Controlo automático de um processo de infusão a vácuo · 3.6 Macro poro (entre feixes de ﬁbras) e micro poro (entre ﬁla-mentosdomesmofeixe) ... 3.8 Formação de macro e micro

Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto

Controlo Automático de um Processode Infusão a Vácuo

Autor:Bruno Daniel Silva de Sousa

Orientador:Prof. Doutor Fernando Gomes de

Almeida

Co-Orientador:Doutor Luís Miguel Pereira Pina

Dissertação realizada no âmbito da unidade curricular doMestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Porto, 20 de Janeiro de 2017

ii

Página intencionalmente deixada em branco

iii

Dedicado aos meus pais,João e Cidália

iv


v

Resumo

Controlo Automático de um Processo de Infusão a Vácuo

A presente dissertação insere-se num projeto de investigação mais alar-gado, cujo objetivo é o desenvolvimento de metodologias de simulação econtrolo automático, utilizando um sistema de visão artificial, para imple-mentação em processos de infusão a vácuo.

Os processos de infusão a vácuo apresentam atualmente uma estruturade controlo em malha aberta, estando bastante dependentes da experiênciado operador na definição das estratégias de injeção de resina e posteriorsimulação computacional para validar o "set-up" definido. Durante a injeção,é requerida supervisão humana, para garantir que a infusão decorre comoplaneado. No entanto, as possibilidade de controlo são reduzidas, atuando-se unicamente sobre válvulas que permitem direcionar e/ou variar o fluxo deresina, ou, em casos extremos, interromper a infusão.

Este trabalho pretende estudar a introdução de metodologias de controloem malha fechada, através da utilização de um controlador clássico (PI)e de um sistema de visão computacional, de modo a variar o diferencial depressões num processo de infusão a vácuo, com vista a controlar a velocidadeda frente de fluxo e, consequentemente, diminuir a quantidade de vazios naspeças finais levando a uma melhoria das suas características mecânicas.

Ao longo da dissertação estão descritas as etapas de construção do sis-tema laboratorial e da implementação do algoritmo de controlo. Faz-setambém uma exposição dos ensaios realizados de modo a validar os sistemasmodulares introduzidos: sistema de controlo da pressão no reservatório deresina e sistema de controlo da velocidade da frente de fluxo.

vi


vii

Abstract

Automatic Control of a Vaccum Infusion Process

The present work is a part of a wider research project whose objective isthe development of simulation and automatic control methodologies usingan artificial vision system to be implemented in a vaccum infusion process.

Current vaccum infusion processes are based on an open loop controlstrutcure, depending on the operator experience in defining the resin in-jection strategies and subsequent computational simulation to validate thedefined set-up. Human supervision is required during the injection to ensurethat everything performs as planed. However, the possibilities for controlare reduced by acting solely on valves which allow directing and / or varyingthe flow of resin or, in extreme cases, interrupting the infusion.

This work intends to study the introduction of closed loop control metho-dologies through the use of a classical controller (PI) and a computer visionsystem, in order to vary the pressure differential in a vacuum infusion pro-cess, to control the velocity of the flow front and consequently decrease theamount of voids in the final structure, increasing its mechanical properties.

Throughout the dissertation are described the stages of construction ofthe laboratory system and the implementation of control algorithms. Thereis also an exposition of the tests carried out to validate the modular systemsintroduced: resin tank pressure and flow front speed control systems.

viii


ix

Agradecimentos

Ao meu orientador, Professor Dr. Fernando Gomes de Almeida, agra-deço todo o apoio disponibilizado, não só na elaboração deste trabalho, mastambém ao longo do meu percurso académico. Agradeço igualmente a opor-tunidade de ser orientado por uma pessoa dedicada, profissional e disponível,que sempre me transmitiu conhecimento com uma natural boa disposição.

Ao meu co-orientador, Dr. Luís Miguel Pereira Pina, expresso o meuagradecimento pela sua disponibilidade, paciência e partilha de conheci-mento. Não posso deixar de agradecer a oportunidade de realizar este traba-lho em ambiente empresarial, sob a orientação de uma pessoa muito presentee prestável.

Ao Jhonny, colega de gabinete e amigo, cujo apoio foi incessável; aoMassoud e ao Fernando, sempre disponíveis, o meu obrigado.

A todas as pessoas do INEGI que deram o seu contributo e aos bonsamigos que fiz durante estes anos, expresso a minha gratidão.

Aos meus pais e avós, o meu maior agradecimento, pelo esforço e sacrifíciopara que este percurso fosse possível. Obrigado pela dedicação, carinho eincentivo transmitidos ao longo de toda a minha vida.

Finalmente, agradeço à Sara, cujo apoio incondicional e carinho trans-mitido ao longo destes anos foi inigualável.

x


xi

Conteúdo

Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vAbstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viiAgradecimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ixLista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvLista de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

1 Introdução 11.1 Âmbito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Estrutura da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Introdução aos materiais compósitos e processos de infusãoa vácuo 52.1 Introdução histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Materiais compósitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Matriz polimérica - Termoplástico vs Termoendurecível 11

2.3 Processos de fabrico de materiais compósitos de matriz poli-mérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.1 Introdução aos processos de fabrico . . . . . . . . . . 122.3.2 Processo de infusão a vácuo . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Revisão da literatura 193.1 Controlo de processos de infusão a vácuo . . . . . . . . . . . 19

3.1.1 Controlo passivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.2 Controlo ativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Metodologias de controlo ativo . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Influência da velocidade da frente de fluxo na formação de

micro e macro vazios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4 Sensorização utilizada para controlar o fluxo de resina . . . . 27

xii Conteúdo

4 Projeto CAPIV 294.1 Descrição do sistema existente . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 Sistema desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5 Controlo da pressão de vácuo no reservatório de resina 335.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2 Afinações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.3 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.3.1 Implementação do sistema de controlo de pressão noreservatório de resina . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.3.2 Realização de testes ao controlador e análise dos dadosobtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6 Controlo da Velocidade da Frente de Fluxo da Resina 536.1 Condições de realização das infusões a vácuo . . . . . . . . . 536.2 Interface Matlab e comunicação Matlab-Arduino . . . . . . . 546.3 Estudo da resposta do sistema para diferentes valores de ∆P 556.4 Escolha do controlador e definição dos parâmetros do contro-

lador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.4.1 Filtragem do sinal obtido em tempo real . . . . . . . 596.4.2 Estrutura do controlador . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.5 Análise dos resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

7 Conclusões e propostas para trabalhos futuros 737.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737.2 Propostas para trabalhos futuros a este trabalho . . . . . . . 74

Referências 75

Anexos

A Válvulas SMC 77

xiii

Lista de Figuras

2.1 Máscara de um oficial datada de 2000 A.C. The Walters ArtMuseum - Baltimore, Maryland (Harrsch, 2004). . . . . . . 7

2.2 Diferentes arranjos na orientação das fibras em compósitos.Retirado de (Gomes, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Curva Tensão-Deformação para vários tipos de reforço. Reti-rado de (Mallick, 1988). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Curva Tensão-Deformação para um polímero termoplástico(polisulfona) e para um termoendurecível (epóxi). Retiradode (Mallick, 1988). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5 Processo de produção de folhas SMC. Retirado de (Nuplex,2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.6 Esquema de montagem de um processo de infusão a vácuo.Retirado de (Glast, 2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Esquema de um sistema em malha aberta. Adaptado de (Al-meida, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Três estratégias de injeção diferentes para produção de umapeça quadrada. Retirado de (Polyworx, 2007). . . . . . . . 21

3.3 Esquema de um sistema em malha fechada. Adaptado de(Almeida, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.4 Esquema do "set up" do molde utilizado. Retirado de (Modiet al., 2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.5 Relação entre a posição do último ponto de enchimento e onúmero de etapas de controlo. Retirado de (Modi et al., 2007). 23

3.6 Macro poro (entre feixes de fibras) e micro poro (entre fila-mentos do mesmo feixe). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.7 Mecanismo de impregnação num meio poroso de duas escalas.(a) formação de macro vazios devido às forças capilares, (b)formação de micro vazios devido às forças viscosas (Ruiz etal., 2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

xiv Lista de Figuras

3.8 Formação de macro e micro vazios em função da velocidadedo escoamento. Adaptado de (Labat et al., 2001). . . . . . . 26

4.1 Projeto SLIV. Retirado de (Silva, 2016). . . . . . . . . . . . 304.2 Interface gráfica. Retirado de (Silva, 2016). . . . . . . . . . . 304.3 Janela de deteção. Retirado de (Silva, 2016). . . . . . . . . . 314.4 Diagrama de blocos do sistema desenvolvido. . . . . . . . . 32

5.1 Esquema pneumático do sistema implementado. . . . . . . . 345.2 Válvula SMC VT307V-5DZ1-02F-Q. . . . . . . . . . . . . . 345.3 Botija campingaz R904. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4 Recipiente para filtro de água Ametek. . . . . . . . . . . . . 355.5 Arduino Uno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.6 Sensor MPX5100DP - Freescale Semiconductor. . . . . . . . 365.7 Esquema representativo da ligação dos componentes. . . . . 375.8 Variação da pressão no reservatório de resina antes e depois

da correção de fugas. Pressão desejada = -60 kPa; Intervalode pressões admissível = 5kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.9 Comparação das curvas de evolução da pressão no sistemaantes e depois de corrigida a perda de carga na entrada doreservatório de vácuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.10 Exemplo do comportamento de um controlador "on-off" comhisterese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.11 Fluxograma ilustrativo do algoritmo a implementar no con-trolador de vácuo do reservatório de resina. . . . . . . . . . . 41

5.12 Representação ilustrativa do comportamento esperado do sis-tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.13 Esquema representativo da ligação dos componentes com cortena entrada da infusão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.14 Comparação de diferentes intervalos de pressão admissívelpara uma pressão desejada de -90 kPa. . . . . . . . . . . . . 45

5.15 Comparação de diferentes intervalos de pressão admissívelpara uma pressão desejada de -10 kPa. . . . . . . . . . . . . 45

5.16 Detalhe da curva com pressão desejada = -10 kPa e intervaloadmissível = 0,5 kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.17 Resposta ao degrau entre as pressões -20 e -60 kPa. . . . . . 475.18 Resposta a uma sequência de degraus de amplitude 1,5 kPa ,

entre 0 e -90 kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.19 Resposta a uma sequência de degraus de amplitude 1,5 kPa,

entre -90 e 0 kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.20 Resposta ao sinal triangular (frequência de 1/60 Hz). . . . . 49

Lista de Figuras xv

5.21 Resposta ao sinal triangular (frequência de 1/100 Hz). . . . 505.22 Resposta à sinusoide (frequencia de 1/30 Hz). . . . . . . . . 515.23 Resposta à sinusoide (frequencia de 1/60 Hz). . . . . . . . . 515.24 Resposta à sinusoide (frequencia de 1/80 Hz). . . . . . . . . 52

6.1 Imagem capturada através da webcam do set-up de uma infusão. 546.2 Aspeto da interface gráfica modificada. . . . . . . . . . . . . 556.3 Posição da frente de fluxo em função do tempo para diferentes

valores de ∆P , em kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566.4 Comparação entre a aproximação pela ferramenta "curve fit-

ting" e as curvas reais (a preto). ∆P em kPa. . . . . . . . . 586.5 Velocidade da frente de fluxo em função do tempo para dife-

rentes valores de ∆P , em kPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.6 Efeito da variação do número de elementos da janela na filtra-

gem do sinal para obtenção da primeira derivada (velocidade). 616.7 Diagrama de blocos de um sistema com controlador do tipo PI. 626.8 Análise da resposta a um degrau de ∆P , em kPa. . . . . . . 636.9 Curva de resposta de um sistema de primeira ordem com

atraso de transporte. L - atraso de transporte; τ - constantede tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.10 Resposta típica de um sistema de primeira ordem a um degrauunitário. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.11 Diagrama de Bode do sistema apresentado na Equação 6.11. 666.12 Resposta obtida através do ajuste de parâmetros utilizando a

ferramenta "PID Tuning" do Matlab. . . . . . . . . . . . . . 676.13 Curva velocidade vs posição de uma infusão controlada com

um controlador do tipo PI. Kp=90, Ki=10. Condição de ini-cialização do controlador: Velocidade da frente de fluxo > 0,3mm/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.14 Curva velocidade vs posição de uma infusão controlada comum controlador do tipo PI. Kp=90, Ki=10. Condição de ini-cialização do controlador: Posição da frente de fluxo > 15mm. 69

6.15 Variação do diferencial de pressões ao longo da posição dafrente de fluxo para uma infusão controlada por controladorPI e uma velocidade referência de 0,5 mm/s. . . . . . . . . . 70

6.16 Erro de velocidade em função da posição da frente de fluxo. 71

xvi


xvii

Lista de Tabelas

2.1 Propriedades típicas das fibras de reforço comerciais. Adap-tado de (Mallick, 1988) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Vantagens e desvantagens de vários sensores utilizados em es-tudos anteriores para monitorização de processos LCM: Adap-tado de (Modi et al., 2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.1 Tempos de ciclo, em segundos, do controlador . . . . . . . . 44

6.1 Parâmetros obtidos através da aproximação com a ferramenta"curve fitting tool" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.2 Coeficientes dos filtros de derivação para uma janela de 15elementos e polinómio de 1º grau . . . . . . . . . . . . . . . 62

xviii


1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Âmbito

A presente dissertação é realizada em ambiente empresarial, sendo a enti-dade promotora do projeto em estudo o Instituto de Ciência e Inovação emEngenharia Mecânica e Engenharia Industrial (INEGI).

1.2 Motivação

Os processos de infusão a vácuo, contrariamente a outros processos de pro-dução de materiais compósitos, têm vindo a sofrer poucas alterações no quetoca à introdução de estruturas de controlo em malha fechada. Esta resis-tência deve-se, em grande parte, ao reduzido número de variáveis conhecidascom efeito significativo no decorrer do processo.

No entanto, várias investigações têm vindo a reportar uma relação entrea velocidade da frente de fluxo e o número de defeitos obtidos, (Labat et al.,2001) motivando o desenvolvimento de uma estrutura de controlo em malhafechada que permita controlar este parâmetro.

1.3 Objetivos

Este trabalho encontra-se inserido num projeto de investigação mais alar-gado cujo objetivo é o desenvolvimento de sistemas de controlo automáticode processos de infusão a vácuo, recorrendo à visão computacional comoelemento de "feedback" para a produção de pás de turbinas eólicas.

1.4 Estrutura da dissertação

A dissertação encontra-se estruturada da seguinte forma:

2 Capítulo 1

• Capítulo 2: O capítulo inicia com uma curta história cronológica dodesenvolvimento dos materiais poliméricos. De seguida é exposta adiferença entre os diferentes tipos de compósitos seguida de uma ex-plicação mais aprofundada sobre os diferentes compósitos de matrizpolimérica. Por fim, é apresentada uma breve descrição dos processosde produção de materiais compósitos com maior enfoque no processode infusão a vácuo.

• Capítulo 3: Neste capítulo apresenta-se o estado da arte atual acercado controlo de processos de produção de materiais compósitos (RTMe infusão a vácuo). São explicadas as estratégias desenvolvidas até àatualidade para controlo destes processos através de metodologias decontrolo passivo e controlo ativo. Aborda-se também a influência davelocidade da frente de fluxo (parâmetro a controlar neste trabalho)nos processos de infusão a vácuo. Finalmente, faz-se uma apresenta-ção sumária da sensorização utilizada para controlar o fluxo de resina,evidenciando as suas principais vantagens e desvantagens.

• Capítulo 4: No capítulo 4 expõe-se brevemente o trabalho desenvolvidono decorrer de uma dissertação anterior, no âmbito do mesmo projetoe apresentam-se os principais elementos desenvolvidos na presente dis-sertação.

• Capítulo 5: O capítulo 5 trata do desenvolvimento de um sistema decontrolo de pressão para o reservatório de entrada de resina. Neste sãoevidenciados os requisitos do sistema, alternativas existentes, o hard-ware utilizado e a metodologia de resolução dos problemas encontradosno desenvolvimento do sistema. Apresenta-se também um esquema dofuncionamento pretendido do sistema e o seu desenvolvimento, bemcomo os resultados obtidos.

• Capítulo 6: O capítulo 6 trata do desenvolvimento do sistema de con-trolo da velocidade da frente de fluxo que permite, em conjunto como controlador apresentado no capítulo anterior, controlar o sistema.Primeiro apresentam-se as alterações necessárias à interface gráfica jáexistente. Depois é feito um estudo da dinâmica do sistema, indispensá-vel para a tomada de decisão acerca da estrutura de controlo a utilizar.Segue-se a explicação das metodologias utilizadas para implementaçãodo controlador e apresentação de resultados.

• Capítulo 7: Finalmente, são apresentadas as conclusões, bem como alista de propostas de trabalhos futuros a desenvolver.

Introdução 3

NotaTodas as pressões mencionadas ao longo do documento, exceto noscasos em que o contrário se encontra assinalado, são pressões relativas,considerando como zero a pressão atmosférica.

4


5

Capítulo 2

Introdução aos materiais compósitose processos de infusão a vácuo

Neste capítulo é apresentada uma breve introdução aos materiais compósi-tos e seus processos de produção, com especial foco na produção de pás deturbinas eólicas.

2.1 Introdução histórica

A utilização de materiais compósitos não novidade, estando os primeirosvestígios da sua utilização relacionados com a criação de uma espécie decontraplacado, pelos Mesopotâmicos, por volta do ano 3400 A.C. Datadasentre 2181 - 2055 A.C foram também encontradas as primeiras máscarasmortuárias (Figura 2.1) produzidas pela civilização Egípcia, fabricadas decamadas de linho ou papiro embebidas em gesso - "Cartonnage". Tambémna arte da mumificação, iniciada nesta época, se encontram vestígios deutilização de compósitos - os corpos eram enrolados em bandas de linhoimpregnado com resina natural de forma a criar uma "casca". No Egito e naMesopotâmia foram ainda encontrados tijolos de barro, objetos de olaria ebarcos reforçados com palha, como referem Leny e Narayanankutty, (2009).

Por volta de 1200 D.C os Mongóis inventaram os primeiros arcos feitos dematerial compósito (fabricados através de uma junção de madeira, bambu,ossos, tendões de gado, chifres e seda, unidos por resina de pinheiro).

Entre 1870 e 1890 houve uma revolução da indústria química e a poli-merização abriu novos horizontes, permitindo que resinas sintéticas fossemsolidificadas numa estrutura molecular reticulada. As resinas sintéticas àdata incluíam celulóide, melamina e baquelite.

No início do séc.XX deu-se uma enorme evolução com o desenvolvimentodos polímeros sintéticos como o vinil, poliestireno e poliéster. Porém, es-tas evoluções dos materiais poliméricos, que por sí só não apresentavam

6 Capítulo 2

propriedades mecânicas atrativas para serem utilizados como componentesestruturais, tornavam necessário utilizar reforços para obter maior rigidez.Nasceram assim os materiais compósitos modernos.

Os anos trinta foram de enorme importância para a indústria dos com-pósitos. Em 1930, um engenheiro quase descobriu a fibra de vidro quandoobservou a formação de uma fibra durante a rotulagem de uma garrafa deleite. Cinco anos depois, a Owens Corning Fiberglass Company foi criada ecomeçou a produzir e comercializar um plástico reforçado com fibra de vidro(FRP) pela primeira vez. Apesar de inicialmente a fibra de vidro ser utili-zada como isolamento (lã de vidro), rapidamente se passou a utilizar comoproduto estrutural, uma vez que a indústria aeronáutica se encontrava adesenvolver designs inovadores que necessitavam novos materiais, mais levesque os metais utilizados (Strong e University, 2006).

Durante a segunda guerra mundial exploraram-se as propriedades doscompósitos. Para além do alto rácio resistência mecânica/peso, descobriu-seque este material era transparente às ondas rádio, característica importantena aviação militar. Embora desenvolvidos durante a guerra, apenas depoisdesta terminar se comercializaram os primeiros cascos de navios fabricadosem material compósito. Em 1947 foi fabricado o primeiro automóvel comcorpo totalmente compósito, introduzindo o material na indústria automóvele levando, em 1953, ao desenvolvimento de um Corvette fabricado atravésde "Hand-Lay-Up": mantas de fibra de vidro impregnadas em resina eramcolocadas sobre moldes para adquirir a forma pretendida (Mar-Bal, 2016).

No início dos anos 50 novos métodos de produção foram desenvolvidos,tais como o enrolamento filamentar, pultrusão e moldação por saco de vá-cuo. O enrolamento filamentar foi de extrema importância na década de 60,dado que foi utilizado para produzir os motores dos foguetões utilizados naexploração espacial. Ainda na década de 60, foi patenteada a primeira fibrade carbono e os seus compósitos, apenas disponíveis comercialmente váriosanos depois, abriram um leque de possibilidades mais alargado em aplica-ções aeroespaciais, automóveis, navais, desportivas e de bens de consumo.Durante este período, a indústria naval foi a maior consumidora de materiaiscompósitos(Mar-Bal, 2016).

Durante as décadas de 70 e 80 foram desenvolvidos os equipamentosde proteção pessoal (coletes de kevlar), e no período dos anos 90 até àatualidade deu-se a introdução dos compósitos no setor energético (pás deturbinas eólicas) (Mar-Bal, 2016).

Introdução aos materiais compósitos e processos de infusão a vácuo 7

Figura 2.1: Máscara de um oficial datada de 2000 A.C. The Walters Art Museum- Baltimore, Maryland (Harrsch, 2004).

2.2 Materiais compósitos

Um material compósito é obtido através da combinação de dois ou maiscomponentes ou fases com propriedades distintas e uma interface clara entreeles. Isoladamente, cada um dos constituintes mantém as suas característi-cas, porém, quando combinados, permitem a obtenção de um material compropriedades impossíveis de obter com apenas um deles. Os materiais queconstituem o compósito podem ser classificados em um de dois tipos:

• Matriz - Dá estrutura ao material compósito, preenchendo os espaçosvazios entre os materiais de reforço, mantendo a sua posição relativa,distribuindo as cargas pelas fibras e protegendo-o do meio ambiente,conferindo também resistência quando em compressão;

• Reforço - Tem como principal função aumentar as propriedades mecâ-nicas, eletromagnéticas ou químicas do compósito. É responsável pelaresistência mecânica do compósito quando submetido a forças de traçãouma vez que apresenta uma grande resistência na direção longitudinaldas fibras.

As propriedades dos compósitos são definidas quer pelas características in-dividuais de cada um dos componentes, quer pelo grau de ligação entre elesatravés da interface.

8 Capítulo 2

Os materiais da matriz utilizados nas combinações pertencem a um dostrês grupos de materiais: metais, cerâmicos e polímeros. Assim sendo, épossível obter:

• Compósitos de matriz polimérica;

• Compósitos de matriz cerâmica;

• Compósitos de matriz metálica.

Nos compósitos de matriz polimérica, que serão o foco deste trabalho, éainda possível discriminar:

• Matrizes termoplásticas;

• Matrizes termoendurecíveis;

• Matrizes elastoméricas.

Em aplicações estruturais, a forma mais comum em que se utilizam compó-sitos reforçados com fibra, chama-se laminado. Este é produzido sobrepondocamadas de espessura reduzida de fibras e matriz até se obter um produtofinal com a espessura desejada. É possível obter propriedades diversas nolaminado, controlando a orientação das fibras e a sequencia de colocação dasmesmas (Técnico, 2014).

2.2.1 Fibras

Num compósito fibro-reforçado, as fibras ocupam a maior parte do volume,sendo o principal constituinte do produto final. A escolha do tipo, quanti-dade e orientação das mesmas é de extrema importância, interferindo dire-tamente nas propriedades do laminado, tais como:

• Peso específico;

• Resistência à tração;

• Resistência à fadiga;

• Condutividade térmica e elétrica;

• Custo.

A geometria e orientação das fibras são parâmetros a ter em conta naprodução de um compósito. Como já referido, sabe-se que a resistência me-cânica das fibras é superior quando solicitadas ao longo do seu comprimento.O escoamento da resina é também afetado pela de geometria das fibras, pelo


que em alguns casos é necessário utilizar camadas que auxiliem o fluxo deresina durante a infusão, como será visto à frente (Lopes, 2009).

Num material compósito podem encontrar-se três tipos de arranjos ge-ométricos que se podem subdividir, de acordo com o diagrama da figura2.2.

Figura 2.2: Diferentes arranjos na orientação das fibras em compósitos. Retiradode (Gomes, 2011).

Na tabela 2.1 podem ver-se algumas das propriedades de fibras maiscomuns em aplicações comerciais. Na figura 2.3 está presente um gráficotensão-deformação para algumas das fibras presentes na tabela.

10 Capítulo 2

Tabela 2.1: Propriedades típicas das fibras de reforço comerciais. Adaptado de(Mallick, 1988)

Fibra Densidaderelativa

Módulo deelastici-dade

Resistênciaà tração

Extensãoapósrutura

Coef. dePoison

GPa GPa %

"E-Glass" 2,54 72,4 3,45 4,8 0,2

"S-Glass" 2,49 86,9 4,30 5 0,22

Kevlar 49 1,45 131 3,62 2,8 0,35

Boro 2,7 393 3,1 0,79 0,2

PAN-carbonoT − 40

1,81 276 5,65 2 0,2

SiC 3,08 400 3,44 0,84 -

Al2O3 3,95 379,3 1,90 0,4 8,3

Figura 2.3: Curva Tensão-Deformação para vários tipos de reforço. Retirado de(Mallick, 1988).


2.2.2 Matriz polimérica - Termoplástico vs Termoendurecível

Os polímeros utilizados para produção de materiais compósitos são divididosem duas categorias:

• Termoplásticos;

• Termoendurecíveis.Num polímero termoplástico, a estrutura molecular é linear, não existido

ligação química entre as moléculas. As forças intermoleculares (ligaçõesde Van der Waals) e ligações de hidrogénio são responsáveis por manteras moléculas individuais no seu lugar. Assim, aplicando pressão ou calor,é possível quebrar temporariamente estas ligações e as moléculas podemmover-se relativamente, fluindo para novas posições. Quando arrefecido, asligações anteriores reestabelecem-se e o polímero solidifica numa nova forma.Desta forma, um termoplástico pode ser reaquecido e moldado várias vezes.

Num termoendurecível, porém, esta característica não se verifica, dadoque as moléculas se encontram ligadas quimicamente através de ligações cru-zadas, formando uma rede tridimensional rígida. Uma vez formadas estasligações através da polimerização (também chamada de processo de cura),um termoendurecível não pode ser derretido para se obter uma nova formaestrutural (Mallick, 1988).

Em baixo, podem ver-se algumas aplicações dos polímeros mais utiliza-dos na indústria.

Polímeros termoendurecíveis (resinas):• Epóxi: Indústria aeronáutica e aeroespacial;

• Poliéster: Indústria automóvel, química e elétrica;

• Fenolícos: Utilizado em moldes;

• Poliamida, Polibenzimidazole, "Polifenilquinoxaline" : Aplicações ae-roespaciais onde se necessita de resistência a altas temperaturas.

Polímeros termoplásticos:• Nylon, Polietileno Tereftalato (PET), Polibutileno Tereftalato (PBT),

Policarbonato, Poliacetal: Utilizados com fibras descontínuas para pro-dução de artigos por moldação por injeção;

• Poliamdas aromáticas, Poliamidas-imidas, Poliéter-éter, Poliéter-imida,Sulfeto de Polifenileno: Adequados para utilização em aplicações demédia temperatura com fibras contínuas.

12 Capítulo 2

Figura 2.4: Curva Tensão-Deformação para um polímero termoplástico (polisul-fona) e para um termoendurecível (epóxi). Retirado de (Mallick, 1988).

Através da comparação das figuras 2.3 e 2.4 é possível verificar que, comoanteriormente referido, as fibras são as responsáveis pela resistência mecânicaquando o compósito é submetido a tração. Estas podem ser submetidas a umesforço na ordem do Gpa sem se observar rutura enquanto que, o materialda matriz, apenas pode ser solicitado até valores de 100 Mpa.

2.3 Processos de fabrico de materiais compósitos dematriz polimérica

2.3.1 Introdução aos processos de fabrico

Vários processos foram desenvolvidos para fabricar materiais compósitosfibro-reforçados de matriz polimérica. Os mais utilizados na industria são:

• Moldagem Manual (Hand-Lay-Up):É o mais básico para produção de materiais compósitos fibro-reforçados.Porém, apesar de ser considerado muito fiável, é por natureza lento enecessita mão de obra intensiva. Este processo consiste na disposiçãomanual de mantas de fibra ou pré-impregnados num molde para obtera forma desejada, sendo depois aplicada resina e um processo de cura;

• Enrolamento Filamentar (Filament Winding):


No enrolamento filamentar existem rolos alimentadores de fibra, cujosfilamentos passam por um tanque de resina e são posteriormente en-rolados num molde que roda solidariamente com um veio de modo aproduzir peças axissimétricas com cavidades;

• Moldagem por Compressão (SMC- Sheet Molding Compound):O processo de moldagem por compressão é um processo em molde fe-chado, largamente utilizado na indústria automóvel. Este permite numcurto espaço de tempo obter peças geometricamente complexas, o queelimina a necessidade de utilizar muitas das operações de maquinageme acabamento necessárias noutros processos. Os moldes utilizados sãoaquecidos, pelo que é um processo de compressão a quente.Primeiro, dá-se a colocação das folhas SMC previamente fabricadas (afigura 2.5 mostra o processo de produção das mesmas) e cortadas namatriz. O número de folhas a colocar depende da espessura do produtofinal que se pretende obter. De seguida, é aplicada pressão entre 1,4 e24,5 MPa (P.abs) para que se obtenha a forma final desejada;

Figura 2.5: Processo de produção de folhas SMC. Retirado de (Nuplex,2016).

• Pultrusão:A pultrusão é um processo contínuo para produção de perfis compó-sitos longos e de secção constante. Neste, as fibras são puxadas, paraque passem primeiro num banho que contém (entre outros) resina eendurecedor e depois por uma série de moldes que vão orientando asfibras até a forma final;

• Resin Transfer Molding (RTM):

14 Capítulo 2

Neste processo, o reforço constituído por fibras porosas, previamentecortado na forma desejada é colocado num molde. No molde fechadoé injetada resina até o reforço se encontrar totalmente impregnado.Normalmente a resina é injetada no ponto mais baixo da cavidadedo molde a uma pressão entre 69-690 kPa (P.r). Depois da resinacurar o molde é aberto e o compósito é retirado. O molde utilizadodeve ter, no mínimo, uma entrada de resina e uma saída para que o arescape durante a injeção. O material fabricado por este processo requernormalmente operações de acabamento e muitas vezes, um processo depós-cura;

2.3.2 Processo de infusão a vácuo

Descrição geral do processo

O processo de infusão a vácuo (sobre o qual se irá falar neste trabalho) é umprocesso em molde fechado que utiliza uma superfície rígida no molde inferiore um saco flexível, na parte superior. Esta técnica é caracterizada pelautilização de pressão de vácuo responsável pelo escoamento de resina desdeo alimentador até ao laminado, através de tubagens previamente instaladas.

Inicialmente, o reforço é colocado no molde e a bomba é ligada de modoa retirar todo o ar de dentro do mesmo. Quando o diferencial de pressões forsuficientemente grande para vencer as forças viscosas e inerciais da resina,inicia-se o fluxo, que termina quando todo o tecido estiver impregnado e sefecha a válvula à saída do depósito de resina.

Após total preenchimento do molde com resina, é necessário proceder àcura, ainda com a bomba ligada, para que não seja introduzido ar prematu-ramente no laminado.

Na figura 2.6 está representado um esquema geral dos elementos do pro-cesso.


Figura 2.6: Esquema de montagem de um processo de infusão a vácuo. Retiradode (Glast, 2016).

Etapas do Processo

Os processos de infusão a vácuo têm as seguintes etapas:

1. Preparação do moldeComo em qualquer processo de laminagem, a qualidade do molde é umfator determinante na qualidade do produto obtido. O molde inferiordeve ser rígido, bem polido e apresentar uma margem suficiente paracolocar a fita selante. Depois de limpo, deve aplicar-se um desmoldantepara facilitar a retirada da peça após cura;

2. Escolha e colocação do reforçoA escolha do reforço é importante uma fez que influencia a rigidezmecânica da peça final, mas também a velocidade do escoamento. Deveser colocado por cima do molde, em várias camadas, quanto necessário;

3. Colocação da "flow media"Muitas vezes o reforço cria uma resistência ao escoamento da resina, oque pode impedir a sua entrada no laminado. Esta camada, colocadaentre camadas do reforço tem como objetivo facilitar o escoamento.Depois de concluída a infusão, torna-se parte do laminado;

4. "Peel-ply"A aplicação de uma camada de tecido ("peel-ply"), sobre o reforço, re-movível após infusão, possibilita a remoção dos acessórios utilizados nainjeção, que de outra forma ficariam permanentemente ligados à peça.

16 Capítulo 2

Neste caso, a peça fica com uma textura rugosa ideal para colagens.Poderá utilizar-se um filme desmoldante para se obter uma peça finalcom textura lisa;

5. Camada de distribuiçãoPara facilitar o escoamento de resina e permitir o escape de bolhas dear, é normalmente colocada uma rede sobre um plástico perfurado, quepor sua vez, cobre o "peel-ply";

6. Inserção dos distribuidores de resina e linha de vácuoAntes de fechar o molde é necessário inserir os injetores de resina. Écomum utilizar-se um tubo helicoidal aberto para que a entrada da re-sina se dê ao longo do laminado ao invés de ser concentrada num ponto.Nesta etapa são também ligadas as linhas de vácuo para extração doar, onde se usa o mesmo tubo helicoidal;

7. Fecho do moldeQuando todos os outros passos se encontram finalizados, coloca-se osaco de vácuo. Utiliza-se uma fita adesiva de dupla face especial emtorno do molde e pousa-se cuidadosamente o saco de modo a que fiquejusto, mas com espaço suficiente para a rede de injeção/extração;

8. Ligação do sistema de injeção/extraçãoConectam-se os tubos de injeção e extração às portas respetivas eefetuam-se as ligações ao reservatório e à bomba;

9. Ratoeiras de resinaColocadas antes da bomba de vácuo, têm a finalidade de reter a resinapara que esta não entre na bomba;

10. Testes de vácuoÉ importante assegurar o vácuo dentro do saco, pelo que, antes deiniciar a injeção deve-se fechar a válvula de injeção e abrir a de extração.As condições de vácuo devem ser verificadas e qualquer fuga deve sercorrigida;

11. InjeçãoO inicio da injeção dá-se com o enchimento do reservatório de resina eabertura da válvula de injeção. Uma vez concluída a injeção deve serpermitido o escoamento por um curto período de tempo para que seeliminem possíveis bolhas;


12. Processo de curaPara finalizar, deve ser fechada a válvula de injeção, mantendo a deextração aberta até o processo de cura se encontrar finalizado permi-tindo obter um material homogéneo e sem entrada prematura de ar.Finalmente, deve ser desligada a fonte de vácuo e a peça desmoldada.

18


19

Capítulo 3

Revisão da literatura

Neste capítulo é apresentado o estado atual do desenvolvimento de metodo-logias de controlo de processos de infusão para produção de materiais com-pósitos.

3.1 Controlo de processos de infusão a vácuo

NotaO objetivo principal do controlo num processo de infusão a vácuo éreduzir os vazios, zonas em que as fibras não estão molhadas pelaresina e/ou existem bolhas de ar no meio da resina.

Os processos de infusão a vácuo são atualmente muito dependentes desupervisão humana, uma vez que a heterogeneidade dos materiais utilizadose da disposição das fibras dão origem a variações da velocidade do fluxode resina e consequentemente a diferentes padrões de enchimento do molde.A integração de metodologias de controlo em malha fechada constitui umamais valia, que tem vindo a ser estudada em vários processos de fabricode materiais compósitos. No entanto, esta evolução não se evidenciou nainfusão a vácuo, em grande parte pelo número limitado de parâmetros decontrolo com efeito no fluxo de resina, pelo que é ainda, maioritariamente,um processo industrial com uma estrutura de controlo em malha aberta.

Os defeitos existentes nas peças produzidas podem ser divididos em trêstipos:

• Zonas secas;

• Micro vazios;

• Macro vazios.

20 Capítulo 3

3.1.1 Controlo passivo

Esta metodologia de controlo, também designada de controlo em malhaaberta (Figura 3.1), não utiliza dados provenientes de sensores para fazera realimentação de variáveis, pelo que o controlador não tem informaçãosobre o estado atual do processo nem sobre eventuais perturbações durante omesmo. Assim sendo, é bastante utilizada em processos com dinâmicas bemdefinidas e perturbações sem grande influência, onde se realizam modelosnuméricos e efetuam várias simulações para criar uma base de dados comos possíveis cenários. Porém, a aleatoriedade dos processos de infusão avácuo leva ao aparecimento de defeitos e/ou altas taxas de rejeição nas peçasobtidas.

Figura 3.1: Esquema de um sistema em malha aberta. Adaptado de (Almeida,2014).

Este tipo e controlo é o mais utilizado, atualmente, na indústria. Inici-almente, faz-se um estudo da peça a produzir e define-se uma estratégia deinjeção (na Figura 3.2 podem ver-se três estratégias diferentes para produzira mesma peça) e o "set up" dos injetores e canais de vácuo. Depois, utiliza-se um programa de simulação computacional que permite visualizar, paraa estratégia adotada, uma aproximação ao escoamento real da resina, pre-vendo zonas não molhadas, bem como obter parâmetros importantes (comoa velocidade do escoamento). Através dos resultados obtidos, é possível al-terar o "set up" definido anteriormente e otimizar o processo, minimizandoo aparecimento quer de zonas secas, quer de micro e macro vazios.

No entanto, este processo é bastante dependente da constante monito-rização visual efetuada por um operário. Embora os parâmetros passíveisde ajustar durante o decorrer do processo (eventual abertura/fecho de umaválvula) sejam limitados, este é responsável por parar o processo caso severifique a existência de uma anomalia, como um desvio anormal da previ-são da simulação, ou aparecimento de um defeito irreparável, evitando ummaior desperdício de matéria prima. Por fim, após finalizado o processo deprodução, a peça passa pelo controlo de qualidade onde normalmente sãoefetuadas pequenas reparações locais.

Revisão da literatura 21

Figura 3.2: Três estratégias de injeção diferentes para produção de uma peçaquadrada. Retirado de (Polyworx, 2007).

3.1.2 Controlo ativo

O controlo em malha fechada (Figura 3.3) pressupõe a realimentação deinformação sobre o estado atual do sistema obtida por sensores. Este tipode controlo é capaz de, perante uma perturbação, dar resposta, corrigindoo erro. No entanto, é de notar que o estudo prévio de modo a desenvol-ver um controlador eficaz, tal como para o caso do controlo passivo, não édispensável.

Figura 3.3: Esquema de um sistema em malha fechada. Adaptado de (Almeida,2014).

3.2 Metodologias de controlo ativo

Dadas as vantagens da utilização de um controlo ativo, é possível encontrarna literatura alguns estudos realizados para saber qual o seu impacto nosprocessos de infusão.

C. W. Lee et al., (1998) apresentam um sistema capaz de monitorizar econtrolar a frente de fluxo de um processo RTM em tempo real. Para detetara frente de fluxo, utilizam múltiplos sensores discretos de resistência elétricacapazes de verificar o enchimento do molde e viscosidade da resina atravésde uma queda de resistência assim que a resina fecha o circuito entre doiselétrodos. No que respeita ao controlo, evidenciam que após otimização dapreforma e do molde existem apenas duas variáveis no processo que podem

22 Capítulo 3

variar o fluxo de resina, de acordo com a Lei de Darcy (3.1) que descreve ofluxo através de um meio poroso:

V = −kµ∇P (3.1)

onde V é a velocidade do escoamento, µ a viscosidade da resina, k a perme-abilidade da preforma e ∇P o gradiente de pressões.

Então, a velocidade do fluxo pode ser controlada alterando a viscosidadeda resina ou variando o gradiente de pressões. O desenvolvimento do gradi-ente de pressões é consequência da utilização de uma bomba volumétrica, e aviscosidade é alterada a partir da utilização de dezoito células individuais deaquecimento comandadas por um controlador proporcional, distribuídas nomolde numa configuração em grelha (6x3). A utilização de várias válvulasde injeção permite também controlar o sentido do fluxo.

Segundo os autores, nos ensaios controlados, os resultados obtidos foramsignificativamente melhores(apenas é apresentada uma análise qualitativa).

Nielsen e Pitchumani, (2001), expõem a implementação de uma arqui-tetura de controlo capaz de calcular os parâmetros ótimos de controlo emtempo real, através da combinação da aquisição de imagem, um simuladorbaseado em redes neuronais e um algoritmo de otimização utilizando o mé-todo de "simulated annealing". A rede neuronal foi desenvolvida e treinada apartir de simulações numéricas para uma série de parâmetros pré-definidosdo processo. As imagens foram obtidas em intervalos fixos, a partir dascâmaras digitais, para controlar a frente de fluxo e são o input da rede neu-ronal que calcula numericamente o avanço do escoamento. A utilização doalgoritmo de otimização em conjunto com a informação devolvida pela redeneuronal permite obter a configuração ótima de alimentação de resina, assimcomo o caudal que passa pelos alimentadores abertos. Apesar de não seremreportados dados quantitativos, os autores referem melhorias qualitativas noprocesso.

O controlo de um processo de infusão a vácuo, estudado por Modi et al.,(2007), utiliza uma câmara digital para monitorizar o fluxo de resina. Ainformação adquirida a partir da câmara é processada e utilizada em temporeal. O controlo utiliza uma função que otimiza a distância entre o centroideda parte não impregnada à válvula de saída, e obtém a melhor configuraçãode válvulas abertas em cada etapa de controlo.


Figura 3.4: Esquema do "set up" do molde utilizado. Retirado de (Modi et al.,2007).

Figura 3.5: Relação entre a posição do último ponto de enchimento e o númerode etapas de controlo. Retirado de (Modi et al., 2007).

Como se pode observar na Figura 3.5, quando o processo não é contro-lado, verifica-se uma não homogeneidade no enchimento do molde, que levaa que o último ponto de enchimento esteja deslocado da válvula de saída. Autilização de um sistema de controlo permite obter melhorias no padrão deenchimento e eliminação de zonas secas.

A grande parte dos sistemas reportados na literatura para controlo emmalha fechada são referentes ao processo RTM. Para além disso, muitos delespressupõem que a injeção de resina seja efetuada com caudal constante.

Por outro lado, o controlo utilizado nos casos descritos, tem como objetivodirecionar a frente de fluxo, de modo a reduzir o desperdício de resina ediminuir a área das regiões não impregnadas (zonas secas) quando a resina

24 Capítulo 3

atinge a válvula de saída. No entanto, a velocidade da frente de fluxo temimpacto direto na formação de micro e macro vazios durante a produçãode materiais compósitos e não existe na literatura nenhuma estratégia decontrolo com a finalidade de minimizar este tipo de defeitos.

3.3 Influência da velocidade da frente de fluxo na for-mação de micro e macro vazios

Ruiz et al., (2006), apresentam a influência do número de capilaridade (Ca)1

na minimização dos micro e macro vazios para um processo de RTM.

Ca = µv

γ(3.2)

onde v é a velocidade superficial da resina, µ a viscosidade da resina e γ atensão superficial.

Um tecido fibroso pode ser caracterizado como um meio poroso de duasescalas - constituído por micro e macro poros (Figura 3.6), o que leva a umaimpregnação a dois níveis (correspondentes ao enchimento de cada tipo deporos). O aparecimento de espaços vazios encontra-se relacionado com a ve-locidade do escoamento, dado que existem duas forças distintas responsáveispelo fluxo da resina através dos dois meios porosos: as forças viscosas e asforças capilares. Para escoamentos de maior velocidade, em que as forçasviscosas são dominantes, aparecem micro vazios nos feixes de fibras. Taldeve-se à maior facilidade da resina em fluir entre feixes do que dentro dofeixe. Contrariamente, para escoamentos de menor velocidade, em que asforças capilares exercem maior influência, a impregnação é mais rápida den-tro dos feixes e aparecem macro vazios. A Figura 3.7 ilustra o mecanismodescrito.

1Efeito relativo entre a viscosidade (forças viscosas) e a tensão superficial que atua através deuma interface entre um líquido e um gás, ou entre dois líquidos imiscíveis.


Figura 3.6: Macro poro (entre feixesde fibras) e micro poro (entre fila-mentos do mesmo feixe).

Figura 3.7: Mecanismo de im-pregnação num meio poroso deduas escalas. (a) formação demacro vazios devido às forças ca-pilares, (b) formação de microvazios devido às forças viscosas(Ruiz et al., 2006).

Labat et al., (2001) apresenta um estudo de medição da percentagem demacro e micro vazios, a partir do qual se podem obter as seguintes relações:

VM = −a− b log (v) (3.3)

Vm = c+ d log (v) (3.4)

onde VM e Vm são respetivamente a percentagem de macro e micro vazios, ev a velocidade da frente de fluxo.

Para reforços de fibra de vidro com alinhamento unidirecional e resina depoliéster insaturado à temperatura ambiente, os autores apresentam valoresde a,b,c e d respetivamente: 32,28; 11,8; 6,35 e 2,35. O gráfico da Figura 3.7,obtido através da substituição destes valores nas equações 3.3 e 3.4, permiteobservar a existência de uma velocidade da frente de fluxo que minimiza oaparecimento de vazios. Repare-se ainda que a percentagem de vazios varialinearmente com o logaritmo da velocidade.

26 Capítulo 3

Figura 3.8: Formação de macro e micro vazios em função da velocidade do esco-amento. Adaptado de (Labat et al., 2001).

Patel e L. J. Lee, (1995), baseados em estudos prévios que evidenciavamuma relação entre o número de capilaridade (Ca) e o aparecimento de microe macro vazios, propuseram um número de capilaridade modificado (Ca∗), demodo a considerar o ângulo de contacto líquido/fibra e a tensão superficial.

Ca∗ = µv

γ cos(θ) (3.5)

onde v é a velocidade superficial da resina, µ a viscosidade da resina, γ atensão superficial e θ o ângulo de contacto entre a resina e a fibra.

Resolvendo a Equação 3.5 em ordem a v e substituindo em 3.3 e 3.4,obtém-se a seguinte relação (Ruiz et al., 2006):

VM = −a− b log(Ca∗γ cos(θ)

µ

)(3.6)

Vm = c+ d log(Ca∗γ cos(θ)

µ

)(3.7)

Note-se que acima e abaixo de um número de capilaridade crítico seevidencia respetivamente o aparecimento de micro e macrovazios.


3.4 Sensorização utilizada para controlar o fluxo deresina

Vários tipos de sensores têm vindo a ser utilizados para monitorizar o fluxoda resina em processos de infusão. No entanto, muitos deles não são adequa-dos em processos de infusão a vácuo e RTM. Modi et al., (2007), apresentauma tabela (Tabela 3.1) com as vantagens e desvantagens de vários senso-res utilizados em estudos anteriores para monitorização da posição da frentede fluxo de resina e caracterização da permeabilidade do meio fibroso emprocessos LCM (liquid composite molding):

Tabela 3.1: Vantagens e desvantagens de vários sensores utilizados em estudosanteriores para monitorização de processos LCM: Adaptado de (Modi et al., 2007)

Sensor Vantagens DesvantagensPressão Elevada relação sinal/ruído , fácil inter-

face em tempo real, baixa intervenção doutilizador

Deteção localizada, maior intrusão, omolde necessita de ser maquinado

"SMARTWeave" (N + M) canais para (N x M) sensores,possibilidade de monitorizar o processo decura

Baixa fiabilidade devido à possibilidade dealterar a posição do sensor durante o "layup", baixa relação sinal/ruído, difícil con-figuração (as conexões não se podem tocarentre sí.)

Capacitivo Tamanho reduzido Deteção localizada, maior intrusãoRTD Boa precisão e repetibilidade, possibili-

dade de monitorar várias frentes de fluxoPossibilidade de alterar a posição do sen-sor durante o "lay up" ou durante a infusão

Fotoelétrico Tamanho reduzido, elevada relação si-nal/ruído, fácil colocação, fácil interfacecom outro hardware

Deteção localizada, maior intrusão

Fibra ótica Tamanho miniatura, baixa intrusão, com-patível com fibra de vidro, impacto mí-nimo nas propriedades estruturais

Baixo raio de micro-curvatura, elevadocusto do hardware, elevado custo de im-plementação.

Câmara Digital Não intrusivo, fácil de implementar, fácilinterface em tempo real, deteção de umagrande área de infusão

Necessita que uma parte do molde sejatransparente, difícil de monitorar o escoa-mento debaixo da camada superficial

28


29

Capítulo 4

Projeto CAPIV

Este capítulo descreve sucintamente o trabalho efetuado anteriormente noâmbito do trabalho desenvolvido por Silva, (2016). Pretende-se assim clari-ficar e distinguir o que se encontrava desenvolvido e o que se desenvolveu.

4.1 Descrição do sistema existente

Componentes existentes

No âmbito da sua dissertação, Silva, (2016) desenvolveu um sistema labora-torial com a finalidade validar experimentalmente os modelos desenvolvidospara descrever o comportamento da velocidade da frente de fluxo em funçãodo diferencial de pressões aplicado entre a entrada e saída de uma infusãoa vácuo. Este sistema laboratorial é constituído por uma estrutura metá-lica (Figura 4.1) dotada de uma série de mecanismos capazes de alterar odiferencial de pressões através de:

• Sistema de elevação do reservatório de resina;Permite alterar a pressão de entrada através da variação da cota

entre a mesa de infusão e a o reservatório resina.

• Sistema de inclinação da mesa de infusão;Permite variar o diferencial de pressões através da diferença de

alturas entre a entrada e a saída da infusão, provocada pela inclinação.

• Sistema de estrangulamento do fluxo de resina à entrada da infusão;Permite variar a pressão à entrada da infusão através da queda de

pressão provocada pelo estrangulamento do fluxo.

30 Capítulo 4

Figura 4.1: Projeto SLIV. Retirado de (Silva, 2016).

Silva, (2016), desenvolveu ainda no seu projeto uma interface em Matlabque permite, através da aquisição de dados de um conjunto de sensores,visualizar em tempo real o estado da infusão.

Figura 4.2: Interface gráfica. Retirado de (Silva, 2016).

Projeto CAPIV 31

A deteção da frente de fluxo é feita por intermédio de uma "webcam" e aaquisição das pressões faz-se através de dois sensores de pressão colocados àentrada e à saída da infusão, que comunicam com o computador através deuma placa de aquisição de dados "National Instruments", ligada por portoUSB.

O sistema de visão artificial é de grande importância para o presentetrabalho uma vez que será utilizado para obter o "feedback" de velocidade.Torna-se assim importante compreender o seu funcionamento.

O algoritmo de aquisição implementado em Matlab por Silva, (2016)permite a obtenção de uma imagem aproximadamente a cada 0,70 s, corres-pondente ao tempo de ciclo da rotina de aquisição de dados e tratamentoda imagem. A imagem real, obtida pela "webcam" é tratada de modo aretirar a distorção causada pelo formato oval da lente e cortada pela regiãode interesse, definida através de uma janela de deteção física, com contornoazul, colocada sobre a zona infusão antes do inicio da mesma.

Figura 4.3: Janela de deteção. Retirado de (Silva, 2016).

Depois, a imagem é passada a uma escala de cinzentos e a região deinteresse é transformada numa estrutura binária (preto=0 e branco=1),realizando-se uma filtragem do ruído através de uma erosão seguida de umadilatação da zona banca. Finalmente, verifica-se para cada linha da matriza posição do primeiro "1", correspondente à coordenada da posição da frentede fluxo na linha. Faz-se depois a média da posição das linhas, obtendo-sea posição média da frente de fluxo (Silva, 2016).

4.2 Sistema desenvolvido

O que se pretende neste trabalho é variar a velocidade da frente de fluxoatuando sobre o diferencial de pressões aplicado. No entanto, pretende-sealterar esse diferencial através do controlo de pressão no reservatório de re-

32 Capítulo 4

sina, utilizando uma estrutura de controlo em cascata (Figura 4.4). Seriabastante mais simples variar a pressão de saída mantendo a pressão de en-trada constante (igual à pressão atmosférica), porém, a variação da pressãode vácuo à saída teria influência sobre o estado de compactação do mate-rial, provocando variações de espessura da peça final. Deste modo, torna-sedesejável manter a pressão de saída constante, igual à pressão máxima devácuo possível, para uma compactação máxima.

Na literatura não existem ainda dados significativos sobre a influênciada variação da pressão de entrada no processo de infusão a vácuo. Esseestudo foi feito por Silva, (2016), utilizando os métodos acima descritos, queapresentam, no entanto, uma baixa capacidade de atuar sobre a pressão deentrada.

Pretende-se agora ter um maior controlo sobre a pressão de entrada,criando primeiro um controlador de pressão para o reservatório de resina edepois um controlador clássico (da família PID) para controlar a velocidadeda frente de fluxo. Pressões superiores à atmosfera não fazem sentido umavez que levantariam o saco de vácuo, portanto, falar-se-á apenas em pressõesde vácuo no reservatório.

Figura 4.4: Diagrama de blocos do sistema desenvolvido.

33

Capítulo 5

Controlo da pressão de vácuo noreservatório de resina

Este capítulo trata do desenvolvimento de um sistema de controlo de pressãono reservatório de resina. Controlar a pressão é importante para que sejapossível controlar a velocidade da frente de fluxo durante a infusão.

Requisitos do sistema

1. Estabilização da pressão dentro de um intervalo pré-definido (intervaloadmissível - em torno da pressão desejada). Este intervalo deve es-tar contido na gama de funcionamento (entre a pressão atmosférica epressão máxima da bomba de vácuo);

2. Transições de pressão rápidas quando se altera a pressão desejada;

Alternativas

Para efetuar o controlo da pressão no reservatório de resina, existem duasalternativas:

• Utilizar de um regulador eletrónico de vácuo que permite controlar apressão de vácuo em proporção a um sinal elétrico de comando;

• Colocar duas válvulas do tipo "on-off" (especiais para aplicações devácuo) coordenadas. Uma das válvulas controla a abertura do fluxode ar da atmosfera ao passo que a outra, a abertura para a bombade vácuo. Desta forma é possível manter a pressão controlada dentrode um limite pré-estabelecido, desde que dentro dos limites de pressãoatmosférica e pressão máxima da bomba de vácuo.

34 Capítulo 5

A primeira alternativa apresenta um custo de aquisição do material cercade três vezes maior comparativamente com a segunda, pelo que, apesar denesta se tornar necessário elaborar um algoritmo de controlo para efetuar acoordenação entre a abertura das válvulas e a pressão do sistema, bem comoacrescentar alguns componentes descritos abaixo, é a solução adotada. NaFigura 5.1 pode ver-se o esquema pneumático da solução escolhida.

Figura 5.1: Esquema pneumático do sistema implementado.

5.1 Hardware

Na Figura 5.2 pode-se ver a válvula escolhida, que apresenta as seguintescaracterísticas (no Anexo A podem ser consultadas mais informações):

• Tipo de válvula: Direcional 3/2de ação diretaa;

• Tipo de atuação: Por solenoide;

• Tensão de alimentação dosolenoide: 24V;

• Limites de utilização: -101 a 0kPa.

auma das vias encontra-se no entanto tapadacom um taco

Figura 5.2: Válvula SMC VT307V-5DZ1-02F-Q.

Para efetuar o controlo da pressão no reservatório de resina, para além

Controlo da pressão de vácuo no reservatório de resina 35

das válvulas é necessário utilizar-se outros componentes:

Reservatório de vácuo

A ligação direta entre as válvulas e o reservatório de resina levaria ao apareci-mento de picos e transições bruscas de pressão aquando da abertura ou fechodas mesmas. De modo a minimizar este efeito, introduziu-se um reservatóriode vácuo (Figura 5.3) entre as válvulas e o reservatório de resina.

Figura 5.3: Botija campingaz R904.

Reservatório de resina

Como se pretende que o reservatório de resina esteja com sub-pressão, énecessário que este seja hermético. Por outro lado, o recipiente necessitade ser renovado (o endurecedor solidifica a resina, que se vai acumulandono fundo). A solução encontrada passa pela utilização de um reservatórioexterior estanque (Figura 5.4), dentro do qual se colocam os potes de resina.Note-se que o reservatório possui dois orifícios, um para passar o tubo deresina permitindo o acesso ao pote, e outro para conectar o tubo vindo doreservatório de vácuo.

Figura 5.4: Recipiente para filtro de água Ametek.

36 Capítulo 5

Arduino Uno

O hardware utilizado para implementar o controlador é um Arduino Uno 1

Figura 5.5: Arduino Uno.

Sensor de pressão

O sensor de pressão é o elemento responsável por medir a pressão dentro doreservatório de resina, e enviar a informação na forma de uma tensão, aocontrolador. O sensor utilizado é o MPX5100DP da "Freescale Semiconduc-tor"2.

Figura 5.6: Sensor MPX5100DP - Freescale Semiconductor.

1www.arduino.cc2Empresa adquirida em 2015 pela NXP Semiconductors: http://www.nxp.com/


Esquema de montagem

Figura 5.7: Esquema representativo da ligação dos componentes.

5.2 Afinações

Existência de fugas

A existência de fugas é algo indesejado no sistema uma vez que impede a suaestabilização num valor desejado. Para minimizar o seu impacto vedaram-seas ligações roscadas com uma fita de Politetrafluoretileno3. Porém, nos pri-meiros ensaios do sistema verificaram-se subidas de pressão após o fecho daválvula "V.vác". Este problema foi resolvido utilizando uma fita adesiva dePolissulfeto em todas as conexões. Na Figura 5.8 podem ver-se os diferentescomportamentos do sistema antes e depois de se proceder à vedação.

3mais conhecido com o nome comercial "Teflon"

38 Capítulo 5

Figura 5.8: Variação da pressão no reservatório de resina antes e depois da cor-reção de fugas. Pressão desejada = -60 kPa; Intervalo de pressões admissível =5kPa.

Para efetuar este teste se utilizou um sensor diferente (MPX5700GP),que se encontrava disponível, pelo que a resolução obtida é diferente dosensaios realizados daqui para a frente.

Perda de carga do reservatório de vácuo

É de notar que, apesar da correção de fugas, verificava-se ainda uma subidaabrupta da pressão no reservatório de resina aquando do fecho da válvulade extração de ar. Este fenómeno é explicado pela diferença de diâmetrosda entrada de cada um dos reservatórios: como o diâmetro da entrada doreservatório de vácuo era bastante reduzido comparativamente ao do reser-vatório de resina, a perda de carga neste era bastante superior. Assim, asvariações de pressão no reservatório de vácuo sofriam um atraso relativa-mente ao reservatório de resina. Quando a pressão no último (no qual estácolocado o sensor) atingia a pressão desejada e a válvula fechava, a pressãono reservatório de vácuo era ainda superior, pelo que tendiam a igualar-se,fazendo com que se verificasse um aumento da pressão no reservatório deresina.

Na Figura 5.9 está representada a evolução do sistema antes e após sediminuir a diferença entre perdas de carga (por aumento do diâmetro daentrada do reservatório de vácuo). Como se pode verificar, há melhoriassignificativas, obtendo-se uma maior estabilidade do sistema.


Figura 5.9: Comparação das curvas de evolução da pressão no sistema antes edepois de corrigida a perda de carga na entrada do reservatório de vácuo.

5.3 Controlador

5.3.1 Implementação do sistema de controlo de pressão no reser-vatório de resina

Tendo em conta o carácter on-off das válvulas utilizadas, decidiu-se utilizarum controlador "Bang-Bang" (ou controlador "on-off") com histerese. Nestetipo de controlador, define-se um intervalo de valores (zona morta) que seconsideram admissível, em torno do valor desejado ("set point"), para avariável a controlar. Na Figura 5.10 pode ver-se a evolução temporal dossinais de entrada e saída de um processo controlado deste modo.

40 Capítulo 5

Figura 5.10: Exemplo do comportamento de um controlador "on-off" com histe-rese.

Na Figura 5.11 está representado o esquema do algoritmo a implementarno controlador.


Figura 5.11: Fluxograma ilustrativo do algoritmo a implementar no controladorde vácuo do reservatório de resina.

De acordo com o fluxograma anteriormente apresentado pode afirmar-se

42 Capítulo 5

que existem 3 estados facilmente identificáveis na Figura 5.12. Um em queambas as válvulas estão desligadas e a pressão está dentro do intervalo. Umoutro em que a válvula "Vvác" está ativa - a pressão ultrapassou o limitesuperior ( por efeito das fugas ou por ajuste da pressão desejada, por exem-plo) e encontra-se a ser ajustada para o valor desejado. Por fim, um últimoem que a válvula "Vatm" está ativa para corrigir o valor de pressão para ovalor desejado após ter ultrapassado o limite inferior - no exemplo da figura,devido à diminuição da pressão desejada.

Figura 5.12: Representação ilustrativa do comportamento esperado do sistema.

Para testar o controlador não é necessário realizar uma infusão, pelo quese adaptou o "set up" já referido, vedando a passagem de ar no tubo deentrada de resina. Na Figura 5.13 pode ver-se o esquema utilizado paraefetuar os testes ao controlador.


Figura 5.13: Esquema representativo da ligação dos componentes com corte naentrada da infusão.

5.3.2 Realização de testes ao controlador e análise dos dados ob-tidos

Através da análise dos resultados dos testes efetuados é possível tirar con-clusões relativamente a:

Resolução

A leitura de pressão é feita através de um sensor ligado a uma entradaanalógica do arduino com 10-bits de resolução (correspondente a 1024 valoresdiferentes) e uma gama de entrada de 0 a 5V.

O sensor de pressão, alimentado com uma tensão de 5 V, apresenta ten-sões de saída que variam entre 0,2 a 4,7 V para pressões entre 0 e 100 kParespetivamente.

Como se pode ver através Equação 5.1 a resolução é de aproximadamente4,9 mV.

5− 01024 = 4, 88 [mV ] (5.1)

O que permite detetar variações de pressão de aproximadamente 0,1 kPa.

4, 7− 0, 2100 = 4, 88 ∗ 10−3

x⇐⇒ x = 0, 110 [kPa] (5.2)

44 Capítulo 5

Análise de tempo de ciclo

O tempo de ciclo é um parâmetro crucial. A sua determinação permite sabercom que frequência se dá a leitura de variáveis de entrada e atualização dassaídas. Como visto anteriormente, existem três ciclos que, passarão a serdesignados por:

• Ciclo de vácuo ("Vvác" está aberta, aumentando o vácuo);

• Ciclo de pressurização ("Vatm" está aberta, aumentando a pressão);

• Ciclo de leitura (ambas as válvulas estão fechadas, a pressão está dentrodo intervalo. O controlador encontra-se a ler as entradas e compararcom os valores desejados)

Para calcular o tempo de cada ciclo são utilizados 100 valores de trêsensaios diferentes. Os tempos de ciclo podem ser consultados na Tabela 5.1.

Tabela 5.1: Tempos de ciclo, em segundos, do controlador

Ciclo Médiaamostra 1

Médiaamostra 2

Médiaamostra 3

Tempo deciclomédio

DesvioPadrão

Vácuo 0,0333 0,0343 0,0340 0,0339 0,0007

Pressurização 0,0321 0,0322 0,0321 0,0321 0,0005

Leitura 0,0385 0,0385 0,0388 0,0386 0,0008

Definição do intervalo de pressões admissível

Pretende-se agora estudar o efeito da variação do intervalo admissível na di-nâmica do sistema. Serão realizados três ensaios para dois valores de pressãodesejada extremos (-10 e -90 kPa): um com um intervalo mais alargado, umcom um intervalo moderado e outro com um intervalo apertado.

As Figuras 5.14 e 5.15 mostram o resultado dos testes efetuados parapressões desejadas de −90 kPa e −10 kPa, com intervalos sucessivamentemais apertados de +- 2; 1, 5 e 0, 5 kPa.


Figura 5.14: Comparação de diferentes intervalos de pressão admissível para umapressão desejada de -90 kPa.

Figura 5.15: Comparação de diferentes intervalos de pressão admissível para umapressão desejada de -10 kPa.

Como seria de prever, com a utilização de um intervalo de valores alar-gado, o sistema funciona bem, porém, com pouca precisão, o que não épretendido. Por outro lado, a utilização de intervalos mais apertados, au-menta a frequência de comutação das válvulas, o que leva ao seu desgaste

46 Capítulo 5

prematuro. É também necessário garantir que a frequência de comutaçãomáxima das válvulas (10 Hz) não é excedida.

Repare-se que na Figura 5.15, para +-0,5 kPa de intervalo, se eviden-cia um comportamento instável. Este comportamento deve-se ao facto dapressão desejada ser próxima da pressão atmosférica. Neste caso, devido àgrande diferença entre a pressão da bomba e a pressão do sistema, quandose abre "Vvác", o ar sai com maior velocidade. Como esta dinâmica é maisrápida que o controlador, excede-se o limite inferior, atuando a válvula deentrada de ar e assim sucessivamente.

Na Figura 5.16 pode ver-se em detalhe a curva em questão.

Figura 5.16: Detalhe da curva com pressão desejada = -10 kPa e intervalo admis-sível = 0,5 kPa.

Note-se, por exemplo, que na primeira descida de pressão o tempo decor-rido desde os -10 kPa aos -10,5 kPa é de aproximadamente 0,031 segundos,que é inferior ao tempo de ciclo do controlador + tempo de resposta daválvula (20 ms).

Tendo em conta os testes efetuados até ao momento, o valor escolhidopara o intervalo de pressões admissível é +-1,5 kPa, visto que em nenhumdos ensaios realizados se verificou a instabilidade do controlador, quandoutilizado este intervalo.


Resposta ao degrau

Na Figura 5.17 encontra-se a resposta ao degrau entre as pressões de -20 e-60 kPa.

Figura 5.17: Resposta ao degrau entre as pressões -20 e -60 kPa.

Verifica-se, para a solicitação, a capacidade do controlador em manter apressão dentro dos limites. Verifica-se também, a existência de um ligeiro"undershoot" tanto nas transições ascendentes como descendentes.

As Figuras 5.18 e 5.19 permitem ver a resposta a uma sequência dedegraus de amplitude 1,5 kPa.

48 Capítulo 5

Figura 5.18: Resposta a uma sequência de degraus de amplitude 1,5 kPa , entre0 e -90 kPa.

Figura 5.19: Resposta a uma sequência de degraus de amplitude 1,5 kPa, entre-90 e 0 kPa.

Verifica-se que para esta solicitação o controlador é capaz de manter apressão dentro dos limites.


Resposta ao sinal triangular

Na Figura 5.20 pode ver-se a resposta do sistema ao sinal triangular comfrequência 1/60 Hz.

Figura 5.20: Resposta ao sinal triangular (frequência de 1/60 Hz).

Repare-se que a frequência escolhida (1/60 Hz) é demasiado alta paraque o controlador consiga manter a pressão dentro dos valores admissíveis,quando se encontra no sentido de diminuir a pressão, para pressões inferioresa -80 kPa. Este fenómeno é explicado pelo facto da bomba de vácuo ter umapressão mínima de -95 kPa. Como a diferença entre a pressão da bomba e doreservatório é cada vez menor, (dP/dt) também diminui, não acompanhandoa variação da pressão desejada.

Na Figura 5.21 diminuiu-se a frequência do sinal triangular para 1/100Hz.

50 Capítulo 5

Figura 5.21: Resposta ao sinal triangular (frequência de 1/100 Hz).

Como se pode ver, com a diminuição da frequência, e consequentementedo declive das retas de subida e descida, ou seja, diminuição da (dP/dt) desa-jada, o controlador consegue manter a pressão dentro dos limites admissíveisdesde os 0 até aos -90 kPa.

Resposta a um sinal sinusoidal

As Figuras 5.22, 5.23 e 5.24 mostram a resposta do sistema a solicitaçõessinusoidais de 1/30, 1/60 e 1/80 Hz respetivamente.


Figura 5.22: Resposta à sinusoide (frequencia de 1/30 Hz).


52 Capítulo 5


Nas Figuras 5.22 e 5.23 evidencia-se o mesmo problema anteriormentedescrito, ou seja, a incapacidade do controlador em manter a pressão dentrodos limites, para baixas pressões (sentido de diminuir a pressão), a partir deuma certa frequência. Pela análise dos vários testes efetuados, a frequêncialimite para que o controlador consiga, em toda a gama de pressões, mantera pressão dentro dos limites é de 1/80 Hz.

53

Capítulo 6

Controlo da Velocidade da Frente deFluxo da Resina

Este capítulo trata do desenvolvimento de um sistema de controlo de velo-cidade da frente de fluxo da resina. Através deste controlo é possível mini-mizar a percentagem de vazios da peça final, obtendo melhores propriedadesmecânicas.

6.1 Condições de realização das infusões a vácuo

Para poder efetuar comparações entre ensaios, torna-se imperativo estan-dardizar as condições de realização dos mesmos.

Desta forma, todas as experiências apresentam as seguintes característi-cas:

• Material consumível:6 camadas de manta de vidro, 300 g/m2 com dimensões 500*150

mm ;1 camada de "flow mesh";1 camada de filme perfurado;2 camadas de "peel ply", sendo uma utilizada na camada superior

para efeitos de contraste para o sistema de visão artificial;Resina "Sika Biresin CR 83";Vedante para vácuo "General Sealants 300s";Tubo helicoidal na saída da infusão;Manga com rede na entrada da infusão;Corante preto.

54 Capítulo 6

• Processo de cura:Sem cura. Não se utiliza endurecedor, colocando-se um filme plás-

tico na parte inferior do molde para fácil remoção dos produtos doensaio.

Na Figura 6.1 pode ver-se o set-up dos consumíveis para realização deuma infusão.

Figura 6.1: Imagem capturada através da webcam do set-up de uma infusão.

6.2 Interface Matlab e comunicação Matlab-Arduino

De modo a integrar o sistema de controlo de pressão no trabalho desen-volvido por Silva, (2016) e possibilitar o seu controlo através da interfacegráfica elaborada na sua dissertação, adiciona-se o algoritmo desenvolvidoao que já existia para aquisição de dados. Utiliza-se placa de aquisição dedados anteriormente referida para comunicar com o Arduino e, uma vezque a comunicação é unidirecional (o Arduino apenas necessita de receberuma referência de pressão), conecta-se uma saída analógica da placa a umaentrada analógica deste.

Neste ponto, para estudar o efeito de diferentes diferenciais de pressão navelocidade da frente de fluxo, torna-se necessário criar uma zona adicionalna interface que permita enviar uma referência de pressão para o Arduino.Esta zona servirá também para que seja possível efetuar controlo manual dodiferencial de pressões durante uma infusão.

No entanto, o objetivo final é controlar o processo automaticamente,definindo apenas a velocidade desejada para a frente de fluxo, pelo que seadicionou uma caixa de texto que permite definir esta velocidade e um "radio

Controlo da Velocidade da Frente de Fluxo da Resina 55

button" que permite, em alternativa aos gráficos inicialmente apresentados(em cima : curvas pressão de entrada e pressão de saída vs tempo; em baixo:curva posição vs tempo ) ver os gráficos "diferencial de pressões vs tempo"e "velocidade vs tempo", respetivamente.

Na Figura 6.2 podem ver-se as alterações efetuadas. Note-se que sesubstituiu a área "Aquisição de imagem" presente na interface original, dadoque não estava a ser utilizada.

Figura 6.2: Aspeto da interface gráfica modificada.

É de salientar que a pressão a controlar deverá ser a pressão à entrada dainfusão. Sendo que o reservatório de resina se encontra por baixo da mesade infusão e sabendo que a coluna de fluido entre o reservatório e a entradada infusão provoca uma queda de pressão de 10 kPa, sabe-se que:

P(ref) = P(entrada) + 10 [kPa] (6.1)

Nota: Durante a infusão existe uma diminuição do nível do fluído noreservatório, o que altera o valor da queda de pressão entre este e a entradada infusão. No entanto, este efeito pode ser desprezado, dado que a suacontribuição não é significativa.

6.3 Estudo da resposta do sistema para diferentes va-lores de ∆P

Como visto no capítulo anterior, pretende-se controlar a velocidade da frentede fluxo, atuando sobre o diferencial de pressões entre o reservatório de resina

56 Capítulo 6

e a pressão de vácuo aplicada à saída da infusão. Como ponto de partida,realizaram-se três infusões com diferenciais de 15, 40 e 80 kPa. A pressãode vácuo varia entre -95 e -90 kPa (intervalo de funcionamento da bomba devácuo) que, por questões de simplificação, considerar-se-á constante e iguala 92,5 kPa.

Na Figura 6.3 está representado um gráfico com a evolução da posiçãoda frente de fluxo para os três diferenciais de pressão aplicados.

Figura 6.3: Posição da frente de fluxo em função do tempo para diferentes valoresde ∆P , em kPa.

Como seria de prever, quanto maior o diferencial de pressão aplicado,maior a velocidade da frente de fluxo.

Silva, (2016) apresenta uma expressão que permite obter a posição dafrente de fluxo em função do tempo, utilizando a equação de Darcy:

dx

dt= −kµφ× dp

dx⇔ (6.2)

⇔∫ xff

x0

∫1dx2 = −

∫ t

t0

∫ Pv

Pe

k

µφdp dt⇔

⇔∫ xff

x0x dx = −

∫ t

t0

k

µφ(Pv − Pe) dt ⇔

⇔x2

ff

2 −x2

02 = k

µφ(Pe − Pv) (t− t0) ⇔


⇔ xff =

√√√√2(k

µφ(Pe − Pv) (t− t0) + x2

02

)

onde k representa a permeabilidade do meio, µ a viscosidade da resina, φ aporosidade, x0 e t0 a posição e o tempo em que se inicia a infusão, Pe e Pv apressão de entrada e a pressão de vácuo e xff e t, a posição atual da frentede fluxo e o tempo correspondente.

Repare-se, no entanto, que aplicando esta expressão considerando t0 = 0e x0 = 0, se está a desconsiderar o facto de existirem perdas de carga antesda entrada da infusão (causadas pelo escoamento da resina dentro dos tubosaté à entrada da infusão). De forma a incluir este fenómeno, existem duasalternativas:

• Considerar a existência de um certo comprimento de meio poroso, quedemora um certo tempo a ser atravessado (para o ∆P em questão) quecausa uma perda de carga equivalente à perda desde o reservatório atéà entrada da infusão. Neste caso t0 e x0 deverão ser valores negativos.

• Atribuir um valor à perda de carga antes da entrada da infusão, afe-tando o diferencial de pressões entre a entrada e a saída por uma sub-tração desse valor.

Apesar da primeira alternativa permitir a obtenção de um modelo maispróximo do escoamento real, o facto de não se conhecerem as proprieda-des da fibra (permeabilidade e porosidade), torna o número de parâmetrosdesconhecidos elevado. Desta forma, optou-se pela segunda alternativa, con-siderando t0 = 0 e x0 = 0.

Assim, fazendo w =√

2 k / µφ ∗ (∆P − Ploss) obtém-se :

xff = w ∗√t (6.3)

Utilizando a ferramenta do Matlab1 "curve fitting" e aplicando a "customequation" - Equação 6.3 a cada uma das curvas da Figura 6.3 obtém-se osseguintes resultados:

1https://www.mathworks.com/products/matlab

58 Capítulo 6

Figura 6.4: Comparação entre a aproximação pela ferramenta "curve fitting" e ascurvas reais (a preto). ∆P em kPa.

Na Tabela 6.1 estão os parâmetros da aproximação obtidos através daferramenta do Matlab:

Tabela 6.1: Parâmetros obtidos através da aproximação com a ferramenta "curvefitting tool"

∆ P [kPa] w R2

∆P = 80 13,74 0,99

∆P = 40 8,544 0,98

∆P = 15 6,237 0,98

Aplicando agora uma derivação numérica às curvas adquiridas pelo mé-todo anterior, é possível obter um gráfico "velocidade vs tempo" para cadaum dos ∆P :


Figura 6.5: Velocidade da frente de fluxo em função do tempo para diferentesvalores de ∆P , em kPa.

6.4 Escolha do controlador e definição dos parâmetrosdo controlador

6.4.1 Filtragem do sinal obtido em tempo real

Como se pretende controlar a velocidade da frente de fluxo, é necessárioderivar, em tempo real, o sinal de posição retirado a partir da utilização da"webcam". No entanto, a existência de ruído é ainda mais problemática nestecaso, pelo que é necessário recorrer à utilização de um filtro passa baixo.

Filtro Savitzky–Golay

Escolheu-se para o efeito utilizar o filtro "Savitzky–Golay", que permite su-avizar as curvas, aumentando o "signal-to-noise ratio" das mesmas, sem dis-torcer o sinal.

Este filtro utiliza o processo de convolução, aproximando os dados dejanelas sucessivas e adjacentes a um polinómio de baixo grau, utilizando ométodo dos mínimos quadrados. A particularidade deste filtro, que o tornauma boa escolha para o caso é a possibilidade de obter, para cada pontocentral da janela, tanto o sinal filtrado como a sua derivada. É necessá-rio, porém, garantir que os dados são amostrados em intervalos de tempo

60 Capítulo 6

constantes (o que pode ser feito no Matlab, por exemplo, recorrendo à ver-são tempo-real do Simulink) e o tamanho da janela utilizada é um númeroímpar.

Neste caso, tem-se um conjunto de dados (posição-tempo), igualmenteespaçados através de uma condição de "delay" implementada em Matlab,passando o tempo de ciclo a ser fixo e igual a 1 segundo (recorde-se que estetempo era de aproximadamente 0,70 s, porém definido pela velocidade deprocessamento e não por uma condição).

Desta forma, considerando o tempo (t) a variável independente, y a variá-vel dependente, m o tamanho da janela e h o intervalo dos dados, efetua-sea seguinte mudança de variável:

z = t− t̄h

(6.4)

sendo que t̄ é o valor do ponto central da janela e z toma valores entre1−m

2 , ..., 0, ..., m−12 .

O polinómio de grau k é definido por:

Y = a0 + a1z + a2z2...+ akz

k (6.5)Os coeficientes do filtro, a0, a1, ... são obtidos resolvendo a seguinte equa-

ção:

a = (JTJ)−1JTy (6.6)em que a linha i de J tem valores 1, zi, z

2i , ...

Estes coeficientes, conhecidos como coeficientes de convolução são utili-zados para obter no ponto central (z): a curva suavizada (a0) , a primeiraderivada (a1) e assim sucessivamente.

Em Matlab, pode-se simplesmente obter a matriz dos filtros de derivaçãoutilizando a função:

[b,g] = sgolay(k,m)em que k e m são respetivamente o grau do polinómio e o tamanho da janela.Cada coluna de g representa um filtro de derivação para a derivada de ordem"p - 1", sendo "p" o índice da coluna.

Para obter a curva suavizada e suas derivadas utiliza-se o seguinte algo-ritmo:

dx = zeros(length(y), k+1);for p = 0 : kdx(:,p+1) = conv(y, factorial(p)/(−h)p ∗ g(:,p+1),′ same′);end


A Figura 6.6 permite ver a influência da variação do número de elementosda janela na filtragem do sinal em tempo real, para obtenção da velocidade.

Figura 6.6: Efeito da variação do número de elementos da janela na filtragem dosinal para obtenção da primeira derivada (velocidade).

Há no entanto que considerar que o aumento da janela, apesar de permitirobtenção de uma curva mais suave, se faz a custo da introdução de um "delay"na obtenção do sinal, correspondente ao valor central da janela. Veja-se queum filtro com uma janela de 15 elementos, por exemplo, introduz um "delay"de 7 segundos; se esta passar a ser de 31 elementos, este valor aumenta para15.

Através de vários testes efetuados, verificou-se que os parâmetros do filtroque melhor se ajustam são:

• Tamanho da janela: 15 elementos;

• Grau do polimómio: 1º grau;

A matriz dos coeficientes dos filtros obtidos pode ser consultada na Ta-bela 6.2.

Nota: O valor de g1(i) é constante e g2(i) é simétrica em torno de i = 8pelo que apenas se apresenta parte da matriz.

6.4.2 Estrutura do controlador

De partida, para efetuar o controlo de velocidade do sistema decidiu-se uti-lizar um controlador PID, dado ser um controlador robusto e não existir a

62 Capítulo 6

Tabela 6.2: Coeficientes dos filtros de derivação para uma janela de 15 elementose polinómio de 1º grau

g/i 1 2 3 4 5 6 7 8

g1(i) 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667 0,0667

g2(i) −0, 0250−0, 0214−0, 0179−0, 0143−0, 0107−0, 0071−0, 0036 0

necessidade de um modelo do sistema. No entanto, uma análise mais deta-lhada das curvas "posição vs tempo" permite observar a existência de ruídono sistema de medição da posição, que inviabiliza a utilização de uma açãoderivativa. Posto isto, verifica-se que um controlador PI é o mais adequado,para este caso.

É de salientar ainda que se desenvolveu o controlador emMatlab, integrando-o no programa já existente e desenvolvida por Silva, (2016).

Figura 6.7: Diagrama de blocos de um sistema com controlador do tipo PI.

Considere-se a função de transferência em malha aberta de um controla-dor PI, no domínio temporal:

u(t) = Kp

(e(t) + 1

Ti

∫ t

0e(τ)dτ

)(6.7)

Aplicando a transformada de Laplace resulta em:

U(s) = Kp

(1 + 1

Tis

)E(s) (6.8)

em que Kp é o ganho proporcional e Ti o tempo integral, tempo necessáriopara que a contribuição da ação integral iguale a da ação proporcional.

Uma vez que o sistema é não linear e dado o tipo de resposta dinâmicaque apresenta, não é possível obter pelos métodos clássicos os parâmetrosdo controlador.

A estratégia encontrada para contornar este problema passa pela utili-zação de métodos aplicados a sistemas lineares, através realização de um


degrau na fase inicial da infusão (esta é a fase mais importante a controlar)e análise do comportamento através da comparação com as curvas para ∆Pconstante ao longo da infusão. Decidiu-se, para o efeito, realizar um degraude modo a variar o ∆P entre 40 e 80 kPa. Está a ser assumido que o sistematem um modelo dinâmico do tipo (ke−Ls)/(τs+ 1) e que os parâmetros destemodelo podem ser estimados através de uma resposta ao degrau.

Note-se que, para efetuar esta comparação, é necessário eliminar o pa-râmetro temporal, uma vez que não faz sentido comparar temporalmentevelocidades de curvas com diferentes ∆P . Deste modo, é necessário compa-rar as velocidades para a mesma posição da frente de fluxo, passando-se aapresentar curvas "velocidade vs posição".

Na Figura 6.8 pode ver-se, a roxo, a curva velocidade-posição para umainfusão onde se variou o ∆P de 40 kPa para 80 kPa na posição x = 50mm.

Figura 6.8: Análise da resposta a um degrau de ∆P , em kPa.

Como se pode observar, existem algumas anomalias ao que seria de es-perar:

• O ponto A1 assinala uma discrepância entre a curva da experiência ea curva que seria esperada. O ponto A2, mostra uma transição, sendoque antes deste se verifica a estabilização numa curva de velocidadetambém discrepante da esperada.

• Tal deve-se ao facto de existir uma banda morta no funcionamento dabomba. No ponto A2 evidencia-se claramente a entrada da bomba em

64 Capítulo 6

marcha, aumentando o diferencial de pressão e levando assim a curvaa coincidir com o esperado.

Considerando que a resposta do sistema ao degrau se aproxima da respostade um sistema de primeira ordem com atraso de transporte (Figura 6.9),podem-se retirar os seguintes parâmetros:

• Ganho: O ganho pode ser calculado por:

Ganho = ∆V∆P = 1, 061− 0, 9153

80− 40 ≈ 0, 004 [ mms.kPa

] (6.9)

• Atraso de transporte: O atraso de transporte, corresponde para ocaso à soma de todos os atrasos no sistema: atraso devido ao filtro SG,processamento da imagem e à própria dinâmica do sistema de controlode pressão, sendo aproximadamente 7, 1 e 4 segundos, respetivamente.O atraso do filtro SG é correspondente ao valor central da janela, otempo de processamento da imagem corresponde ao tempo de cicloimplementado em Matlab e o atraso devido à dinâmica do sistema decontrolo de pressão é obtido pelo tempo decorrido desde que um sinalde variação pressão é enviado até que essa variação se faça sentir àentrada da infusão. Admite-se portanto, que o atraso de transporte éde 12 segundos.

• Constante de Tempo: para obter uma aproximação da constantede tempo considerou-se que o tempo necessário para obter 98% daresposta ao degrau corresponde a 4 constantes de tempo (Figura 6.10).

τ = 61− 324 = 7, 25 [s] (6.10)

Os valores 32 e 61 são o tempo referente a cada uma das posições assi-naladas na Figura 6.8.

Como o valor da constante de tempo é significativamente menor que ovalor do atraso de transporte, mais uma vez se verifica que seria contrapro-ducente utilizar-se ação derivativa no controlador.


Figura 6.9: Curva de resposta de um sistema de primeira ordem com atraso detransporte. L - atraso de transporte; τ - constante de tempo.

Figura 6.10: Resposta típica de um sistema de primeira ordem a um degrauunitário.

Para obtenção dos parâmetros do controlador considera-se então a se-

66 Capítulo 6

guinte função de transferência:

C(s)R(s) = K

τs+ 1e−Ls = 0, 004

7, 25s+ 1e−12s (6.11)

cujo diagrama de Bode se apresenta na Figura 6.11.

Figura 6.11: Diagrama de Bode do sistema apresentado na Equação 6.11.

Os parâmetros do controlador PI serão agora ajustados de modo a obter-se uma margem de fase de 60◦ e um tempo de acomodação compatível comos tempos de resposta do controlador de pressão de vácuo.

Utilizando a ferramenta "PID Tuner" do Matlab é possível ajustar a lar-gura de banda e a margem de fase de modo a encontrar os parâmetros docontrolador que permitem a melhor resposta: erro nulo em regime perma-nente, menor tempo de subida, "overshoot" e tempo de estabilização possí-veis. Na Figura 6.12 pode ver-se a resposta ao degrau do sistema, com baseno modelo utilizado, os parâmetros do controlador e a análise de robustez edesempenho.


Figura 6.12: Resposta obtida através do ajuste de parâmetros utilizando a ferra-menta "PID Tuning" do Matlab.

Os parâmetros obtidos para o controlador são:

• Kp ≈ 91 [kPa/mm.s−1];

• Ti ≈ 10 [s];

Neste caso, obtém-se um sistema estável com:

• Margem de Ganho ≈ 9, 5 dB;

• Margem de Fase ≈ 64, 8◦;

Estas margens de ganho e fase são suficientemente elevadas para asse-gurar a estabilidade do sistema mesmo face a amplas variações dos seusparâmetros.

6.5 Análise dos resultados obtidos

Na Figura 6.13 pode ver-se a curva "velocidade vs posição" de um ensaiorealizado utilizando um controlador PI com parâmetros Kp=90 e Ki=10.As restantes curvas, já apresentadas anteriormente, servem de termo com-parativo.

68 Capítulo 6

Figura 6.13: Curva velocidade vs posição de uma infusão controlada com umcontrolador do tipo PI. Kp=90, Ki=10. Condição de inicialização do controlador:Velocidade da frente de fluxo > 0,3 mm/s.

A velocidade referência escolhida (0,5 mm/s) permite observar a impos-sibilidade em se atingir a velocidade de referência antes do ponto A1 e apóso ponto A2. Este fenómeno deve-se a uma saturação do próprio sistema: osdiferenciais de pressão extremos, permitidos pelo sistema, são de 5 e 85 kPa.Na fase inicial (antes de atingir A1), mesmo utilizando o menor diferencial,a velocidade mínima passível de se obter é maior do que a de referência.Depois de atingir o ponto A2, mesmo utilizando o diferencial máximo, avelocidade máxima é inferior à de referência.

Para que o controlador não continue a acumular erro numa zona em queo sistema se encontra saturado, utilizou-se um "Anti-Windup", desligandoassim a ação integral nessa situação.

No início da infusão, o controlador inicia desligado, e o diferencial depressão é ajustado para 15 kPa. Para inicializar o controlador, utilizou-seuma condição de velocidade (neste caso, a condição de velocidade > 0,3mm/s, que representa 60% do valor referência). É de notar que para tercontinuidade na ação de controlo se inicia o controlador com um valor de errointegral que permite igualar o valor ação de controlo ao valor de diferencialde pressões ajustado no inicio da infusão. No entanto, os resultados obtidosdemonstram que esta condição não é a indicada: a dinâmica do sistema nazona inicial é rápida o suficiente para que o atraso introduzido pelo filtro SGseja significativo, criando uma zona onde existe "overshoot" e a resposta dosistema é oscilante.

Apesar de, na prática, esta oscilação não criar problemas para o objetivopretendido, a condição de inicialização do controlador deve ser alterada,


podendo utilizar-se uma condição de posição da frente de fluxo.Na Figura 6.14 pode ver-se a curva para um ensaio com as mesmas con-

dições apresentadas anteriormente, alterando-se a condição de inicializaçãodo controlador PI para uma posição da frente de fluxo > 15mm.

Na Figura 6.15 está representada a curva da variação do diferencial depressões ao longo da posição da frente de fluxo referente ao mesmo ensaio.

Figura 6.14: Curva velocidade vs posição de uma infusão controlada com umcontrolador do tipo PI. Kp=90, Ki=10. Condição de inicialização do controlador:Posição da frente de fluxo > 15mm.

70 Capítulo 6

Figura 6.15: Variação do diferencial de pressões ao longo da posição da frente defluxo para uma infusão controlada por controlador PI e uma velocidade referênciade 0,5 mm/s.

Como se pode verificar, a alteração da condição de inicialização para umaque não depende do parâmetro a controlar, passando a estar relacionada comum parâmetro fixo (condição de chegada a uma posição da frente de fluxopré-definida), melhora significativamente o desempenho do sistema.


Na Figura 6.16 apresenta-se a curva da percentagem do erro entre avelocidade desejada e a velocidade real da infusão em função da posição dafrente de fluxo.

Figura 6.16: Erro de velocidade em função da posição da frente de fluxo.

O erro máximo obtido é de 8,93 %, para uma velocidade de 0,41 mm/s.No entanto é de notar que a leitura da velocidade está afetada pela baixaresolução da "webcam" e pela existência de algum ruído, apesar de se utilizarum filtro passa baixo para minimizar a sua influência.

72


73

Capítulo 7

Conclusões e propostas paratrabalhos futuros

7.1 Conclusões

O principal objetivo deste trabalho foi a elaboração de um sistema de con-trolo em malha fechada, possibilitando o controlo da velocidade da frente defluxo de uma infusão a vácuo. Porém, dado o carácter do tema, tornou-senecessário obter conhecimentos de várias áreas como: processos de produ-ção de materiais compósitos, com enfoque no processo de infusão a vácuo;mecânica dos fluídos; pneumática; sistemas de visão artificial; programação;etc.

Apesar de se utilizarem técnicas de controlo que, à primeira vista, sãosimples, a complexidade da dinâmica do sistema e o facto de não existiremmodelos que descrevam todos os fenómenos que ocorrem durante uma infu-são (em grande parte devido ao facto de alguns serem ainda desconhecidos e,mesmo no caso em que não são, não se conhecer a sua influência ao longo deuma infusão) dificultam a elaboração de um controlador. No caso do contro-lador pretendido para este projeto, um controlador clássico da família PID,esta dificuldade prende-se com a definição dos parâmetros do controlador,uma vez que se trata de controlar um sistema não linear.

O desenvolvimento do sistema de controlo de pressão foi de grande im-portância para a concretização do controlador global e, tratando-se de umsistema de controlo em cascata, foi necessário identificar problemas e imple-mentar soluções para que este fosse estável permitindo, no entanto, controlara pressão com o menor erro possível.

No que toca ao desenvolvimento do sistema de controlo da velocidade dafrente de fluxo da resina, foi ainda necessário estudar o sistema de aquisiçãoda posição da frente de fluxo, que já se encontrava implementado, de modoa poder utilizar os seus "outputs" para realimentação de informação no con-

74 Capítulo 7

trolador. Neste ponto, uma das grandes dificuldades é a baixa resolução dosistema de visão artificial, sendo necessário utilizar um filtro que provocaum grande atraso no sinal de velocidade e dificulta o projeto do controlador.

No desenvolvimento da parte laboratorial do trabalho, uma das maio-res preocupações foi a construção de um sistema modular, acrescentandofuncionalidades sem, por um lado, alterar o que se encontrava previamentedesenvolvido e por outro, comprometer a integração de novas funcionalida-des, no futuro.

Os resultados obtidos são, não obstante as adversidades, bastante posi-tivos, tendo-se projetado um sistema de controlo robusto e capaz de desem-penhar a função pretendida.

7.2 Propostas para trabalhos futuros a este trabalho

Com vista a dar continuidade ao projeto e evoluir no estudo e melhoramentodos processos de infusão a vácuo, propõe-se os seguintes trabalhos:

• Modelação

1. Estudo do efeito da capilaridade, compactação do material fibrosoe do número de camadas de fibra utilizados em processos de infusãoa vácuo;

2. Modelação da queda de pressão entre o reservatório de resina e aentrada da infusão;

3. Modelação dinâmica do comportamento da frente de fluxo em fun-ção do diferencial de pressões;

4. Estudo do efeito da variação das condições de temperatura noprocesso de cura de infusões a vácuo.

• Controlo

1. Estudo da possibilidade de implementação de um controlador adap-tativo;

2. Estudo de metodologias para controlo da direção da frente defluxo.

• Melhorias ao sistema

1. Estudo das melhorias obtidas através da utilização de uma câmarade maior resolução.

75

Referências

Almeida, Fernando (2014). Slides de Sistemas de Controlo, FEUP.Glast, Fibre (2016). Em: http://cdn.fibreglast.com/downloads/vacuuminfusion.pdf.

Acessado a 25/10/2016 às 10:41.Gomes, Paula (2011). «Formulação e Caracterização de Compósitos com Fibras

Vegetais e Matriz Termoplástica». Universidade Estadual Do Norte Flumi-nense Darcy Ribeiro - UENF.

Harrsch, Mary (2004). «flickr». Em: https://www.flickr.com/photos/mharrsch/4123469000. Acessado a 09/12/2016 às 15:09.

Labat, L., J. Bréard, S. Pillut-Lesavre e G. Bouquet (2001). «Void fraction pre-vision in LCM parts». Em: Eur. Phys. J. AP 16.2, pp. 157–164.

Lee, C. William, Brian P. Rice, Matthew B. Buczek e David C. Mason (1998).«Resin transfer molding process monitoring and control». Em: Proceedings ofinternational SAMPLE symposium and exhibition 43, pp. 231–42.

Leny, Mathew e Sunil K. Narayanankutty (2009). «Development of ElastomericHybrid Composite Based on Synthesised Manosilica and Short Nylon Fiber».Tese de doutoramento. Cochin University of Science e Technology.

Lopes, Inês (2009). «Estudo do processo de infusão a vácuo em materiais com-pósitos». Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidadedo Porto.

Mallick, P.K. (1988). Fiber-Reinforced Composits : materials, manifacturing, anddesign. Ed. por L.L. Faulkner e S.B. Menkes. Marcel Dekker inc. isbn: 0-8247-7796-4.

Mar-Bal, Inc (2016). Em: http://www.mar-bal.com/language/en/applications/his-tory-of-composites/. Acessado a 16/10/2016 às 14:42.

Modi, Dhiren, Nuno Correia, Michael Johnson, Andrew Long, Christopher Rudde Francois Robitaille (2007). «Active control of the vacuum infusion process».Em: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 38.5, pp. 1271–1287.

76 Referências

Nielsen, D. e R. Pitchumani (2001). «Intelligent model-based control of preformpermeation in liquid composite molding processes, with online optimization».Em: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 32.12, pp. 1789–1803.

Nuplex, Composites (2016). Em: http://www.nuplex.com/composites/processes/hot-moulding-processes. Acessado a 25/09/2016 às 16:24.

Patel, N. e L. James Lee (1995). «Effects of fiber mat architecture on void for-mation and removal in liquid composite molding». Em: Polymer Composites16.5, pp. 386–399. issn: 1548-0569.

Polyworx (2007). «Controlled vacuum infusion (CVI) technology». Em: http://www.poly-worx.com. Acessado a 21/10/2016 às 14:32.

Ruiz, E., V. Achim, S. Soukane, F. Trochu e J. Bréard (2006). «Optimization ofinjection flow rate to minimize micro/macro-voids formation in resin transfermolded composites». Em: Composites Science and Technology 66.3–4, pp. 475–486.

Silva, Fernando (2016). «Modelação Dinâmica de um Processo de Infusão a Vá-cuo». Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto.

Strong, A.Brent e Brigham Young University (2006). «History of Composite Ma-terials - Opportunities and Necessities». Em: http://strong.groups.et.byu.net/pages/articles/articles/history.pdf. Acessado a 15/09/2016 às 08:13.

Técnico, Instituto Superior (2014). «Slides Materiais Compósitos, IST». Em: http://disciplinas.ist.utl.pt/qgeral/mecanica/MatComp.pdf. Acessado a 20/12/2016às 18:32.

77

Anexo A

Válvulas SMC

78


3 Port Solenoid ValveDirect Operated Poppet Type

Series VT307Rubber Seal

T0

GHDET

307 015 DV T F

0201

S

Z

NT

F

VO307�(-Q)

Manifold

JIS Symbol

Option

CE-compliant

Q CE-compliant ∗——

∗ Electrical entry: D/DO,DZ/DOZ only

Compact yet provides a large flow capacityDimensions (W x H x D)···30 x 54.5 x 33

(Grommet)C: 0.71 dm3/(s·bar){Rc 1/4 (Passage 2 → 3)}

Low power consumptionVT/VO307······4.8 W DC/Standard typeVT/VO307Y )·····2 W DC/Energy-saving typeVT/VO307W

Suitable for use in vacuum applications–101.2 kPa(For vacuum specifications type: VT/VO307V, VT/VO307W)

A single valve with 6 valve functions(Universal porting type)Selective porting can provide 6 valve functions, such as N.C. valve, N.O. valve, Divider valve, Selector valve, etc.

Body typeBody ported

Manifold

∗ Option

Valve optionNil Standard typeE ∗

Y ∗Energy-saving type

(2 W DC)

V ∗ For vacuum

W ∗Energy-saving type,

For vacuum

123

4 ∗

56 ∗

9 ∗

100 VAC, Hz200 VAC, Hz110 VAC, Hz220 VAC, Hz

24 VDC12 VDC

7 ∗ 240 VAC, HzOther

∗ Option

Rated voltage50 6050 6050 6050 60

50 60

Electrical entryG Grommet, 300 mm lead wireH Grommet, 600 mm lead wireD DIN terminalE Grommet terminalT Conduit terminal

Option

(6A)Without port (For manifold)

1 8

Nil

(8A)1 4

Port size

Light/Surge voltage suppressor

Surge voltage suppressor mounting partNil None

With surge voltage suppressor(Grommet type is only available.)

Refer to the figure below.With light/surge voltage suppressor

(Except grommet type)

RcG

NPTNPTF

Nil

∗ As for the case of rated voltage [Others (9)], please contact SMC.

Surge voltage suppressor

Nil

Continuous duty type

Model Applicable manifold type

Common or individual exhaust

AccessoryFunction plate (DXT152-14-1A) Note)

Mounting screw (NXT013-3)

Note) It is not applied to “Continuous duty type”. Refer to the accessories on page 1605.

DescriptionBracket

Part no.DXT152-25-1A (With thread)

Thread type

How to Order

FNil

With foot bracketWithout bracket

1601

Note) Applicable only for DIN terminal type.

[Option]

VV061

V100

S070

VQD

VKF

VK

VT

VS

353-VT307.qxd 11.1.12 5:08 PM Page 1

Courtesy of Steven Engineering, Inc.-230 Ryan Way, South San Francisco, CA 94080-6370-Main Office: (650) 588-9200-Outside Local Area: (800) 258-9200-www.stevenengineering.com

C [dm3/(s·bar)] b Cv

1/8

1/4

C [dm3/(s·bar)] b Cv C [dm3/(s·bar)] b Cv C [dm3/(s·bar)] b Cv

0.71 0.35 0.18 0.68 0.27 0.17 0.65 0.36 0.17 0.63 0.35 0.17

0.41 0.26 0.10 0.44 0.35 0.11 0.48 0.27 0.12 0.35 0.33 0.10

0.71 0.31 0.19 0.71 0.25 0.17 0.68 0.33 0.17 0.71 0.26 0.18

0.49 0.20 0.12 0.44 0.34 0.11 0.48 0.17 0.12 0.46 0.28 0.11

Precautions

Caution1. Make sure that dust and/or other foreign

materials do not enter the valve from the unused port (e.g. exhaust port). Also, since there is a breathing port for the armature in the manual override part, do not allow accumulation of dust and/or other foreign materials to block bleed port.

How to Calculate the Flow RateFor obtaining the flow rate, refer to front matters 44 to 47.

Standard Specifications

Fluid

Ambient and fluid temperatureResponse time

LubricationManual override

Shock/Vibration resistance Enclosure

(2)

(1)

Air

–10 to 50°C (No freezing. Refer to page 5.)

Type of actuation Direct operated type 2 position single solenoid

Operating pressure range 0 to 0.9 MPa

20 ms or less (at the pressure of 0.5 MPa)

Not required (Use turbine oil Class 1 ISO VG32, if lubricated.)Max. operating frequency 10 Hz

Non-locking push typeMounting orientation Unrestricted

150/50 m/s2

Dustproof

∗ OptionNote 1) Based on dynamic performance test, JIS B 8374-1981. (Coil temperature: 20°C, at rated

voltage, without surge suppressor)Note 2) Impact resistance: No malfunction occurred when it is tested with a drop tester in the axial

direction and at the right angles to the main valve and armature in both energized and de-energized states every once for each condition. (Values at the initial period)

Vibration resistance: No malfunction occurred in a one-sweep test between 45 and 1000 Hz. Test was performed at both energized and de-energized states in the axial direction and at the right angles to the main valve and armature. (Values at the initial period)

Note 3) At rated voltageNote 4) The value is different for continuous duty type (VT307E), and energy-saving type (VT307Y/W).

Refer to “Option” shown below.

Electrical entry

Coil rated voltage (V)

Allowable voltage fluctuation

Apparent power AC

DCACDC

DCAC (50/60 Hz)

InrushHolding

Grommet, Grommet terminal, Conduit terminal, DIN terminal

100, 200, 110 ∗, 220 ∗, 240 ∗

24, 12 ∗

–15 to +10% of rated voltage12.7 VA (50 Hz) 10.7 VA (60 Hz)

7.6 VA (50 Hz) 5.4 VA (60 Hz) Without indicator light: 4.8 W, With indicator light: 5 W

Varistor, Neon bulbDiode, LED (Neon bulb for 100 V or more)

(3) (4)

Power consumptionLight/Surge voltage suppressor(Not applicable for grommet type)

(3) (4)

Mass

Grommet

Portsize

Flow characteristics

0.14 kg

Flow Characteristics/Mass

Valve model

VT307VT307V (Vacuum spec. type)

VT307E (Continuous duty type)

VT307Y (Energy-saving type)

VT307W (Energy-saving, Vacuum spec. type)

VT307VT307V (Vacuum spec. type)

VT307E (Continuous duty type)

VT307Y (Energy-saving type)

VT307W (Energy-saving, Vacuum spec. type)

Note) Values for a single valve unit. It differs in the manifold case. Refer to manifold specifications on page 1605.

1 → 2 (P → A) 2 → 3 (A → R) 3 → 2 (R → A) 2 → 1 (A → P)

CautionCaution

If low power consumption is required for electronic control, “VY307Y(W)” (2 W DC) is recommended.Specifications different from standard are as follows.

This vacuum model has less air leakage than the standard model under low pressure. It is recommended for vacuum application.

1. Since this valve has slight air leakage, it can not be used for vacuum holding (including positive pressure holding) in the pressure container.

Specifications different from standard are as follows.

Power consumption/DC 2 W, 2.2 W (With indicator light) ∗

25 ms or less (at 0.5 MPa)Response time (1)

∗ 100 VDC: 2.4 WNote 1) Refer to Note 1) of standard

specifications.Note 2) For the flow characteristics, refer

to “Flow Characteristics”.

Operating pressure range –101.2 kPa to 0.1 MPa

Continuous duty type: VT307EExclusive use of VT307E is recommended for continuous duty with long time loading.

Apparent power/ACInrushHolding

7.9VA (50 Hz) , 6.2VA (60 Hz)

5.8VA (50 Hz) , 3.5VA (60 Hz)

Power consumption/DC 2 W, 2.2 W (With indicator light)30 ms or less (at the pressure of 0.5 MPa)Response time (1)

Note 1) Refer to Note 1) of standard specifications.

Note 2) For the flow characteristics, refer to “Flow Characteristics”.

Option

Energy-saving type: VT307Y (VT307W) Vacuum spec. type: VT307V (VT307W)

1. This model is for continuous duty, not for high cycle rates. But even in low cycle rates, if energizing the valve more than once a day, please consult with SMC.

2. Energizing solenoid should be done at least once in 30 days.

Specifications different from standard are as follows.

Be sure to read before handling. Refer to front matters 58 and 59 for Safety Instructions and pages 3 to 7 for 3/4/5 Port Solenoid Valve Precautions.

1602

Series VT307

P1569-1636-E.qxd 08.9.2 4:01 PM Page 1602


VV061

V100

S070

VQD

VKF

VK

VT

VS

De-energized Energized

1234

Operation principle<De-energized>Spool valve w is pushed upward by the return spring e, port P is closed, and then port A and port R are opened.Air flow direction:Port P Block, A R

<Energized>When an electric current is applied to the molded coil r, the armature t is attracted to the core y, and through the push rod u, it pushes down the spool valve w and port R is closed. Then, port P and port A are connected. At this time, there will be gaps between the armature t and the core y, but the armature t will be magnetically attracted to the core y.Air flow direction:Port P Port A , Port R Block

No. DescriptionBodySpool valveReturn spring

MaterialAluminum die-casted

Aluminum, NBRStainless steel

Molded coil Resin

NoteColor: Platinum silver

Component Parts

How to Use DIN Terminal1. Disassembly

1) After loosening the thread (1), then if the housing (2) is pulled in the direction of the thread (1), the connector will be removed from the body of equipment (solenoid, etc.).

2) Pull the thread (1) out of the housing (2).3) On the bottom part of the terminal block

(3), there’s a cut-off part (9). If a small flat head screwdriver is inserted between the opening in the bottom, terminal block (3) will be removed from the housing (2). (Refer to “Figure 1”.)

4) Remove the cable gland (4) and plain washer (5) and rubber seal (6).

2. Wiring1) Passing through the cable (7), cable gland

(4), plain washer (5), rubber seal (6) in this order, and then insert into the housing (2).

2) From the terminal block (3), loosen the screw (11), then pass the lead wire (10) through, then again tighten the screw (11).Note 1) Tighten within the tightening torque

of 0.5 N·m ±15%.Note 2) Cable (7) external: ø6 to ø8 mmNote 3) Crimped terminal like round-shape

or Y shape cannot be used.

3. Assembly 1) Passing cable gland (4), washer (5), rubber

seal (6), housing (2) in this order through cable (7) and connect to terminal block (3) and then set the terminal block (3) to the housing (2).(Push it down until you hear the click sound.)

2) Putting rubber seal (6), plain washer (5), in this order into the cable introducing slit on the housing (2), then further tighten the cable gland (4) securely.

3) Insert the gasket (8) between the bottom part of terminal block (3) and a plug attached to equipment, and then screw (1) in from the top of the housing (2) to tighten it. Note 1) Tighten within the tightening torque of

0.5 N·m ±20%.Note 2) Connector orientation can be changed

by 180 degrees depending on how to assemble the housing (2) and the terminal block (3).

Description

DIN connector

Part no.B1B09-2A(Standard)

GM209NJ-B17(CE-compliant)

Connector for DIN Terminal

Electrical ConnectionDIN terminal and terminal (with light/surge voltage suppressor) are connected inside as in the figure below. Connect to the corresponding power supply.

DIN terminal block Terminal block

• Applicable cable O.D.Type T: ø4.5 to ø7 mmType E: ø2.3 to ø2.8 mmType D: ø6 to ø8 mm

• Applicable crimp terminalType E/T: 1.25-3, 1.25-3S

1.25Y-3N, 1.25Y-3SRound or “Y” shaped crimped terminals can not be used for type “D”.

Lead Wire ColorVoltage

100 VAC200 VAC

DCOther

ColorBlueRed

Red (+), Black (–)Gray

Terminal no.DIN terminalTerminal

1 2 + – + –

( )

Manual override

(10)

(1)

(2)

(3) (4)

(5)

(6)

(7)(8) (9)

(11)

Light/Surge Voltage SuppressorAC, 100 VDC or more

48 VDC or less

Caution

Terminal no. 1 (+)

Terminal no. 1 (+)

Terminal no. 2 (–)

Terminal no. 2 (–)

In the case of indicator light assembly

In the case of indicator light assembly

Coi

l

Coi

l

Ground

Series VT3073 Port Solenoid ValveDirect Operated Poppet Type

1603

Construction

P1569-1636-E.qxd 08.9.2 4:01 PM Page 1603


��

��

��

�

��

�

��

�

��

�

��

��

��

� �

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�

�

��

��

��

�

��

��

��

�

��

��

��

��

�

��

��

��

��

��

��

�

�

��

��

��

� ��

��

��

�

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

��

��

� �

�� !"��#�$% � ��& '�� (��) �� **�� ) +�� ,�-�� .� �� -//��

� �) +�� ,�-�� .� �� -//�� ) +�� ,�-�� .� �� -//��

��

��

�� !" #� ��$

�� %

��(-� �.��&�

��(# �01�(��

��(-� �.��&�

��(# �01�(��

�, 223 �,�22

��/�(� /��

�, 223 �,�22

��/�(� /��

4// �0�5 � 0�5 � 6�7�

8�� 8

4// �0�5 � 0�5 � 6�7�

8� �� 8

� 8��-(��(� ��

� 8��-(��(��

��(-� �.��&��(# �01�(��

��(-� �.��&�

��(# �01�(��

�9��& '�� (��

� ��

:��01�� :��01��

� � �, 3 �,�

��/�(� /�� , 3 �,�

��/�(� /��

� �� &�/��

��-(��(� �0��'�

4// �0�5 � 0�5 � 6�7�

8�� 8�

�4// �0�5 � 0�5 � 6�7�� ;<

8�� 8�

��

Series VT307

P1569-1636-E.qxd 08.9.2 4:01 PM Page 1604


Documents

Controlo automático de um processo de infusão a vácuo · 3.6 Macro poro (entre feixes de ﬁbras) e micro poro (entre ﬁla-mentosdomesmofeixe) ... 3.8 Formação de macro e micro