ARTIGO

II Congresso Nacional das

Engenharias da Mobilidade

26 a 30 de outubro

Joinville – Santa Catarina

SELEÇÃO DE MATERIAIS E PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA

FUSELAGEM AEROESPACIAL

Vinícius Martins Freire

Félix Dal Pont Michels Júnior

Modesto Hurtado Ferrer UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina.

Rua Dr. João Colin, 2700.

Bairro Santo Antônio. Joinville, SC. Brasil.

CEP: 89.218-035

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Resumo: Neste trabalho é proposto um estudo sobre a seleção de materiais e processos para a fabricação da fuselagem

aeronáutica, mostrando a metodologia de cada método. O alumínio é o material mais utilizado na fabricação de

fuselagens, justamente por atender os requisitos necessários e ainda reduzir o peso da mesma, pois possui baixa massa

específica. O processo de fabricação da fuselagem aeroespacial engloba desde as operações de fundição da bauxita para

obter a alumina, e posteriormente à liga de alumínio (Processo de Hall-Héroult). Como também pelo processo de

laminação, para obtenção das chapas, as quais posteriormente passariam pelos processos de estampagem e/ou de

usinagem, para por fim, dar a forma final da peça e poderem ser anexadas ao perfil da aeronave.

Palavras-chave: Fuselagem; Liga Alumínio; Processo Hall-Héroult; Laminação; Estampagem.

1. INTRODUÇÃO

O presente trabalho tem como objetivo apresentar o método de fabricação da fuselagem aeroespacial, desde a

escolha do material até o método de manufatura da fuselagem. A fuselagem aeroespacial é a camada de proteção

exterior dos aviões, aeronaves, ônibus espaciais, satélites, etc. Ela ainda inclui a cabine de comando, o compartimento

de carga e os vínculos de fixação para outros componentes.

A montagem de um avião tem início com a fabricação das peças primárias como chapas metálicas, usinados,

compostos, tubos e cablagens (cabos elétricos). Depois, estas peças são unidas umas com as outras para possibilitar a

formação dos subconjuntos e conjuntos estruturais como, por exemplo, painéis, revestimentos, ferragens, longarinas,

nervuras, dentre outros. Consequentemente, estes subconjuntos e conjuntos vão se agregando e tomando forma através

dos gabaritos maiores e de junções, formando os segmentos. Os segmentos, por sua vez, são equipados com os sistemas

do avião como o ar condicionado, pneumático, combustível, hidráulico, elétrico, comandos de voo, motor e trens de

pouso. Após a realização da junção da asa/fuselagem inicia-se a interligação dos sistemas, testes e montagem final. Em

seguida é realizada a pintura, as atividades de preparação para voo e posteriormente a entrega ao cliente.

A fuselagem deve ser resistente e aerodinâmica, uma vez que deve suportar as forças que são criadas durante o

voo e sustentar o peso da aeronave. Consequentemente, as fuselagens têm apresentado formas de corpos longos com

perfis apontados, onde uma dimensão (o comprimento) é muito maior que as outras duas (largura e altura), as quais são

da mesma ordem de grandeza. Juntamente com os passageiros e a carga, contribuem com uma porção significativa do

peso de uma aeronave. O centro de gravidade da aeronave é a localização média do peso e é geralmente localizada no

interior da fuselagem.

Como já foi citada, a fuselagem deve ser resistente e aerodinâmica, uma vez que deve suportar as forças que são

criadas durante o voo e sustentar o peso da aeronave. As forças que atuam sobre uma aeronave são quatro: arrasto,

tração, peso e sustentação. Cada uma tem a sua respectiva função:

Sustentação:

É a força produzida pela asa, que tem a finalidade de sustentar o avião. A sustentação só ocorre quando o avião

se desloca para frente e atinge uma velocidade suficiente para que a asa produza a sustentação necessária. A sustentação

é influenciada pela área da asa, ângulo de ataque, densidade do ar, velocidade, peso, etc.

Peso:

É uma força vertical que age no sentido oposto a sustentação. Quando a aeronave se encontra estabilizada

verticalmente, o peso e a sustentação se igualam.

Tração:

II Congresso Nacional das Engenharias da Mobilidade, 26 a 30 de outubro de 2015, Joinville – Santa Catarina

É a força que permite que o avião se desloque e atinja velocidade suficiente para gerar sustentação. Essa força é

gerada pelo motor do avião.

Arrasto:

É a força que se opõe ao avanço da aeronave, ou seja, atrapalha o deslocamento da aeronave. Existem dois tipos:

o arrasto parasita e o arrasto induzido. Com o propósito de minimizar isso, são criadas superfícies cada vez mais

aerodinâmicas, como os “winglets” – formato aerodinâmico de dobra na ponta das asas – que diminuem o arrasto.

Esssas forças por sua vez geram cinco tipos de estresses estruturais na aeronave em voo:

Tensão:

Origina-se no momento em que o motor puxa a aeronave para frente, porém, a resistência do ar tenta trazê-la de

volta. O resultado é a tensão, que tende a esticar a aeronave.

Compressão:

É o oposto da tensão. Exemplo: pressão externa do ar sobre a estrutura da aeronave. Os suportes do trem de

pouso também estão sujeitos à compressão na hora da aterrissagem.

Flexão:

Combina tensão e compressão. Os apoios da asa são submetidos à flexão, enquanto a aeronave está em voo. O

lado inferior da longarina é submetido à tensão, enquanto que o lado superior é submetido à compressão.

Cisalhamento:

É o esforço que é executado especialmente nos parafusos e rebites que ligam as partes da fuselagem uma nas

outras.

Torção:

É o esforço produzido pelo motor da aeronave, pois exerce uma força de torção no eixo de manivela ou eixo da

turbina. Enquanto a aeronave se move para frente, o motor também tende a torcê-la para um dos lados, assim, a

fuselagem deve ser projetada com força suficiente para resistir a esses torques.

Como se pode notar a estrutura da aeronave deve suportar diversos tipos de forças e esforços, algo levado em

conta na escolha do material, e no seu processo de fabricação e que será abordado a seguir.

2. FUNDAMENTOS DO MATERIAL

As aeronaves devem ser construídas com materiais de baixo peso e alta resistência mecânica. Primordialmente,

as aeronaves eram feitos de madeira e lona. Posteriormente, passaram a usar metais leves e de maior resistência. Hoje, a

maior parte da estrutura é construída com titânio, aço e alumínio. Mas as fábricas já utilizam outros materiais, à base de

plástico e fibra de carbono para deixar as aeronaves comerciais mais leves. Essas combinações de plásticos e fibra de

carbono são chamadas de "materiais compósitos", de menor peso e grande resistência. Dentre os principais estão:

Ligas de Alumínio; Titânio; Fibra de Vidro; Fibra de Carbono; Ligas Metálicas em Geral; Materiais Compósitos.

Na fabricação de aviões alguns critérios de escolha de materiais são extremamente importantes. As fabricantes

de aviões querem materiais mais leves para que consumam menos combustível, pois além de reduzir custos na

operação, diminui as emissões de gases do efeito estufa. Mas esse desejo não pode afetar a segurança da aeronave e

para atingir esses objetivos, realizam frequentes estudos buscando desenvolver novos materiais ou melhorar os já

existentes, os critérios mais representativos na aeronáutica são resistência mecânica, resistência à oxidação, resistência à

fadiga e peso.

Fadiga:

Nas aeronaves ocorrem repetitivas cargas cíclicas, são cargas que acontecem no regime elástico, ou seja, o

material pode se alongar de forma imperceptível, ao aliviada a carga, a peça volta ao seu comprimento original.

Em um avião isso acontece em diferentes fases do voo, desde a decolagem até a aterrissagem, passando pela

subida, cruzeiro, turbulências e curvas, mesmo sendo cargas baixas acabam provocando deformações permanentes,

trincas e até colapso do material. É o que chamamos de fadiga.

A vida útil de um avião é o numero de ciclos que a estrutura pode suportar. Selecionar um material de alta

resistência à fadiga é proporcionar uma maior vida útil para uma aeronave.

Resistência à Oxidação:

Os aviões estão frequentemente em contato com a atmosfera, por isso é necessário selecionar materiais com

resistência à oxidação, caso contrário o preço de manutenção seria inviável, porque em materiais sem resistência a

oxidação há uma constante perda de átomos para a formação de óxidos, com isso seria necessário trocar determinadas

peças ou pintá-las em determinado tempo.

Resistência Mecânica e Peso:

Na construção de meios de transportes levam-se em consideração diversos requisitos, há uma busca de materiais

com maior resistência com menor peso, na indústria aeronáutica estes dois requisitos são muito importantes.

É necessário escolher materiais resistentes para construção dos aviões, pois eles passam por diversos esforços

durante a utilização, ao mesmo tempo há uma necessidade de materiais leves para reduzir o consumo. A partir da

década de 30, com o desenvolvimento das chapas de alumínio, o metal tornou-se componente obrigatório do

revestimento dos aviões.

As ligas de alumínio são os materiais mais utilizados na fabricação de aeronaves. São empregadas em todos os

tipos e tamanhos de aeronaves, desde ultraleves até aeronaves de grande porte.


Essas ligas possuem grande resistência estrutural, boa elasticidade, são inoxidáveis e possuem baixa massa

específica (cerca de 1/3 do aço estrutural), reduzindo consideravelmente o peso da aeronave.

Além do custo, há a segurança. Ao zelar pela vida dos milhões de passageiros que transporta, a indústria

aeronáutica reconhece no alumínio o material mais adequado para garantir isso aos passageiros. As principais

características do alumínio estão na relação resistência versus peso, na proteção contra a corrosão e na elasticidade. Por

isso, de longe é o material mais utilizado para construção aeronáutica desde a Segunda Guerra.

O alumínio possui uma combinação única de propriedades que o tornam um material de construção versátil,

altamente utilizável e atrativo. Na indústria aeroespacial moderna, usa-se o alumínio misturado com outros elementos

(ligas de alumínio), como: cobre, zinco e magnésio.

Segue abaixo algumas propriedades do alumínio comparadas a outros materiais:

Figura 1 – Propriedades do Alumínio Comparadas a Outros Materiais.

Características:

O baixo peso, pois o alumínio apresenta densidade - 2,7 g/cm3, aproximadamente 1/3 da densidade do aço. Uma

excelente condutividade térmica e elétrica (de 50 a 60% da condutividade do cobre) sendo vantajoso seu emprego em

trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores. Devido a sua distribuição favorável da tensão,

praticamente não existem picos de tensões. Apresenta ductilidade elevada e alta deformação, permitindo conformação

de componentes com elevadas taxas de deformação.

É também resistente à corrosão atmosférica, corrosão em meio aquoso, óleos e diversos produtos solventes.

Resistente a trincas e a evolução lenta de trincas e resistente à fadiga e ao desgaste. Apresenta estabilidade de forma

mesmo em baixas espessuras e não é percebida a fragilização a temperaturas muito baixas.

A resistência mecânica do alumínio puro é baixa (~90Mpa), entretanto, são empregados os seguintes

mecanismos de endurecimento:

Endurecimento por solução sólida (ligas não tratáveis);

Endurecimento por dispersão de partículas (ligas não tratáveis);

Encruamento (ligas não tratáveis);

Endurecimento por dispersão de partículas coerentes ou sub-microscópicas (ligas tratáveis

termicamente).

A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (660 °C), o que, limita a temperatura de

trabalho destas ligas.

Ligas de alumínio:

Ligas de alumínio, nas quais o principal ingrediente seja o magnésio, o manganês, o cromo ou o silício,

apresentam alguns desgastes em ambientes corrosivos. Já ligas com consideráveis percentagens de cobre são mais

suscetíveis ao ataque corrosivo. A percentagem total de ingredientes nas ligas de alumínio é da ordem de 6% a 7% (em

média).

De acordo com o produto a ser feito, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois grupos:

LIGAS PARA TRABALHO E CONFORMAÇÃO (wrought alloys) – ligas destinadas à

fabricação de produtos semiacabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados não

planos (tarugos, barras e arames) perfis extrudados e componentes forjados.

LIGAS PARA FUNDIÇÃO (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação de componentes

fundidos.

Somando-se as ligas conformáveis e as ligas para fundição, existem mais de 600 ligas reconhecidas

industrialmente. Estes dois grupos se subdividem em:


LIGAS NÃO TRATÁVEIS - Não são endurecidas por meio de tratamento térmico.

LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de tratamentos

térmicos.

Segue abaixo alguns exemplos de ligas tratáveis e não tratáveis de alumínio:

Figura 2 – Ligas tratáveis e não tratáveis do Alumínio.

E características obtidas com os elementos da liga do alumínio:

Figura 3 - Características e aplicações dos elementos de liga do Alumínio.

Ligas das Séries Aeronáuticas

As ligas de alumínio das séries aeronáuticas (2XXX e 7XXX) possuem como características principais os

elevados níveis de resistência mecânica que são aliadas à baixa densidade do metal e a facilidade de conformação e

usinagem.

Alumínio Aeronáutico Série 2XXX

As ligas de alumínio da série 2XXX são ligas com cobre (1,9 – 6,8)% e muitas vezes contêm adições de

manganês, magnésio e zinco. Seu endurecimento por solubilização tem sido amplamente estudado.


São ligas tratáveis termicamente, podendo, após os tratamentos, atingir-se a resistência de aço baixo carbono

(450 MPa). A resistência à corrosão das ligas da série 2xxx é inferior a de outras ligas de alumínio.

Sob certas condições essas podem apresentar corrosão intergranular. As ligas desta série apresentam boa

usinabilidade e características de soldagem limitadas (exceto a liga 2219).

Os dois últimos dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmo grupo

(número sequencial) O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de elementos de liga.

Essas ligas têm menores taxas de crescimento de trinca e, portanto, têm melhor desempenho em fadiga do que as ligas

da série 7XXX.

Portanto, estas são utilizadas nas asas e na parte inferior da fuselagem. As ligas utilizadas são 2224, 2324 e 2524

(ambas as versões modificadas de 2224). Estas ligas são geralmente compostas por 99,34% de alumínio puro para maior

resistência à corrosão.

Figura 4 – Tipos de Ligas de alumínio em uma aeronave.

Alumínio Aeronáutico Série 7XXX

O Zinco é o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre (1 – 8)%. Adições em conjunto com

Magnésio resultam em ligas tratáveis termicamente com resistência mecânica elevada. Normalmente, Cobre e Cromo

são adicionados em pequenas quantidades.

Combinações de (4 – 8)% de Zinco e (1 – 3)% de Magnésio no alumínio são usados para produzir a série 7XXX

das ligas alumínio-cobre trabalhadas tratáveis termicamente. Algumas dessas ligas desenvolvem propriedades de mais

alta resistência que qualquer liga a base de alumínio comercial.

Zinco e magnésio têm alta solubilidade no alumínio e desenvolve, não usualmente, características de

precipitação de dureza. Adição de cobre de (1 – 2)% aumenta as propriedades de resistência da liga Al-Zn-Mg dando

alta resistência à liga de alumínio para aeronaves.

A tabela abaixo lista as composições químicas e aplicações típicas das ligas Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu. A

fissuração por corrosão tem sido a maior restrição sobre o uso dessas ligas.

Tabela 1 – Comparação entre Ligas de Alumínio Aeronáutico.

PROPRIEDADES 7XXX 2XXX

Limite de Escoamento 260 – 470 MPa 290 MPa

Limite de Resistência 360 – 540 Mpa 430 Mpa

Condutividade Térmica 134 W/mºC 121 W/mºC

Alongamento 2% à 6% 11%

Módulo de Elasticidade 72.000 MPa 73.100 MPa

Dureza Brinell 104 – 161 HB 120 HB

Usinabilidade Boa Boa

Estabilidade Dimensional Ótima Boa

Tratamento Térmico


A utilização de ligas (a inserção de outros elementos) não é o único método de aumentar a resistência do

alumínio.

As ligas mais amplamente usadas na construção aeronáutica são endurecidas, mais por tratamento térmico, que

por trabalhos a frio. Essas ligas são designadas por símbolos um pouco diferentes:

W. Solução (sólida) tratada a quente, endurecimento instável.

T. Tratado para produzir endurecimento estável, outros que não utilize Flúor, Oxigênio ou Hidrogênio.

T2 - Normalizado (somente para produtos forjados).

T3 - Solução (sólida) tratada a quente e, após, trabalhada a frio.

T4 - Solução (sólida) tratada a quente.

T5 - Somente envelhecida artificialmente.

T6 - Solução (sólida) tratada a quente e, após artificialmente envelhecida.

T7 - Solução (sólida) tratada a quente e, então estabilizada.

T8 - Solução (sólida) tratada a quente, trabalhada a frio e , então, envelhecida artificialmente.

T9 - Solução (sólida) tratada a quente, artificialmente envelhecida e, então, trabalhada a frio.

T10 - Artificialmente envelhecida e, então, trabalhada a frio.

Dígitos adicionais podem ser adicionados do T1 até o T10 para indicar a variação no tratamento, o qual

significativamente altera as características do produto.

3. FUNDAMENTOS DO PROCESSO

O principal processo de obtenção do alumínio é o de Hall-Héroult, onde o óxido de alumínio (alumina), obtido

através do processo Bayer, é dissolvido em criolita (hexafluoraluminato de sódio) a qual irá sofrer o processo de

eletrólise, separando no cátodo, o alumínio líquido, e no ânodo, o dióxido de carbono. O processo de Hall-Héroult tem

como principal variável o ponto de fusão da mistura de criolita e alumina.

Segue abaixo, um diagrama de

funcionamento do processo Hall-Héroult.

Figura 5 – Funcionamento do Processo Hall-Héroult.

Após a aquisição do alumínio em sua forma pura, deve-se adicionar cobre (ou outro metal) para formar uma liga

de alumínio. Para essa adição do cobre deve-se dissolver o cobre dentro do alumínio fundido, o qual a altas

temperaturas possui uma solubilidade elevada, e quando solidificar irá formar um composto intermetálico em sua rede

cristalina, endurecendo a matriz através do efeito de precipitação. A solubilidade, temperatura e porcentagem de cobre

são aspectos chaves nesse processo. Para outras ligas o processo é semelhante.

Depois da obtenção da liga, pode-se haver um tratamento térmico do mesmo, que consiste no tratamento de

solução e no envelhecimento. No tratamento de solução a liga é aquecida até a temperatura de dissolução dos elementos

de liga, seguido então de um resfriamento rápido, prevenindo temporariamente a precipitação desses elementos. Ocorre

então a precipitação gradual das fases sobre as lacunas e discordâncias, alcançando um efeito de máximo endurecimento

(envelhecimento). Os efeitos desse tratamento são um aumento substancial no limite de escoamento e de resistência a

tração, além de uma redução na ductilidade. A temperatura, composição da liga e o resfriamento são parâmetros

importantes nesse processo.

O lingotamento consiste na solidificação do alumínio em lingotes, os quais serão utilizados nos processos de

conformação. O processo constitui no vazamento do alumínio em um distribuidor que irá distribuir uniformemente em

veios a liga de alumínio líquido que então sofre a solidificação, a qual impacta nas propriedades do material.


A liga de alumínio passa então pelo processo de laminação. Esse processo constitui a deformação plástica do

material, modificando suas dimensões através da passagem do material por cilindros laminadores. Existem dois tipos de

laminação, a quente e a frio.

A laminação a quente promove reduções nas dimensões do lingote a temperaturas iguais ou maiores que a de

recristalização do metal. Utiliza-se uma série de laminadores reversíveis duplos ou quádruplos, geralmente reduzindo

50% da espessura por passe, chegando ao fim na casa dos 6 mm dependendo da aplicação, onde ele pode ser cortado em

chapas planas ou bobinado.

Na laminação a frio, a matéria prima principal é muitas vezes o resultado da laminação a quente. As

temperaturas empregadas são abaixo da temperatura de recristalização do material. Geralmente se usa séries de

laminadores quádruplos não reversíveis ou reversíveis, sendo o não reversível o mais utilizado. Aqui se utilizam dois

recursos chamados de tensões avante e tensões a ré, as quais aliviam o esforço de compressão exercido pelos cilindros

ou ainda aumentam a capacidade de redução por passe. Segue abaixo imagem de chapas obtidas pelo processo de

laminação.

Figura 6 – Chapas de alumínio.

Para adquirir sua forma final as chapas passam pelos processos de estampagem e usinagem. No processo de

estampagem a chapa em temperatura ambiente é deformada apos ser prensada contra um molde. Após a realização da

estampagem, utiliza-se maquinas fresadoras CNC para ajustar as chapas às suas formas finais. Abaixo imagem de

cabine que foi obtida pelo processo de estampagem.

Figura 7 – Cabine de avião estampada.

4. RELAÇÃO ENTRE AS VARIÁVEIS DO PROCESSO E O COMPORTAMENTO DO MATERIAL

Processo de Hall-Héroult: A temperatura de fusão da mistura de criolita e alumina normalmente é diminuída pela

adição de fluoreto de alumínio podendo assim afetar a pureza do produto final que neste caso fica em torno dos 99%.


Liga: Aqui a temperatura afeta a solubilidade do elemento, exemplo: magnésio a 932K e a 300K tem

respectivamente 1,8% e 0,3% em peso, de solubilidade. Além disso, a quantidade do elemento colocado na liga afeta às

propriedades do material.

Tratamento Térmico: Dependendo da liga, o envelhecimento durante o tratamento pode ocorrer de forma natural

ou pode-se necessitar do reaquecimento do material. Também por conta das altas temperaturas, as ligas são tratadas em

banhos de sal fundido, o qual possui uma alta taxa de transferência de calor, além de fornecer suporte ao metal,

prevenindo possíveis deformações. Além disso, o envelhecimento pode ser retardado ao se manter o material resfriado,

o que possibilita utilizar técnicas de conformação antes do material sofrer o envelhecimento.

Lingotamento: A solidificação é um processo muito importante. Se não houver controle no instante da

solidificação, eventuais defeitos de fabricação podem surgir, inviabilizando a utilização do material produzido. O modo

que acontece a solidificação afeta a nucleação e o crescimento, os quais por sua vez afetam as propriedades físicas do

material.

Laminação a quente: Aqui a temperatura e a porcentagem da redução de tamanho a cada passe, afeta o tamanho

do grão final. Quanto menores forem os cilindros de laminação menor será sua rigidez, porem haverá menor atrito e,

portanto, necessitará de menor potência, porém, essa diminuição de rigidez pode ocasionar flexões no cilindro.

Laminação a frio: Como na laminação a quente, quanto menores forem os cilindros de laminação menor será sua

rigidez, o que ocasiona flexões, porém haverá menor atrito e, portanto, necessitará de menor potência.

Estampagem: O tamanho, o tipo de ferramenta, a temperatura de trabalho e o material a ser estampados são

parâmetros que influenciam o produto final.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

De acordo com o que foi apresentado neste presente estudo verificou-se que o alumínio possui diversas

propriedades importantes, como a resistência à corrosão, a resistência à fadiga e uma boa resistência estrutural, todas,

propriedades importantes no desenvolvimento de uma aeronave, aliadas ao baixo peso específico do material, tornando

assim as ligas de alumínio os materiais mais utilizados na fabricação de aeronaves.

Conclui-se também que o nível tecnológico exigido para a produção aeronáutica é alto, pois existe uma grande

exigência nos padrões de qualidade, confiabilidade e desempenho de seus produtos. Para manter esse padrão de

qualidade deve-se sistematizar todos os processos, pelos quais os produtos passam até chegarem a seu produto final.

Sistematização que foi realizada no trabalho, na forma de três processos, sendo eles: A obtenção do alumínio, a

laminação e a estampagem/usinagem.

É possível concluir que o processo de fabricação da fuselagem é de extrema dificuldade, pois são levadas em

conta, diversas análises, sejam de materiais, ou até de processos, onde cada aplicação deve ser analisada separadamente

para a devida aplicação. Algo que deve ser muito bem esquematizado, para não haver erros, que por muitas vezes são

fatais.

6. REFERÊNCIAS

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