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TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO MANUFATURA DE COMPÓSITOS ESTRUTURAIS COM INSERÇÃO DE FIBRAS ÓPTICAS PARA SENSORIAMENTO DE DEFORMAÇÕES E DANOS MECÂNICOS ALUNO: Gustavo de Souza ORIENTADOR: Prof. Dr. José Ricardo Tarpani São Carlos 2016
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TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
MANUFATURA DE COMPÓSITOS ESTRUTURAIS COM INSERÇÃO DE FIBRAS
ÓPTICAS PARA SENSORIAMENTO DE DEFORMAÇÕES E DANOS MECÂNICOS
ALUNO: Gustavo de Souza
ORIENTADOR: Prof. Dr. José Ricardo Tarpani
São Carlos
2016
GUSTAVO DE SOUZA
MANUFATURA DE COMPÓSITOS ESTRUTURAIS COM INSERÇÃO DE FIBRAS
ÓPTICAS PARA SENSORIAMENTO DE DEFORMAÇÕES E DANOS MECÂNICOS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola de
Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia de Materiais e Manufatura
ORIENTADOR: Prof. Dr. José Ricardo Tarpani
São Carlos
2016
AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR
QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E
PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Professor Dr. José Ricardo Tarpani, meu orientador, pela oportunidade,
apoio e constante motivação na realização desse trabalho.
Agradeço ao Professor Andreas Echtermeyer por ter me recebido e orientado durante a
realização do Estágio em pesquisa BEPE-FAPESP.
Agradeço aos colegas Nan Te Kwai e Braian Uribe do GECoM - SMM- EESC pelo
auxílio durante a execução desse projeto.
Agradeço aos colegas Kaspar Lasn, Abedin Gagani, Dennis Gibhardte e Søren Heinze
do IPM-NTNU por toda atenção e suporte na realização dos experimentos durante o estágio
BEPE-FAPESP.
Ao Departamento de Engenharia de Materiais da EESC-USP e seus professores, por
contribuírem para a minha formação ao longo desses 6 anos de graduação.
A minha namorada Mirella Fares pelo companheirismo e apoio incondicional em
todos os momentos.
A todos meus amigos, em especial Daniel Cunha, Jorge Parreli e Rafael Ferro por
sempre estarem presentes nos bons e principalmente nos momentos difíceis ao longo desses 6
anos.
Aos meus pais, por sempre me apoiarem.
Aos Professores membros da banca por se disponibilizarem a avaliar e contribuírem
com esse trabalho
“Não deixe sua chama se apagar com a indiferença.
Nos pântanos desesperançosos do ainda, do agora não.
Não permita que o herói na sua alma padeça
frustrado e solitário com a vida que ele merecia,
mas nunca foi capaz de alcançar.
Podemos alcançar o mundo que desejamos. Ele existe.
É real.
É possível.
É seu.”
Ayn Rand (A Revolta de Atlas, 1956)
RESUMO
SOUZA G. Manufatura de compósitos estruturais com inserção de fibras ópticas para
sensoriamento de deformações e danos mecânicos. 2016. 53p. Monografia (Trabalho de
Conclusão de Curso) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São
Carlos.
Métodos simples de inserção de fibras ópticas em compósitos estruturais durante o processo
de manufatura foram desenvolvidos para as técnicas de infusão de resina em molde superior
flexível e enrolamento filamentar. Os métodos foram propostos e aplicados visando
interferência mínima nos processos durante a disposição dos sensores. Os laminados obtidos
via infusão foram ensaiados em tração, na qual duas técnicas de interrogamento das fibras
ópticas foram utilizadas: espalhamento luminoso e reflectometria do espalhamento óptico.
Nesses ensaios foram avaliadas a queda de propriedade mecânica do laminado devido a
presença da fibra óptica, o comportamento mecânico da fibra óptica durante o carregamento e
a deformação desenvolvida ao longo do comprimento do sensor embutido na estrutura. Os
vasos de pressão manufaturados via enrolamento filamentar foram testados em impacto e em
ensaio de pressurização onde as fibras ópticas foram capazes de detectar e medir a intensidade
do dano causado pelo impacto e monitorar os níveis de deformação causados nas direções
circunferenciais e longitudinais no ensaio de pressurização. Os resultados obtidos mostram o
grande potencial existente para o uso de fibras ópticas para monitoramento da condição
estrutural em tempo real de compósitos estruturais.
Palavras-chaves: Compósitos estruturais, monitoramento da integridade estrutural,
sensoriamento por fibras ópticas, Infusão a vácuo de resina líquida, enrolamento filamentar.
ABSTRACT
SOUZA G.. Manufacturing of composite structures with embedded optical fibers for
strain and damage sensing. 2016. 53p. Monograph (Course Completion Assignment) – Sao
Carlos School of Engineering, University of Sao Paulo, Sao Carlos.
Simple methods of embedding optical fiber in composite structural during the manufacturing
process were developed for resin infusion under flexible tooling - RIFT and Filament
Winding- FW techniques. The methods were proposed and implemented focusing on minimal
interference in the processes during the arrangement of sensors. The laminates obtained via
infusion were tested in pure traction, in which two interrogating techniques of optical fibers
were employed: visible light scattering and Optical Backscatter Reflectometry –OBR Pure
tension tests evaluated the decrease of mechanical properties in laminates due the presence of
the optical fiber, the mechanical behavior of optical fiber during loading and the strain profile
along the length of the embedded sensor. Pressure vessels manufactured via filament winding
were tested in impact and pressurization in which the optical fibers were able to detect and
measure the intensity of the damage caused by the impact and monitor strain levels in the
hoop and longitudinal directions in the pressurization test. The results show the great potential
of optical fibers as a Structural Health Monitoring mean in structural composites.
Keywords: Structural composites, Structural Health Monitoring - SHM, Optical Backscatter
Reflectometer - OBR, Resin Infusion Under Flexible Tooling - RIFT, Filament Winding -
FW.
Sumário
1. Introdução ......................................................................................................................... 19
1.1Compósitos estruturais: definição, aplicação e processos de manufatura. ...................... 19
1.2 Conceitos gerais e motivação ......................................................................................... 23
1.3 Monitoramento da integridade estrutural - SHM ........................................................... 24
1.4 Sistemas SHM baseados em fibras ópticas ..................................................................... 27
2. Objetivos ........................................................................................................................... 28
3. Materiais e Métodos .......................................................................................................... 29
3.1 Materiais ......................................................................................................................... 29
3.2Métodos ........................................................................................................................... 30
4. Resultados ......................................................................................................................... 33
4.1 LCPs com fibras ópticas embutidas avaliados por ensaios visuais via espalhamento de
luz. ........................................................................................................................................ 33
4.2 LCPs e vasos de pressão com fibras ópticas embutidas interrogados com reflectometria
do espalhamento óptico (Optical Backscatter Reflectometer - OBR) .................................. 38
i) Método de Inserção de fibras ópticas durante a manufatura de LCPs via RIFT ........... 38
ii) Ensaio de tração dos LCPs com fibra óptica embutida com monitoramento via OBR 41
iii) Método de Inserção de fibras ópticas durante a manufatura de vasos de pressão via
enrolamento filamentar. .................................................................................................... 44
iv) Ensaio de impacto em vaso de pressão com fibra óptica embutida com monitoramento
via OBR. ........................................................................................................................... 46
v) Ensaio de pressurização em vaso de pressão com fibra óptica embutida com
monitoramento via OBR. .................................................................................................. 48
5. Discussão .......................................................................................................................... 51
6. Conclusão e Trabalhos Futuros ......................................................................................... 53
7. Referências ........................................................................................................................ 54
19
1. Introdução
1.1Compósitos estruturais: definição, aplicação e processos de manufatura
O continuo desenvolvimento tecnológico da sociedade moderna vem aumentando cada
vez mais a demanda por materiais com combinações de propriedades específicas. Isto é
especialmente verdadeiro para materiais que são requisitados em aplicações estruturais nas
áreas aeroespaciais, subaquáticas e de transporte Nesse contexto, a classe de materiais
compósitos torna-se excepcionalmente interessante em diversos projetos complexos
(Callister, 2014).
Um material compósito é uma mistura física de dois ou mais distintos nano e / ou
micro e / ou meso, e / ou macroconstituintes, não solúveis um no outro, tendo uma interface
reconhecível entre eles. Tipicamente, os materiais compósitos são formados por uma matriz
contínua que une, da forma, protege e transmite esforços através da interface de contato a uma
fase dispersa de reforço. O reforço é um material mais rígido que pode se apresentar na forma
de partículas ou fibras (figura 1). O material resultante tem um equilíbrio de propriedades
estruturais que é superior a cada material constituinte sozinho, o que é chamado de princípio
de ação combinada (ASM, 2001).
Em um contexto amplo, os compósitos podem ser divididos em naturais (osso,
madeira, tecidos musculares, etc.) e sintéticos. Entre os sintéticos, uma série de outras
classificações podem ser feitas decorrente dos tipos (partículas ou fibras) e arranjos
(unidirecional, multidirecional) dos reforços existentes. Um esquema de classificação de
materiais compósitos é apresentado na figura 2.
Figura 1. Esquema de transferência de carga entre matriz e reforço em um compósito fibroso. Adaptado de
Callister (2014).
20
Figura 2. Classificação dos materiais compósitos. Adaptado de Callister (2014).
No presente trabalho foram manufaturados e empregados laminados (Laminates).
Laminados Compósitos Poliméricos - LCPs (Fiber Reinforced Polymer - FRP) são feitos por
empilhamento de camadas individuais de arranjos de fibras uni- ou multidirecionais com
orientações espaciais específicas embutidas numa matriz polimérica de modo que todo o
empilhamento de camadas (laminado) possui propriedades globais bem definidas no plano
ortogonal à espessura do laminado. As propriedades da fibra basicamente definem o
desempenho mecânico do laminado compósito em termos de resistência à tração e rigidez, ao
passo que outros aspectos do desempenho do compósito dependem intimamente das
propriedades da matriz, tais como a temperatura máxima em serviço, as condições ambientais
e a resistência ao cisalhamento interlaminar.
Os reforços de fibras contínuas mais comumente incorporados em matrizes
poliméricas são vidro (Glass Fiber Reinforced Polymer – GFRP), carbono (Carbon Fiber
Reinforced Polymer – CFRP), e Para-Aramida. Outros materiais empregados como reforço
em menor escala são quartzo, boro, carbeto de silício e óxido de alumínio. Em relação às
resinas termofixas, poliésteres, por exemplo, oferecem uma combinação de baixo custo,
versatilidade em muitos processos e bom desempenho mecânico. No entanto, para compósitos
de alto de desempenho utilizados em aplicações estruturais, as resinas epóxi são
preferencialmente empregadas, na medida em que apresentam rigidez e tenacidade à fratura
elevadas, com igualmente boas propriedades térmicas (ASM, 2001).
LCPs são muito resistentes a vários tipos de corrosão, e se comparado às ligas
metálicas estruturais são mais leves por fatores superiores a até 4 vezes, o que faz com que
sua aplicação seja particularmente interessante na indústria aeroespacial. Como pode ser visto
21
no gráfico da figura 3, que ilustra o crescimento da aplicação de compósitos em aeronaves
civis desde 1980, a utilização de materiais compósitos cresceu de 5-6% para 50% (no Boeing
787) em 30 anos. Isso por conta principalmente do barateamento das matérias primas e do
desenvolvimento de processos automatizados de manufatura (Campbell, 2006; Giurgiutiu,
2016).
Figura 3. a) Aumento do uso de compósitos em aeronaves civis no period de 1980-2010. b) Localização de
componentes compósitos na estrutura do Boeing 787 Dreamliner que correspondem a 50% do peso da aeronave.
Adaptado de Giurgiutiu (2016).
A versatilidade de manufatura dos LCP possibilita a essa classe de materiais diferentes
processos de fabricação que diferem entre si pelo custo do equipamento empregado,
complexidade de geometria e propriedades mecânicas do produto final. Para citar alguns dos
métodos mais comuns: Impregnação Manual (Handlay- UP), Enrolamento filamentar
(Filament Winding), Pultrusão (Pultrusion), Autoclave, Deposição computadorizada (Tape
Layer Delivery Head) e Infusão de Resina (Resin Transfer Moulding - RTM e Resin Infusion
under Flexible Tooling - RIFT).
As propriedades finais dos LCP estão intimamente ligadas a fração volumétrica de
fibras Vf e ao conteúdo de vazios ou bolhas que cada uma dessas técnicas apresenta (figura 4).
As figuras 5 e 6 ilustram em detalhes os processos empregados durante a realização do
presente trabalho, sendo eles RIFT e Filament Winding (wet), respectivamente.
22
Figura 4. Propriedades apresentadas por laminados compósitos manufaturados por diferentes técnicas utilizando
o processo de hand lay-up como base de comparação. A capacidade de prover alto volume de fibras e baixa
porosidade volumétrica é fundamental para obtenção de boas propriedades finais. Adaptado de Harris (1999).
Figura 5. a) Vista explodida do processo de manufatura RIFT ilustrando os principais consumíveis e a ordem de
empilhamento e disposição desses materiais. b) etapas do processo de infusão de resina: lay-up, preenchimento,
e pós-preenchimento. Com boas condições de processo é possível alcançar fração volumétrica de fibras de 50% e
menos de 5% de porosidade. Adaptado de Govignon et al. (2010).
a
b
23
Figura 6. Detalhamento do processo de manufatura por enrolamento filamentar molhado. As fibras longas
passam por um banho de resina e são tensionadas por um mandril rotativo. O olho “head” é responsável pela
orientação de deposição do reforço que pode seguir padrões helicoidais, polares e circunferenciais. Adaptado de
Campbell (2006).
1.2 Conceitos gerais e motivação
Grandes avanços na compreensão do comportamento mecânico e um maior domínio
das técnicas de manufatura de LCPs possibilitaram a essa classe de materiais uma ampla
gama de aplicações estruturais nos mais diversos setores da indústria, particularmente onde
alto desempenho mecânico (em especial resistência à tração e rigidez) aliado a baixo peso
estrutural são requisitos essenciais de projeto.
Entretanto, de acordo com Guemes et al. (2010) a relativamente pouca experiência
com os LCP no que tange aos seus mecanismos e modos de falha, quando comparados aos
seus homólogos metálicos, faz com que frequentemente se estabeleçam projetos estruturais
com elevados coeficientes de segurança, assim como sejam demandadas frequentes inspeções
destas estruturas, limitando assim o aproveitamento máximo do excepcional potencial de
propriedades mecânicas desta classe de materiais, bem como encarecendo o ciclo de vida dos
LCP em projetos construtivos, restringindo, por fim, seu uso mais disseminado.
Com o intuito de minimizar, ou mesmo eliminar estas limitações, sistemas de
monitoramento da integridade estrutural (Structural Health Monitoring - SHM) têm sido
desenvolvidos, aperfeiçoados e empregados aos componentes e estruturas LCP, propiciando a
sua monitoramento permanente e em tempo real quanto a eventuais mudanças bruscas de
comportamento, tais como, por exemplo, deformações excessivas e desenvolvimento e
24
progressão de danos de origem térmica e/ou mecânica. Isto é conseguido por intermédio de
um conjunto de sensores estrategicamente distribuídos por toda a extensão do objeto de
interesse, os quais podem inclusive ser alocados (incorporados, embutidos ou inseridos) a este
último durante a própria manufatura do componente ou estrutura LCP.
Essa capacidade de monitoramento remoto e em tempo real de componentes e
estruturas LCP de elevada responsabilidade (high demanding components and structures) tem
o potencial de mudar completamente a forma como a manutenção é realizada, trazendo
enormes benefícios tanto em termos econômicos como e, principalmente, de segurança. Por
exemplo, ao invés da manutenção tradicional realizada periodicamente com base no tempo de
serviço do componente estrutural, haveriam critérios muito bem estabelecidos de manutenção
com base única e exclusivamente na condição atual (real) do mesmo, abstendo-se, portanto,
de manutenções desnecessárias (e de seus elevados custos diretos e indiretos), bem como se
evitando intercorrências, por vezes catastróficas, no espaço de tempo entre duas manutenções
programadas segundo o padrão tradicional de tempo de serviço do elemento ou conjunto
estrutural de interesse. Em 2002, a nona maior empresa de linhas aéreas americana gastou
cerca de US$5.32 bilhões de dólares somente em manutenção. Além disso, é estimado que o
erro humano em atividades de manutenção contribui com aproximadamente 15% de todos os
acidentes aéreos. (Herszberg et al., 2007)
Outra grande vantagem do sistema SHM é a sua capacidade de garantir
monitoramento permanente em áreas cujo acesso seria inviável por motivos de segurança,
como, por exemplo, no interior de tanques de combustível e outros produtos químicos, locais
de armazenamento de materiais perigosos, tubulações submersas, etc.
1.3 Monitoramento da integridade estrutural - SHM
Para que um sistema de sensoriamento remoto seja efetivo e eficiente ele requer um
esquema robusto de diagnóstico de danos. Uma vez que os sensores sejam estimulados, o
papel fundamental da ferramenta de diagnóstico é correlacionar essas informações com um
estado particular de dano (seja ele de origem mecânica, térmica, química, ou mesmo
radioativa), em termos de sua detecção, localização, intensidade e extensão. A precisão e a
confiabilidade desses dados recebidos a partir de sistemas SHM incorporados em
componentes e estruturas LCP dependem, sobretudo, da boa adesão dos sensores com o
substrato, de modo que os esforços experimentados pela estrutura possam ser integralmente
transferidos para o sistema SHM sem quaisquer interferências. Se a adesão entre o sensor e o
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LCP se deteriorar ao longo do tempo em serviço a transmissão das informações também é
negativamente afetada, reduzindo assim a capacidade do sensor se manter operacionalmente
confiável.
O diagnóstico pode mudar em função do tempo na medida em que um número maior
de dados é coletado pelo sistema, daí a extrema necessidade de se manter íntegra e estável a
interface de adesão entre o objeto de interesse e os sensores, independentemente dos efeitos
potencialmente degradantes àquela particular área de conexão entre as partes. Neste sentido,
caso seja respeitada a premissa de adesão perene entre sensor e LCP, um dos maiores
benefícios de algumas técnicas de SHM é sua habilidade de detectar danos em um estágio
muito primitivo e monitorar seu progresso até o comprometimento da confiabilidade
estrutural (Herszberg et al., 2007).
Alguns dos sistemas mais comuns de SHM são baseados em cerâmicas PZT e fibras
ópticas, onde o sensoriamento por fibras ópticas é a tecnologia com o maior potencial para
monitoramento estrutural contínuo e em tempo real de LCPs. (Sante, 2015; Huffenback,
2011).
Recentemente, a tecnologia de fibras ópticas esta sendo usada para monitorar
carregamentos e confiabilidade estrutural na are de construção civil. O pequeno diâmetro dos
sensores de fibra óptica permite que eles sejam aderidos na superfície da estrutura e,
especialmente no caso dos LCPs, sejam embutidos no interior do componente no processo de
empilhamento das camadas de reforço, durante o processo de manufatura.
A instalação dos sensores na superfície da peça de interesse requer perícia do operador
(já que este não é, ainda, um processo automatizado), demandando o emprego de técnicas
trabalhosas de adesão (visto que geometrias muito complexas do componente estrutural
exigirão não menos complexas operações de posicionamento e de distribuição dos sensores),
além de requisitar materiais de proteção para os sensores, todos estes fatores certamente
adicionando tempo e custos à produção. Além disso, o maior potencial de exposição do sensor
a danos superficiais de qualquer natureza (desgaste, impacto, corrosão, radiação), que podem
prejudicar sua durabilidade em serviço.
Os métodos mais versáteis de manufatura de LCP possibilitam inserir/incorporar os
sensores na estrutura simultaneamente à etapa de fabricação da mesma. Ou seja, a adição dos
sensores SHM pode ser realizada como parte do processo de manufatura do
componente/estrutura LCP, ao invés de operação secundária, posterior. Embutir os sensores
no próprio componente LCP dispensa os procedimentos de adesão e, particularmente, os de
proteção, já que o sensor estará plenamente protegido no interior do componente/estrutura.
26
Ademais, quando devidamente inserido e distribuído, os sensores automaticamente proveem
um meio muito mais eficiente e representativo de transferência de dados quanto às
deformações impostas ao componente/estrutura LCP, assim como aos danos eventualmente
sofridos pelos mesmos.
Entretanto, um cuidado particular há de ser tomado no caso de sensores de fibras
ópticas, principalmente com relação às extremidades das mesmas, ou seja, onde elas imergem
e emergem do material a ser monitorado. Isto porque nessas regiões de transição, a fibra
óptica está sujeita a um ângulo de dobramento e, como sua estrutura primaria é cerâmica
(vidro), tal esforço pode facilmente causar fratura nos pontos críticos de dobra, impedindo
assim a correta obtenção de dados e, consequentemente, bem-sucedida realização do
correspondente diagnóstico de integridade estrutural. Geralmente, nessas regiões são
utilizadas proteções de silicone ou PTFE. É essencial que a fibra óptica esteja disposta no
arranjo pré-infusão (i.e, juntamente com as mantas de tecido de reforço e saco de vácuo) de
modo que suas extremidades não entrem em contato com a resina que será infundida.
Essencialmente porque, qualquer excesso de resina que recubra a fibra pode torna-la frágil e
suscetível a danos, além de inutiliza-la caso a resina escorra para o seu interior devido à
obstrução da passagem da luz. Em adição, é importante que os ângulos de entrada e de saída
da fibra sejam suaves a fim de evitar pontos concentradores de tensão (Beukema et al., 2012).
Sensores fibrosos integrados em estruturas LCP formam uma ótima combinação entre
sensor/substrato. Primeiro, porque ambos se enquadram na categoria de materiais de alto
desempenho mecânico e com baixo peso. Segundo, a fibra óptica pode ser integrada
diretamente no material, formando um SHM ideal. Além disso, os sensores ópticos oferecem
muitas vantagens em relação aos sensores convencionais de deformação (strain-gages).
Dentre elas podemos citar a imunidade à interferência eletromagnética, a resistência à
corrosão e aos ambientes submersos (Davis et al., 2012; Beukuma et al., 2012, Sonnenfeld et
al., 2011; Soller et al., 2010).
Geralmente, na manufatura de um LCP, quando fibras ópticas são embutidas entre as
camadas de tecido de reforço, uma região característica de acúmulo de resina (“resin pocket”)
aparece em torno do sensor. Essas regiões foram investigadas em LCPs de sistema de fibra de
carbono e resina epóxi cuja fibra óptica embebida estava recoberta com uma proteção
polimérica de poliamida. Nesses estudos foi observado que as zonas de acúmulo de resina no
entorno da fibra óptica podem reduzir significativamente a tensão máxima em compressão do
substrato (em torno de 40% nos casos mais extremos), além de diminuir apreciavelmente o
tempo de vida em carregamentos cíclicos. O tamanho da região de acúmulo pode variar de
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acordo com a orientação das mantas de reforço e, principalmente, com o número de camadas.
Estima-se que quando as fibras ópticas estão alinhadas com a direção do reforço esses
fenômenos são minimizados Nos experimentos realizados no presente projeto de pesquisa, tal
região foi encontrada com bastante frequência nas amostras preparadas. (Lammnens et al.,
2015; Surgeon et al., 1999; Jang et al.,1999).
1.4 Sistemas SHM baseados em fibras ópticas
Diversas técnicas de interrogamento podem ser empregadas baseadas em
sensoriamento por fibras ópticas. Monitoramentos mais simples utilizam um localizador de
falhas de laser na faixa do visível, que ao passar pela fibra gera um espalhamento de luz caso
haja uma fratura no seu comprimento, possibilitando a localização de um possível dano na
matriz do compósito por meio de inspeção visual. Um tipo especial de fibras ópticas aplicadas
como sensores SHM possui segmentos curtos e espaçados entre si, em que são criados
artificialmente refletores do tipo Bragg (Fibre Bragg Grating- FBG), através da mudança
local do índice de refração do núcleo da fibra. Interrogamentos mais complexos, onde a fibra
óptica inteira atua como um sensor, são chamadas de sistemas distribuídos de fibras
(Distributed Fiber Optical Sensing - DFOS), (Davis et al., 2012).
Desses sistemas de interrogamento os FBG são os mais conhecidos e utilizados,
estando no mercado a mais de 20 anos. Contudo, sensores de FBG possuem poder sensitivo
bastante localizado, o que significa que para monitorar o carregamento e detectar a presença
de danos e defeitos corretamente, a parte marcada com a rede de Bragg tem de ser
posicionada próximo ao sitio de concentração de tensão/deformação. Em outras palavras, para
monitorar grandes estruturas, seria necessário imprimir um grande número de redes na mesma
fibra óptica, tornando o material muito caro e possivelmente mais frágil, devido ao grande
número de interferência na sua constituição. (Davis et al., 2012).
Nesse caso, os sistemas DFOS baseados em reflectometria de espalhamento óptico
(Optical Backscatter Reflectometer - OBR) tornam-se bastante interessantes já que o
comprimento todo da fibra óptica convencional de telecomunicações atua como sensor.
Reflectometria de espalhamento óptico é um sistema composto de uma unidade de
interrogação conectada a uma fibra óptica convencional sem nenhuma modificação (sem
redes de Bragg, por exemplo). O sinal coletado corresponde ao armazenamento contínuo do
espalhamento de luz monocromática incidida dentro das fibras ópticas em função da posição
ao longo da mesma
28
Dependendo do sistema utilizado, ele pode se basear em três espalhamentos especifico
da onda eletromagnética. O espalhamento Rayleigh é devido às flutuações existentes na
densidade e composição da sílica, o Raman devido à vibração térmica molecular e o Brillouin
devido às interações fótons- fônons na estrutura da fibra óptica Os métodos se diferenciam no
alcance, resolução, velocidade, sensibilidade e precisão. Sistemas Rayleigh OFDR oferecem
uma alta resolução espacial na ordem de um centímetro (comparado com 50 cm comum ao
caso de sistemas Brillouin). Contudo, a máxima distância de alcance é limitada a 100 m
(sistemas Brillouin alcançam ordens de 50 km). No futuro, nas aplicações industriais, existe a
possibilidade de ambos os sistemas podem vir a ser combinados na mesma linha de
interrogação com objetivo de unir o melhor das duas técnicas (Soller et al., 2005; Breysse et
al., 2012).
Por fim, outra vantagem dos sistemas DFOS é que convertendo o comprimento total
da fibra óptica em um sensor aumenta a efetividade da transferência de carga da estrutura em
solicitação para a fibra óptica devido ao fato de seu comprimento ser muito maior do que o
comprimento crítico necessário. Portanto, a deformação medida na fibra através da técnica de
OBR é praticamente a mesma desenvolvida no substrato, o que nem sempre ocorre nos
sensores FBG devido ao seu comprimento limitado (Li 2012).
2. Objetivos
Os objetivos do presente trabalho dividem-se nos seguintes tópicos:
i. O desenvolvimento e o estabelecimento de metodologias de inserção/Inserção (o que
inclui o posicionamento, a distribuição, e a instalação) de fibras ópticas convencionais (i.e.,
fibras utilizadas na área de telecomunicações) durante o processo de fabricação de LCPs
planos por meio de infusão em RIFT e de vasos de pressão por meio de enrolamento
filamentar.
ii. Avaliar os “LCP sensoriados” por técnicas de caracterização materialográfica, onde
os parâmetros adequados de infusão possam ser encontrados e padronizados, a fim de
possibilitar o Inserção das fibras ópticas na estrutura dos laminados sem prejudicar a
qualidade do compósito final além de garantir a integridade do sinal emitido através do
sensor;
iii. Analisar a interferência das fibras ópticas na diminuição das propriedades
mecânicas dos LCP quando comparados com os laminados convencionais fabricados por
infusão bem como colocar à prova o funcionamento e o desempenho das fibras ópticas como
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elementos sensores de danos causados ao substrato compósito por meio de espalhamento de
luz;
iv- Monitoramento de LCPs planos e vasos de pressão pela técnica de reflectometria
de espalhamento óptico – OBR e correlacionar as medidas realizadas com as condições de
carregamento. LCPs devem ser ensaiados em tração pura e os vasos de pressão em ensaio de
pressurização e impacto.
3. Materiais e Métodos
3.1 Materiais
Na manufatura de LCPs com fibras ópticas embutidas para ensaio visual durante
carregamento trativo foram utilizadas fibras de reforço de vidro na arquitetura Tela
bidirecional referência AF - 0003, do fabricante Fibertex®
do Brasil, cujas especificações são:
densidade areal 200g/m² e espessura de camada de 1,8 mm. A resina epóxi utilizada foi a
LY5052 com agente de cura Aradur 5052, distribuídos pela empresa Huntsman® do Brasil,
cujos valores de viscosidade são de 500-700 mPa.s e tempo de trabalho de 110-160 min a
25°C.
As Fibras ópticas utilizadas são monomodo de especificação SM, MM62,5/125,
fabricadas pela Telcon®
e fornecidas pela empresa MarcaTelecom®
– Ribeirão Preto, com
operação nas faixas de comprimento de onda de 850 nm, 1310 nm e 1550 nm. A figura 7
ilustra o cabo de fibra óptica convencional e seus revestimentos externos utilizados para
proteção em operações de telecomunicações, tal qual fornecido pelo fabricante. Os ensaios
visuais foram realizados utilizando um laser localizador de falhas a laser (figura 8).
Figura 7. Cabo de fibra óptica convencional e seus revestimentos externos, utilizados para proteção em
operações de telecomunicações.
Capa polimérica “tubete” (800µm)
Revestimento “Cladd” (190 µm)
Fibra óptica (120 µm)
30
Figura 8. Localizador de falhas a laser com comprimento de onda de 650 nm.
Na manufatura de LCPs com fibras ópticas embutidas para interrogamento via
equipamento OBR durante carregamento trativo foram utilizadas mantas de fibra de reforço
de vidro unidirecional Saertex® e na fabricação dos vasos de pressão via enrolamento
filamentar foi utilizado fibra de carbono Grafil® 34-700 WD. Em ambos processos a resina e
o agente de cura utilizados foram EPIKOTE® MGS RIMR 135 e EPIKURE
® MGS RIMH
137, respectivamente.
As fibras ópticas de medição (Primary Coated Optical Fiber – PCOF) e de transmissão
(Secondary Coated Optical Fiber – SCOF) usadas para interrogamento via equipamento OBR
4600,da Luna inc®, foram BF06158-02 e SMB-E15550H, da empresa Specialty Photonics
®.
O processo de terminação e fusão das fibras ópticas foi feito utilizando o kit de fibras ópticas
da empresa Fitel® (figura 9).
Figura 9. Ferramentas utilizadas no processo de terminação e fusão das fibras ópticas.
3.2Métodos
Os LCPs foram obtidos pela técnica de infusão a vácuo de resina liquida em molde
superior flexível RIFT( Resin Infusion under Flexible Tooling) adaptada para o Inserção dos
Equipamento de fusão de fibras
Spray de limpeza de
fibras Clivador
Feltro de limpeza
Alicate decapador
31
sensores, como será descrito mais adiante no texto. 8 corpos de prova com seis camadas de
manta de reforço, de dimensões aproximadas 250mm x 40mm e 3 fibras ópticas embutidas
em cada foram obtidos de duas infusões. StraingGauges – SG foram aderidos as superfícies
dos corpos de prova e os ensaios mecânicos de tração simples foram realizados nas maquinas
de ensaio universal da EMIC® e Instron
®, ambas de célula de carga de 100kN.
Cinco vasos de pressão foram manufaturados via enrolamento filamentar nas
dimensões de ø140 mm x 630 mm de comprimento da parte cilíndrica com layup de camadas
[90/(+15/-15)2/90].Os ensaios de pressurização foram realizados com uma bomba hidráulica
onde antes do inicio dos ensaios os vasos foram enchidos com água. Os vasos foram dispostos
dentro de um container fora do laboratório e monitorados com uma câmera Gopro® durante
todo procedimento (figura10).
Figura 10. Sequência de fotos mostrando a preparação dos vasos de pressão para ensaio de pressurização. Os
vasos foram preenchidos com agua e colocados dentro de um container. Após o fechamento do Container a
pressurização foi feita utilizando uma bomba hidráulica.
A análise materialográfica das amostras seguiu o processo convencional de Inserçãos,
lixamento e polimento e foi caracterizada por meio do microscópio Zeiss® modelo Axio
Scope A1, com câmera de alta resolução modelo AxioCamCc5 integrada ao equipamento.
A Interrogação dos sensores por espalhamento Rayleigh foi feita utilizando o
equipamento) BR4600 da Luna® Inc (figura 11) onde a transformação da amplitude de sinal
(dB) para deformação (µƐ) é feita automaticamente na interface do software OBR® desktop.
32
Resumidamente, o software armazena a medida realizada sem carregamento (medida de
referência) e correlaciona com as medições subsequentes. O diagrama de blocos da figura 12
mostra a sequência se passos para realizar a etapa de processamento dos dados a partir das
medições.
Figura 11.a) Interface do equipamento OBR4600 da empresa Luna® Inc. b) Esquema operacional do software
OBR desktop mostrando três parâmetros principais que podem ser escolhidos pelo usuário durante as análises:
Sensing Range (comprimento do sensor), Gauge Length (tamanho do sensor virtual criado pelo software) e
Sensor Spacing (distancia entre o centro de dois sensores consecutivos). Pela edição desses parâmetros o
software é capaz de converter automaticamente o sinal (amplitude, dB) em deformação (microstrain). Adaptado
de Grave et al., 2011.
Figura 12. O software OBR desktop mede o sinal das fibras ópticas (amplitude, dB), transforma o sinal em
deformação (µƐ) e permite ao usuário salvar os dados em arquivos de texto, que podem ser tratados usando
programas específicos como Excel®, Origin
®, etc.
b a
Amplitude
(dB)
Deformação
(µƐ)
Arquivo
de texto
(.txt)
Gráficos,
tratamento
de dados.
33
4. Resultados
4.1 LCPs com fibras ópticas embutidas avaliados por ensaios visuais via espalhamento de
luz
Como citado no capítulo de materiais e métodos, a fibra óptica convencional de
telecomunicações apresenta, além do núcleo cerâmico, duas camadas externas de
revestimento. Uma primeira semelhante a uma tinta, que pode ser de acrilato ou PMMA, atua
como proteção contra possíveis danos no manuseio, evitando ângulos de dobramento muito
agudos. A segunda, uma capa polimérica mais externa, confere proteção mais robusta às
fibras durante o transporte e passagem dos cabos.
Na concepção do projeto optou-se pela remoção da capa polimérica das fibras durante
o Inserção, visto que esta causaria uma descontinuidade muito grande na estrutura dos
componentes devido seu grande diâmetro, além de impedir a transferência dos esforços
sofridos pelo laminado para o sensor. Entretanto, a influência do cladd no processo de
transferência de esforços não era ainda conhecida e, por isso, durante o desenvolvimento da
metodologia de Inserção, três configurações de fibras ópticas foram propostas a fim de
estimar o efeito desse revestimento durante o carregamento dos corpos de prova.
A tabela 1 resume as configurações escolhidas durante a manufatura de três corpos de
prova em reforço de fibra de vidro na configuração tela, onde dois parâmetros foram variados:
a presença do revestimento cladd e a disposição da fibra óptica. No CP1, a fibra óptica foi
embutida sem cladd, no CP2, foi embutida com cladd e no CP3, o cladd foi mantido e a fibra
óptica foi aderida na superfície do laminado. O revestimento cladd foi removido
mecanicamente, com a utilização de um alicate óptico.
Tabela 1. Configurações das fibras ópticas embutidas nos LCPs
Corpo de Prova Fibra óptica
CP1 Embutida (sem cladd)
CP2 Embutida (com cladd)
CP3 Aderida na superfície (com cladd)
A integridade das fibras ópticas nos três corpos de prova, durante o carregamento em
tração, foi avaliada de modo qualitativo, através de inspeção visual. Uma fonte de laser, de
650nm, foi conectada a extremidade dos cabos de fibra óptica e na medida em que a carga de
tração foi aumentada, focos de espalhamento de luz puderam ser observados nos corpos de
prova, indicando a fratura local do sensor. Os corpos de prova foram avaliados em termos da
34
deformação máxima, porcentagem da deformação máxima em que ocorreu a primeira falha, e
porcentagem da deformação máxima em que ocorreu a última falha. Foi observado que os
sensores embutidos falham de modo gradativo, à medida que a carga aumentou, apresentando
certa tolerância ao dano.
As sequências de fotos nas figuras 13, 14 e 15 ilustram CP1, CP2 e CP3 no decorrer
dos ensaios de tração onde uma foto foi tirada sempre que um novo foco de espalhamento de
luz surgia no laminado. As tabelas 2 e 4 apresentam tempo, deslocamento, deformação e
carga para CP1 e CP2 e as tabelas 3, 5e 6 resumem as análises relativas às falhas progressivas
dos sensores em função da deformação máxima dos corpos de prova para CP1 e CP2 e CP3,
respectivamente.
Analisando os resultados apresentados nas tabelas 3, 5 e 6 é possível observar que CP1
e CP2, que tiveram as fibras ópticas embutidas na sua estrutura no processo de manufatura,
tiveram uma deformação máxima de 2,67%, aproximadamente 60% da deformação máxima
apresentada pelo CP3, de 4,26%, que foi manufaturado pelo processo convencional de
infusão, com a fibra óptica aderida à superfície posteriormente.
No entanto, apesar de causar significativa queda de propriedade mecânica no laminado
final, os sensores embutidos nos CP1 e CP2 foram capazes de detectar, i.e. fraturarem e
gerarem espalhamento de luz devido a nucleação e crescimento de danos na matriz, a 25%
deformação máxima apresentada pelos corpos de prova, enquanto que a fibra aderida na
superfície do CP3 só foi sensível ao dano no momento da ruptura das fibras de reforço, na
falha final do corpo de prova (100% de deformação).
Comparando CP1 e CP2, tabelas 3 e 5, é possível observar que a presença do
revestimento cladd conferiu à fibra embutida no CP2 uma maior tolerância ao dano. A fibra
sem revestimento suportou até 45% da deformação máxima, enquanto que a fibra recoberta
com cladd atingiu 69% da deformação máxima. Além disso, a presença do cladd não é fator
determinante na diminuição das propriedades mecânicas do laminado visto que ambos os
corpos de prova resistiram à mesma deformação final de 2,67%.
A fim de avaliar melhor a queda de propriedade mecânica devido a presença das fibras
ópticas na estrutura dos laminados, seis corpos (três com fibra óptica embutida e três sem
fibra óptica embutida) foram ensaiados em tração. O gráfico da figura 16 mostra os valores de
tensão máxima média, apresentado pelas duas configurações. É possível observar que os
corpos de prova manufaturados pelo método de infusão tradicional, sem fibras ópticas
embutidas, apresentam uma tensão media de ruptura em torno de 425 MPa, enquanto que os
35
corpos de prova manufaturados pelo processo modificado de infusão, com fibras ópticas
embutidas, apresentam uma tensão media em torno de 320 MPa, valor 30% menor.
Figura 13. Falha progressiva do CP1 em carregamento trativo, medida de forma qualitativa pela fratura e
espalhamento de luz no sensor de fibra óptica.
Tabela 2. Deslocamento, deformação e força em função do tempo de ensaio para o CP1.
Tempo Deslocamento
(mm)
Deformação
(%)
Força
(N)
0:00 - -
3:17 1,05 0,7 2200
3:27 1,20 0,8 2400
3:28 1,20 0,8 2400
7:10 1,80 1,2 3300
Tabela 3.Falha progressiva da fibra óptica em termos de deformação em relação a falha do laminado para CP1.
Deslocamento máximo 4,008 mm
Deformação máxima 2,67 %
Primeira falha da fibra óptica 26% da deformação máxima
Fibra óptica resistiu 45% da deformação máxima
0:00 3:27 3:17
3:28
7:10
36
Figura 14. Falha progressiva do CP2 em carregamento trativo, medida de forma qualitativa pela fratura e
espalhamento de luz no sensor de fibra óptica.
Tabela 4. Deslocamento, deformação e força em função do tempo de ensaio para o CP2.
Tempo Deslocamento (mm) Deformação
(%)
Força (N)
0:00 - -
3:32 1,10 0,73 2386
4:50 1,26 0,84 2700
5:16 1,50 1,00 3063
7:21 2,05 1,36 3525
10:19 2,76 1,84 4340
Tabela 5. Falha progressiva da fibra óptica em termos de deformação em relação a falha do laminado para CP2.
Deslocamento máximo 4,006 mm
Deformação máxima 2,67 %
Primeira falha da fibra óptica 26% da deformação máxima
Fibra óptica resistiu 69% da deformação máxima
3:32 0:00 4:50
5:16 7:21
10:19
37
Figura 15. Falha progressiva do CP3 em carregamento trativo, medida de forma qualitativa pela fratura e
espalhamento de luz no sensor de fibra óptica.
Tabela 6. Falha progressiva da fibra óptica em termos de deformação em relação a falha do laminado para CP3.
Deslocamento máximo 6,39 mm
Deformação máxima 4,26 %
Primeira falha da fibra óptica 100% da deformação máxima
Fibra óptica resistiu 100% da deformação máxima
Figura 16.Limite de resistência a tração em carregamento monotônico para LCPs com e sem fibra óptica
embutida. Laminados com fibra óptica embutida apresentaram uma redução de aproximadamente 30% na tensão
máxima.
Início Em andamento Fim
38
4.2 LCPs e vasos de pressão com fibras ópticas embutidas interrogados com reflectometria
do espalhamento óptico (Optical Backscatter Reflectometer – OBR)
i) Método de Inserção de fibras ópticas durante a manufatura de LCPs via RIFT
O método de Inserção das fibras ópticas no layup de tecidos de reforço antes da
infusão de resina para interrogamento via OBR foi aperfeiçoado no projeto de estágio em
pesquisa no exterior BEPE-FAPESP, realizado no IPM – NTNU. Basicamente, a motivação
foi encontrar um método adequado que permitisse o Inserção das fibras ópticas sem alterar
significativamente a qualidade de manufatura dos laminados. Além disso, como era objetivo
realizar ensaios mecânicos, os sensores não poderiam ingressar e egressar no laminado pelas
extremidades das placas, visto que isso impossibilitaria o corte de corpos de prova, além de
dificultar a adesão de end tabs e fixação na máquina de ensaios.
Desse modo, a solução encontrada para embutir as fibras ópticas sem interferir na
produção dos corpos de prova foi adaptar a técnica de infusão de resina em molde superior
flexível para possibilitar a saída dos cabos pela superfície do laminado. Assim, além de
proporcionar o encaixe adequado na máquina de ensaio, o sensor ficaria livre das
interferências da pressão de fechamento da garra, aumentando tanto a vida útil do sensor
quanto sua confiabilidade para monitorar as cargas desenvolvidas na direção longitudinal de
carregamento. A figura 17 mostra um esboço do que foi pensado para desenvolver a
metodologia de Inserção.
Figura 17. Esboço da metodologia de Inserção para que as fibras ópticas não sofressem danos mecânicos devido
ao encaixa na garra da máquina de ensaios.
No processo de Inserção dois tipos de fibras ópticas foram utilizados, as PCOFs (fibras
de medida), que apresentam um revestimento superficial de PMMA, que possibilita melhor
transferência de carga da estrutura em solicitação para o sensor e as SCOFs (fibras de
transmissão) que, por terem uma capa protetora elastomérica, são mais resistentes a possíveis
fraturas, decorrentes do manuseio. Primeiro, as duas extremidades da fibra de medição foram
emendadas à duas fibras de transmissão por meio de fusão dos núcleos, utilizando o
39
equipamento de fusão . Após a emenda, uma luva polimérica foi adicionada às regiões de
conexões para maior proteção das uniões (figura 18).
Em princípio, a emenda com o cabo de transmissão deveria ser realizada apenas em
uma das extremidades da fibra óptica que, posteriormente, seria conectada ao equipamento de
interrogação. Contudo, acoplamento de fibras de transmissão nos dois extremos das fibras de
medição é a facilidade maior de passar os cabos entre as diferentes mantas de reforço já que
como descrito acima, essas fibras são mais resistentes ao manuseio, aumentando as chances
de sucesso no Inserção de sensores intactos.
Figura 18. Fibra de medição acopladas com duas fibras de transmissão, configuração das fibras opticas usadas
no processo de Inserção.
As figuras 19, 20 e 21 ilustram a sequência de passos desenvolvidos na manufatura
dos laminados com fibras ópticas embutidas. A figura 20 mostra a disposição dos cabos
ópticos no layup de mantas secas, onde é possível observar que apenas as fibras de medição
ficam em contato direto com o reforço.
Durante o selamento do sistema (figura 21), pequenos furos foram feitos no saco de
vácuo, difusor e peel ply para dar passagem aos cabos de transmissão; nesse passo, as luvas
poliméricas de proteção também foram mantidas fora do sistema de infusão para permitir a
mobilidade dos cabos na hora da adesão dos endtabs nos corpos de prova (figura 21). Os
furos no saco de vácuo foram fechados posteriormente com fita bambam.
Duas infusões foram realizadas adotando o método proposto. Em cada infusão 12
fibras ópticas foram embutidas, distribuídas em quatro corpos de prova. As infusões foram
divididas entre “infusão 1”, com ordem de empilhamento [902/04]T e “infusão 2”, com ordem
de empilhamento [02/902/02]T . Em cada infusão, para cada corpo de prova, 1 fibra óptica foi
embutida entre as diferentes interfaces de reforço i.e. 0/0, 0/90 e 90/90. O objetivo era avaliar
experimentalmente entre quais interfaces as fibras ópticas proporcionariam melhores
medições de deformação.
Fibra de Medição (PCOF)
Fibra de Transmissão (SCOF)
Luva protetora
40
Figura 19. Inserção dos cabos de fibra óptica nas mantas de fibra de reforço antes do início do processo de
infusão.
As tabelas 7 e 8 mostram o status de cada fibra óptica embutida nas infusões 1 e 2
após o processo de fabricação dos corpos de prova, que envolveu as seguintes etapas:
infusão, remoção dos consumíveis, corte, lixamento e colagem dos end tabs. Da análise das
tabelas 7 e 8 podemos observar que 50% dos cabos quebraram durante o processo de
fabricação dos corpos de prova. Todavia, foi observado que apenas 5% dos cabos quebraram
durante a manufatura (infusão e remoção de consumíveis) indicando que o método proposto
para o Inserção das fibras no processo de infusão é viável. Contudo, para que a sobrevivência
das fibras durante todo o processo alcance um nível satisfatório, as etapas de corte e
lixamento também devem ser projetadas e realizadas com maior cuidado.
Figura 20 Emersão das fibras ópticas pela superfície do laminado. Pequenos furos foram feitos no saco de vácuo
para que as extremidades livres dos cabos ficassem fora do contato com o fluxo de resina.
Emersão pela superfície do laminado
Emersão da fibra de transmissão do saco de vácuo, os furos foram
selados com fita bambam
41
Figura 21. Corpo de prova com fibra óptica embutida pronto indicando o local da superfície do laminado de
saída da fibra óptica.
Tabela 7. Estados das fibras opticas embutidas após o processo de manufatura para a infusão 1
Infusão 1[902/04]T
Legenda CP1 CP2 CP3 CP4
1 0/0 1 Ok 1 quebrada 1 Ok 1 Ok
2 0/90 2 Ok 2 quebrada 2 quebrada 2 Ok
3 90/90 3 quebrada 3 Ok 3 Ok 3 Ok
Tabela 8. Estados das fibras opticas embutidas após o processo de manufatura para a infusão 1
Infusão 2 [02/902/02]T
Legenda CP1 CP2 CP3 CP4
1 0/0 1 Ok 1 quebrada 1 Ok 1 quebrada
2 0/90 2 quebrada 2 Ok 2 Ok 2 Ok
3 90/90 3 quebrada 3 Ok 3 Ok 3 quebrada
ii) Ensaio de tração dos LCPs com fibra óptica embutida com monitoramento via OBR
Os ensaios de tração foram realizados com deslocamento de 1mm/min onde a cada
2kN de carga, o equipamento era pausado para que a interrogação das fibras ópticas com o
OBR pudesse ser realizada. Os corpos de prova não foram carregados até a ruptura. Como
compósitos GFRP apresentam comportamento mecânico elástico, de acordo com a lei de
Hooke, era esperado que na etapa de pós-processamento dos sinais das fibras ópticas,
patamares constantes de deformação fossem observados ao longo do comprimento dos
sensores para cada nível de carregamento.
Para os corpos de prova testados, a interface de Inserção que melhor proporcionou a
observação dos patamares de deformação foi a 0/0, onde a fibra óptica estava alinhada com as
fibras de reforço no seu entorno. O gráfico da figura 22 mostra a deformação (Microstrain,
µƐ) ao longo do comprimento da fibra de medição (aproximadamente 15 cm) embutida na
42
interface 0/0 do CP1- Infusão2, para carregamentos que variam de 2,4kN a 36kN. Essas
medições foram obtidas com 5mm de tamanho de sensor (GL=5mm) e 5mm de espaçamento
entre os sensores (SS=5mm).
Analisando a figura 22 nota-se um vale nos níveis de deformação entre as posições
5cm e 9 cm que destoa dos patamares obtidos a medida em que o carregamento aumenta, o
que pode ser melhor observado na figura 23, onde alguns carregamentos intermediários
foram omitidos. Como mostra a figura 24, essa diferença deveu-se a movimentação do sensor
no sistema quando a infusão de resina se iniciou. Quando a frente de fluxo de resina se
aproxima do sensor, a pressão de compactação é aliviada, o que permite a mobilidade da
fibra. Portanto, nessa região o sensor não estava totalmente alinhado com a fibra de reforço,
conferindo menor transferência de esforços em relação às demais regiões do comprimento.
Ainda com relação à figura 23, na última carga de carregamento (36,4kN), nota-se
uma grande variação na amplitude de deformação medida ao longo do comprimento da fibra
óptica, possivelmente devido ao início da fratura do sensor. Como foi observado para os
ensaios de espalhamento luminoso, as fibras opticas não rompem abruptamente mas sofrem
pequenas fraturas localizadas que causam perda de intensidade/ potência na transmissão do
laser. No caso da análise por OBR, essas microfalhas se apresentam como pontos dispersos
que distorcem a curva de deformação.
Por fim, o gráfico da figura 25 compara, para as infusões 1 e 2, os valores médios de
deformação obtidos ao longo do comprimento das fibras ópticas embutidas na interface 0/0
(excluindo posições em que o sensor estava desalinhado com a direção reforço) com os
valores de deformação medidos por Strain Gauges –SG, colados na superfície dos corpos de
prova. É possível observar que há boa concordância entre os valores medidos pelos SGs e os
obtidos pela interrogação dos sensores, porém para valores de deformação acima de 4000 µƐ
as fibras apresentam variabilidade crescente e falham antes dos SGs.
Nota-se ainda, pela diferença na inclinação das curvas, que a rigidez mecânica variou
de uma infusão para a outra, onde o laminado obtido na infusão 2 apresentou propriedades
ligeiramente melhores. Isso se deveu as modificações realizadas nas infusões para possibilitar
o Inserção das fibras. Na infusão 2, a operação de selamento dos furos feitos no saco de vácuo
foi mais eficiente do que na infusão 1, fazendo com que o processo alcance-se níveis de vácuo
superiores, refletindo em maior volume de fibras e menos porosidade.
43
Figura 22. Valores OBR ao longo do comprimento da fibra optica embutida entre a interface 0/0 para
carregamento trativo de 2,4-36,4 kN.
Figura 23. Valores OBR ao longo do comprimento da fibra optica embutida entre a interface 0/0 para
carregamento trativo de 2,4-36,4 kN.
Figura 24. Desalinhamento entre a fibra óptica embutida na interface 0/0 e a orientação das fibras de reforço. O
movimento dos sensores é devido ao fluxo de resina durante o procedimento de infusão.
44
Figura 25. Curvas tensão deformação comparando as medições OBR com sensores resistivos (Strain Gauges-
SG) para corpos de prova da infusão 1 e infusão 2. A pequena diferença entre as infusões é devido a maior
porosidade e menor adesão entre fibra e matriz para corpos de prova da infusão 1.
iii) Método de Inserção de fibras ópticas durante a manufatura de vasos de pressão via
enrolamento filamentar.
Um mandril em escala laboratorial foi desenvolvido na NTNU para manufaturar os
vasos de pressão via enrolamento filamentar. Um método simples de Inserção das fibras foi
proposto, levando em conta que as fibras ópticas deveriam estar alinhadas o melhor possível
com a direção de reforço para que os esforços fossem transferidos adequadamente. O layup de
reforço escolhido durante o projeto dos vasos foi de [90/(+15/-15)2/90]. Nessa configuração,
era esperado qye a falha ocorresse com uma pressão mínima de explosão na direção
circunferencial, sendo, portanto uma falha considerada segura.
Dois padrões de Inserção para as fibras de medição foram propostos, um “padrão
circunferencial”, para monitorar os reforços alinhados a 90° que foi utilizado entre as
interfaces 90/15 e 15/90 e um “padrão linear” para monitorar os esforços alinhados a 15°, que
foi utilizado na interface +-15/+-15 (figura 26). Para o padrão circunferencial, um modelo em
papelão foi utilizado para garantir o espaçamento adequado de 6,3 cm entre as circunferências
no mandril (figuras 26 e 27). 8 fibras foram embutidas em casa vaso, sendo quatro em cada
padrão. Após a manufatura, foi realizado o procedimento de fusão das fibras de medição com
as fibras de transmissão e camadas de reforço de vidro foram adicionadas para proteção
superficial dos sensores (figura 28).
45
Figura 26. Padrão circunferencial e linear de Inserção das fibras ópticas nos vasos de pressão. O padrão
circunferencial, utilizado para monitorar a direção cilíndrica dos vasos foi usado na interface 90/15 de reforços.
O padrão linear, responsável por monitorar a direção longitudinal foi usando nas interfaces 15/15.
Figura 27. Detalhe do método de Inserção das fibras ópticas na direção circunferencial.
Figura 28. Após a manufatura as fibras opticas foram acopladas com fibras de transmissão e camadas de reforço
de fibra de vidro foram aderidas a superficie dos vasos por impregnação manual para proteção das extremidades
dos sensores.
Cinco vasos foram manufaturados com a metodologia de Inserção de fibras proposta,
onde ao final do processo, antes dos ensaios, 40% de fibras no padrão linear e 35% no padrão
Padrão Linear Padrão Circunferencial
46
circunferencial estavam intactas. A relativa baixa porcentagem de sobrevivência dos sensores
no processo de manufatura deve-se principalmente a fragilidade das fibras ópticas cerâmicas,
que quebraram principalmente na região dos domos, áreas de mudança brusca do diâmetro de
seção transversal.
iv) Ensaio de impacto em vaso de pressão com fibra óptica embutida com
monitoramento via OBR.
O primeiro vaso manufaturado foi fabricado com reforço de fibra de vidro. Esse vaso
foi utilizado para testar e aprimorar a viabilidade do método de Inserção das fibras ópticas no
padrão circunferencial. Após a fabricação foi decidido realizar um ensaio simples de impacto
com martelo, a fim de verificar se os sensores seriam capazes de detectar a região do dano e
monitorar sua intensidade. Esse teste foi feito para simular possíveis condições reais de
operação onde durante o transporte ou manuseio o vaso pode cair e sofrer danos de impacto
em algumas áreas. Nesse caso, saber avaliar a capacidade operacional remanescente do
componente é de suma importância.
Para esse ensaio o vaso foi colocado sobre uma mesa plana e a medida de referência
do OBR foi realizada. Como mostra a figura 29 e o esquema da figura 30, uma região distante
30 cm do domo direito do vaso foi marcada e martelada com martelo de cabeça esférica até a
região afetada se tornar opaca, indicando fratura local da matriz. Após esse procedimento a
fibra foi interrogada novamente com o OBR. A correlação entre o sinal de referência e a
medida após o teste de impacto foi realizada na etapa de pós-processamento.
Figura 29.Vaso de pressão reforçado com fibra de vidro que foi testado em impacto. Um martelo foi usado para
bater na estrutura até ser observado (detalhe) trincamento da matriz a uma posição de 30 cm do domo.
47
Figura 30. Esquema ilustrando a posição do vaso onde o dano foi feito.
O gráfico de deformação (microstrain) vs posição da figura 31 mostra a região de
dano, encontrada na etapa de pós processamento do sinal do sensor para diferentes
combinações de tamanho de sensores (GL) e espaçamento entre eles (SS). Foram usados
diversos parâmetros GL e SS a fim de checar se os picos encontrados eram provenientes de
algum espalhamento aleatório do sinal ou se eram devido ao dano real (ruídos no sinal tendem
a não aparecerem na mesma posição quando parâmetros diferentes são empregados). Como
para todas as combinações os picos foram encontrados na mesma posição, é possível afirmar
que o dano devido ao impacto com martelo foi encontrado.
A figura 32 apresenta um aumento na região do dano. Nessa região é possível observar
que reduzindo os tamanho dos sensores (GL) e o espaçamento entre eles (SS) o pico de
deformação a aproximadamente 20,5 m tende a aumentar. Isso se deve ao fato de que os
sensores virtuais criados pelo OBR funcionam do mesmo modo que os StrainGauges (SG),
onde a deformação total medida ao longo do sensor é dividida pelo seu comprimento.
Portanto, reduzindo o tamanho dos sensores é possível medir o dano pontual causado pela
martelada em escala milimétrica.
Figura 31. Gráfico de deformação ao longo do comprimento da fibra óptica para o vaso que foi ensaiado em
impacto. Parâmetros diferentes de GL e SS mostram a região onde o dano foi encontrado.
48
Figura 32. Gráfico de deformação ao longo do comprimento da fibra óptica para o vaso que foi ensaiado em
impacto. Parâmetros diferentes de GL e SS mostram a região onde o dano foi encontrado. Pode ser visto que
quando GL e SS são reduzidos, os picos de deformação aumentam, mostrando a capacidade do OBR para
detector danos a escalas muito baixas.
v) Ensaio de pressurização em vaso de pressão com fibra óptica embutida com
monitoramento via OBR.
Quatro vasos foram manufaturados em reforço de fibra de carbono e ensaiados em
pressurização. Para o layup proposto, a pressão média de estouro foi de 200 bar onde todos
os vasos apresentaram comportamento muito semelhante na evolução do carregamento nas
direções linear e circunferencial. As figuras 33 e 34 ilustram os gráficos de deformação ao
longo da posição da fibra para as fibras no padrão linear e circunferencial respectivamente,
durante o ensaio de pressurização do “vaso 2”.
Após a medida de referência, feita imediatamente antes do início dos ensaios, a
interrogação dos sensores foi realizada a 10, 20, 50, 100 e 200 bar durante o qual a
pressurização foi pausada e só retomada depois da medição completa. No pós-processamento
dos sinais, foram escolhidos 2cm para tamanho dos sensores (GL) e 1 cm para o espaçamento
entre eles (SS).
A figura 33 mostra a deformação ao longo dos 70 cm de fibra embutida na direção
longitudinal do vaso 2, nos níveis de pressurização 10, 20, 50 e 100 bar. A 10 e 20 bar as
medições de deformação tendem a seguir um patamar constante, sem espalhamento entre os
valores obtidos por sensores adjacentes. A 50 bar é observado certo nível de espalhamento no
patamar de deformação, que aumenta consideravelmente na medição realizada em 100 bar de
pressão. Acima de 100 bar os valores de deformação ao longo do sensor mostraram valores
completamente dispersos, o que foi considerado como falha da fibra.
49
A figura 34 mostra a deformação ao longo dos quase 5 metros de fibra embutida na
direção circunferencial do vaso 2 nos níveis de pressurização 10, 20 e 50 bar. A 10 bar a
deformação medida pelo sensor é praticamente 0 ao longo de todo o comprimento. A 20 bar a
deformação medida pelos sensores virtuais aparenta seguir um padrão de pequenos picos e
vales que pode ser explicado devido a certa seções dos sensores não estarem completamente
alinhadas com a direção do reforço. Em 50 bar, devido ao início do espalhamento das
medições pontuais, os dados se apresentam como uma “nuvem” de deformação entre 1500 e
2500 µƐ.
A tabela 9 mostra a deformação média calculada a partir dos valores de deformação
medidos ao longo do comprimento dos sensores embutidos nas direções longitudinal a 10, 20,
50 e 100 bar e circunferencial a 10, 20 e 50 bar. Além disso, são apresentadas as medidas de
deformação obtidas por SGs dispostos nas duas direções para os respectivos níveis de
pressurização, incluindo o último valor de pressão onde foi possível realizar medida de
deformação antes da falha dos SGs (181 bar). A figura 35 mostra os resultados da tabela 9 na
forma de gráfico de barras.
Comparando os resultados da tabela 9 e figura 35, para os sensores de fibra óptica,
pode-se observar que a deformação na direção longitudinal começa ocorrer logo no início do
ensaio, a 10 bar, enquanto que a direção circunferencial permanece inalterada para esse nível
de carregamento. Contudo, o desenvolvimento da deformação nessa direção é exponencial, já
que a 50 bar a deformação circunferencial é quase 3,5 vezes a longitudinal.
É possível observar que as medidas de deformação realizadas com as fibras ópticas
apresentam valores médios de deformação próximos aos apresentados pelos sensores
resistivos (SG) para os variados níveis de carregamento e direções de medição. Entretanto as
fibras ópticas tendem a falhar em níveis de pressurização menores do que os SG, que
permanecem monitorando a estrutura a carregamentos bem próximos da ruptura final.
50
Figura 33. Perfil de deformação medido ao longo da fibra longitudinal a pressões de 10, 20,50 e 100 bar.
Figura 34. Perfil de deformação medido ao longo da fibra circunferencial a pressões de 10, 20 e 50 bar.
Tabela 9. Valores médios de deformação no comprimento total das fibras na direção longitudinal e
circunferencial mais os valores medidos por SG para os patamares de pressão correspondentes.
Pressão
(bar)
SG
Linear
(µƐ)
Fibra
Linear
(µƐ)
SG
Circunferencial
(µƐ)
Fibra
circunferencial
(µƐ)
10 54 72 11 2 27 21
20 171 192 31 85 251 71
50 521 699 78 1871 2015 229
100 1217 1435 359 5139 -
181 2693 - 11886 -
51
Figura 35.Gráfico dos valores médios de deformação no comprimento total das fibras na direção longitudinal e
circunferencial mais os valores medidos por SG para os patamares de pressão correspondentes.
5. Discussão
A partir dos ensaios visuais por meio de espalhamento de luz foi possível observar que
as fibras ópticas embutidas são mais sensíveis a detecção de nucleação e crescimento de
danos na estrutura dos compósitos do que a fibra somente aderida a sua superfície. Além
disso, as fibras embutidas apresentam certa tolerância ao dano, havendo uma faixa de
deformação entre a primeira falha (25%) e a falha final do sensor (69%, quando revestida com
cladd). Essa fratura progressiva dos sensores também pôde ser constatada nos ensaios
utilizando o equipamento de interrogação OBR, onde na medida em que o carregamento
evoluiu, o desvio entre as medidas de deformação ao longo do comprimento do sensor
aumentou devido a presença fraturas.
Para os ensaios de tração, durante as análises com OBR dos LCPs com fibras ópticas
embutidas, os sensores que apresentaram patamares de deformação ao longo do comprimento
para maiores níveis de carregamento foram os sensores embutidos alinhados com a direção
das fibras de reforço (interface 0/0). Nesse caso, os valores médios de deformação, medidos
ao longo do comprimento das fibras, apresentaram boa concordância com as deformações
medidas por SG. Nos ensaios de pressurização, as medições de deformação média das fibras
ópticas foram sempre um pouco acima dos SG devido a diferença de camadas em que foram
embutidos (SGs mais externos e fibras mais internas).
Durante o aumento da pressão interna, os sensores resistivos suportaram uma pressão
máxima de (181 bar), bem acima da máxima suportada pelas fibras (máximo de 100 bar no
52
caso das embutidas na direção longitudinal).Para as fibras ópticas, foi observado que a 50 bar
a deformação na direção circunferencial era quase 3,5 vezes a deformação na direção
longitudinal. A deformação na direção circunferencial é duas vezes a longitudinal para vasos
isotrópicos. A diferença observada nos ensaios realizados nesse trabalho podem ser
justificadas por as fibras de reforço não estarem seguindo uma configuração isotrópica
([90/(±15)2/90] ao invés de [90/(0)2/90]) .
Ademais, pode-se dizer que a falha do sensor circunferencial acima de 50 bar foi por
esse ter atingido o limite de deformação máximo, já que nessa direção, a 100 bar, era esperado
uma deformação de aproximadamente 5000 µƐ (medido pelo SG), o que é maior do que a
máxima deformação suportada pela fibra óptica de vidro. A falha do sensor longitudinal
acima de 100bar pode ser justificada somente pela propagação de trincas na matriz, já que o
valor esperado de deformação acima desse patamar de pressão era em torno de 3000 µƐ
(medido pelo SG), um valor que pode ser medido pela fibra óptica sem causar sua falha.
No ensaio de impacto, a detecção de um pico de deformação na posição em que o
dano foi causado mostra o potencial do OBR como um meio eficiente de monitoramento da
condição estrutural (SHM) para vasos de pressão já que, através da interrogação dos sensores
foi possível localizar e avaliar rapidamente danos na estrutura somente correlacionando a
medida realizada após a avaria com a medida de referência da fibra, sem necessidade de
ferramentas adicionais. Outros dispositivos SHM, usados para monitorar vasos de pressão,
como é o caso de emissões acústicas utilizando sensores PZT, necessitam que o vaso seja
pressurizado durante as medições para detectar danos, consumindo mais tempo e recursos.
Nos dois processos de manufatura empregados, métodos simples de Inserção dos
sensores foram propostos. Porém a porcentagem de incorporação de sensores utilizáveis para
monitoramento ainda é muito baixa (máximo de 50% no caso das infusões) devido
principalmente à natureza frágil das fibras ópticas. Essa baixa porcentagem de incorporação
indica que em projetos futuros de monitoramento estrutural, quando as regiões de
monitoramento forem decididas, essas devem conter pelo menos duas fibras na mesma
direção para que haja uma maior probabilidade de sucesso no Inserção e interrogação desses
sensores.
Com relação à adaptação no processo de manufatura de LCPs por infusão de resina em
molde superior flexível foi observado através de ensaios de tração que laminados com fibras
ópticas embutidas apresentaram limite de resistência a tração médio 30% menor do que os
laminados fabricados pelo processo convencional. Contudo, pode-se dizer que a queda da
propriedade mecânica do compósito não é devido exclusivamente a presença do sensor mas
53
devido também as modificações feitas no processo de infusão, que por apresentarem
procedimentos mais trabalhosos de selamento do sistema, são altamente dependentes da
experiência do operador para que o laminado final apresente boas propriedades i.e livre de
bolhas e apreciável volume de fibras.
6. Conclusão e Trabalhos Futuros
Com relação aos resultados apresentados nesse trabalho, pode-se concluir que:
1. Foram desenvolvidos métodos simples para incorporação de sensores de fibras
ópticas em laminados planos e vasos de pressão durante seus respectivos processos
de fabricação. Geralmente esses sensores são aderidos à superficie dos
componentes prontos o que compromete a integridade das fibras e a sensibilidade
do monitoramento.
2. A queda da propriedade mecanica devido a presença da fibra foi analisada e
estimada em uma diminuição de 30% no limite de resistencia a tração para
laminados com orientação bidirecional de fibras. Análises micrográficas
mostraram que esse fator de queda pode ser minimizado pela inserção da fibra
óptica alinhada com fibras unidirecionais de reforço. Nesse caso a descontinuidade
causada na estrutura é menor.
3. Os resultados obtidos avaliando estruturas compósitas com fibras ópticas
embutidas em diversos ensaios (tração, impacto e pressurização) mostram o
potencial do uso dos sensores de fibra ópticas interrogados com equipamento OBR
como meio de monitoramento da condição estrutural em tempo real de
componentes, criando “estruturas inteligentes”, capazes de localizar e avaliar as
proporções de possíveis danos estruturais e fornecer diagnóstico de suas
capacidade remanescente, sem a necessidade de retirar o componente da sua
função para realizar manutenção preventiva, economizando tempo e recursos.
Com relação aos futuros trabalhos, sugere-se: (i) investigar detalhadamente a queda da
propriedade mecânica devido à presença dos sensores, (ii) melhorias no método de Inserção
para que haja maior incorporação de sensores, (iii) utilização de revestimentos para as fibras
ópticas, ou mesmo (iv) utilizar fibras ópticas poliméricas para que haja diminuição a
fragilidade dos sensores e possibilitem eles resistirem a um nível de carregamento maior em
relação ao carregamento máximo possível para a estrutura em que estão embutidos.
54
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