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Introdução a Compósitos
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação
Dr. Alfredo R. de Faria
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2
Classificação de Materiais Compósitos2.
Definições Básicas1.
Agenda
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Definições básicas
Material compósito é um material constituído de duas fases combinadas numa escala macroscópica cujo desempenho e propriedades para uma dada aplicação são superiores aos materiais constituintes agindo independentemente.
As fases constituintes de um compósito são:• reforço: geralmente descontínua, mais rígida e mais resistente• matriz: contínua e geralmente menos rígida e resistenteAlém da matriz e do reforço, a interface entre essas fases também afeta
as propriedades mecânicas do compósitoUma boa interface (resultado da compatibilidade química entre as fases)
é essencial para a resistência e rigidez do compósito
reforço
matrizcompósito
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Definições básicas
Funções da matriz
mantém o reforço agregado e distribui as cargas protege o reforço de dano químico e mecânico componente dominante nas propriedades de:
resistência ao impacto e tenacidadetemperatura de serviçocomportamento viscoelástico (creep)propriedades transversais
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Definições básicas
Homogeneidade
um material é homogêneo quando as suas propriedades não variam de ponto a ponto no material ou não dependem da localização
um material é heterogêneo quando as suas propriedades variam de ponto a ponto no material ou dependem da localização
o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou volume característico
um material pode ser considerado como homogêneo numa escala macroscópica mas heterogêneo numa escala microscópica
materiais compósitos se enquadram no caso acima
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Definições básicas
Homogeneidade
Material homogêneo numa escala macroscópica
Material heterogêneo numa escala microscópica
matrizfibra
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Definições básicas
Anisotropia
muitas propriedades dos materiais, tais como rigidez, resistência, expansão térmica e condutividade térmica estão associadas com uma direção ou com a orientação dos eixos de referência
um material é isotrópico quando as suas propriedades são as mesmas em todas as direções ou independente da orientação dos eixos de referência
o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou volume característico
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Classificação de materiais compósitos2.
Definições básicas1.
Agenda
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
particulado
fibra descontínua
fibra contínua
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
um compósito particulado consiste de partículas de várias formas e tamanhos dispersas aleatoriamente na matriz
os compósitos particulados podem ser considerados quase-homogêneos numa escala bem maior do que o tamanho médio das partículas
devido a aleatoriedade da distribuição das partículas os compósitos particulados podem ser considerados quase-isotrópicos
Exemplos de compósitos particulados:concretopartículas de alumínio em poliuretano
(usado em propelentes de foguetes)partículas de carbeto de silício em alumínio
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
um compósito com fibras descontínuas contém fibras curtas ou whiskers como reforço; as fibras são longas em relação ao diâmetro
a orientação das fibras pode ser aleatória ou unidirecional
utilização em geral em aplicações de baixa solicitação mecânica
devido a aleatoriedade da distribuição das fibras os compósito com fibras descontínuas com orientação aleatória podem ser considerados quase-isotrópicos
o material pode ser encontrado na forma de mantas de fibras picadas
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
Compósito com fibras descontínuas
aleatória unidirecionalmanta de fibra de carbono
(fibras curtas dispostas aleatoriamente)
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
um compósito com fibras contínuas contém fibras longas e contínuas como reforço
a orientação das fibras pode ser unidirecional, bi-direcional ou multidirecional
utilização em aplicações onde se requer alta rigidez e resistência
unidirecional bi-direcional multidirecional
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
As fibras contínuas são fornecidas em várias formas:
roving (fio seco) lâmina unidirecional pré-impregnada (tape) tecido (pré-impregnado ou seco)
roving
tecido
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométricoreforço particulado
b) orientação aleatória
a) unidirecional
reforço de fibras descontínuas
a) unidirecional
reforço de fibras contínuas
b) tecido (cross-ply)
c) multidirecional
quase-isotrópico
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
polimérica
cerâmica
metálica
carbono
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz polimérica termoplástica
Matriz polimérica termorígida
Aplicações: compósitos reforçados por fibra de vidro, kevlar ou carbono em aplicações de temperaturas relativamente baixas
Vantagens:alta rigidez e resistência específicafácil processamentocusto de fabricação relativamente baixoflexibilidade na orientação das fibras
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz polimérica termoplásticaPEEK (poli-éter-éter-cetona)Polisulfona PEI (poli-éter-imida)
Característicasalto custoalta tenacidade e ductilidadeconsolidação: transformação física processamento difíciltemperatura de uso limitada pela temperatura de amolecimento ou fusão
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz polimérica termorígidaepoxipoli-imidapoliesterfenólica
Característicascura: transformação químicauma vez curada não pode ser re-fundidaresistente, rígida e frágilarmazenamento com refrigeraçãoperecível (shelf life limitada)processamento simplestemperatura de uso relativamente baixa
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz cerâmica reforçada por fibras de cerâmicacarbeto de silícioóxido de alumínionitreto de silício
Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas muito elevadas
Característicasalta temperatura de usobaixa densidadealta rigidez e durezaprocessamento complexoisolamento elétricofrágil – baixa tenacidade à fraturabaixa tolerância ao dano
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz metálica reforçada por fibra de boro, carbono ou cerâmicaalumíniomagnésiotitânio
Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas elevadas e propriedades mecânicas elevadas
Característicasalta temperatura de usoalta rigidez e resistência (3D)alta condutividade térmicadúctil – alta tenacidade à fraturaalta tolerância ao dano
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz de carbono reforçada por fibras de carbonocompósito carbono-carbono
Aplicações que requerem alta resistência a temperaturas muito elevadas (exemplos: tubeira de foguete, freios de aviões)
Característicasalta temperatura de usoalta rigidez baixa densidade baixa expansão térmicaboa condutividade térmica e elétricaprocessamento difícil
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Lâmina3.
Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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24
Lâmina
Definição
lâmina é uma camada de fibras unidirecionais ou tecidas embebidas em uma matriz os eixos principais do material são:
1. direção longitudinal à fibra2. direção transversal à fibra no plano da lâmina3. direção perpendicular ao plano da lâmina
1
3 2
(longitudinal)
(transversal, no plano)(perpendicular ao plano)
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Lâmina
Orientação
o ângulo de laminação de uma lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de coordenadas usado faz com a direção da fibra (ou longitudinal da lâmina) o eixo z do sistema de coordenadas deve ser sempre normal ao plano da lâmina o ângulo de laminação depende do sistema de coordenadas escolhido
x
z y
12
3
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Lâmina
Orientação
no caso de lâmina de tecido, há fibras em duas direções ortogonais: a direção do urdume e a direção da trama
nesse caso, o ângulo de laminação da lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de coordenadas faz com a direção do urdume (ou trama, conforme convencionado)
quando se acrescenta 180o no ângulo de laminação, obtém-se a mesma direção das fibras. Exemplo:1 = 90o e 2 = 90o representam o mesmo ângulo de laminação
a orientação da lâmina depende do sistema de referência
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Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Laminado
Definição
um laminado é constituído por duas ou mais lâminas empilhadas em orientações arbitrárias um laminado pode ser constituído de lâminas de materiais diferentes; nesse caso o laminado é chamado laminado híbrido
xy
z
o
o
o
o
9045450
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Laminado
Notação
um laminado é descrito pelas características de cada lâmina que o compõe os dados necessários de cada lâmina são:
materialespessuraângulo de laminação se todas as camadas forem de mesma espessura e mesmo material, o laminado pode ser descrito pelos ângulos de laminação ordenados do fundo do laminado para o topo exemplo: [90 / +45 / 45 / 0]T o sub-escrito “T” (de total) em geral é usado para indicar que todo o laminado está sendo descrito
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30
Laminado
Notação
um sub-escrito “S” pode ser usado para indicar que um laminado é simétrico; nesse caso, apenas metade das camadas precisam ser indicadas exemplo:
[0/+45/45]S = [0/+45/45 /45 /+45/0]T[0/45]S = [0/+45/45 /45 /+45/0]T
uma sobre-barra pode ser usada para indicar a camada do meio de um laminado simétrico com um número ímpar de camadas exemplo:
[0/90]S = [0/90/0]T[45/0]S = [+45/45/0/45 /+45]T
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Laminado
Notação
quando camadas repetidas aparecem, um sub-escrito com o número de repetições pode ser usado exemplo: [02/+45/45/02]S = [0/0/+45/45 /0/0/0/0/45 /+45/0/0]T[30]2S = [+30/30/+30/30/30/+30/30/+30]T
parênteses podem ser usados para agrupar um conjunto de camadas exemplo:[0/(90/0)2]S = [0/90/0/90/0/0/90/0/90/0]T[0/(15)2/0]T = [0/15/15/0]T = [0/+15/15/+15/15/0]T
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32
Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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33
Processos baseados em cura em autoclave
Processos baseados em cura fora do autoclave
-Hand lay-up-Automatic Tape Laying (ATL)-Fiber Placement (FP)-Resin Film Infusion (RFI)-Filament Winding
-Resin Transfer Molding (RTM)-Vacuum Assisted Transfer Molding (VARTM/RTM Light)-Resin Film Infusion (RFI)-Filament Winding
Processos de Fabricação
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34
Processos de Fabricação
Hand lay-up
Automatic Tape Laying (ATL)
Fiber Placement (FP)
Resin Film Infusion (RFI)
Filament Winding
Resin Transfer Molding (RTM)
Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)
Pultrusão
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Fita UD / tecido Consumíveis
Processos de Fabricação
Hand lay-up: matéria prima
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1. Corte de camadas
2. Preparação do molde
3. Laminação
4. Saco de vácuo
5. Estrutura pronta para cura
6. Cura em autoclave
7. Estrutura curada
8. Desmoldagem
9. Inspeção
Processos de Fabricação
Hand lay-up: passos
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Processos de Fabricação
Hand lay-up: sequência de laminação
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38
Processos de Fabricação
Hand lay-up: tipos de molde
Molde metálico: altos custos, maior durabilidade e capacidade térmica. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas primárias
Molde compósito: baixos custos, durabilidade reduzida e baixa capacidade térmica, reciclável. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas secundárias.
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Processos de Fabricação
Hand lay-up: ciclos de cura típicos
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40
Vantagens
- Baixa porosidade e poucos vazios- Bom controle da fração volumétrica e fibra e resina- Altas frações volumétricas de resina- Fabricação em formas complexas
Desvantagens
- Altos custos do pre-preg;- Desperdício de material- Necessita de ambiente altamente controlado – sala limpa- Alto consumo energético- Acabamento superficial em uma superfície apenas
Processos de Fabricação
Hand lay-up: vantagens e desvantagens
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FPATL
Processos de Fabricação
Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)
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Processos de Fabricação
Vantagens- Deposição de camadas na orientação correta- Reduz ciclo de custos - Manufatura de partes planas ou curvas - Manufatura de grandes estruturas (até 14 m) em apenas uma etapa - Processo automatizado- Precisão, repetibilidade e qualidade elevadas
Desvantagens- Introdução de descontinuidades no reforço durante o processo de laminação- Qualidade final de furos limitada pela largura da fita depositada- Altos custos associados com cura em autoclave
Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)
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Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI)
Tecidos secos são depositados entremeados por camadas de filmes de resina semi-sólidos. O laminado é submetido a um saco de vácuo para remover o ar através do tecido seco e posteriormente aquecido para que a resina inicialmente derreta e depois flua por meio do tecido livre de ar e, finalmente, a cura ocorra após algum tempo.
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Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI): matéria prima
Resinas: geralmente apenas epóxi
Fibras: quaisquer
Núcleos: vários, embora espumas PVC necessitem de procedimentos especiais devido às altas temperaturas envolvidas no processo
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Vantagens
-Altas frações volumétricas de fibra podem ser obtidas com poucos vazios-Processo seguro e limpo, como pre-preg-Boas propriedades mecânicas da resina devido ao estado inicialmente sólido do polímero e elevada temperatura de cura-Custos potencialmente mais baixos do que aqueles do pre-preg, com quase todas as mesmas vantagens.
Desvantagens
-Não muito aceito fora da indústria aeronáutica-Forno e saco de vácuo são necessários para cura do componente assim como no caso dos pre-pregs-Ferramental suficiente resistente para suportar as temperaturas de processamento do filme de resina (60-100°C);-Material do núcleo deve ser capaz de suportar temperaturas e pressões do processo
Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI)
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Processos de Fabricação
Filament Winding (enrolamento filamentar)
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Processos de Fabricação
Filament Winding: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, fenólicas
Fibras: vidro, carbono, aramida
Aplicações: estruturas axisimétricas como vasos de pressão, tanques de combustível e dutos
Parâmetros de processo: viscosidade da resina, tensão na fibra, velocidade, posicionamento das fibras
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Vantagens- Processo de posicionamento de fibras controlado- Baixo conteúdo de vazios- Permite a fabricação de partes unidas em oneshot- Permite fabricação de estruturas de qualquer tamanho- Processo com baixíssimo desperdício de material
Desvantagens- Limitado a geometrias axisimétricas- Não permite bom controle do conteúdo de resina- A qualidade do produto final depende dos parâmetros de processo (viscosidade da resina, tensão nas fibras, velocidade, posicionamento das fibras)
Processos de Fabricação
Filament Winding
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Processos de Fabricação
RTM é um processo de transferência de resina assistido por vácuo no qual uma pré-forma seca é colocada entre duas partes rígidas de um molde fechado seguido por impregnação de resina termofixa sob pressão com ajuda de vácuo. Resinas de baixa viscosidade devem ser utilizadas. Geralmente a cura é feita in-situ usando molde aquecido com controle de temperatura. Aplicável na produção em cadência média e alta de grandes componentes estruturais.
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Processos de Fabricação
RTM: passos
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Processos de Fabricação
RTM: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, vinil éster
Fibras: vidro, carbono, aramida
Aplicações: gerais nas indústrias aeroespacial e automotiva (aeroestruturas primárias, painéis reforçados integrais)
Parâmetros de processo: viscosidade da resina, definição dos pontos de entrada e saída da resina, velocidade de infusão, qualidade do molde (rigidez e resistência), tecidos (“dobrabilidade” ou distorções geométricas e permeabilidade)
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Boeing 787 painel compósito reforçado
Processos de Fabricação
RTM: exemplos de aplicação
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Desvantagens
- Altos custos (ferramental)- Limitação de tamanho- Quantidades produzidas tipicamente entre 100-5000 partes- Software para preenchimento do molde em desenvolvimento- Posicionamento da pré-forma no molde é crítico
Vantagens
- Não há desperdício- Alta cadência de produção- Bom acabamento em ambos lados da peça- Boa tolerância dimensional (espessura)- Processo em molde fechado (emissões voláteis reduzidas)- Conteúdo de fibra elevado
Processos de Fabricação
RTM
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Processos de Fabricação
VARTM é similar ao processo de RTM, porém utiliza apenas vácuo, tanto para a injeção de resina quanto para a cura do molde. Assim, ele opera a pressões mais baixas do que o processo RTM, o que permite a inclusão de núcleos de espuma facilmente incorporados no lay-up. O processo consiste em apenas um molde com uma bolsa de vácuo e pré-forma inserida entre essas duas partes. Um meio poroso é geralmente colocado sobre a pré-forma para facilitar a distribuição de resina.
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55
Desvantagens
- Não atinge tolerâncias tão boas quanto o RTM- Acabamento ruim do lado da peça voltado para bolsa de vácuo- Dificuldade em atingir requisitos de desempenho e qualidade- Raramente se aplica a estruturas primárias
Vantagens
- Opera a pressões mais baixas que o RTM- Não necessita de autoclave- Uso de ferramental mais simples- Permite fabricar peças maiores que o RTM
Processos de Fabricação
VARTM
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Pultrusão seções reta
Processos de Fabricação
Pultrusão
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Processos de Fabricação
Pultrusão: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, fenólica
Fibras: carbono, kevlar, vidro
Aplicações: indústrias automotiva e petróleo, trilhos, pórticos e maçanetas
Parâmetros de processo: velocidades e rotação e giro, aquecimento, medida e calibração da solidificação, resfriamento, trefilação e corte
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Desvantagens
- Limitado a seções reta uniformes- Propriedades mecânicas podem ser afetadas pelo reduzido ciclo de cura durante solidificação- Baixa resistência transversal quando reforços unidirecionais são utilizados
Vantagens
- Não há desperdício- Altas taxas de produtividade- Alto conteúdo de fibras
Processos de Fabricação
Pultrusão