Reparação de compositos

IEFP - Compósitos - Análise de falhas e processos reparação e maquinação - Grupo 3 © 1


Este trabalho tem como objetivo principal, analisar e apresentar todos os

processos de reparação e retificação aos quais as peças em compósitos,

realizadas noutro módulo, foram sujeitas.


Resumo

2

Índice

3

1. Introdução Teórica

4

2. Caracterização do material utilizado

12

3. Caracterização do equipamento utilizado

14

4. Caracterização do equipamento de segurança utilizado

17

5. Procedimento experimental

18

6. Análise e discussão de resultados

26

Conclusão

28

Bibliografia

29


1. Introdução teórica

Nas últimas décadas, os materiais compósitos têm vindo a revelar-se

como um dos grupos de materiais tecnológicos mais interessantes e dinâmicos.

As razões da sua crescente utilização estão ligadas às suas propriedades e

características, tais como o seu baixo peso, elevada resistência e rigidez. Entre

as desvantagens na sua utilização podemos citar o seu elevado custo de

produção e a necessidade de proteção específica dos trabalhadores, para além

de potenciais custos associados à sua reciclagem. Embora o desenvolvimento

destes materiais tenha sido efetuado pelas indústrias de defesa e aeroespacial,

assiste-se recentemente ao alargamento do uso destes materiais noutras áreas

como a aeronáutica, náutica ou automóvel.

Os materiais compósitos são definidos por integrarem pelo menos dois

constituintes: uma matriz e um reforço. Estes dois componentes entreajudam-

se uma vez que a matriz assume a função de garantir a estabilidade

dimensional e química do compósito, conferindo-lhe a forma e protegendo as

fibras de reforço das condições ambientais. Por sua vez, o material de reforço,

garante a estabilidade das propriedades mecânicas tais como a rigidez ou a

resistência a esforços dos mais diversos níveis.

Fig.1 - Organigrama com os vários tipos de materiais compósitos existentes.

Tipos de materiais compósitos

Compósitos

Partículas

Compósitos de

Fibras

Compósitos

Laminares

Compósitos

Naturais

Betão

Asfalto

Cermet

Fibras de

carbono,

kevlar, vidro,

etc.

Matriz Epóxy,

poliéster,

PEEK, etc.

Contraplacado

Laminados de

fibras e resina

Sandwich

Madeira


No caso dos compósitos reforçados com fibras, importa referir que

existem 3 tipos de matriz: Matriz Polimérica, Matriz cerâmica e Matriz

Metálica. Por sua vez existem inúmeros tipos de reforço, tais como a Fibra de

vidro, a fibra de carbono, a Aramida, etc.

1.1 Os Reforços

Os reforços podem ser de diversos tipos, no entanto os mais comuns

são as fibras de carbono, as fibras de aramida (ou Kevlar) e as fibras de vidro.

Os produtos básicos destes são filamentos contínuos, reunidos em feixes que

somam milhares desses filamentos (especifica-se como 1k, 3k, 6k, 12k, etc. um

feixe de mil, três mil, seis mil, etc. filamentos). Os filamentos podem ou não

estar alinhados ou torcidos (girando em torno deles mesmos como as roscas

de um parafuso), e podem posteriormente, através de tradicionais tecnologias

têxteis, ser usados como matéria-prima para a produção de tecidos. Estes

tecidos, por sua vez, podem ser feitos segundo diversos padrões e tramas

diferentes.

1.1.1 Fibra de carbono

A fibra de carbono, é sem dúvida a mais famosa e a mais cobiçada. De

coloração grafite escura, uma das suas propriedades mais negativas, no

entanto, é seu alto custo. O metro quadrado de um tecido “plain” de fibra de

carbono de qualidade aeroespacial pode custar mais de €170, o que

frequentemente limita seu emprego a componentes de extrema solicitação

mecânica. Além disso, as fibras de carbono são produzidas segundo

especificações diversas, sendo que somente as mais resistentes (e caras) têm

propriedades adequadas ao uso aeroespacial.

A sua principal vantagem é, a altíssima resistência às solicitações de

tensão, podendo superar em mais de 5 vezes (proporcionalmente ao peso) a

resistência do melhor aço. Em outros termos, se um cabo de aço que pesa 1 kg

pode suportar um peso de 1 tonelada, um feixe de fibra de carbono com uma


quantidade de filamentos tal que o feixe também pese 1 kg, poderá suportar

até 5 toneladas.

No entanto, apesar disso, a fibra de carbono possui algumas

desvantagens em relação às outras fibras e aos metais em especial. O seu

módulo de elasticidade é muito pequeno. Em outros termos, ao pendurar 1

tonelada em um cabo de aço, o cabo de aço esticará um pouco. Solicitando da

fibra de carbono o mesmo trabalho, esta esticará bem menos. Assim se

queremos que haja um pouco de flexibilidade (por exemplo, para que uma asa

possa absorver rajadas de vento verticais), então a extensão do uso da fibra de

carbono em sua estrutura deve ser bem planeada.

Além disso, componentes feitos em fibra de carbono são frágeis em

qualquer tipo de solicitação que não seja o de tensão. O que, mais uma vez,

limita significativamente o seu uso.

Fig.2 - Manta de fibra de Carbono.

1.2 A matriz

A matriz é o material no qual as fibras são “mergulhadas”. As matrizes

podem ser subdivididas em 3 grandes grupos. O primeiro e mais comum é o

das resinas termoendurantes, o segundo são os termoplásticos e, por fim, as

matrizes metálicas. Cada grupo tem propriedades típicas distintas que

apresentam vantagens e desvantagens.


Entre as matrizes termoendurantes, as mais comuns são as resinas

poliéster e as resinas epoxy. São fornecidas em duas partes: a resina

propriamente dita, e o endurecedor ou catalisador. A reação entre os dois

provoca uma cascata de reações químicas que, com o aumento na

temperatura da resina, leva a seu endurecimento e cristalização.

O processo não é reversível, no sentido de que, aumentando novamente

a temperatura do material endurecido, não se obtém um líquido que pode

novamente ser endurecido, como é o caso com os termoplásticos. Esses

últimos por sua vez são mais ou menos o mesmo material do qual são feitos o

painel do seu carro, ou uma infinidade de cadeiras e mesas em bares

espalhados pelo mundo.

É o bom e velho plástico, que sob alta temperatura derrete e se torna um

líquido de baixa viscosidade que pode novamente ser moldado em outra forma,

sem perder suas propriedades. As resinas termoendurentes normalmente são

mais duras e frágeis, ao passo que os termoplásticos são mais flexíveis e

resistentes, embora mais pesados.

1.2.1 Resinas epoxy

As resinas epoxy são de tipo termoendurante, e têm propriedades

mecânicas muito interessantes, passam por um processo químico no processo

de endurecimento e, apesar de não deixarem de ser tóxicas até certo grau, são

significativamente mais toleráveis que as resinas poliéster. E bem mais caras

também.

A mistura entre a resina e o catalizador deve ser feita segundo uma

medida precisa. Diferentemente das resinas poliéster, a função do endurecedor

não é simplesmente a de acelerar um processo que já ocorre na resina

naturalmente, mas as moléculas que o compõem ligam-se às moléculas da

resina, e por isso a mistura deve ser precisa, para que não “sobrem” muitas

moléculas e assim se prejudique a qualidade do material obtido.

O processo de cura, isto é, o endurecimento, também pode se dar de

duas formas, dependendo do processo de fabricação e/ou das especificações


próprias da resina epoxy utilizada. Pode ocorrer sob temperatura ambiente, ou

então em uma estufa ou forno.

Na grande maioria das composições epoxy, o próprio processo químico

de ligação entre as moléculas do endurecedor com as da resina leva ao

aumento de temperatura que culmina com a cura ou endurecimento do

material. Em outros casos, esse aumento de temperatura deve ser fornecido de

fora, para que as reações químicas em questão aconteçam. A escolha do tipo

de material e do processo a ser usado cabe ao fabricante do componente, que

deverá decidir segundo critérios económicos e de produtibilidade.

1.3 Métodos de produção

Assim como são vários os materiais e as combinações possíveis entre

eles, são vários os métodos de fabricação possíveis para cada componente, e

provavelmente esse é o item mais delicado no que diz respeito à certificação

de um componente feito com materiais compostos.

O processo elementar consiste em banhar as fibras com a matriz,

segundo uma determinada proporção. A matriz infiltra-se entre os filamentos,

colando-os e mantendo-os no lugar, determinando assim a forma da peça

enquanto as fibras determinam sua resistência. Entre os métodos mais

utilizados estão: a laminação manual, a laminação a vácuo, a injecção ou

métodos automatizados.

1.4 Prepregs

Prepeg é uma abreviação para “pré impregnados” e refere-se a tecidos,

geralmente de fibra de carbono, que são fornecidos pelo fabricante já

impregnados de resina termoendurente, normalmente de tipo epoxy.

Ao manter-se o material sob condições de baixa temperatura

(literalmente abaixo de zero), este tem um tempo de vida útil relativamente alto

(algo em torno de 15 dias). Ao serem expostos a altas temperaturas, ocorre o

processo de cura e endurecimento.


Custam muito mais caro que os tecidos de fibra secos, inclusive pelas

necessidades especiais de transporte e armazenamento. No entanto, a pré-

impregnação “de fábrica” garante uma proporção ótima entre as fibras e a

matriz, proporcionando assim uma maior eficiência na relação entre o peso e a

resistência, e são bem mais práticas, por eliminar o trabalho de impregnação.

Geralmente os prepregs são a solução adotada pela indústria aeronáutica e

aeroespacial.

Fig.3 - Prepeg de fibra de carbono.

1.5 Maquinação/reparação de compósitos

Os processos de maquinação/reparação incluem o corte de contorno, a

furação, o escariamento, operações de acabamento (rebarbação e lixagem),

etc.

A maquinação de compósitos é muito diferente da maquinação de

metais, e para cada tipo de compósito é usado um processo diferente. A

furação por exemplo é particularmente difícil porque o material pode lascar ou

até mesmo dividir-se em camadas separadas na entrada e saída do furo

(delaminação).


1.5.1 Cuidados a ter durante a maquinação/reparação de compósitos

Os compósitos são maquináveis, apenas dentro de um limite de

temperatura;

A baixa condutividade térmica do material favorece o acumular de resina na

área de corte durante a maquinação;

Furos em materiais abrasivos vidro/carbono apresentam-se frequentemente

maiores que a broca usada.

O alto coeficiente de expansão térmica de alguns materiais torna difícil

controlar a precisão;

O uso de líquidos de refrigeração inadequado acarreta mudanças das

propriedades físicas do material não permitindo colagem posterior daquela

peça;

Variações do material devido a método de fabrico;

a) Conteúdo de resina, tipo de resina;

b) Dureza dentro dos limites aceitáveis;

c) Compactação determinada pela pressão e processo de fabrico durante a

cura da peça.

As características de maquinação dos compósitos variam de peça para

peça, sendo assim, ter conhecimento de como o material se comporta

durante a maquinação é da maior importância no fabrico, no reparo ou na

montagem de componentes.

A maquinação de fibra de vidro e carbono pode ser realizada com

ferramentas convencionais, mas existe o problema da abrasividade, que

causa redução na qualidade do corte e da vida útil da ferramenta. Esse

problema é resolvido com o uso de ferramentas especiais, como brocas de

metal duro, serras e discos diamantados. Além disso, o corte sem as

ferramentas apropriadas acaba fraturando as extremidades das fibras com

a extremidade de corte da ferramenta.

A velocidade e o avanço das ferramentas de corte são fatores importantes

que ajudam a evitar danos nas camadas das peças. Um apoio firme

também é necessário para que se evitem interrupções entre as camadas.


O corte deve ser sempre limpo, pois a poeira e as aparas funcionam como

abrasivos, causando delaminações e danos ao furo.

As características dos materiais unidirecionais são basicamente as mesmas

dos tecidos do mesmo tipo. Esses materiais são suscetíveis a delaminações

nos pontos de entrada e saída dos cortes.

Avanço e velocidade de furo inadequadas podem provocar delaminações,

que, devido a orientação das fibras, propagam-se violentamente, enquanto

o uso incorreto das ferramentas causa o puxamento das fibras.

A maquinação destes materiais surge da necessidade de efetuar

montagens de diversas peças num conjunto – na qual também se pode

recorrer à colagem – ou pela necessidade de cumprimento de tolerâncias

apertadas. A maquinação de materiais compósitos é complexa devido à sua

heterogeneidade, registando-se diferentes comportamentos do mesmo material

apenas devido à distribuição e orientação das fibras, sensibilidade ao calor e

ao facto de os reforços serem extremamente abrasivos. Os métodos mais

tradicionais de maquinação, embora possam ser utilizados, devem ser

adaptados de forma a reduzir a criação de danos por meios térmicos ou

mecânicos.

1.6 Teoria vs. Trabalho prático

Relativamente á teoria apresentada neste trabalho, apenas se foca os

conceitos inerentes às peças sobre as quais incidiram os trabalhos práticos. Os

materiais compósitos são cada vez mais utilizados na indústria, e por isso

mesmo estes abrangem um número cada vez maior e diversificado. Assim falar

sobre todos eles ficaria um pouco fora de contexto, visto que as peças em

questão foram feitas apenas com prepegs de carbono EE305 pré-impregnadas

com resina epoxy ET445. Foi feita posteriormente uma laminação a vácuo e os

moldes foram ao forno (em vez da autoclave).


2. Caracterização do material utilizado

Para o processo de maquinação/reparação foram utilizadas as seguintes

peças:

Fig.1,2 e 3 - Fotografias das peças utilizadas para maquinação/reparação.

Estas peças foram feitas noutro módulo, e os seus acabamentos

imperfeitos implicaram a necessidade de maquinar/retificar as arestas e os

Peça 2 Peça 1

Peça 3


cantos. Na elaboração das mesmas, foram aplicadas 3 camadas de fibra de

carbono sendo que a 1ª e 3ª são a 0º e a 2ª a 45º.

Os seguintes materiais foram utilizados durante todo o processo de

acabamento:

a. Manta de fibra de carbono multidirecional

b. Resina Epóxi SR 1500; Catalisador SD 2505 e MEC (Metil-Etil-Cetona)


3. Caracterização do equipamento utilizado

a. Módulo de aspiração central Plymovent® Multi dust BANK

b. Mini-Berbequim Pneumático

c. Serra pneumática

Dotco ©

NO: 14CFS95-38

1000 1/min (6.1 bar) NO: 14CFS95-38

Dotco ©

MDL: 12S1288-02

2500 RPM

90 PSIC 6.1 bar max. NO: 14CFS95-38

Plymovent®

Multi dust BANK NO: 14CFS95-38


d. Retificadora angular

e. Suporte fixador ROLOC

f. Mandril

g. Mandril

h. Discos para Lixadora/retificadora

Shinano INC ©

SI-206S

18000 RPM

90 PSIs 6.2 bar max. NO: 14CFS95-38

MERIT ®

Holder TY3 R/O 2" MED

30.000 RPM MAX

NO: 14CFS95-38

G ®

Mandril HSS

∅4,091 a ∅4,103

NO: 14CFS95-38

20E119

“Gumaster”

SE-7MMSC

NO: 14CFS95-38

3M ®

Discos Roloc 22403 e 22401

∅50,8mm

P120 e P80

NO: 14CFS95-38


i. Brocas

j. Folhas abrasivas

k. Tesoura

l. Trincha 1 ½ “ 38,1 mm

Indasa ®

P80, P120, P220, P400

NO: 14CFS95-38

m. Chizato

n. Pincel Super 8

GUHRING ®

Spiralbohrer Satz HSS

Brocas ∅2,5; ∅3.7 e ∅5

NO: 14CFS95-38


4. Caracterização do equipamento de segurança utilizado

a. Bata

b. Luvas de latex

c. Óculos de proteção Lux Optical

e. Auriculares Nemo TU-200 C

d. Máscara SOP AIR 23306 FFP3D


5. Procedimento Experimental

1. Observar e analisar quais os pontos críticos da peça, onde é necessário

intervir, e qual o melhor meio para o fazer;

2. Ligar a estação de aspiração;

3. Definir quais os materiais e equipamentos necessários para uma

reparação/maquinação adequada à não conformidade detetada.

4. Com a serra pneumática, cortar o excesso de fibras, que não interessam

na peça, tendo especial atenção para não aproximar a serra demasiado do

bordo, sob pena de cortar para lá do limite.

5. Com a retificadora pneumática, retirar o restante excesso, não

esquecendo que quanto maior for o numero de rotações, maior será o


desbaste abrasivo na peça. Utilizar o suporte fixador com um disco

abrasivo de 80P ou 120P;

6. Em caso de duvida, assinalar com uma caneta de acetato branca, os

limites até aos quais se deve maquinar.

7. Com um berbequim e um mandril acopolado, incidir sobre os cantos

interiores da peça, tendo especial atenção para não danificar as fibras,

retirando apenas o excesso de resina acomolado.

8. No caso de haver bolhas de resina ou bolhas de ar debaixo das fibras,

causando um relevo na superfície da peça, utilizar o mandril “Gumaster”,

tendo especial atenção à enorme quantidade de material que ele retira.


9. Consoante o acabamento inicial com que a peça ficou, escolher uma

folha abrasiva com um grão adequado, e lixar a peça para que esta fique

com um acabamento mais limpo e polido. Para acabamento final utilizar

uma lixa de água 400P, e lixar a peça diretamente debaixo de água a

correr;


10. Fazer um furo na parte superior da peça, com uma broca 3,3 mm, tendo a

noção que este furo irá servir para segurar a peça durante a pintura;

11. Para fazer a resina a aplicar na reparação da peça, juntar a Resina Epóxi

SR1500 e o Catalisador SD2505 na proporção de 3 para 1, ou seja,

independentemente da quantidade de resina que se quer fazer, a

quantidade de catalizador SD2505 deve ser sempre 1/3 da quantidade de

resina epoxy SR1500;

Fig.4 - Mistura da resina Epoxy SR1500(A) com o catalisador SD2505(B).

A A

B


12. Depois de misturar bem a resina, analisar a peça e perceber onde atuar;

13. O pincel não deve conter muita resina, sob pena de deixar a peça com

muitas imperfeições depois de esta polimerizar;

14. Cobrir todas as imperfeições na peça com a resina previamente feita,

tendo especial atenção, para não a deixar acumulada nos cantos e na

superfície da peça. Falhas grandes necessitarão de ser reparadas com

manta de carbono;


15. Para as falhas grandes devem ser recortados pedaços retangulares da

manta de carbono, aplicando-os exatamente no mesmo sentido das

fibras da peça, e impregnando-os com resina, com o pincel;

16. Deixar a resina polimerizar durante umas horas;

17. Repetir o processo de retificação/maquinação para conferir à peça um

acabamento perfeito;

18. No caso de a peça não ficar conforme o desejado, retrabalhá-la repetindo

o processo de aplicação de resina e/ou manta de carbono, até que as

falhas desapareçam ou diminuam significativamente.


19. Depois de pronta a peça deve ser lixada com uma folha abrasiva com um

grão pequeno (ex:>400P), para conferir um acabamento superficial ligeiro

e uniforme;

20. Limpar a peça.


Ao maquinar a peça 3 surgiu também a possibilidade de fazer furação do

compósito, utilizando para tal dois moldes previamente furados com brocas de

∅2,2, a ∅3,7 e ∅5 mm. Assim:

1. Colocar cada um dos moldes, em seu lado da peça e prender com os

grampos, para que não saiam do sítio durante a furação.

2. Rodando a cabeça do berbequim manualmente no centro do furo, fazer um

uma pequena marca, para centrar a broca.

3. Pré-furar a ∅2,2 mm e posteriormente a ∅3,5 mm, tendo especial atenção

ao avanço da broca, para não provocar delaminações.

4. Finalmente, furar a a ∅5 mm, passando posteriormente uma lixa para

remover algumas fibras que tenham ficado de fora da matriz.


6. Análise e discussão dos resultados

A maquinação/reparação das 3 peças, teve alguns contratempos em parte

devido à inexperiência dos membros do grupo, e sobretudo pela quantidade

e dificuldade das não conformidades nas peças.

A peça 1 foi de todas a mais trabalhosa, devido às bolhas de ar entre as

camadas de fibra de carbono. Ao maquinar a peça, estas saliências

desfizeram-se deixando a descoberto buracos e num caso em particular

este problema foi ainda mais complexo (ver fig.1 e 4).

O facto de esta peça ter sido curada no forno, e não na autoclave como

seria normal, fez com que a superfície da peça ficasse com estas

2

1

3

4

4

1

2

3


descontinuidades no interior, e com uma má compactação no exterior,

deixando a superfície com excesso de resina particularmente nos cantos.

A utilização do mandril “gumaster” provou ser difícil, visto o diâmetro do

mesmo ser inadequado às exigências da peça 1 e 2. Para uma boa

utilização este mandril deveria ser não de 7mm mas de 3mm.

O corte do excesso com a serra pneumática é difícil pois os dentes da serra

agarram constantemente às fibras, desviando a mesma da linha de corte.

A raspagem do excesso de resina com o Mandril HSS ∅4,091 provou ser

uma mais-valia, embora a sua ponta direita tenha por vezes trazido algumas

dificuldades nos cantos especialmente na peça 1e 2.

A retificadora pneumática (+discos abrasivos) pode ser utilizada também

como método mais eficaz de corte, evidenciando pouca delaminação das

fibras. A sua utilização deve ser controlada e precisa, pois as altas rotações

tendem a retirar demasiado material. Apenas metade do disco deve estar

em contacto com a peça.

A resina deve ser feita com as quantidades exatas, sob pena de a deixar

liquida demais ou com espuma.

Não se deve molhar muito o pincel na resina, pois esta em excesso escorre

pela peça deixando a peça com relevos indesejados.


As peças devem ser bem lixadas/polidas, para que não fiquem pequenos

buracos na superfície onde posteriormente a resina não entra. Em todas as

peças se verificou isto.

Um dos processos mais morosos, foi o tempo de cura da resina, que afetou

diretamente o tempo de reparação da peça.

Os pedaços de manta de carbono a aplicar na reparação não devem ser

demasiadamente pequenos, devido sobretudo ao facto de as fibras se

separarem umas das outras. (ver peça 1)

No processo de furação, o avanço demasiado rápido, pode provocar

delaminação, por isso mesmo é vital não só controlar o avanço bem como

apoiar a peça junto do local a furar. Daí que este processo na peça 3, tenha

corrido da melhor forma.

A maquinação e reparação das peças foi um processo demorado, e

sobretudo não se conseguiu melhores resultados devido ao escasso tempo,

das aulas práticas e a alguns equipamentos desajustados às exigências.


Futuramente a drapagem deve ser feita com algum rigor, para evitar as

bolhas de ar presentes na peça 1.




Os processos de maquinação nos materiais compósitos são de extrema

complexidade, ainda que os processos de reparação sejam ainda mais difíceis

de executar. Uma utilização delicada dos equipamentos pode fazer a diferença

entre a qualidade da peça e a não qualidade da mesma. A qualidade geral é

visível no bom acabamento, garantindo não só uma vida útil mais prolongada,

bem como a satisfação dos clientes mais exigentes.

A reparação e maquinação das peças 1,2 e 3, provou ser de extrema

exigência, fornecendo algumas ideias de como futuramente o processo poderá

correr melhor.

As peças no entanto ficaram com um bom acabamento, expecto a peça

1 cuja dificuldade de reparação e o tempo apertado, tornaram o acabamento

menos ”limpo”.


Foi a primeira vez que fizemos o acabamento de peças em carbono. A

falta de experiência e o tempo de polimerização da resina epoxy tornaram o

trabalho moroso. A falta de ferramentas adequadas ao tipo de trabalho em

questão dificultou a nossa tarefa- o mandril de que dispúnhamos era de 7 mm e

deveria ter sido usado um de 3 mm.

Deveríamos ter aplicado a pintura às peças, mas tal não foi possível

devido à inexistência de equipamentos de proteção individual.


Foram utilizados os ficheiros de apoio dos módulos “ Compósitos -

processos de maquinação e de reparação” e “Compósitos - análise de

falhas/danos e reparação”, bem como ficheiros do módulo Noções sobre

tecnologia dos materiais. Todas as fotografias neste trabalho, têm autoria do

grupo.

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Reparação de compositos