Estrutura Sandwich

ESTRUTURA SANDWICH

NÚCLEO HONEYCOMB (COLMEIA)

MATERIAIS COMPÓSITOS

Alunos:

Rafael Sousa (1091083)

Tiago Silva (1091366)

Hugo Gouveia (1080823)

5/12/2012

2012/2013

Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 2


ÍNDICE

Página

INTRODUÇÃO ………………………………………………………………………………….…………. 4

1. Fabrico …………………………………………………………………………….……….. 5

2. Ensaios ………………………………………………………………………………………. 7

Dureza de Barcol……………………………………………………………. 7

Flexão 3 Pontos …………………………………………………………….. 8

Flexão 4 Pontos ……………………………………………………………… 9

Compressão …………………………………………………………………… 12

Queima …………………………………………………………………..…….. 13

3. Análise Experimental e Teórica ………………………………………………..… 13

CONCLUSÃO …………………………………………………………………………………………….… 15

REFERENCIAS ……………………………………………………………………………………………… 16


INTRODUÇÃO

O objectivo deste trabalho é a criação e teste de uma estrutura sandwich. Para isso

criamos um material compósito, composto por 2 camadas exteriores (peles) e um núcleo. As

peles são feitas em fibra de vidro impregnada com resina e o núcleo é uma estrutura

“honeycomb” ou colmeia em polipropileno.

Uma estrutura sandwich consiste, basicamente, num mínimo de 3 camadas, duas placas

finas de um material resistente intercaladas por um outro material geralmente de baixa

densidade e de características inferiores às camadas superficiais.

As estruturas sandwich, face aos compósitos habituais e a outros materiais mais

comuns, têm vantagens no que toca as suas características estruturais. Por possuir um núcleo

leve mas espesso, apesar das suas baixas características, vem aumentar a rigidez do

compósito, pois aumenta a distância entre as peles. Desta forma, obtemos um compósito com

melhores características mecânicas, aumentando assim a sua resistência à flexão

significativamente, sem aumentar muito o seu peso. As placas à superfície devem ser capazes

de suportar tensões de tracção, compressão e corte devido à flexão, enquanto o núcleo deve

manter as faces afastadas e suportar compressão na direcção perpendicular à das faces, da

mesma forma, a sua resistência ao corte transversal deve ser suficiente para que o conjunto

funcione.

Obviamente, este tipo de estruturas também têm desvantagens, sendo algumas:

Problemas de temperatura

Incompatibilidade de materiais

Factores de segurança elevados levam a sobredimensionamento de estruturas

Problemas com a sua reciclagem


Figura 1 – Preparação das camadas de fibra de vidro

1. FABRICO

Com vista à realização de testes mecânicos numa estrutura sandwich, foi necessário

produzir vários provetes. Estes provetes, com medidas especificadas pela norma ASTM C393-

00-Standard Test Method for Flexural Proprieties of Sandwich Constructions, foram fabricados

através de moldação manual. A dimensão calculada para os provetes foi de 330x14x28 mm,

tendo sido fabricados 6 provetes.

Em relação ao processo de fabrico escolhido, e como referido anteriormente, foi

utilizado o processo de moldação manual. Este processo apresenta vantagens ao nível da

simplicidade de utilização e ao baixo custo de aplicação. Como desvantagens, podemos referir

o acabamento superficial menos cuidado embora, no nosso caso, tenha sido substancialmente

melhorado com a utilização de placas de vidro aplicadas como base e cobertura superficial.

No fabrico da estrutura sandwich, foi utilizado um núcleo de polipropileno com

estrutura em ninho de abelha (Honeycomb Structure) com uma espessura de

aproximadamente 10 mm, de salientar que a espessura original no núcleo era 25 mm mas

fomos obrigados a diminui-la através do corte da mesma de forma a ser possível reduzir os

tamanhos dos provetes de forma a caberem na máquina de ensaios. A este núcleo foram

sobrepostas 2 peles feitas de resina de poliéster insaturado, ortoftálica (no nosso caso foi

utilizada a resina “Resipur 9107”) e fibra de vidro, na forma de tecido orientado 0°- 90°. O

processo foi iniciado pela preparação das camadas de fibra de vidro. As peles da estrutura

sandwich eram compostas por duas camadas de tecido com orientação 0°- 90°, depositadas

sem alteração de ângulo. Na figura seguinte podemos observar o tipo de tecido utilizado:


Figura 2 – Aplicação da cera desmoldante

Figura 3 – Colagem do núcleo

O próximo passo foi a preparação das superfícies de trabalho. As superfícies foram limpas de

resíduos utilizando uma espátula para

raspar os resíduos de maiores dimensões

e posteriormente foram limpas com

acetona. Finalizada a limpeza das

superfícies, prosseguiu-se para a

aplicação de cera desmoldante, a fim de

garantir uma extracção facilitada e sem

danos da estrutura. Na imagem ao lado

mostra a aplicação de cera desmoldante.

Procedeu-se então à preparação da resina de poliéster. Neste tipo de resina, para

acelerar a reacção química e a cura da resina, foram adicionados um catalisador e um

acelerador de reacção. Completada a preparação da resina, procedemos à sua mistura com as

fibras.

Neste tipo de estrutura, tínhamos 2 opções de fabrico: fabrico em 1 etapa e fabrico em 2

etapas. No caso do fabrico em 1 etapa, as peles seriam coladas directamente ao núcleo pela

resina, enquanto no caso do fabrico por 2 etapas, as peles seriam coladas posteriormente ao

seu fabrico (outra opção seria fabricar uma das peles colada directamente no núcleo e outra

colada posteriormente).No nosso caso, optamos por fabricar a estrutura em 1 etapa, visto ser

um processo mais célere. Procedeu-se então à preparação da primeira pele e colagem com o

núcleo de polipropileno:

Realizada a aplicação do núcleo, procedeu-se à construção da segunda pele em cima do

núcleo, finalizando assim a preparação da estrutura.


Figura 4 – Estrutura após cura

A estrutura ficou a curar durante

uma semana. Finalizada a cura, a

estrutura foi extraída das superfícies de

vidro utilizando uma espátula. Para a

criação dos provetes, a estrutura

apresentada acima foi cortada com as

medidas acima enunciadas, sendo

posteriormente sujeitos a um processo

de pós-cura.

2. ENSAIOS

Os ensaios realizados nos provetes basearam-se na norma ASTM C393 para os ensaios

de flexão e ASTM C365-03 para a compressão. Os ensaios de flexão e compressão foram

realizados numa máquina de ensaios universal.

o DUREZA DE BARCOL

Para medir a dureza pré e pós cura da resina utilizamos um medidor de dureza Barcol.

Este método é dos mais comuns para medir a dureza de resinas. É normalizado pela ASTM D

2583.

Figura 5 - Ensaio de Dureza Barcol


Os valores obtidos foram os seguintes:

Média

Pré 37 26 35 31 24 30

Pós 35 42 32 32 30 34

A dureza pós cura é maior do que pré cura, como seria de esperar, ainda assim ficou

aquém da dureza especificada pelo fabricante, que é de 41.

o FLEXÃO EM 3 PONTOS

A distância entre apoios é normalizada para as dimensões do provete, neste caso é de

280mm (L1), as distâncias a cumprir estão representadas na figura seguinte:

Todas as outras dimensões dos provetes são mencionadas na tabela abaixo.

Provete 1 Provete 2 Provete 3 Média

d [mm] 13.93 14.0 14.0 13.98

c [mm] 10.3 9.8 10.0 10.03

b [mm] 28 29.3 29.2 28.83

t [mm] 1.8 1.9 1.8 1.83

Figura 6 - Ensaio de flexão em 3 pontos, Fonte: Norma ASTM C393


Figura 7 - Descolagem no provete de flexão em 3 pontos

Força Máxima (Média) [N] 277,93

Todos os provetes sofreram de uma

descolagem numa das pontas do provete do

lado em que não existia o tecido que

acompanha o núcleo para facilitar a colagem

entre camadas.

o FLEXÃO EM 4 PONTO

A distância entre apoios neste caso também é normalizada de acordo com as dimensões

do provete, neste caso é de 280mm (L2), as distâncias a cumprir estão representadas na figura

seguinte:

0

50

100

150

200

250

300

0,0

1,1

2,2

3,4

4,5

5,6

6,7

7,9

9,0

10,1

11,2

12,4

13,5

14,6

15,7

16,9

18,0

19,1

20,2

21,4

22,5

23,6

24,7

25,9

Forç

a [N

]

Deslocamento [mm]

Força Vs Deslocamento - Flexão em 3 Pontos

Provete 1

Provete 2

Provete 3

Figura 8 - Ensaio de flexão em 4 pontos, Fonte: Norma ASTM C393


Todas as outras dimensões do provete são mencionadas na tabela a baixo.

Provete 4 Provete 5 Média

d [mm] 14.2 14.1 14.15

c [mm] 10.2 10.1 10.15

b [mm] 27.4 27.1 27.25

t [mm] 1.8 1.9 1.85

Força Máxima (Média) [N] 331,65

Cálculos realizados para determinação de propriedades do compósito segundo a

Norma ASTM C393.

Flexão 3 Pts Flexão 4 Pts

P1 [N] = 100,57 P2 [N] = 100,57

Δ1 [mm] = 2,25 Δ2 [mm] = 1.308

L1 [mm] = 280,00 L2 [mm] = 280,00

020406080

100120140160180200220240260280300320340360

0 1 2 3 4 5 6 7 8

For

ça [N

]

Deslocamento [mm]

Força Vs Deslocamento - Flexão 4 Pontos

Provete 4

Provete 5


Rigidez à flexão - Equação (10)

[ (

)]

[ (

)]

Rigidez à flexão do compósito (D) [N.mm2]

46415089,43

Módulo de corte do núcleo – Equação (11)

[(

) ]

[(

) ]

Módulo de corte do núcleo (G)

[MPa] 13,53

Módulo de Elasticidade – Equação (4)

Módulo de Elasticidade (E) [MPa] 11211.21

Tensão de corte do núcleo – Equação (1) – Flexão 3 pontos

Tensão de Corte do Núcleo [MPa] 0.40

Tensão de corte do núcleo – Equação (7) – Flexão 4 pts

Tensão de Corte do Núcleo [MPa] 0.50


Tensão de Flexão da superfície (peles) – Equação (2) – Flexão 3 pontos

Tensão de Flexão da superfície (peles) [MPa] 30.38

Tensão de Flexão da superfície (peles) – Equação (8) – Flexão 4 pontos

Tensão de Flexão da superfície (peles) [MPa] 18.95

o COMPRESSÃO

Para a compressão utilizamos 3 provetes menores com forma quadrada. Os resultados

obtidos foram os seguintes:

O provete 2 foi o que suportou a maior carga, sendo esta de 5054N.

0300600900

120015001800210024002700300033003600390042004500480051005400

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6

For

ça [N

]

Deslocamento [mm]

Força Vs Deslocamento - Compressão

Provete 1

Provete 2

Provete 3


Este ensaio permite encontrar o módulo elasticidade e tensão máxima de compressão

do núcleo. Para isso utilizamos as seguintes equações:

Em que:

– Carga aplicada (média das cargas máximas 4797 N)

– Área do provete (média das médias 3466 mm2)

Obtivemos uma tensão de 1,4 MPa.

Para o modulo de corte, utilizamos a seguinte equação:

Em que:

– declive da primeira parte linear do gráfico Força vs Deslocamento (21473 N/mm)

– espessura do núcleo (10 mm)

o QUEIMA

A queima permite saber com exactidão a fracção mássica de fibras no laminado desta

estrutura sandwich.

Para isso foram retiradas 2 amostras do laminado da sandwich, pesadas e colocadas

num forno onde se queimou totalmente a resina existente. Depois da queima voltou-se a

pesar as amostras e os resultados obtidos foram os seguintes:

Peso do Cadinho [g] Amostra + Cadinho [g] Queimado + Cadinho [g]

25,1193 27,2506 26,1305

24,4666 26,5628 25,4541

Obtivemos uma fracção mássica de fibras de 47,28%.

3. ANÁLISE EXPERIMENTAL E TEÓRICA

Com os resultados obtidos podemos encontrar as constantes de engenharia do

compósito, como o módulo de elasticidade, módulo de corte, etc, assim como a espessura

medida e a esperada.


O ensaio de compressão permitirá ainda saber a tensão máxima de compressão e o

módulo de elasticidade do núcleo.

No que toca à espessura podemos utilizar a seguinte expressão para a obter:

Em que:

– gramagem do tecido (800 g/m2)

– densidade das fibras (2,54 g/cm3)

– densidade da matriz (1,12 g/cm3)

– fracção mássica de fibras no laminado (47,28%)

Obtivemos uma espessura, por camada de tecido de 1,1 mm, como temos duas camadas

de tecido em cada face, mais um núcleo com 10 mm dá um total de 14,4 mm. O valor medido

foi de 14,1 mm.

Para comparar os resultados práticos com os teóricos, primeiro é necessário encontrar a

fracção volúmica de fibras dos laminados, para isso utilizamos a seguinte expressão:

Onde:

– fracção volúmica de fibras no laminado

Obtivemos uma fracção volúmica de fibras de 28,34%.

Com este valor definido podemos então encontrar as constantes em questão

recorrendo à lei das misturas.

Para o módulo de elasticidade:

Em que:

– constante referente ao tipo de tecido utilizado (0,5 – tecido equilibrado)

– módulo de elasticidade das fibras (72 GPa)

– módulo de elasticidade da matriz (4 GPa)

Obtivemos um módulo de elasticidade de 13,07 GPa. De notar ainda que, como se trata

de um tecido equilibrado, .


Para o módulo de corte utilizamos a seguinte expressão:

Em que:

– módulo de corte das fibras (30 GPa)

– módulo de corte da matriz (1 GPa)

Obtivemos um módulo de corte de 1,38 GPa.

CONCLUSÃO

Com todos os valores obtidos podemos compara-los com os referidos pelos fabricantes

e também com valores teóricos.

Módulo de Elasticidade do Compósito

Experimental [GPa] Teórico [GPa]

10,94 13,07

Tensão de corte máxima do núcleo

Flexão 3 pontos [MPa] Flexão 4 pontos [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]

0,40 0,47 0,52

Módulo de Elasticidade do núcleo

Experimental [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]

61,95 65,4

Tensão de compressão máxima do núcleo

Experimental [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]

1,4 1,55

Os resultados experimentais ficaram aquém dos resultados esperados e estabelecidos

pelos fabricantes, isto poderá se dever ao facto de ter sido necessário cortar o núcleo e

também pela falta de experiência na moldação manual.


REFERÊNCIAS

Moura, Marcelo F. S. F de; Morais, Alfredo B. de; Magalhães, António G. de; Materiais

Compósitos 2ªEd 2011.

Normas:

ASTM C274 ASTM C365 ASTM C393 ASTM D2583

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