Alguns processos

 Processo

             Impregnar o reforço com a matriz → condições de uso.

• A manufatura e moldagem simultâneas;

• O processo é determinado pelo tipo matriz (metálica, cerâmica e polimérica) e tipo de moldagem (fase sólida ou líquida);
• Os processos podem ser manuais ou automatizados;
• Moldagem em molde aberto ou fechado.

Compósito de Matriz Metálica (CMM)

• Tipo de moldagem: Fase sólida e Líquida.

• Geralmente é processado com geometria não definida para posterior operação metalúrgica (laminação).

Figura 1: Operação metalúrgica dos CMM (JESUS, 1998)

Estado Sólido

           Compactação e sinterização de pós

• Determinada fração em volume de partículas e fibras são incorporadas a matriz;

• Utiliza-se uma prensa isostática a quente.
• Almatriz/Al2O3 partícula

Figura 2: Compósito Al/Al2O3: (A) amostra sobre pressão de 550 Mpa; (B) amostra sobre pressão e sinterização 


Fase Líquida

• Partículas ou fibras curtas são incorporadas a uma liga metálica fundida.

• Esse processo também pode ser utilizado quando o reforço é na forma de tecidos ou pré  formas. A matriz fundida infiltra entre os interstícios do reforço.

Figura 3: FIG. 10: (A) Matriz fundida; (B) Tecido metálico (SILVA, 2010 )

Compósito de Matriz Cerâmica (CMC)

• Processo baseado na aglomeração e compacatação de partículas.

• Durante o processo a fase matriz e reforço são submetidas a altas temperaturas pressão
simultaneamente, para sinterização.

 Figura 4: (A) Processo de mistura e compactação;(B) Produto de Carbeto de silício

Gelcasting

• Mistura do pó base, água e monômeros orgânicos solúveis em água. Ocorre polimerização e formação de material gelificado.

• Após secagem do gel o processo de sinterização é completado. Al2O3 e ZrO2

Figura 5: (A) espumas cerâmicas de ZrO2; (B) Revetimento de Al2O3

Referências:

Processos de fabricação de  materiais compósitos: Professor Alisson Clay Rios da Silva

Moldagem por centrifugação

Moldagem por centrifugação

Este processo é utilizado na produção de peças de revolução. Dentro do molde em movimento de rotação são injetadas as fibras cortadas juntamente com a resina. A impregnação da resina nas fibras e a compactação são feitas pelo efeito de centrifugação.

A cura da resina pode ser feita a temperatura ambiente ou em uma estufa. Este processo é utilizado em casos onde não se exige homogeneidade das propriedades mecânicas da peça. Outros processos de fabricação de peças de revolução podem ser empregados quando se exige homogeneidade das propriedades mecânicas da peça. Nestes processos fibras são enroladas (bobinadas) sobre um mandril que dará a forma final da peça. Este processo permite a fabricação industrial de tubos de diversos diâmetros e grandes comprimentos de alto desempenho.

Para atender a estas necessidades de projeto, o bobinamento das fibras pode ser feito da seguinte maneira: bobinamento circunferencial, bobinamento helicoidal e o bobinamento polar.

No bobinamento circunferencial, as fibras são depositadas em um mandril rotativo, com um ângulo de deposição de 90°em relação ao eixo de rotação. Este tipo de bobinamento resiste aos esforços circunferenciais.

No bobinamento helicoidal, as fibras são depositadas em um mandril rotativo com um ângulo de deposição α em relação ao eixo de rotação. Este tipo de bobinamento resiste aos esforços circunferenciais e longitudinais.

Bobinamento Helicoidais

Bobinamento Helicoidal continuo

Fonte: Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de Análise e Projeto Mecânico, Curso de projeto estrutural com materiais compostos.

Painéis Sanduíche

Muito boa noite pessoal, hoje falaremos um pouco sobre painéis sanduíche, que são materiais que surgiram com a necessidade de elementos estruturais leves, com elevada rigidez e resistência nas mais diversas aplicações.

Um painel sanduíche é um tipo de material compósito constituído por uma estrutura de três camadas: duas 

lâminas finas, rígidas e resistentes de material denso, separadas por uma camada de um material de baixa 

densidade e que pode ser muito menos rígido e resistente do que as lâminas - Figura 1. Os diferentes tipos e formas estruturais dos painéis sanduíche podem ser obtidas através da combinação das diferentes formas do material do núcleo. Apesar da grande diversidade de materiais e configurações já existentes para os painéis sanduíche, estão constantemente a ser propostos e utilizados novos materiais e novas combinações de materiais existentes.

Figura 1. Esquemático de um painel sanduíche.

Lâminas

Os painéis sanduíche mais comuns apresentam lâminas planas. No entanto, podem também apresentar uma 

superfície não plana, com uma secção transversal recortada. Isto deve-se ao fato de, durante muito tempo, se considerar, para efeitos de dimensionamento, que as cargas eram apenas suportadas pela lâmina recortada. Apenas recentemente se passou a considerar que as cargas se transmitem entre as lâminas e o material de núcleo, contribuindo assim o painel, no seu todo, para a resistência às suas solicitações.

Figura 2. Textura das Lâminas

Núcleo


Existem, basicamente, dois tipos de núcleos: Homogêneos e não homogêneos. Suas estruturas podem ser verificadas na Figura 3.

Figura 3. Tipos de Núcleo de painéis sanduíche.

Adesivos

Os materiais adesivos têm uma importância crucial no comportamento do painel sanduíche. A ligação entre o núcleo e as lâminas não deve ser o elemento mais fraco do painel, pois os materiais adesivos devem ter propriedades mecânicas tão boas ou melhores que o material do núcleo. Existem diversos materiais que podem ser aplicados e que cumprem as exigências de temperatura em serviço e de resistência ao fogo. No entanto, alguns materiais adesivos libertam gases ou vapores solventes durante o processo de cura, o que pode interagir com os sistemas de resina de alguns núcleos não metálicos. A ligação deve, assim, ser verificada para assegurar que não ocorre redução das propriedades mecânicas devido aos materiais utilizados

Fabricação


Fabricação das Lâminas


As lâminas podem ser de diversos materiais diferentes, os mais utilizados são: metal, madeira e plástico.
As lâminas metálicas são produzidas por meio de laminação a frio, que é um processo de conformação mecânica onde as chapas metálicas têm uma redução que chega a 90% de sua espessura inicial. As lâminas de madeira são produzidas a partir da madeira, portanto têm uma limitação de comprimento. Nós descreveremos a seguir um processo de fabricação de lâminas plásticas reforçadas com fibras muito interessante.


- Processo de Pultrusão

No processo de pultrusão as fibras de vidro são impregnadas por uma matriz que se encontra no estado líquido, geralmente num sistema de banho aberto, antes de chegarem ao molde, sendo o excesso de resina escorrido aquando da passagem pela pré-forma. Também aqui, por meio de um sistema de guias, são introduzidas as mantas com fibras dispostas nas várias direcções bem como os véus de superfície. Estes véus são mantas de reforço constituídas por fibras geralmente dispostas de forma aleatória e que contêm um teor em resina superior às outras mantas de modo a proteger as fibras dos agentes atmosféricos de degradação. O material é curado no interior do molde que está a uma temperatura elevada, saindo dele com a forma e a espessura pretendidas. À saída do molde, o material passa ainda por um sistema de tracção e, por fim, é cortado com o comprimento desejado através de uma serra móvel. A Figura 4 apresenta um esquema do processo de pultrusão.

Figura 4. Esquemático de um processo de pultrusão.

Fabricação do Núcleo

Entre os vários tipos de núcleos espumados, o material mais comum é a espuma de poliuretano. Este tipo de espuma é obtido através da mistura de dois componentes líquidos com determinados ativadores e um agente difusor que controlam a reação. Durante a mistura, dá-se uma reação química que transforma o líquido em espuma, que começa rapidamente a expandir e, por fim, começa a endurecer.

Numa linha de produção de espuma contínua, a espuma expande especialmente na direção vertical. Num processo de fabricação num molde, a espuma flui de um bordo ao outro ao mesmo tempo que vai subindo verticalmente. O tempo que decorre entre a mistura dos componentes até a espuma ficar rígida varia entre 3 e 6 minutos, dependendo da espessura do núcleo.

Depois de formada a espuma, a sua estrutura fica constituída majoritariamente por células fechadas, separadas por finas paredes celulares. Estas células são preenchidas com um agente expansivo e, geralmente, também com algum CO2 que escapa rapidamente por entre as paredes de células. Como resultado, têm-se células fechadas que contêm principalmente o agente expansivo, apresentando, por isso, excelentes propriedades isolantes. Com o passar do tempo, algum do ar pode-se difundir por entre a espuma, não tendo, no entanto, grandes consequências ao nível das propriedades isolantes.

A proporção dos vários componentes e aditivos permite determinar a densidade da espuma, a sua rigidez e outras propriedades mecânicas, bem como o tempo necessário às várias fases da reacção. Existem diversas fórmulas ou receitas, sendo algumas do conhecimento apenas dos seus fabricantes e desenvolvidas experimentalmente. Diversas são também as técnicas utilizadas neste processo, as quais estão geralmente relacionadas com o equipamento utilizado pelo fabricante. A título de exemplo, refere-se a formação de espuma através de um processo de alta pressão, bastante utilizada na produção industrial de larga escala.

De referir ainda que, uma vez que a reacção química é exotérmica, os materiais de núcleo com uma espessura superior a 100 mm podem atingir temperaturas de 150⁰C. É, portanto, necessário armazenar os elementos de maior espessura até pelo menos 24 horas de forma a completar o processo de endurecimento e arrefecimento antes de serem enviados para o local onde serão aplicados.

União das Partes

O material adesivo é escolhido de acordo com o tipo de materiais a ligar e com o processo de fabricação, podendo ser utilizados dois tipos de material para o efeito: Adesivos de base solvente e Adesivos de dois componentes.

O primeiro tipo de adesivos é constituído por uma base solvente que é aplicada a ambas as superfícies a unir. Após um curto período de secagem, as superfícies são prensadas em conjunto. Os materiais adesivos, se adequados, possuem uma boa capacidade de aderência inicial e o seu tempo de endurecimento pode ser reduzido através da aplicação de ligeira pressão e temperatura. Este tipo de materiais adesivos tem a vantagem de ser facilmente manuseável, tendo como desvantagem o fato de a posição das camadas não poder ser corrigida.

O outro tipo de materiais é constituído por adesivos bi-componentes, baseados em resina epóxida ou poliuretano, sendo misturados no local da aplicação. Após um determinado período de tempo, os componentes reagem repentinamente e rapidamente endurecem. A sua vantagem reside na possibilidade de corrigir a posição de cada uma das camadas do painel e, como desvantagem, refere-se o facto de estas terem de ser mantidas sob pressão na sua posição durante um certo período de tempo.

Aplicações

Os painéis sanduíche têm vindo a ser utilizados nas mais diversas aplicações onde as relações rigidez/peso próprio e resistência/peso próprio são da maior importância. As primeiras aplicações dos painéis sanduíche estiveram ligadas sobretudo à indústria aeroespacial, tendo-se, posteriormente, estendido às indústrias automóvel e naval. Mais recentemente, o campo de aplicação dos painéis tem vindo a ser alargado, estando a sua ênfase na construção em constante crescimento.

Figura 5. Embarcação com sanduíche de material compósito.

Figura 6. Painéis aplicados na dianteira de um trem elétrico.

Figura 7. Painéis de fachada (Sainsbury Arts Center)

Figura 8. Paredes de compartimentação com isolamento electromagnético

Bom pessoal, esse foi o compósito apresentado hoje. Se houver alguma dúvida, por favor deixe um comentário que nós tentaremos sana-la assim que possível.

Um abraço a todos!

Fonte: Maria Inês Avó de Almeida, "Comportamento estrutural de painéis sanduíche compósitos 

para aplicações na indústria da construção." Outubro de 2009.

Método de Fabricação por Moldagem sem Pressão

No primeiro post foi introduzido o conceito de Compósitos. A partir de hoje iniciaremos o assunto do nosso blog que se refere aos processos de fabricação do materiais compósitos. Como no primeiro post os termos fibra e matriz foram explicados brevemente, vamos por meio desse post definir primeiramente o que vem a ser tais palavras pois será de grande importância para entendimento dos futuros posts.

Fibras

A(s) fibra(s) é o elemento constituinte que confere ao material composto suas características mecânicas: rigidez, resistência à ruptura, etc. As fibras podem ser curtas de alguns centímetros que são injetadas no momento da moldagem da peça, ou longas e que são cortadas após a fabricação da peça.
Os tipos mais comuns de fibras são: de vidro, de aramida (kevlar), carbono, boro, etc. As fibras podem ser definidas como sendo unidirecionais, quando orientadas segundo uma mesma direção; bidimensionais, com as fibras orientadas segundo duas direções ortogonais (tecidos),  ou com as fibras orientadas aleatoriamente (esteiras); e tridimensionais, quando as fibras são orientadas no espaço tridimensional (tecidos multidimensionais).

Matrizes

As matrizes têm como função principal, transferir as solicitações mecânicas as fibras e protegê-las do ambiente externo. As matrizes podem ser resinosas (poliéster, epóxi, etc), minerais (carbono) e metálicas (ligas de alumínio).
A escolha entre um tipo de fibra e uma matriz depende fundamentalmente da aplicação ao qual será dado o material composto: características mecânicas elevadas, resistência a alta temperatura, resistência a corrosão, etc. O custo em muitos casos pode também ser um fator de escolha entre um ou outro componente. Deve ser observada também a compatibilidade entre as fibras e as matrizes.


Muitas peças ou estruturas em material composto são geralmente produzidas por uma composição de lâminas sucessivas, chamadas de estruturas estratificadas. Os processos de fabricação são inúmeros e devem ser selecionadas segundo requisitos como: dimensões, forma, qualidade, produtividade (capacidade de produção), etc.As operações básicas para a obtenção da peça final têm a seguinte sequência:

Moldagem sem pressão

O molde é primeiramente revestido de um desmoldante e posteriormente de uma resina colorida. A seguir as fibras são depositadas sobre o molde e em seguida impregnadas com resina e compactadas com um rolo. O processo se segue para as lâminas sucessivas. A polimerização (solidificação) ou cura da resina pode ser feita com ou sem o molde, isto em função da geometria da peça. A cura da resina pode ser feita em temperatura ambiente ou ser acelerada se colocada em uma estufa a uma temperatura entre 80° C e 120° C. Após a cura da resina e a desmoldagem, a peça é finalizada: retirada de rebarbas, pintura, etc.

Referência: Gay, Daniel, Matériaux Composites, Hermès, Paris, 1991.

Compósitos, uma breve introdução!

Estamos iniciando a partir desse primeiro post a introdução do quem vem a ser compósitos. Contudo esse blog tem como intuito dar ênfase a fabricação dos mesmo, com o objetivo de oferecer informações uteis a pessoas interessadas no assunto.

Muitas aplicações tecnológicas exigem materiais com combinações incomuns de propriedades que não podem ser alcançadas por materiais poliméricos, cerâmicos e metálicos. Ao invés de desenvolver um novo material que pode ou não ter as propriedades desejadas para uma determinada aplicação, modifica-se então um material já existente, através de incorporações de outros componentes surgindo assim os materiais conhecidos como Compósitos.

Materiais compósitos podem ser definidos como materiais formados de dois ou mais constituintes com distintas composições, estruturas e propriedades e que estão separados por uma interface.
Dessa forma, compósitos com finalidades ópticas, estruturais, elétricas, opto-eletrônicas, químicas e outras são facilmente encontrados em modernos dispositivos e sistemas.
Vários materiais compósitos são compostos por apenas duas fases; Uma é denominada "matriz", a qual é contínua envolve a outra fase, muitas vezes chamada de "fase dispersa". As propriedades dos compósitos são uma função das propriedades das fases constituintes, suas relativas porções, e a geometria da "fase dispersa" (que compreende o formato de suas partículas, seu tamanho, distribuição e orientação).

História

Compósitos, ao contrário do que se imagina, não são de origem recente. Na antiguidade, tijolos para a construção civil eram fabricados de barro e capim seco, formando um compósito. O capim fornecia a resistência mecânica do material, enquanto o barro o preenchia fornecendo solidez. A utilização e o desenvolvimento de materiais compósitos se deu de uma formas mais lenta que a dos metais e ligas metálicas. A fibra de vidro foi o primeiro compósito a ser desenvolvido (em meados do século XVIII), mas só passou a ser desenvolvido comercialmente no ano de 1939, no decorrer da 2ª Guerra Mundial, visando aplicações elétricas em altas temperaturas. Após vinte anos começaram a ser produzidas as "fibras avançadas": fibras de boro (final da década de 1950) e Carbono (final da década de 1960). O fim da Guerra Fria, no final da década de 80, trouxe uma redução na pesquisa e desenvolvimento de materiais compósitos para a área militar. Entretanto, o desenvolvimento de compósitos durante a guerra foram de grande utilidade ao serem transferidos para a área civil. Novas linhas de aeronaves, artigos esportivos e estruturas de engenharia civil estão atualmente em desenvolvimento e aperfeiçoamento, o que aumenta o consumo de materiais compósitos.

Interesse em Compósitos

O interesse dos materiais compósitos está ligado a dois fatores: econômico e performance. O fator econômico vem do fato dos compostos serem muito mais leve que os materiais metálicos, o que implica numa economia de combustível e consequentemente, num aumento de carga útil (aeronáutica e aeroespacial). A redução na massa total do produto pode chegar a 30% ou mais, em função da aplicação dada ao material composto. O custo de fabricação de algumas peças em material composto pode ser também sensivelmente menor se comparado com os materiais metálicos. O fator performance está ligado a procura por um melhor desempenho de componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito às características mecânicas. O caráter anisotrópico dos materiais compostos é o fator primordial para a obtenção das propriedades mecânicas requeridas pelo componente.
Um compósito no contexto atual, é um material multifásico feito artificialmente, o oposto dos que ocorrem ou formam-se naturalmente. Além disso as fases constituinte devem ser quimicamente dissimiladas e separadas por uma interfase distinta. Sendo assim a maioria das ligas metálicas e cerâmicas nãos e encaixam nessa definição pois suas múltiplas fases são formadas como consequência de um fenômeno natural. No desenvolvimento de compósitos cientistas e engenheiros combinam de maneiras sistemática vários metais, cerâmicas e polímeros para produzir uma nova geração de materiais extraordinários. A maioria dos compósitos foram criados para otimizar combinações de características mecânicas como firmeza, dureza, e resistência a altas temperaturas.

Referência: Gay, Daniel, Matériaux Composites, Hermès, Paris, 1991.