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Universidade Federal
do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia
Naval e Oceânica
POLI/UFRJ
Fibra de Carbono em Equipamentos de Laboratório para Aplicações em
Engenharia Naval e Oceânica
Filipe Martins Pinheiro
Projeto de Graduação apresentada ao
Departamento de Engenharia Naval e Oceânica,
Escola Politécnica, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Engenheiro
Naval.
Orientador: Antonio Carlos Fernandes, Ph.D.
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2014
FIBRA DE CARBONO EM EQUIPAMENTOS DE LABORATÓRIO PARA APLICAÇÕES
EM ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA
Filipe Martins Pinheiro
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL.
Examinado por:
________________________________________________
Prof. Antonio Carlos Fernandes, Ph. D.
________________________________________________ Prof. Luiz Vaz, D. Sc.
________________________________________________ Prof. Julio Cesar Ramalho Cyrino, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2014
iii
Dedicatória
Dedico este trabalho à minha esposa Barbara
e às minhas filhas Maria Clara e Flora.
iv
Agradecimentos
Sou grato à contribuição de inúmeros colegas e professores e é importante registrar
alguns em especial:
Ao meu Orientador Professor Antonio Carlos Fernandes pela acolhida neste projeto e
pela oportunidade de contribuir com a pesquisa fazendo uso da minha modesta
experiência em aplicações deste material dito “exótico”.
Ao meu Orientador Acadêmico Professor Luiz Vaz pelo voto de confiança e paciência.
Ao Engenheiro Walter Ebers pela reflexão objetiva em direção ao foco do problema.
Ao Professor Ramon Costa (COEP/Coppe-UFRJ) pelo suporte na compreensão dos
sistemas e equipamentos.
Ao amigo e companheiro diário, Técnico do Laboratório LOC, Luis Ferreira pela parceira
e por todas as soluções práticas em que me ajudou.
Ao Engenheiro Ivan Falcão pelo apoio na produção e estímulo à meta.
Ao Técnico Jorge Viletti, do LEDAV, a quem recorri inúmeras vezes por conselhos e
suporte técnico.
Ao Técnico Francisco de “Assis” Freitas, do LIOC pela parceria.
Ao colega Rubem Caetano pela amizade e pelos projetos em Solidworks.
Ao colega Fabio Coelho.
Aos demais alunos que passaram pelo LOC.
A minha mãe, Thereza.
E a minha esposa, Barbara, e minhas filhas, Maria Clara e Flora, pela inspiração.
v
Resumo da Dissertação apresentada ao DENO/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Bacharel em Ciências (B.Sc.)
FIBRA DE CARBONO EM EQUIPAMENTOS DE LABORATÓRIO PARA APLICAÇÕES
EM ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA
Filipe Martins Pinheiro
Fevereiro/2014
Orientador: Antonio Carlos Fernandes
Departamento de Engenharia Naval e Oceânica
Compósitos de Fibra de Carbono vêm sendo usados em diversas estruturas comerciais
favorecendo redução de peso e aumento de rigidez. Sua aplicação em equipamentos
de laboratório sugere maior controle da resistência de suportes e do peso de modelos,
induzindo melhor aquisição de dados experimentais e adequação do modelo ao caso
real.
Diversas estruturas com a aplicação deste material foram desenvolvidas no Laboratório
de Ondas e Correntes.
O Estudo aborda as alternativas mais comuns comparando as estruturas em fibra de
carbono com outros materiais tais como: aço, alumínio, fibra de vidro, plástico e
madeira, considerando viabilidade técnica, econômica e qualidade esperada de
resultados experimentais.
vi
Abstract of Dissertation presented to DENO/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Bachelor in Science (B.Sc.)
Carbon Fibers in Laboratory Equipment for Aplications in Naval and Offshore
Engineering
Filipe Martins Pinheiro
February/2014
Advisor: Antonio Carlos Fernandes
Departament of Naval and Offshore Engineering
Carbon Fiber Composites have been applied in many comercial structures favoring
weight reduction and stiffness. It’s application to laboratory equipment suggests greater
of the strength of supports and weight of models, inducing better experimental data
acquisition and adequacy of the model to the real case.
Several Structures with the application of such material have been developed at the
Laboratório de Ondas e Correntes (Waves and Currents Laboratory) and Laboratório de
Instrumentação Oceanográfica (Oceanographic Instrumentation Laboratory)
The Study addresses the most common alternatives comparing the structures made of
carbon fiber with other materials such as: steel, aluminum, fiberglass, plastic and wood,
considering technical and economic feasibility and expected quality of experimental
results.
vii
SUMÁRIO
Dedicatória .......................................................................................................................... iii
Agradecimentos .................................................................................................................. iv
RESUMO .....................................................................................................................v
ABSTRACT ................................................................. Erro! Indicador não definido.
1. Introdução ................................................................................................................... 1
1.1. Materiais aplicados em equipamentos do LOC ................................................... 2
1.2. Cenário considerado de ensaios de laboratório .................................................. 2
1.3. Aplicações em outros laboratórios ....................................................................... 3
2. Metodologia ................................................................................................................. 7
3. Fibras e Compósitos - Propriedades mecânicas dos materiais .............................. 10
3.1. Fibra de Carbono ............................................................................................... 10
3.2. Fibra de Vidro ..................................................................................................... 12
3.3. Aramida .............................................................................................................. 13
3.4. Resina Epóxi X Resina Poliéster ....................................................................... 14
3.5. Funções da Fibra e da Matriz no Compósito ..................................................... 16
3.6. Vantagens dos compósitos ................................................................................ 18
3.7. Desvantagens dos compósitos .......................................................................... 19
3.8. Juntas Adesivas X Mecânicas em compósitos ................................................. 20
3.9. Plástico Reforçado de Fibra de Carbono .......................................................... 22
4. Processos de fabricação .......................................................................................... 25
4.1. Instalação requerida ........................................................................................... 25
4.2. Preparo e aplicação da resina ........................................................................... 25
4.3. Injeção de resina em moldes fechados ............................................................. 27
viii
4.4. Laminação a Vácuo ........................................................................................... 27
5. Comparação da aplicação de outros materiais ........................................................ 30
6. Aplicação em Suporte para ensaios de VIV ............................................................. 33
7. Aplicação em Chassi de Robô ................................................................................. 38
8. Aplicação na Cyber-Semi ......................................................................................... 40
8.1. Objetivo .............................................................................................................. 40
8.2. Características Principais .................................................................................. 41
8.3. Geração da Forma ............................................................................................. 43
8.4. Equipamentos Embarcados ............................................................................... 46
8.5. Definição dos elementos estruturais .................................................................. 49
8.5.1. Flutuadores ................................................................................................. 49
8.5.2. Convés ........................................................................................................ 50
8.5.3. Pilares e Contraventamentos ..................................................................... 51
8.5.4. Flanges ....................................................................................................... 53
8.6. Fabricação e Montagem .................................................................................... 55
9. Aplicação no Tubulão do Propulsor Azimutal .......................................................... 59
10. Conclusão .............................................................................................................. 62
11. Bibliografia ............................................................................................................. 63
1
1. Introdução
Compósitos de Fibra de Carbono vêm sendo usados em diversas estruturas
comerciais e industriais favorecendo redução de peso e aumento de rigidez. Com
relação à escala de aplicação destacam-se o uso nas pás de hélice de geradores de
energia eólica. Na aviação comercial é aplicada nas asas, principalmente e em flaps. Na
aviação militar é usada intensivamente. Na Engenharia Naval tem diversas aplicações:
em embarcações de esporte recreio, especialmente competições de alto desempenho;
em estruturas offshore como material de reparo temporário substituindo a solda em
ambientes voláteis. Além de inúmeras outras aplicações de menor destaque nesta
abordagem.
Esta dispersão na aplicação estimulou a criação de um mercado de fibra de
carbono com ganho de escala e redução do seu preço a patamares relativamente
atrativos, ou comercialmente viáveis.
Portanto, considerando os desafios tecnológicos a serem vencidos na área de
pesquisa Offshore e a importância econômica do produto final em questão, instalações
de produção de Petróleo e Gás, o eventual aumento nos custos da pesquisa pode ser
compensado pelo ganho na qualidade dos dados obtidos. E ainda, o que este estudo
pretende mostrar, pode permitir ensaios que com outros materiais não seriam possíveis
de outra forma na escala de laboratório.
2
1.1. Materiais aplicados em equipamentos do LOC
Os Materiais mais frequentemente aplicados em equipamentos de ensaio no LOC e
no LIOC são: Plástico PVC (em placas e tubos), madeira, fibra de vidro, espuma de
poliuretano, espuma de poliestireno, aço, aço inoxidável, alumínio e latão.
Recentemente foi aplicada a fibra de carbono em alguns equipamentos, modelos e
protótipos. Este relatório pretende explicitar as vantagens de aplicação deste material
nestes casos e deixar aberta a oportunidade de aplicação em novos casos.
1.2. Cenário considerado de ensaios de laboratório
Ensaios de laboratório buscam, o melhor possível, restringir as variáveis do
problema da pesquisa, de forma a obter maior controle dos dados coletados procurando
reduzir a margem de erro e trabalhando em uma faixa de tolerância o mais estreita
possível. Especialmente dentro das limitações de uma instalação em escala reduzida.
Para tanto, estruturas de apoio do objeto do ensaio precisam ser concebidas de
forma a apresentar deflexões mínimas. O próprio objeto de ensaio deve apresentar
comportamento estrutural que atenda às necessidades da pesquisa, sem deformações
relevantes que influenciem nos dados coletados ou com deformações previsíveis e
controladas.
No âmbito das pesquisas aplicadas aos equipamentos Offshore a redução de escala
muitas vezes chega a ordem de cem, devido às grandes dimensões destes em relação
às instalações de laboratórios em operação. Os materiais comumente usados, mais
baratos, usados na maioria dos casos, oferecem restrições quanto à forma devido à
baixa resistência mecânica e muitas vezes exigindo modelos com geometria
3
simplificada em relação à estrutura real representada. O uso de sensores igualmente
fica restrito. Isso compromete a qualidade da correlação entre os dados obtidos no
ensaio de laboratório e no caso real, exigindo maior tratamento dos dados o que pode
extrapolar os erros do ensaio e aumentar o tempo de trabalho.
1.3. Aplicações em outros laboratórios
NASA
Na literatura só foi obtido sucesso na identificação de um caso de aplicação de fibra
de carbono em equipamento de laboratório bem descrito. Trata-se da substituição das
pás da turbina do gerador de vento do Tunel de Vento do Laboratório “NASA Ames
Research Center”, na California, EUA. Conforme apresentado em [10] PETERS.
O projeto consistia em substituir pás feitas de alumínio por feitas de laminado em
sanduiche de fibra de carbono com núcleo de espuma rígida, para atuar num
compe=ressor com capacidade de até 711 rpm, conforme descrito adiante.
As pás substitutas ofereceram os seguintes benefícios:
Maior tolerância a avarias;
Maior ciclo de vida, maior resitencia a fadiga;
Maior amortecimento;
Maior segurança no caso de falha catastrófica
Menor peso de pá, reduzindo a 50% do peso original.
Maior eficiência da turbina com pás mais leves
Projeto de Protótipo de pá feita de Compósito em 1995:
Com 1067mm de comprimento e 406mm de largura na base com seção decrescente
até 241mm na extremidade
4
Feita em estrutura sanduiche com núcleo de espuma sintática envolta com laminado
híbrido de fibra de vidro e carbono e resina epóxi em camadas orientadas a 0/+30/-30
graus.
Apesar de espumas sintáticas tipicamente pesarem de quatro a oito vezes mais que
espumas tradicionais, as propriedades mecânicas são superiores em várias ordens de
magnitude. Isso se deve à capacidade de absorção de energia das microesferas de
vidro no interior da espuma, o que também indica os pontos de avaria quando são
esmagadas. Ainda, regiões de falha local do laminado externo são claramente visíveis a
olho nu por uma impressão externa.
As camadas de fibra de carbono serviram de suporte estrutural fornecendo
resistência específica e rigidez elevadas, enquanto o núcleo de espuma apoiava o
laminado contra impactos.
As camadas de fibra de vidro atuavam como revestimento protetor de sacrifício e
aprimoramento visual de avarias por impacto durante avaliação da resistência residual.
O protótipo de pá foi testado com cargas combinadas de força centrífuga e pressão
do ar até sete vezes superior ao alumínio.
Fabricando a pá por processo de moldagem por transferencia de resina (RTM –
Resin Transfer Molding) poderia resultar numa pá com custo de aquisição competitivo
em relação ao alumínio enquanto reduziria o peso de forma significativa.
5
Figura 10.1 – Pás da trubina de vento, carbono a esquerda e alumínio a direita
6
MARIN
Questionando diretamente o Laboratório MARIN (Maritime Research Insitute
Netherlands), através do senhor Jan de Boer, gerente da equipe de Desenvolvimento,
apoio e Manutenção de Instrumentação, declara que de fato faz uso do material em
casos especiais quando resistência e/ou peso são fatores chave. E cita alguns casos
em que fizeram uso, com comentários, apresentados a seguir a partir da mensagem
traduzida pelo autor:
Estrutura de modelos segmentados (alta rigidez e baixo peso)
Eixo de propulsor com alta rigidez a flexão (infelizmente a desvantagem é uma
reduzida resistência a torção)
Quilha de embarcações a vela (alta rigidez e baixo peso)
Modelos de navios de espuma (a partir de uma espuma de poliestireno usinada
com a carena do modelo com uma redução de 10mm. Aplica-se uma camada de
laminado de fibra de carbono e epóxi para gerar rigidez e completa-se com
15mm de massa de modelagem que após a cura é usinada para a forma final da
carena. Aplicando a técnica para modelos de até 6m, a partir da qual reconhece
que a resistência a flexão e torção se reduzem muito para uso prático)
7
2. Revisão da Literatura
3. Metodologia
Este estudo busca na Ciência e Engenharia de Materiais (CEM) o amparo para a
devida consideração a respeito da conveniência do uso da fibra de carbono em
equipamentos de laboratório. Na referencia “MATERIAIS DE ENGENHARIA
Microestrutura e Propriedades” de Angelo Fernando Padilha encontra-se a seguinte
definição atribuída a Morris Cohen, conceituado cientista de materiais do MIT:
“Ciência e Engenharia de Materiais (CEM) é a área da atividade humana associada
com a geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição,
estrutura e processamento às suas propriedades e usos.”
Um modelo conveniente para representar a CEM é apresentado na figura abaixo.
Cohen utiliza um tetraedro, no qual os quatro vértices representam: síntese e
processamento, estrutura e composição, propriedades e desempenho.
Figura 2.1 - Representação da CEM com auxílio de um tetraedro. [1]PADILHA
8
No conceito proposto por Cohen, síntese e processamento estão relacionados com
a definição do material com foco na sua microestrutura:
“A microestrutura dos materiais é determinada basicamente pela sua composição e
pelo seu processamento. Por exemplo, a microestrutura de uma liga metálica (e grande
parte das suas propriedades) depende da sua composição química, do teor de
impurezas, das condições de solidificação (da tecnologia de fundição empregada), do
processo de conformação mecânica, dos tratamentos térmicos e assim por diante.”
(Padilha, página 30)
Considerado aqui a aplicação em equipamentos estamos abordando a
macroestrutura de materiais e este aspecto de síntese está definido adiante por
exemplo nos três tipos de fibra de carbono que se pode encontrar no mercado, entre os
quais determina-se o trabalho com o tipo alta resistência (HS – High Strangth). Não
cabe entrar em detalhes dessa natureza com as demais fibras e mesmo demais
materiais abordados neste estudo.
Na síntese e processamento vamos considerar: a definição do tipo, o custo de
aquisição, o processamento na aplicação e uso (tanto técnico como de custo).
Na composição e estrutura vamos considerar os elementos e sua aplicação em
estrutura, projeto estrutural com o material, adequação do projeto estrutural de acordo
com as possibilidades do material.
Nas propriedades vamos considerar as propriedades mecânicas do material ou da
composição de materiais quando houver mais de um, no caso dos compósitos.
9
No desempenho vamos considerar o comportamento da estrutura ou equipamento
do ponto de vista das necessidades do experimento a ser aplicado.
A partir deste modelo se desenvolve este trabalho apresentando o material quanto
as suas propriedades, composição, desempenho e processamento. Em seguida
comparando com os demais materiais citados quanto a estes aspectos, considerando
alguns casos efetivos de aplicação para amparar as considerações do trabalho e
permitir uma referencia para futuras escolhas de material onde a Fibra de Carbono
possa ser aplicada com sucesso adequado.
10
4. Fibras e Compósitos - Propriedades mecânicas dos
materiais
Nesta seção apresentamos detalhadamente a Fibra de Carbono em relação às
demais fibras estruturais além da resina epóxi e demais resinas estruturais e o
compósito Fibra+resina efetivamente.
4.1. Fibra de Carbono
A Fibra de Carbono é produzida pela oxidação, carbonização e grafitização
controlada de precursores orgânicos ricos em carbono que já estejam em forma de
fibra. O precursor mais comum é o poliacrilonitrila (PAN), porque é o que resulta em
fibra de carbono com as melhores propriedades, mas a fibra também pode ser feita a
partir de piche ou celulose. Variações no processo de grafitização produzem fibras de
variados módulos de tensão de escoamento. Uma vez formada, a fibra recebe
tratamento da superfície de modo a favorecer a adesão da matriz e tratamento químico
para proteção ao manuseio.
No início de sua fabricação, no final dos anos sessenta, o preço básico era da
ordem de 300 US$/Kg. Em 1996 a produção mundial chegou a cerca de 7.000
toneladas e o preço equivalente era de 25 a 60 US$/Kg, atualmente estes valores se
mantêm, dependendo da resistência da fibra e do volume a ser adquirido.
A Fibra de Carbono apresenta a maior rigidez específica de todas as fibras
comerciais, alta resistência à tração e compressão e alta resistência à corrosão, fluência
e fadiga. Por outro lado sua resistência ao impacto é inferior à de outras fibras como
Vidro e Aramida, com características de fratura frágil particularmente nas séries de alto
11
módulo (HM) e ultra alto módulo (UHM). Neste trabalho estamos considerando a Fibra
de Carbono de Alta Resistência (HS – High Strength), processada a temperaturas
inferiores as HM e UHM apresenta maior disponibilidade no mercado e menor custo
entre as três.
Ainda, as fibras de carbono são as únicas em questão que podem ser consideradas
condutoras elétricas. Em muitos casos isso pode não ser relevante, mas pode ser crítico
em alguns casos. Por essa característica, pode ser necessário se considerar a
possibilidade de corrosão eletrolítica quando aplicada em conjunto com outros
materiais. O Carbono apresenta potencial eletrolítico elevado e tem comportamento de
material nobre em séries galvânicas. Não ocorre corrosão do próprio carbono, mas
pode provocar corrosão galvânica em outros materiais, particularmente o alumínio.
12
Propriedades Básicas de Fibras e Outros Materiais de Engenharia
Tabela 3.1.1 - Propriedades mecânicas dos materiais em discussão [2] ROYLANCE
4.2. Fibra de Vidro
As Fibras de Vidro também apresentam três tipos: Tipo E, Especial e Quartzo, e
neste estudo estamos considerando a tipo E pelo mesmo motivo que restringimos o tipo
da fibra de carbono.
Fibra de Vidro tipo E apresenta modulo de tensão e rigidez inferior às outras fibras
sendo consideradas mas possui um custo consideravelmente menor. É uma fibra mais
densa do que as demais de forma que estruturas reforçadas com esta fibra terão peso
bastante superior do que outras reforçadas com fibras de desempenho superior.
Tipicamente uma estrutura desta fibra atinge mais do dobro do peso de uma estrutura
13
de compósitos de fibra de Carbono ou Aramida, mesmo que seu peso ainda seja
bastante inferior do que estruturas convencionais em aço ou mesmo alumínio.
Comporta-se como isolante elétrico e oferece boa resistência a corrosão.
4.3. Aramida
Fibras de Aramida, sendo a mais conhecida o Kevlar (da DuPont), apresentam
elevada resistência à tração e relativamente elevado alongamento até a ruptura.
Resultando em excelente desempenho na absorção de grandes quantidades de energia
como, por exemplo, estruturas sujeitas a forças de impacto. A fibra possui densidade
muito reduzida e, portanto, resultam em estruturas extremamente leves. A maioria das
estruturas em PRFV apresentam Resistencia a compressão ligeiramente inferior a
resistência a tração, e isto também ocorre com as estruturas laminadas com fibras de
Aramida portanto qualquer seção da estrutura sujeita a tensões de compressão
significativas devem ser cuidadosamente consideradas. Fibras de Aramida apresentam
coeficiente de expansão térmica negativo.
Seu processamento é difícil tanto o corte do tecido como o acabamento de
superfícies exigindo camadas extras de outras fibras, seja de vidro ou de carbono, a fim
de se obter um bom acabamento.
14
Tabela 3.3.1 - Propriedades mecânicas das fibras mais comuns [3] MAZUMDAR
4.4. Resina Epóxi X Resina Poliéster
O universo de resinas plásticas é vasto, suas aplicações são inúmeras, porém
devido o ambiente de laboratório exigir peças únicas, protótipos por excelência,
sistemas de resina de aplicação industrial que requeiram equipamentos para o
processamento não serão considerados. Ainda, pelo reduzido volume das peças, a fim
de obter o melhor acesso aos materiais necessários e controlar os custos, faz-se
necessário trabalhar com as resinas mais comuns, disponíveis comercialmente no
varejo. Considerando finalmente a manipulação e processamento podem-se restringir
as opções às resinas Epóxi e Poliéster, comparadas a seguir.
Resina Epóxi
As resinas epoxídicas são compatíveis com todas as fibras e são particularmente
empregadas em compósitos de estruturas de alto desempenho em função de sua alta
15
capacidade de adesão/interface com as fibras além de alto módulo de elasticidade.
Transmitindo os esforços para as fibras de forma eficiente, proporcionando melhor
aproveitamento da resistência mecânica das fibras. É adotada como primeira opção em
laminados de Fibra de Carbono.
De manipulação simples, com diversos sistemas disponíveis comercialmente,
podendo ser processada a frio, sua estrutura cristalina apresenta baixa retração após a
cura, de forma que entre as resinas viáveis de serem processadas manualmente é a
que reproduz o molde com maior precisão e preserva a forma por mais tempo.
Resina Poliéster
A resina Poliéster possui módulo de elasticidade inferior ao do Epóxi, resistência à
tração também inferior e menor adesividade (ou capacidade de adesão), não transmite
os esforços da estrutura às fibras tão bem quanto à última. Desta forma não
proporciona o melhor aproveitamento das propriedades mecânicas das fibras.
De manipulação mais complexa, com aplicação de catalizadores e aceleradores na
mistura, exige maior curva de aprendizado do usuário. Apresenta retração durante seu
processo de cura gerando peças com menor precisão que podem comprometer a
montagem de peças de tamanho reduzido típicas de laboratório, ou podem exigir maior
tempo de trabalho de processamento e ajustes.
Tabela 3.4.1 - Propriedades mecânicas das Resinas [3] MAZUMDAR.
16
A fim de explorar ao máximo as propriedades mecânicas da Fibra de Carbono, com
destaque para resistência a tração, a resina mais adequada, portanto, é a resina epóxi.
Com o melhor aproveitamento das fibras pode-se definir o projeto de uma peça mais
resistente ou mais leve conforme as necessidades do equipamento em questão, com
uso econômico da fibra. O principal consultor na área de estruturas em fibra de carbono
em atuação no país, Jorge Nasseh M. Sc., é categórico em afirmar a necessidade de se
aplicar resina epóxi.
4.5. Funções da Fibra e da Matriz no Compósito
O material compósito tratado aqui é formado por plástico reforçado com fibras. Para
uma boa compreensão do comportamento dessas estruturas se faz necessário
esclarecer de forma sucinta o papel das partes de fibra e da matriz no compósito, suas
funções principais estão apresentadas abaixo:
Fibras
As principais funções da fibra no compósito:
• Suportar a solicitação: Num compósito estrutural, de 70 a 90% do carregamento é
suportado pelas fibras.
• Proporcionar o compósito de características de rigidez, resistência, estabilidade
térmica e outras propriedades estruturais.
• Proporcionar condutividade elétrica quando necessário.
17
O material da matriz preenche diversas funções na estrutura do compósito e na maioria
essenciais ao comportamento satisfatório da estrutura. A Fibra não é utilizada sem a
presença de um material matriz, ou ligante.
Matriz
As funções mais importantes do material matriz incluem:
• O material da matriz aglutina as fibras umas as outras e transfere o carregamento a
estas de forma a distribuir as cargas ao conjunto. Proporciona dureza e molda a
geometria da estrutura;
• A matriz isola as fibras de forma a atuarem separadamente. Isso impede ou dificulta a
propagação de trincas;
• A matriz permite uma superfície de acabamento de boa qualidade e produção de
peças acabadas ou semiacabadas;
• A matriz protege as fibras reforçadoras contra agentes químicos e desgaste;
• Também podem influenciar outras características mecânicas como ductilidade,
resistência ao impacto, etc.
• As condições de falha são fortemente afetadas pelo material da matriz, bem como pela
sua compatibilidade com a fibra.
• A matriz permite a incorporação de sensores no compósito para fins de monitoramento
de esforços. Algumas aeronaves apresentam sensores na sua estrutura a fim de
monitorar falhas devido à fadiga. Neste caso também são chamados de “materiais
inteligentes” pois permitem operação monitorada.
18
4.6. Vantagens dos compósitos
“Uma das propriedades mais interessantes dos PRFV (Plástico Reforçado de Fibra
de Vidro), é a de poder orientar o esforço, segundo a direção mecanicamente mais
solicitada.” [4] FONSECA
O Compósito de Plástico Reforçado de Fibra apresenta uma série de características
que podem ser vantajosas na aplicação de estruturas comumente usadas em
laboratório.
Possuem alta rigidez específica (relação rigidez/densidade) permitindo se obter a
mesma rigidez do aço com peso de cinco a 15 vezes menor, ou do alumínio com peso
de duas a sete vezes menor.
A tensão específica também é elevada sendo de 3 a 10 vezes a do aço e alumínio
respectivamente. Daí resulta que peças de compósitos podem ser mais leves que as
comumente feitas de metal e oferecer a mesma resistência.
A resiliência, característica de resistência à fadiga, também é maior, pode atingir
90% da tensão estática em compósitos unidirecionais de carbono/epóxi, contra cerca de
50% da tensão estática apresentada pelo aço. No caso de carbono unidirecional temos
todas as fibras aplicadas na direção da solicitação dos esforços, otimizando a relação
peso/resistência.
A possibilidade de direcionamento de fibras e de moldagem plástica oferece maior
flexibilidade de projeto do objeto.
Com coeficiente de expansão térmica muito inferior, dependendo da seleção de
materiais do compósito pode-se obter maior estabilidade dimensional.
19
Estruturas complexas difíceis de fabricar com metais, normalmente exigindo
usinagem especial e soldas de partes feitas separadamente podem ser moldadas
diretamente no plástico reforçado aumentando a confiabilidade e reduzindo o tempo de
fabricação. Possibilitando muitas vezes a redução nos custos finais.
4.7. Desvantagens dos compósitos
Custo
A principal desvantagem da Fibra de Carbono é seu custo elevado de aquisição que
será abordado em mais detalhe quando comparado com outros materiais adiante. Esta
característica tem maior relevância, sobretudo para produtos industrializados, feitos em
série, cujos custos de fabricação são reduzidos pelo ganho de escala e prevalece o
custo de material. Na aplicação proposta, de equipamentos de laboratório de pesquisa
offshore, pela natureza inovadora dos elementos a serem objeto de pesquisa, das
características únicas dos modelos, ou dos suportes, cada objeto a ser fabricado é um
protótipo feito exclusivamente para atender uma linha de pesquisa. Podem ser geradas
séries de modelos e que raramente passam de dez unidades e ainda na maior parte
das vezes são diferentes entre si, mesmo que em pequenos detalhes.
Desta forma o custo de fabricação destes equipamentos é parte importante do custo
total, materiais mais caros que ofereçam fabricação mais rápida, e barata, podem se
equiparar com outros mais baratos e de fabricação mais complexa como os metais.
Ainda, na pesquisa offshore é intensivo o uso de aço inoxidável, material que também
apresenta custo relativamente elevado na aquisição e no processamento.
20
Com os metais soluções de projeto são mais rápidas de se desenvolver diante do
histórico de dados de soluções e aplicações possíveis. Devido ao histórico recente dos
compósitos não se dispõe de tal apoio neste caso e o projeto do elemento pode
consumir mais tempo reduzindo sua vantagem em relação à velocidade de
processamento o que deve ser considerado no prazo global da pesquisa quando da
escolha do material.
4.8. Juntas Adesivas X Mecânicas em compósitos
Trabalhando com compósitos é muito comum as partes serem unidas por colagem,
ou por adesivos, e a resina aplicada deve apresentar boas características de adesão.
Portanto aqui cabe um comentário sobre as vantagens e desvantagens entre uniões por
colagem com adesivos e uniões mecânicas. De forma a se observar em cada caso qual
a mais adequada ao produto em cada parte dele.
Entre os aspectos positivos da colagem o primeiro a se considerar é que com a
colagem obtém-se a distribuição dos esforços contra a carga concentrada típica de
juntas aparafusadas, ou com união mecânica, e com isso igualmente apresentam maior
resistência a cargas devidas a flexão, fadiga e vibrações. E também funcionam como
seladores, acomodando superfícies irregulares e vedando de forma mais eficaz a união.
Permitem contornos suaves com mínima influência nas dimensões o que pode ser
crucial em geometrias hidrodinâmicas. O aumento de peso é desprezível. E, finalmente,
na maioria dos casos o custo é menor.
Entre os aspectos negativos mais relevantes temos: a necessidade de tratamento
das superfícies sujeitas à colagem, o tempo de cura que pode ser demorado e
21
aplicação de calor pode ser necessária. A inspeção de uma junta colada pode ser difícil
gerando incerteza quanto à integridade. Exige maior técnica e controle de processo. E,
principalmente, é permanente, não permitindo montagens e desmontagens sucessivas.
Em contrapartida juntas mecânicas permitem: montagens e desmontagens sem
prejuízo das partes, inspeção e controle de qualidade fácil. Requer mínima ou nenhuma
preparação das superfícies a serem unidas, exceto quando se faz necessária a vedação
da união.
Por adicionarem maior peso à estrutura as juntas mecânicas podem comprometer o
potencial de redução de peso de estruturas em compósitos.
A concentração de esforços causada pela presença de furos gera uma
descontinuidade do compósito porque interrompe as fibras reforçadoras, além de expô-
las ao ambiente removendo a camada isolante de resina, exigindo reprocessamento no
local com repasse de uma nova camada, como um anel de resina por dentro da
furação. A concentração de esforços não pode ser absorvida como em metais com
escoamento local e redistribuição das tensões típicas de materiais dúcteis. Em alguns
casos pode ser necessário prever o furo no projeto de orientação das fibras com
aplicação de camadas adicionais no local. Há ainda a possibilidade de corrosão
galvânica pela presença de materiais diferentes, exigindo o acréscimo de produtos
isolantes, tipicamente usa-se a borracha de silicone nestes casos.
22
4.9. Plástico Reforçado de Fibra de Carbono
As propriedades mecânicas do compósito de fibra/resina são determinadas
principalmente pela contribuição da fibra ao compósito, onde compósito deve ser
entendido como um composto de dois elementos que não se misturam e que juntos
formam um terceiro elemento de novas propriedades, e que não podem ser separados.
Também denominado Compósito de Carbono, ou ainda Conjugado de Carbono/Epóxi
(considerando que a resina epóxi predomina nas aplicações).
Os quatro fatores principais que definem a contribuição da fibra são:
- As propriedades mecânicas da própria fibra;
- A interação da fibra com a resina (a interface);
- A quantidade de fibra no compósito (Fração Volumétrica de Fibra);
- A a gramatura e a quantidade de camadas de tecido;
- A orientação das fibras no compósito.
23
Tabela 3.9.1 - tabela de propriedades mecânicas de laminados padronizados
[5] GERSTLE
A Fibra de carbono apresenta ainda grande resistência à fadiga, superando as
Fibras de Aramida e de Vidro. Fortalecendo sua adequação ao laboratório pela
capacidade de manter suas características por mais tempo, ou maior número de
ensaios. Como podemos ver no gráfico a seguir:
24
Gráfico 3.9.1 - Tensão de escoamento x Carregamento estático [6] TEW
25
5. Processos de fabricação
5.1. Instalação requerida
As propriedades do compósito apresentadas nas tabelas anteriores foram geradas a
partir de ensaios com corpos de prova fabricados em condições ambientais controladas.
Para a fabricação de objetos em fibra de carbono em conformidade com seu projeto,
com referencia as propriedades esperadas já citadas, é necessário que a temperatura e
a umidade ambientes estejam próximas daquelas da referência de projeto, basicamente
25°C e umidade relativa do ar abaixo de 75% e idealmente abaixo de 60%, portanto
condições semelhantes às necessárias à pintura profissional.
O local de trabalho deve oferecer uma bancada de trabalho com espaço suficiente
para aplicação da resina nas fibras além do molde do modelo e ferramentas. As
ferramentas necessárias são as mesmas usadas no processamento da fibra de vidro.
Uma balança de precisão moderada garante a correta mistura da resina.
5.2. Preparo e aplicação da resina
O preparo da resina epóxi é feito basicamente através da mistura de dois
componentes resinosos de alta viscosidade. A fim de se favorecer a melhor reação
entre os componentes e desta forma obter o plástico mais homogêneo é necessário que
a mistura seja bem feita. Nesse processo de mistura muitas bolhas de ar são
capturadas pela resina. Num ambiente úmido, acima de 75% de umidade relativa do ar,
26
essas bolhas de ar contém vapor em quantidade não desprezível. Durante a
cristalização da resina ocorre exotermia, e essas bolhas de vapor aprisionadas na
resina se expandem criando microfissuras no laminado, comprometendo a
impermeabilidade e a resistência da matriz que suporta o reforçador.
Quanto à temperatura, em um ambiente abaixo de 30°C há maior tempo para
manipulação da resina antes que se inicie a cristalização, ou “Gel-Time”. Isso permite
que se possam aplicar as camadas de tecido corretamente, conforme projeto, e ainda
sobre tempo para que a resina se espalhe pelo molde, e eventualmente seja removido
seu excesso, de forma que o “Gel-Time” se dê com o laminado já em repouso.
Favorecendo a formação mais homogênea de cristais e assim um compósito mais
resistente.
Depois de encerrada a manipulação dos materiais podem ser aplicadas pressões
externas sobre o laminado contra o molde e/ou aumento da temperatura a fim de
acelerar o processo de cura. Existem diversos procedimentos e equipamentos para
isso. A necessidade de se aplicar pressão sobre o laminado depende da geometria da
peça e em alguns casos pode ser essencial para garantir a correta moldagem.
Considerando o laboratório de pesquisa Offshore com sua demanda bastante
reduzida, essencialmente não industrial, mas de prototipagem, não se encontra
justificativa econômica direta para empregar equipamentos muito elaborados tais como
fornos Autoclave, ou sistema de infusão de resina. O primeiro pelas suas dimensões e
complexidade de operação e manutenção. O segundo pelas características do método
que exige uma margem excedente de resina no laminado. Eventualmente partes
especiais podem ser processadas por prestadores de serviço que disponham destas
instalações.
27
5.3. Injeção de resina em moldes fechados
A Injeção de resina pode ser feita por gravidade e/ou diferença de pressão. A
principal vantagem deste processo é a segurança de trabalho obtida pelo controle dos
gases voláteis devido a resina permanecer confinada, seja dentro do molde ou no
reservatório. As saídas de ar podem ser filtradas contra vapores orgânicos, inclusive a
exaustão da bomba de vácuo.
Aplicada em moldes fechados, na maioria das vezes em conjunto de molde e
contramolde, a injeção se presta muito bem à réplica de peças, favorecendo sua
reprodução de forma homogênea e rápida.
Por outro lado, para se garantir a completa impregnação das fibras se faz
necessário trabalhar com uma margem acima na proporção de resina/fibra, dai
resultando numa peça mais pesada daquela que se poderia obter num processo de
laminação manual com aplicação de vácuo.
Esse método favorece a confecção de modelos/corpos de prova seriados que
podem ter suas características mecânicas consideradas equivalentes para efeito de
comparação de resultados de ensaios.
5.4. Laminação a Vácuo
Na elaboração de Protótipos as alterações de projeto são inerentes ao processo
exigindo flexibilidade por parte do processo construtivo, e versatilidade por parte do
molde. Para moldes que precisem variar muito um processo eficiente de compressão do
laminado compósito é o processo de laminação a vácuo, onde uma bolsa envolve todo
28
o molde e aplica-se vácuo à bolsa de forma que a pressão atmosférica atue distribuída
sobre a peça contra o molde.
Dentro da bolsa, sobre o laminado, camadas de tecido de náilon, plástico perfurado
e manta permitem além da compressão, absorção do excesso de resina no laminado,
resultando num laminado com uma matriz mínima dando suporte aos reforçadores, ou
seja um elemento compósito com a resistência projetada de fibra e peso final mínimo.
É por esse processo básico que se obtém peças mais leves e que leva a
interpretação de que a fibra de carbono é mais leve, quando na verdade é uma fibra
mais resistente cujo painel laminado vai apresentar menos fibras por seção do que um
painel equivalente em fibra de vidro, com a redução da proporção de resina a peça final
de carbono pode ter seu peso da ordem de até dez vezes menor do que uma peça
equivalente em fibra de vidro, dependendo da geometria.
Numa peça de fibra de vidro, mesmo que se aplique a compressão do laminado,
devido a quantidade de camadas ou quantidade de fibras por seção ser maior (a fim de
atender a mesma resistência) há maior empilhamento de fibras dificultando a
compactação do laminado sob pressão desta forma permitindo o surgimento de vazios
entre as fibras que serão preenchidos de resina resultando numa maior proporção de
resina/fibra e maior peso final e relativo da peça de fibra de vidro.
Forno Auto-clave
O forno Auto-clave, resumidamente, é uma câmera pressurizada com aquecimento
interno. No interior deste uma peça de carbono é processada dentro de uma bolsa de
vácuo. Desta forma a pressão exercida sobre o laminado é maior do que a atmosférica,
como no caso da bolsa de vácuo simples, e acrescenta-se a aplicação de calor para
acelerar o processo de cura da resina.
29
O resultado é uma peça com menor percentual de resina, portanto mais leve. Melhor
acomodação das fibras, portanto mais próximo da acomodação teórica. E melhor cura
da resina, portanto com comportamento mecânico mais próximo do teórico.
O Auto-clave é essencial no caso de laminação com tecidos “Pré-preg”, ou pré
impregnados de resina. Esses tecidos precisam ser estocados em ambiente refrigerado
e a resina precisa de temperaturas mais altas, em geral 60 ou 80o, para atingirem seu
ponto de cura.
Peças de alto desempenho, tais como fuselagem de aviões ou de carros e
embarcações de competição são processadas desta forma.
O custo é extremamente elevado. Na cidade do Rio de Janeiro só se tem
conhecimento de uma instalação comercial, na área de manutenção de aeronaves do
Aeroporto Internacional.
É um processo importante quando se trata de uso da fibra de carbono mas está fora
do escopo deste trabalho e do cenário de laboratórios de pesquisa Naval e Oceânica.
Além disso na abordagem dos casos de aplicação deste trabalho mostra-se que mesmo
sem a aplicação desta técnica os resultados obtidos foram extremamente satisfatórios.
O que significa dizer que mesmo que o processo usado não permita o aproveitamento
máximo do desempenho deste material ainda assim mostra-se como uma alternativa
bem sucedida
30
6. Comparação da aplicação de outros materiais
Nesta argumentação em favor do uso de compósitos de fibra de carbono em
equipamentos de laboratório é essencial sua comparação com outros materiais de
aplicação recorrente com o mesmo fim.
Em muitos casos a relação entre vantagens e desvantagens permitirá perceber na
aplicação da fibra de carbono perspectivas de melhores resultados.
Como já mencionado na Introdução os materiais estruturais mais frequentemente
aplicados em equipamentos de ensaio no LOC e no LIOC são: Plástico PVC (em placas
e tubos), madeira, fibra de vidro, aço, aço inoxidável, alumínio e latão.
Seguindo a linha de abordagem do estudo de materiais é feita a comparação nos
quatro aspectos essenciais: síntese e processamento, estrutura e composição,
propriedades e desempenho, como descrito na metodologia.
A comparação de Plásticos com outros materiais é favorecida se considerarmos
“stiffnes per unit mass”, ou o módulo de elasticidade dividido pela massa específica
como no gráfico 5.1. Como resultado da baixa densidade dos polímeros seus valores se
aproximam e os compósitos excedem amplamente ao aço. No Grafico 5.1 temos no
gráfico a esquerda o módulo de elasticidade dos materiais e a direita o módulo de
elasticidade por densidade.
Pelo gráfico podemos perceber que o desempenho do alumínio é equivalente ao do
aço, e reconhece-se que no ambiente de laboratório aplica-se com frequência o
alumínio sobretudo pela facilidade de trabalho, de processamento.
No item “hard thermoplastics” pode-se considerar que engloba o PVC rígido, de
tubos e placas, com uso extensivo em laboratórios pela grande facilidade de
processamento e baixo peso. Para cargas leves.
31
O item “thermosets with glass reinforcements” trata dos compósitos em fibra de
vidro, material usado na maioria dos modelos de embarcações, na maioria dos
laboratórios.
Com desempenho semelhante à fibra de vidro encontramos a madeira, a escolha
entre um ou outro depende essencialmente da forma do objeto, das limitações de
processamento da madeira. Muitas estruturas simples podem ser feitas igualmente por
madeira ou fibra de vidro, geometrias mais complexas tornam a modelação da madeira
mais demorada e/ou exigindo maior técnica
Finalmente a fibra de carbono aparece destacada, fora da curva pode-se dizer. Nos
de aplicação apresentados neste trabalho pretende-se reforçar esta vantagem em
relação aos demais materiais.
Gráfico5.1 – Resistência a tração e resistência a tração por massa específica. [7] VEGT
32
Na Tabela 5.1 além das propriedades mecânicas o custo médio dos materiais. Cabe
explicitar que o custo do primeiro item, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic –
Plástico Reforçado com Fibra de Carbono), é de fato muito acima dos demais. Nos
casos de aplicação citados adiante pode-se verificar que o custo do material pode ser
absorvido pelos demais custos de uma pesquisa, sobretudo porque as estruturas em
questão são de baixo peso, sendo o maior deles o peso da Cyber-Semi de 3,1kg.
Dentro de um projeto muito maior que benficia vários estudos. O Suporte para VIV além
da pesquisa original, que o motivou, faz parte agora dos equipamentos de uso
permanente do Laboratório de Ondas e Correntes, e neste caso pode-se considerar que
seu custo inicial, mesmo que elevado, vem sendo absorvido pelo sucessivo uso.
Portanto a discussão de custo mesmo que seja importante deve ser relativizada.
Tabea 5.1 – Propriedades mecânicas e custo de materiais[8]ROYLANCE
33
7. Aplicação em Suporte para ensaios de VIV
Para estudos de Vibrações Induzidas por Vórtices com dois graus de liberdade foi
desenvolvido um aparato experimental com uma haste feita em laminado de fibra de
carbono com 25mm de diâmetro interno e comprimento de 3145mm. Os resultados
obtidos permitiram um estudo inovador.
Estruturas tubulares laminadas são geralmente fabricadas usando fibras envoltas
em dois ângulos. Fibras com ângulo de bobina próximo de 90 graus (medido a partir do
eixo longitudinal da peça) são chamadas de fibras em anéis. Fibras formando um
padrão helicoidal são tipicamente orientadas em ângulos entre 10 e 60 graus
dependendo da rigidez e resistência requeridas. Estas fibras proporcionam rigidez axial
e suportam as cargas axiais. As fibras em anéis suportam carreamentos
circunferenciais. As fibras envoltas em helicoides a grandes ângulos colaboram com
as fibras em anéis na resistência a cargas circunferenciais entretanto se o ângulo de
alinhamento da fibra for muito acentuado a resistência axial das fibras perde muita
eficácia. Camadas em anéis e helicoides costumam ser alternadas ao longo da
espessura do laminado. As fibras em anéis quando envoltas com pressão compactam
as demais camadas do laminado de forma eficiente além remover o excesso de resina,
reduzindo o peso final.
O tubo foi laminado seguindo conceitos de tubos estruturais comuns, com 3
camadas de fibra de carbono unidirecional (de 150 g/m2) sendo uma orientada ao longo
do tubo (0 graus) e em “X” (45 e 135 graus), com resina epóxi e processo de pressão
por fita de náilon esticada em espiral, para remoção do excesso de resina.
A seguir a descrição do aparato conforme apresentada por [9] COELHO:
34
“APARATO EXPERIMENTAL PARA O ESTUDO COM DOIS GRAUS DE
LIBERDADE
O projeto do aparato para os ensaios com dois graus de liberdade é similar ao
projeto para um grau de liberdade. De forma a permitir movimentos somente em duas
direções e obter um baixo fator de amortecimento, uma torre foi utilizada conforme a
Figura 6.1. No topo da torre, um sistema de rolamentos lineares restringe, em dois
graus de liberdade somente, o movimento pendular de uma haste que se estende do
topo da torre à conexão com o modelo imerso no canal de correntes (Ver Figura 6.2).
Neste dispositivo, na medida em que se aumenta a força de arrasto com a
velocidade de corrente, o cilindro tende a encontrar uma posição neutra (na direção
alinhada com a corrente) a jusante da posição neutra da medição anterior. Para corrigir
este efeito e garantir que a posição neutra da haste esteja sempre na vertical, um
dispositivo de compensação foi adicionado ao aparato de forma a permitir um
deslocamento da haste pelo topo até o seu alinhamento com a vertical (Ver Figura 6.2).
O cilindro foi conectado a dois conjuntos de molas dispostas nas direções x e y
conforme destacado na Figura 6.3. A rigidez das molas é a mesma para as duas
direções e foram ajustadas de forma a se obter, via ensaio de decaimento, a mesma
freqüência natural para as direções x e y.
A haste possui um comprimento de 3,145 m e foi produzida com fibra de
carbono resultando em alta rigidez e massa reduzida. O comprimento total do sistema
incluindo o cilindro é de 3,91 m. Este comprimento foi dimensionado de forma a garantir
que o movimento de rotação do cilindro (movimento pendular) seja desprezível e que o
cilindro se comporte como se estivesse sofrendo pura translação. Um estudo desta
influência foi feito e constatou-se que o movimento de rotação do sistema como um todo
35
é de aproximadamente 1,5º para o caso de maior translação observado nos resultados
experimentais obtidos.
O sistema projetado é original, uma vez que os sistemas que se utilizam de
torres em ensaios similares verificados na literatura não configuram o sistema em
comportamento pendular.
O sistema utilizado representou um ganho significativo em termos de redução do
fator de amortecimento estrutural medido por ensaio de decaimento (016,0=ζ), além de
permitir uma redução significativa da razão de massa em relação ao sistema utilizado
para o estudo de VIV com um grau de liberdade.”
O custo total de material ficou em R$900,00, muito elevado se comparado com
aço, alumínio, fibra de vidro ou mesmo PVC. Mas oferece um desempenho muito
superior que viabilizou o conceito da pesquisa e logo permitiu um estudo inédito.
Considerando seu valor em relação ao custo global da pesquisa deve-se admitir que
seu impacto no orçamento não é tão significativo. Acrescentando-se o fato que outras
pesquisas forma feitas e continuam sendo feitas com o aparato.
36
Figura 6.1 – Foto ampliada do sistema de sustentação do modelo.
Figura 6.2 – Dispositivo de compensação para posição neutra da haste.
37
Figura 6.3 – Molas para restauração do sistema.
38
8. Aplicação em Chassi de Robô
Um Chassi para robô de inspeção por ultrassom foi desenvolvido para o LIOC.
Consistindo em um painel laminado em sanduiche com reforços localmente distribuídos,
substituindo uma placa maciça de alumínio.
O objetivo principal era redução de peso com preservação da resistência estrutural
do chassi original em alumínio. O robô apresentava dificuldade de locomoção ao subir
chapas na vertical, uma limitação do sistema de magnético de locomoção desenvolvido
pelo laboratório.
Constituindo originalmente de uma placa de alumínio com dimensões de 400mm de
comprimento, 250mm de largura e 8mm de espessura o chassi desenvolvido preservou
as dimensões e para tanto foi laminada uma placa em estrutura sanduiche com
camadas externas de laminado de fibra de carbono com 1mm de espessura e núcleo de
espuma de PVC de baixa densidade (60kg/m3). Nos pontos de fixação foi feito um
reforço para resistir às cargas de compressão local dos parafusos. O reforço foi feito de
uma mistura de resina epóxi com cargas de fibra de vidro moída.
Como resultado uma placa originalmente com 2,160kg foi substituída por uma placa
de 0,720kg com redução de mais de 60% no peso do elemento e que atende
igualmente as cargas de operação proporcionando um desempenho melhor do
equipamento com peso final menor.
O custo total de materiais ficou em R$ 420,00, muito superior aos R$ 20,00 da placa
de alumínio, mas muito baixo se comparado aos custos de desenvolvimento do robô
como um todo e de baixa relevância se considerado que permitiu superar um impasse
na capacidade de operação do mesmo. A perspectiva de revisão do sistema de
propulsão para capacitá-lo a suportar a carga extra da placa de alumínio tinha custos
39
ainda não estimados mas que seguramente superariam o custo da peça de carbono,
incluindo aí o retrabalho e as prováveis perdas de material já empregado.
Figura 7.1 – arranjo da placa
Figura 7.2 – seção típica da placa
40
9. Aplicação na Cyber-Semi
9.1. Objetivo
O objetivo da Cyber-Semi é contribuir para o seguinte projeto:
“Aproveitamento de Base Física Existente na COPPE/UFRJ para Análise de
Sistemas de Posicionamento Dinâmico de Plataformas Semissubmersíveis em Escala
Reduzida” (PENO8844) tem por objetivo último capacitar dois laboratórios da
COPPE/UFRJ na execução de projetos (Fernandes, 2006). Integrando os seguintes
estudos: “Projeto, Construção e Testes do Propulsor para o DP de Modelo 1:40 da
Plataforma P XIII para testes no LabOceano” (Mariana Coelho Pinto Torres, Janeiro de
2008); e “Sistema de Posicionamento Dinâmico: Modelação e Construção de Hélice em
Escala Reduzida através de Usinagem de Alta Precisão e Estudo Comparativo entre
Simuladores.” (Sara da Silva Jorge, Janeiro de 2006).
Objetivamente, função deste modelo de plataforma Semissubmersível é criar
condições para a avaliação de um conjunto de sistemas propostos para o
posicionamento dinâmico para sua subsequente aplicação na análise de um modelo
maior e mais complexo de uma Semissubmersível. Os sistemas propostos
compreendem: propulsores azimutais e placas de controle eletrônico dos motores
destes propulsores integradas a um sistema externo de rastreamento de posição
(Qualysis).
41
9.2. Características Principais
A fim de se obter resultados mais confiáveis do controle considerou-se necessário
preservar semelhança geométrica e de equilíbrio estático. Isso implica em limitações ao
peso total do modelo de forma a permitir o controle do centro de gravidade e do calado
de operação.
O modelo foi dimensionado para poder manobrar dentro do Canal de Correntes do
LOC – Laboratório de Ondas e Correntes. As dimensões principais do canal e do
modelo são:
Tabela 8.2.1 – Dimensões do canal de correntes
Os propulsores estão dimensionados para o modelo maior, com seu diâmetro de
hélice, sistema de transmissão e motores elétricos adequados ao modelo maior tem-se
um conjunto relativamente pesado para o modelo Cyber-Semi, (somando cerca de
4,0Kg) concentrados à ré do modelo, restringindo o posicionamento das cargas
adicionais: baterias e das placas de controle. O modelo Cyber-Semi porta dois
propulsores, o modelo maior portará oito propulsores.
42
As figuras 8.3.1, 8.3.2 e 8.3.3 apresentam as três escalas: A Plataforma
propriamente dita, o modelo 1:40 e o modelo 1:120, Cyber-Semi, no primeiro teste de
flutuação, ainda sem equipamentos.
Figura 8.3.1 - Plataforma P-XIII (atual “Olinda-Star”) na costa de Niterói
Figura 8.3.2 - O modelo P-13 (escala 1:40) no MARIN (Holanda)
43
Figura 8.3.3 - Cyber-Semi (escala1:120) no Canal de Correntes no LOC
9.3. Geração da Forma
A Partir da definição da escala pode-se inserir o modelo no programa “Maxsurf”,
onde podemos analisar a distribuição de pesos em função do equilíbrio e podemos
estimar o calado de operação adequado ao problema.
A plataforma pode operar em vários calados, dependendo da sua condição de
operação, contudo é recomendado operar na região das colunas com maior área
transversal para favorecer a estabilidade a pequenos ângulos de inclinação e um
resultante amortecimento no movimento de jogo ou caturro.
Ainda, a fim de favorecer a semelhança de operação com o caso real e o
compromisso de ter capacidade de embarcar os equipamentos necessários à simulação
dos propulsores, alimentação e do controle é preciso admitir um calado maior que a
altura dos Flutuadores ou “Pontoons”. Desta forma o calado de projeto definido para o
modelo foi de 122,5 mm, de forma que a linha d’água se localize na região mais larga
da coluna e tenhamos um deslocamento de 15,1 Kg conforme obtido nas Tabelas
44
Hidrostáticas geradas a partir do modelo definido no programa de computador “Maxsurf”
apresentadas a seguir:
Figura 8.3.4 - Modelo da Cyber-Semi gerado no “Maxsurf” com a área molhada destacada
Tabela 8.3.1 - Propriedades Hidrostáticas do Modelo Cyber-Semi
Uma vez definida a forma e a condição de flutuação faz-se necessário estudar os
materiais possíveis de aplicação na construção do modelo Cyber-Semi a fim de se
verificar quais seriam capazes de atender as características hidrostáticas acima com os
equipamentos necessários embarcados. A seguir apresenta-se a fibra de carbono como
alternativa e subsequentemente sua comparação com demais materiais passíveis de
aplicação com espessuras estimadas. As espessuras dos elementos de placa de cada
material apresentadas na tabela a seguir levam em conta a espessura mínima de
45
trabalho factivel considerando as amostras disponíveis para aquisição no mercado, em
prateleira.
Figura 8.3.5 - Aspectos do arranjo da CYBER_SEMI; posição dos azimutais e lastro.
Tabela 8.3.1 - Estimativa de peso da Cyber-Semi em diferentes materiais
Aplicação de madeira dura e/ou balsa: apesenta baixo peso estimado mas é
reconhecido a dificuldade de se trabalhar este material em geometrias detalhadas e
complexas como a semi-sub. Pela dificuldade de se acomodar os sistemas embarcados
no modelo em fibra de carbono pode-se afirmar com segurança que o modelo em
46
madeira não apresentaria espaço interno suficiente apenas considerando a maior
espessura, tomando de 35 a 47% do volume total do modelo.
Aplicação de alumínio e/ou aço inoxidável: o peso leve já compromete o projeto, de
qualquer forma a fabricação em metais com espessura tão fina exige expertise em
solda que poucos profissionais tem capacidade de executar.
Aplicação de fibra de vidro: o peso leve igualmente compromete o projeto. É fato
que a fibra de vidro foi aplicada no modelo em carbono como complemento em
laminados muito finos de forma auxiliar conforme descrito adiante.
9.4. Equipamentos Embarcados
Definido o volume deslocado podemos dimensionar a estrutura a partir dos
equipamentos embarcados listados a seguir:
Tabela 8.4.1 - Pesos embarcados e Deslocamento
47
Figura 8.4.1 - Azimutais A e B
Cabe aqui registrar a presença de dois conjuntos propulsores, A e B, de
fornecedores diferentes para ser selecionado o mais eficiente. Os conjuntos são
semelhantes, mas apresentam detalhes diferentes quanto a montagem. Engrenagens
de latão ou aço respectivamente, diâmetro do eixo propulsor de 8 e 6 milímetros,
borrachas de vedação, sem boço do eixo do hélice e com boço do eixo. Além de
diferenças na qualidade da usinagem das peças.
O conjunto A usa um flange de alumínio, o conjunto B usa um flange de fibra de
carbono. Essa diferença permite variar o centro de gravidade e o calado de operação.
Resta confirmar em ensaio a resistência do flange de carbono contra o de alumínio que
se resume a uma placa de 2mm de espessura com adaptações ao encaixe de vedação,
enquanto o primeiro consiste de uma placa laminada com tecido biaxial de 400 g/m2
reforçada com tecido unidirecional de 150g/m2 em resina epóxi.
48
Os lastros do conjunto B são suficientes para atingir o calado da condição de
equilíbrio de projeto e posicionados de forma que não haja ângulos significativos de
banda ou trim.
49
9.5. Definição dos elementos estruturais
9.5.1. Flutuadores
Os flutuadores foram desenvolvidos com painéis em laminação tipo sanduiche, com
laminado em fibra de carbono (gramatura de 450g/m2) e resina epóxi, e núcleo de
espuma de PVC (de 100 kg/m3 e espessura de 6mm), desta forma as paredes ficaram
auto-estruturantes, dispensando reforçadores secundários, tais como cavernas e
longitudinais, e facilitando as montagens com os demais elementos estruturais, os
pilares e os flanges.
Dentro dos flutuadores foram definidos espaços para os equipamentos de propulsão
e lastro de correção do equilíbrio. Ver figura 8.5.1.1:
Figura 9.5.1.1 – Flutuadores em processo de fabricação
50
9.5.2. Convés
A Plataforma do convés foi desenvolvida numa placa sanduiche do mesmo padrão
dos flutuadores porém com maior espessura do núcleo de espuma de PVC (15 mm) de
forma oferecer melhor resistência a torção. Apresentado duas aberturas para encaixe
de caixas, ou bandejas, feitas em laminado simples de fibra de carbono, para
acomodação de equipamentos tais como as placas de controle dos propulsores
azimutais. Ver figuras 9.5.2.1 e 9.5.2.2:
Figura 9.5.2.1 e 9.5.2.2 – Convés em processo de montagem
Caixa para os Equipamentos
A fim de se reduzir a altura do centro de gravidade e preservar a estabilidade
estática do modelo com comportamento mais próximo do projeto real e devido a
operação na água optou-se por instalação dos equipamentos eletrônicos em uma caixa
com tampa. As caixas forma laminadas em fibra de carbono e posicionam os
equipamentos 60mm abaixo do convés principal, são dotadas de tampa em plástico
transparente de forma a proteger os circuitos contra eventuais espirros e gotas
permitindo a visualização dos equipamentos.
51
9.5.3. Pilares e Contraventamentos
Os Pilares foram laminados seguindo conceitos de tubos estruturais comuns, com 3
camadas, sendo duas camadas de fibra de vidro (de 300g/m2 e tecido 0/45/90/135),
uma por dentro e outra por fora do tubo para garantir estanqueidade, e uma camada
tripla de fibra de carbono unidirecional (de 150 g/m2) orientada ao longo do tubo (0
graus) e em “X” (45 e 135 graus) aplicadas em forma helicoidal.
Os contraventamentos não apresentam o laminado em fibra de vidro, somente a
camada tripla em fibra de carbono descrita acima, com aplicação de massa de
acabamento para garantir a vedação e preparo para pintura.
Os pilares das extremidades dos flutuadores apresentam uma base prismática,
geometricamente equivalente ao da Plataforma P-13 de referencia e que distribuem os
esforços na conexão entre os pilares e os flutuadores, além de, no âmbito de equilíbrio
dinâmico do modelo, favorecer no amortecimento do movimento de jogo.
Figura 9.5.3.1 – Pilares.
52
Figura 9.5.3.2 e 9.5.3.3 – Contraventamentos.
53
9.5.4. Flanges
Os Flanges foram concebidos para a melhor instalação dos motores no modelo.
Com conjuntos de motores de pesos diferentes foi necessário desenvolver um flange
diferente para cada, sendo um conjunto de flanges de alumínio e outro de fibra de
carbono.
O material mais simples de trabalho neste caso seria o alumínio, mas os conjuntos
de propulsores apresentavam dimensões ligeiramente diferentes, e para um conjunto A
o flange em alumínio não permitia espaço adequado. E por isso um flange em fibra de
carbono foi desenvolvido
Para uma montagem mais rápida, para o conjunto de motores mais leve, optou-se
pelo flange em alumínio, nada mais que uma chapa de 4mm de espessura com furação
distribuída para a fixação de parafusos.
O Flange em carbono apresenta laminado simples de fibra de carbono com dupla
camada de fibra de vidro para estanqueidade, resultando em espessura máxima de
1,1mm com uma borda reforçada e adequada para ter os mesmos 4mm de espessura
do flange em alumínio permitindo alternância de sistemas na mesma montagem.
Figura 8.5.1 e 8.5.2 – Flange em alumínio preparado para teste de estanqueidade
54
Figura 8.5.3, 8.5.4 e 8.5.5 – Flange em carbono sendo modelado
55
9.6. Fabricação e Montagem
A montagem do modelo seguiu a seguinte sequência básica: definição dos
elementos estruturais confecção dos elementos estruturais por ordem de complexidade,
flutuadores, pilares de diâmetro menor, pilares de diâmetro maior, tubos dos
contraventamentos, convés principal, bandejas ou caixas de convés e flanges. As
imagens a seguir representam a sequencia de fabricação
Figura 8.6.1 – Laminação dos pilares e Flutuadores Figura 8.6.1 – Preparação dos Flutuadores.
Figura 8.6.3 – Montagem do convés Figura 8.6.4 – Montagem dos contraventamentos
56
Figura 8.6.5 – colagem dos elementos Figura 8.6.6 – Preparação dos Flanges
Figura 8.6.7 – Montagem dos flanges Figura 8.6.8 – teste de estanqueidade
57
Figura 8.6.9 – calado de 20mm verificado para o deslocamento do casco
Figura 8.6.10 e 8.6.11 – Modelo pronto para operação, com pintura final.
Figura 8.6.12– Modelo com flanges removidos Figura 8.6.13 – teste com lastro
58
Figura 8.6.14 – Modelo com lastro distribuído no primeiro ensaio de equilíbrio monitorado pelo sistema Qualisys
59
10. Aplicação no Tubulão do Propulsor Azimutal
No projeto da Cyber-Semi dois sistemas de propulsores foram desenvolvidos e o
conjunto A precisou ser adaptado com a substituição do tubulão do propulsor original,
em alumínio por uma cópia em fibra de carbono. O conjunto A apresentava um peso
excessivo que junto com o lastro necessário ao ajuste do trim do modelo ultrapassava o
deslocamento máximo permitido.
Com o tubulão original pesando 440g e o segundo 80g. a redução de 720g
embarcadas numa extremidade do modelo implicou na redução do lastro fixo em iguais
700g levando a uma redução de 1400g na carga total, de forma que o modelo pudesse
flutuar no calado de projeto.
O tubulão original serviu de “plugue” para a geração de um molde em quatro partes
para a laminação do equivalente em fibra de carbono. A solução em plástico também
permitiu a fabricação de um suporte ao tubulão com menor resistência ao escoamento,
seguindo referencias de aplicações semelhantes:
Figura 9.1 – Tubulão Montado – projeto em Solidworks
60
Figura 9.2 e 9.3 – Tubulão e suporte do tubulão – projeto em Solidworks
Figura 9.4 e 9.5 – Tubulão montado e posicionado
Figura 9.6 – Suporte do Tubulão montado e posicionado
61
Figura 9.5 – Tubulão de Carbono (80g) a esquerda e alumínio (440g) a direita
O suporte desenvolvido apresenta perfil afilado, e sua curvatura procura afastar a
estrutura do propulsor e desta forma reduzir a interferência no fluxo de agua de tomada
do propulsor, resultando em muito menor interferência do que as treliças da concepção
original.
O consumo de material foi muito baixo, da ordem de 150 gramas de fibra e próximo
de 500 gramas de resina, considerando as perdas e a confecção dos moldes em resina.
Portanto o custo final ficou na ordem de R$150,00. O tempo de estudo, definição,
projeto em Solidworks, confecção dos moldes, laminação e ajustes necessários foi
elevado, mas foi todo executado pela equipe do laboratório com diversas contribuições.
62
11. Conclusão
A Fibra de Carbono se apresenta como alternativa viável aos materiais de aplicação
em equipamentos de laboratório de pesquisa oceânica, podendo substituir ou atuar em
conjunto com os demais materiais já utilizados. Seu processamento é acessível e
adequado às dependências disponíveis em praticamente qualquer oficina de modelos
que já trabalhem com outros materiais comuns como placas e tubos de PVC e
marcenaria em geral.
A técnica de manipulação apesar de específica se mostra próxima das atividades de
marcenaria no que diz respeito à habilidade manual e controle do ambiente.
Os benefícios oferecidos por estruturas em fibra de carbono permitem aumentar o
escopo de modelos, auxiliando o pesquisador ao oferecer um maior número de
soluções para modelos e aplicações diferentes. O controle das fibras permite ainda ao
pesquisador determinar o comportamento estrutural do modelo com a mesma precisão
do que outros materiais comuns de aplicação em pesquisa. Um mesmo experimento
pode, portanto, apresentar uma gama de modelos muito mais ampla, em muitos
aspectos, notadamente de peso total e de resistência estrutural, mas também de forma
e de montagens diferentes que favoreçam a pesquisa em questão.
Este relatório pretende estimular os laboratórios de pesquisa, e especialmente os
pesquisadores, a incluírem os materiais compósitos, sobretudo a fibra de carbono,
dentre as suas opções de material de fabricação de modelos e equipamentos de
laboratório. É possível que as pesquisas em andamento possam ter seu leque de
abordagem ampliado, com melhor seleção de aplicação do objeto de pesquisa,
permitindo restringir as variáveis de pesquisa com melhor controle dos elementos
estruturais.
63
12. Bibliografia
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