuais com

materiais compostos nos trazem, introduzindo assim uma nova era na fabricação de

aeronaves e motores.

71

REFERÊNCIAS

SMITH, Zeke. Understanding aircraft composite construction: basics of materials and

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