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Lucas da Silva DEMec – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais1
DEMec – SMPTMIEM – PFII
Processos de ligação de metaisJuntas adesivas estruturais
Lucas F M da Silva
Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoDepartamento de Engenharia Mecânica
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais2
Conteúdo
• Introdução• Teoria da adesão• Selecção do adesivo• Projecto da junta• Preparação da superfície• Fabrico da junta• Controlo do processo
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Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais3
Introdução – Aplicações
de Bruyne (1957)
De Havilland Comet
• Termoendurecíveis modificados (vinilo/fenólico) mais tenazes
Indústria aeronáutica
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Introdução – Aplicações
Indústria aeronáutica
Hexcel Composites 2002
3
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Introdução – Aplicações
Indústria aeronáutica
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Introdução – Aplicações
Indústria aeroespacial Désagulier (2011)
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Introdução – Aplicações
Indústria automóvel• Lotus: chassis de alumínio 6000 colado com
epóxidoLotus
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Introdução – Aplicações
Indústria automóvel
Body shopHem flange bonding
Burchardt (2011)
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Introdução – Aplicações
Indústria automóvel
Body shopAnti-flutter bonding
Burchardt (2011)
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Introdução – Aplicações
Indústria automóvel
Linha de montagem, Direct glazing
Sika
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Introdução – Aplicações
Autocarros• Partes laterais e tejadilho• Poliuretano Motor Coach Industry/ITW Plexus
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Introdução – Aplicações
• Pouco usado nos caminhos de ferro
• Mais usado no metro, alta velocidade
Hexcel composites
Indústria ferroviária
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Introdução – Aplicações
Indústria naval
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Introdução – Aplicações
Construção civil
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Introdução – Tecnologias envolvidas
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Introdução – Vantagens Distribuição das tensões uniforme
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Introdução – Vantagens
Distribuição das tensões uniforme maior resistência à fadiga Amortece as vibrações permite que as tensões sejam
absorvidas ou transferidas melhorando assim a resistência à fadiga
Powis (1968)
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Introdução – Vantagens
Liga materiais diferentesem composição, coeficientes de expansão (a flexibilidade do adesivo compensa a diferença)
Liga chapas eficientemente
Geralmente são o método mais conveniente e efectivo de ligar dois materiais, permitindo ser automatizado
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Introdução – Vantagens
Projecto mais flexívelnovos conceitos, materiais (e.g. estruturas em ninho de abelha)
Contornos regulares, evita furos (rebites, parafusos) e marcas devidas à soldadura
Contacto contínuo entre as superfícies ligadas
Pode reduzir os custos; projectos envolvendo ligações com adesivos tendem a ser mais ligeiros e mais económicos
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Introdução – Desvantagens
É necessário um desenho da ligação que elimine ao máximo as forças de arrancamento (inimigo nº1), clivagem e impacto
Quando um dos dois materiais não é rígido, a ligação pode estar sujeita a forças de arrancamento
Quando os dois materiais são rígidos, a ligação pode estar sujeita a forças de clivagem
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Introdução – Desvantagens
Melhor solução solicitar ao corte
Evitar tensões localizadas
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Introdução – Desvantagens
Tem limitada resistência a condições extremas tais como calor e humidade.
A ligação não é normalmente realizada instantaneamente o que leva à utilização de ferramentas de fixação para manter as peças em posição pode ser uma grande desvantagem económica.
Para obter bons resultados é necessário uma cuidada preparação das superfícies; abrasão mecânica, desengorduramento com solvente, ataques químicos, primários, etc.
Os adesivos são frequentemente curados a elevadas temperaturas (forno, prensa,...).
Controlo de qualidade e segurança mais difíceis mas recente desenvolvimento de técnicas não destrutivas.
Falta de um critério de dimensionamento universal.
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Teoria da adesão – Forças envolvidas
Ligação primária• e- são transferidos ou partilhados
• é forte: 100-1000 kJ/mol
•Metálica
•Iónica
•Covalente
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Teoria da adesão – Forças envolvidas
Ligação secundária• não há e- transferidos ou partilhados• interacção de dipolos atómicos/moleculares• é fraca < 100 kJ/mol
•van der Waals
•Hidrogénio
• Forças de London ou de dispersão (dipolos induzidos)
• Forças de Debye (dipolo permanente e dipolo induzido)
• Forças de Keesom (dipolos permanentes)
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Teoria da adesão – Forças envolvidasTodas as ligações são forças de distâncias muito curtas, apenas
efectivas em alguns angströms (1 A = 10-10 m = 0,0001 m)
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Teoria da adesão – Rugosidade da superfície
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1( )
L
Ra h x dxL
0,5 m
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Teoria da adesão – Rugosidade da superfície
Rugosidade = 1000 x distância de acção das forças de ligação
Mas se for líquido...
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Teoria da adesão – Mudança de fase
Boa molhagem mas sem resistência
Endurecendo...
Líquido
Sólido
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Teoria da adesão – Mudança de fase
Processo de endurecimento (cura do adesivo)
• Perda de um solvente (e.g. cola branca da madeira)
• Arrefecimento desde o estado líquido (termofusíveis)
• Reacção química (a maioria dos adesivos estruturais)
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Teoria da adesão – Molhagem
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Teoria da adesão – Molhagem
Angulo de contacto,
0° 90° 180°
cos 1 0 -1
Espalham. Molhag. compl. Molhag. parcial SL= SV Molhag. desprezável Não molhag.
SV = SL + LV cos Young (1805)
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Teoria da adesão – Molhagem
Desequilíbrio das forças de atracção à superfícieenergia superficial
Energia superficial,
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Teoria da adesão – Molhagem
Energia superficial,
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Teoria da adesão – Espalhamento
Princípio de energia mínima
L < S o líquido espalha-seL > S o líquido não se espalha
• Superfícies de elevada energia S = 500 ~ 5000 mJ m-2
(metais e os seus óxidos, vidro e diamante; geralmente materiais duros de elevado ponto de fusão)
• Superfícies de baixa energia S = 5 ~ 100 mJ m-2
(a maioria dos sólidos orgânicos e os materiais poliméricos; geralmente macios com baixos pontos de fusão)
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Teoria da adesão – Tensão de superfície crítica
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Teoria da adesão – Espalhamento
Como pode o utilizador intervir?
Aumentando a energia de superfície do sólido.
• Contaminação da superfície (pós, gorduras, óleos, gases adsorvidos, humidade, etc.) diminuição da energia de superfície
• Os tratamentos superficiais permitem eliminar os contaminantes e modificar quimicamente a superfície de superfícies de baixa energia (polímeros)
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Teoria da adesão – Teorias da adesão
• Mecânica
• Adsorção
• Difusão
• Electrostática
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Teoria da adesão – Teorias da adesão
Mecânica
Exemplo: borracha com têxtil
Aumento da área superficial
Eliminação de camadas fracas
Melhor molhagem
Mais dissipação de energia
Mas... Superfície lisa
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Teoria da adesão – Teorias da adesão
AdsorçãoAdsorção física
Adsorção química
Forças de superfície
Boa molhagem
Mais importante
Intervém em todas as ligações
Ligação química
Ácido-base
Primárias
Agentes de ligação
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1. Selecção do adesivo
2. Projecto da junta
3. Preparação da superfície
4. Fabrico da junta
5. Controlo do processo
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Selecção do adesivo – Classificação
Função (estruturais e não estruturais) Composição química (termoplásticos,
termoendurecíveis, elastoméricos, híbridos) Método de reacção (reacção química, perda de
solvente, perda de água, arrefecimento a partir do estado fundido)
Forma física (líquido, pasta, sólido) Custo Substratos Método de aplicação
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Selecção do adesivo – Classificação
Função
Adesivos
Estruturais Não estruturais
EpóxidosFenólicos
AromáticosPoliuretanos
Acrílicos
Borrachas sintéticasPoliésteres
TermofusíveisInorgânicos
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Selecção do adesivo – Classificação
Composição química
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Selecção do adesivo – Classificação
Composição químicaAdesivos híbridos (e.g. termoendurecível + borracha)
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Selecção do adesivo – Endurecimento
1. Adesivos que curam por reacção químicaa. Duas partes
b. Uma parte, cura por catalisador ou endurecedor
c. Cura com a humidade
d. Cura por radiação (luz, UV, feixe de electrões, etc.)
e. Catálise pelo substrato
f. Forma sólida (fita, filme, pó, etc.)
2. Adesivos que endurecem por perda de solvente ou águaa. Contacto
b. Adesivos sensíveis à pressão
c. Adesivos reactiváveis
d. Adesivos resinosos
3. Adesivos que endurecem por arrefecimento a partir do estado fundido
a. Termofusíveis
b. Termofusíveis sensíveis à pressão e termoendurecíveis
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Selecção do adesivo – Endurecimento
VULCANIZAÇÃO(CROSS-LINKING)Reacção química
• Condensação (poliimidas, fenólicos)
• Adição (epóxidos, uretanos, acrílicos)
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Selecção do adesivo
Täljsten (2005)
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Selecção do adesivo – Epóxidos
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Selecção do adesivo – Fenólicos
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Selecção do adesivo – Poliuretanos
Forma Soluções, pastas Método de aplicação Cartuchos Cura Temperatura ambiente Temperatura de serviço -200 a 80ºC Vantagens Bom desempenho a baixa temperatura. Boa
tenacidade, molhabilidade. Habilidade de formar uma espuma (os de 2 partes)
Desvantagens Curam com humidade, baixa resistência à temperatura
Água Razoável Solvente Razoável/boa
Resistência ao meio ambiente
Óleo Razoável/boa Saúde e segurança Evitar riscos fisiológicos Aplicações Cargas baixas. Aplicações criogénicas.
Indústria automóvel, do calçado...
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Selecção do adesivo – Poliuretanos
Motor Coach Industry/ITW Plexus
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Selecção do adesivo – Anaeróbicos
Forma Uma parte líquido ou pasta Método de aplicação Pequeno contentor ou aplicação automática Cura Por exclusão de ar. Cura em minutos ou
horas a 25ºC, ou em 10 min a 120ºC Temperatura de serviço -55 a 120ºC Vantagens Preparação da superfície não precisa de ser
muito cuidada Desvantagens Espessuras finas
Água Boa Solvente Depende da formulação
Resistência ao meio ambiente
Óleo Boa Saúde e segurança Não causam grandes problemas à saúde Aplicações Pequenos trabalhos de montagem. Ligação
de árvores. Vedação (liquid lock washer)
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Selecção do adesivo – Cianoacrilatos
Forma Uma parte líquido Método de aplicação Pequeno contentor ou aplicação automática Cura Em presença de humidade no substrato.
Cura em segundos ou minutos a 20ºC Temperatura de serviço -30 a 80ºC Vantagens Cura rápida Desvantagens A cura rápida impede de ligar grandes
áreas. Frágil. Baixa capacidade de preencher espaços.
Água Fraca Solvente Razoável/boa
Resistência ao meio ambiente
Óleo Boa Saúde e segurança A cura rápida apresenta dificuldades como
o facto de poder colar a pele. Aplicações Montagem rápida de estruturas leves
compostas de pequenos componentes. Indústria óptica e electrónica.
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Selecção do adesivo – Acrílicos modificados
Forma Duas partes Método de aplicação Contentor, misturador, sistemas
completamente automatizados Cura Catalisados por um iniciador que permite
uma cura rápida Temperatura de serviço -40 a 120ºC Vantagens Pode curar rapidamente. Habilidade em
ligar superfícies mal preparadas. Boa resistência ao meio ambiente
Desvantagens A resistência e o modulo são mais baixos do que para os epóxidos
Água Boa Solvente Boa
Resistência ao meio ambiente
Óleo Boa Saúde e segurança Não causam grandes problemas à saúde Aplicações Montagem rápida de pequenos e grandes
componentes
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Selecção do adesivo – Aromáticos
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Selecção do adesivo – Processo de selecção
Informação sobre o material
Junta e condições de carregamento
Ambiente em que vai operar a
junta
Informação sobre o fabrico
Selecção do adesivo ou
vedante
Verificação experimental
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Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de tracção
BS 2782BS 2782
EN ISO 527-2
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Tensile curves (dogbone) at 22C
Redux 326 paste
Redux 326 film
Hysol EA 9359.3
Supreme 10HT
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Tensile strain
Ten
sile
str
ess
(MP
a)
Selecção do adesivo – Processo de selecção
da Silva & Adams (2005)
30
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Selecção do adesivo – Processo de selecção
Tracção vs compressãoc = 1,2 a 1,4 t
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Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de compressão ASTM D 695
31
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Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de corte (Thick Adherend Shear Test –TAST) ISO 11003-2, ASTM D 5656
ISO 11003-2
ISO 11003-2, ASTM D 5656
da Silva et al.(2008)
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Shear curves (TAST) at 22C
Redux 326 film
Redux 326 paste
Hysol EA 9359.3
Supreme 10HT
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Shear strain
Sh
ear
stre
ss (
MP
a)
Selecção do adesivo – Processo de selecção
da Silva & Adams (2005)
32
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais63
Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de corte
Arcan
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais64
Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de corte TorçãoChen et al. (2010)
Gali et al. (1981)
33
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais65
Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de tenacidade Modo I (Double cantilever beam - DCB)
356
12.7
6.35
6.35 a = 510
25.4
ASTM D 3433
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais66
Selecção do adesivo – Processo de selecção
Ensaio de tenacidade Modo I
PCda
dC
b
PG
2
2c
c
Gbh
Pa
Ebh
Pa
5
1283
3
Irwin (1963)
(teoria das vigas)
G
h
E
a
hb
PG
5
26 22
32
2c
Ic
P
a
Pb
h
34
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais67
1. Selecção do adesivo
2. Projecto da junta
3. Preparação da superfície
4. Fabrico da junta
5. Controlo do processo
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais68
Projecto da junta – Modos de carregamento
35
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais69
Projecto da junta – Tipos de juntas
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais70
Projecto da junta – Análise das tensões
Duas possibilidades:
• Métodos analíticos projecto
• Métodos numéricos (método dos elementos finitos) investigação
36
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais71
Projecto da junta – Análise das tensões
Análise simples
F
wl
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais72
Projecto da junta – Análise das tensões
Volkersen (1938)
37
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais73
Projecto da junta – Análise das tensões
Volkersen (1938)
Balanço das forças do substrato de cima:
11 1 1 1 1
1
dbt bdx d bt
dx t
Balanço das forças do substrato de baixo:
22 2 2 2 2
2
dbt d bt bdx
dx t
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais74
Projecto da junta – Análise das tensões
Volkersen (1938)
Equilíbrio da junta:
1 1 2 2P bt bt
Deformação de corte no adesivo:
1 2 1 21 2
a a a a a 1 2
1 1 1 1du dud du u
G t dx G dx t dx dx t E E
38
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Projecto da junta – Análise das tensões
Volkersen (1938)1 2
a a 1 2
1 1d
G dx t E E
2
2
d
dx t
1
1
d
dx t
2 2 2a1 1 2 2 1 1 2
12 2 2a a a a 1 2
1 Gt d t d ddt
G dx G dx G dx dx t E E
+ +
2a1 1 2
1 2a 1 2
Gdt
dx t E E
A partir de 1 1 2 2P bt bt 1
2 11 2
tP
wt t
Substituindo em
221
1 020
dC
dx
com 2 a
a 1 1 2 2
1 1G
t E t E t
a
0a 2 2 1
G PC
t bE t t
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais76
Projecto da junta – Análise das tensões
Volkersen (1938)
0 0 0
1 2 2 21
sinhcosh cosh 1
sinh
xC C CPx l
bt l
A partir de 1
1
d
dx t
0 1 0 111 2 2
coshsinh cosh 1
sinh
xC t C td Pt x l
dx l l
Substituindo C0 e 2 e usando P
bl
1 cosh cosh
sinh
x lk l x x
k l
2 a
a 1 1 2 2
1 1
2 2
1 1
1
G
t E t E t
E tk
E t
39
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais77
Projecto da junta – Análise das tensões
Goland e Reissner (1944)
Não deformado
Deformado
Momento flector M = Ft/2
Momento flector M = kFt/2k < 1
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais78
Projecto da junta – Análise das tensões
Goland e Reissner (1944)
40
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais79
Projecto da junta – Análise das tensões
Hart-Smith (1973)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais80
Projecto da junta – Análise das tensões
Hart-Smith (1973)
41
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais81
Projecto da junta – Análise das tensões
Método dos elementos finitos
Qualquer geometria
Todas as tensões
Estudos paramétricos mais difíceis
KD = R
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais82
Projecto da junta – Modos de rotura
42
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais83
Projecto da junta – Critérios de rotura
No adesivo• Adesivo frágil tensão máxima (Volkersen ou
G&R)
• Adesivo dúctil deformação máxima (Hart-Smith)
• Adesivo muito dúctil cedência generalizada (análise simples)
• Mecânica da fractura
• Mecânica do dano
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais84
Projecto da junta – Critérios de rotura
Cedência generalizada Para adesivos dúcteis
Crocombe (1989)
prP lb
43
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais85
Projecto da junta – Critérios de rotura
Metais
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais86
Projecto da junta – Critérios de rotura
max yF wt
maxF wl2
sup
sup
6 / e / 2 (G&R)
3 /
M wt M kFt
kF wt
Metais (Adams, 1997)
•Cedência do substrato
•Para cargas pequenas e pequenas sobreposições, k = 1•Para sobreposições grandes comparadas com a espessura (l/t = 20), k = 0
max y / 4F wt
t /F wt max sup t
max y
(1 3 ) /
/(1 3 )
F k wt
F wt k
44
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais87
Projecto da junta – Critérios de rotura
Compósitos
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais88
Projecto da junta – Optimização
Filete de adesivo
Adams & Peppiatt (1974)Crocombe & Adams (1981)Dorn & Liu (1993)Tsai & Morton (1995)
45
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais89
Projecto da junta – Optimização
Geometria dos substratosCherry & Harrison (1970)
Adams et al. (1986) da Silva & Adams (2007)
Hildebrand (1994) Rispler et al. (2000)
Sancaktar & Nirantar (2003)Kaye & Heller (2005)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais90
Projecto da junta – Optimização
Juntas híbridas das Neves et al. (2009)Marques & da Silva (2008)
da Silva & Lopes (2009)Darwish (2004)
Liu & Sawa (2001) Grassi et al. (2006)
Pirondi & Moroni (2009)Chan & Vedhagiri (2001)
Lin & Jen (1999)
46
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais91
Projecto da junta – Juntas tubulares
Juntas para varões (a) e tubos (b)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais92
Projecto da junta – Juntas em T
47
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais93
Projecto da junta – Juntas em canto
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais94
1. Selecção do adesivo
2. Projecto da junta
3. Preparação da superfície
4. Fabrico da junta
5. Controlo do processo
48
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais95
Preparação da superfície – Superfícies
Numa junta ideal o substrato deve ser o elo mais fraco. A junta adesiva (a) pode ser dividida em pelo menos cinco regiões que são similares a elos (b) numa corrente.
Hagemaier (1990)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais96
Preparação da superfícieCaracterísticas que afectam a adesão
ContaminaçãoOs contaminantes (óleos, gorduras,
impressões digitais, agentes desmoldantes, etc.) têm uma baixa energia superficial diminui a molhagem diminui a adesão
49
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais97
Preparação da superfícieCaracterísticas que afectam a adesão
Weak boundary layerFilmes contaminantes, camadas de óxidos,
ferrugem, partículas, etc.
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais98
Preparação da superfície – Princípios gerais
Qualquer tratamento contém:1. Limpeza2. Abrasão mecânica ou modificação
químicaProcessos passivos: não alteram a química
da superfície (removam substâncias que estão fracamente ligadas)
Processos activos: alteração química da superfície
50
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais99
Preparação da superfície – Métodos
Processos passivos• Métodos abrasivos
• Solventes
• Detergentes
Processos activos• Ataque químico
• Anodização
• Tratamento por chama, descargas de corona e plasmas
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais100
Preparação da superfície – Métodos
Metais
AçoAbrasão (grenalhagem com alumina) + solvente (acetona)
AlumínioAtaque químico com ácido sulfúrico + passagem por água + secagem
51
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais101
Preparação da superfície – Avaliação
Não há norma e é difícil de quantificar.
Exemplo: water-break test
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais102
Preparação da superfície – Avaliação
Ensaios destrutivos
Má preparação
Boa preparação
52
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais103
1. Selecção do adesivo
2. Projecto da junta
3. Preparação da superfície
4. Fabrico da junta
5. Controlo do processo
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais104
Fabrico da junta – Etapas do fabrico
Armazenamento
Medição do materiala aplicar
Fixação das partes a colar
Endurecimento oucura
Aplicação do adesivo
53
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais105
Fabrico da junta – Armazenamento
Temperatura ambiente
Baixa temperatura
(frigorífico ou congelador)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais106
Fabrico da junta – Armazenamento
Efeito das condições ambientais
Van Twisk & Aker (1990)
54
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais107
Fabrico da junta – Armazenamento
Produtos refrigerados e congelados
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais108
Fabrico da junta – Medição do material a aplicar
55
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais109
Fabrico da junta – Aplicação do adesivo
Líquido
• Fáceis de aplicar
• Muito desperdício
• Qualquer geometria
• Boa molhagem
• Espátula, rolo, cartucho, seringa, etc.
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais110
Fabrico da junta – Aplicação do adesivo
Pasta• Pistola, espátula• Simples• Pouco desperdício
56
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais111
Fabrico da junta – Aplicação do adesivo
Pasta• Padrão de aplicação para evitar aprisionamento
de ar
Translação Basculamento
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais112
Fabrico da junta – Aplicação do adesivo
Pasta Sika (2009)
57
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais113
Fabrico da junta – Aplicação do adesivo
Filme
• Desperdício mínimo• Não há mistura• Fácil• Boa reprodutibilidade• Espessura uniforme• Superfícies planas• Caro
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais114
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
• Manter as superfícies em contacto
• Evitar variações de espessura
• Permitir uma boa molhagem dos ‘vales’
• Evitar a formação de bolhas de gás (adesivos que curam por condensação e.g. fenólicas, poliimidas, etc). A pressão deve ser superior à pressão do vapor de água.
58
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais115
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Equipamento• Grampos
• Moldes de fixação
• Molas
• Pesos
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais116
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Equipamento• Prensas
59
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais117
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Equipamento• Autoclave
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais118
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Equipamento• Saco de vácuo
60
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais119
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Controlo da espessura• Importante para desempenho mecânico da junta (0,1
a 0,2 mm)Grant et al (2009)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais120
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Controlo da espessura
• Microesferas ou tecidos (filmes integrados)
61
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais121
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Controlo da espessura• Calços
Calço (controla a espessura e o filete)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais122
Fabrico da junta – Fixação das partes a colar
Controlo da espessura• Fios
62
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais123
Fabrico da junta – Endurecimento
Cura
• Reacção química (a maioria dos adesivos estruturais)
• Perda de um solvente (e.g. cola branca da madeira)
• Arrefecimento desde o estado líquido (termofusíveis)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais124
Fabrico da junta – Endurecimento
Reacção química
• Dependendo dos adesivos, pode ser à temperatura ambiente ou a altas temperaturas
• Pode ser necessário pressão (e. g. poliimidas)• Exemplos:
Epóxido 120ºC, 1hBismaleimida (para altas temperaturas) 175ºC, 2h + 230ºC, 2h
• A cura é acelerada com a temperatura• A Tg aumenta com a temperatura de cura mas
atenção à degradação do adesivo
63
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais125
Fabrico da junta – Endurecimento
Reacção química• O tempo de cura depende da temperatura
PermabondESP 110
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais126
Fabrico da junta – Endurecimento
Equipamento• O que conta é a temperatura do adesivo• Fornos (boa ventilação)• Pratos quentes (prensa)
64
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais127
Fabrico da junta – Segurança e ambiente
• Usar luvas e máscaras• Local bem ventilado, com extracção de
ar• Guardar em lugar seguro os solventes
(facilmente inflamáveis)• Reacção exotérmica não usar
espessuras grandes (o adesivo pode queimar)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais128
1. Selecção do adesivo
2. Projecto da junta
3. Preparação da superfície
4. Fabrico da junta
5. Controlo do processo
65
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais129
Controlo do processo – Materiais
Propriedades físicas e químicasCor, viscosidade, shelf life, working life,
densidade, Tg, etc...
Propriedades mecânicasCorte, tracção, compressão, tenacidade
DurabilidadeTemperatura, humidade
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais130
Controlo do processo – Materiais
Propriedades físicas – Tg
66
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais131
Controlo do processo – Materiais
Propriedades físicas – Tg
• DMA (Dynamic Mechanical analysis)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais132
Controlo do processo – Materiais
Propriedades mecânicas• Tracção, compressão e corte
• Constantes elásticas (E, G, )
• Resistência à deformação plástica (tracção, corte, compressão)
• Ductilidade (tracção, corte, compressão)
• Tenacidade (GIc, GIIc, etc.)
67
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais133
Controlo do processo – Processo de colagem
• Inspecção visual• Consistência• Viscosidade• Aprisionamento de ar (air entrapment)• Não ultrapassar a shelf life• Laboratório e ferramentas devem estar limpos• Temperatura de 18 a 32ºC e humidade de 20 a
65%• Controlo da espessura• Controlo do processo de cura (temperatura, tempo
e pressão
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais134
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
• Juntas de simples sobreposição• Juntas de dupla sobreposição• Peel• Clivagem• Impacto• Fadiga • Fluência• Atmosféricos
68
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais135
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
Juntas de simples sobreposição(Single lap joint)
ASTM D 1002
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais136
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
Juntas de sobreposição modificada
ASTM D 3165
ASTM D 3528
Juntas de sobreposição laminada
Juntas de dupla sobreposição
69
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais137
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
Peel
ASTM D 1876
ASTM D 3167ASTM D 1781
T-peelFloating roller peel
Climbing drum peel
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais138
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
ImpactoASTM D 950
70
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais139
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
ImpactoISO 11343
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais140
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
FadigaASTM D 3166 Banea et al. (2009)
71
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais141
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
FluênciaASTM D 2294
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais142
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
Fluência ASTM D 2294
72
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais143
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
AtmosféricosASTM D 896
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais144
Controlo do processo – Ensaios destrutivos
Atmosféricos – Boeing wedge testASTM D 3762
73
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais145
Controlo do processo – Ensaios não destrutivos
Defeitos• Má adesão• Má coesão• Vazios, descolagens, porosidade
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais146
Controlo do processo – Ensaios não destrutivos
Inspecção visual• Poros, desalinhamentos, espessuras não
uniformes, etc.
Tap test• Batimentos na junta
• Som agudo boa adesão
• Som grave vazio ou descolagem
• Pode ser instrumentado
74
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais147
Controlo do processo – Ensaios não destrutivos
Ultra-sons
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais148
Controlo do processo – Ensaios não destrutivos
Emissão acústica• A junta deve ser carregada
• Regista-se as ondas de tensão emitidas por micro-fendas
• Método semi-destrutivo
Radiografia• Vazios ou descontinuidades
• Contraste melhorado com cargas metálicas
75
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais149
Controlo do processo – Ensaios não destrutivos
Métodos térmicos
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais150
Controlo do processo – Ensaios após rotura
Microscopia óptica• Mecanismo de rotura
• Análise da superfície
76
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais151
Controlo do processo – Ensaios após rotura
Microscopia electrónica• Análise da superfície
Superfície de fractura de um toughened epoxy
Superfície de fractura de um untoughened epoxy
da Silva & Adams (2005)
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais152
Controlo do processo – Ensaios após rotura
Microscopia electrónica• Análise da superfície
Banea & da Silva (2010)
77
Lucas da Silva DEMEGI – SMPT – MIEM – PFII – Juntas adesivas estruturais153
Controlo do processo – Ensaios após rotura
Espectroscopia fotoelectrónica por raio X(XPS ou ESCA) e espectrometria Auger (AES)
• Composição química da superfície
Superfície de uma bismaleimida
da Silva & Adams (2005)
