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Processamento de Compósitos de Matriz Polimérica - CMPs Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) – Campus Itabira Itabira, 17 de abril de 2013. Compósitos de Matriz Polimérica – CMPs Vantagens Relativo baixo custo de fabricação e processamento. Disponibilidade de material. Os CMPs apresentam grande performance em processabilidade e resistência à corrosão. Alta versatilidade em materiais de reforço (fibras, partículas, lâminas de diferentes características, orientadas ou não). Desvantagens: Impossibilidade de trabalho em altas temperaturas. Instabilidade dimensional (alto coeficiente de expansão térmica). Sensibilidade à radiação. Alguns casos, absorção de umidade do meio ambiente. Anisotropia Compósitos de Matriz Polimérica – CMPs Compósitos de Matriz Polimérica – CMP Efeitos fundamentais que devem ser considerados no projeto de componentes de compósitos de matriz polimérica: • Temperatura e umidade: efeitos higrotérmicos. • Presença de sal em sua estrutura: polímero pode agir como uma membrana semi-impermeável. • Radiação UV: rompimento das ligações covalentes. Seleção do processo de fabricação Matriz polimérica: • Termorrígido (cura) • Termoplástico (consolidação) Aplicação: • Alto desempenho (fibras contínuas) • Baixo custo (fibras picadas) Processamento de compósitos termorrígidos: Vantagens 1. Moldagem de compósitos termorrígidos é mais simples porque a resina inicialmente está no estado líquido. 2. Fibras apresentam boa molhabilidade em resinas termorrígidas, assim , a fração de vazios e porosidade é menor. 3. Exigências de calor e pressão são menores na moldagem de termorrígidos do que na dos termoplásticos. 4. Sistemas de baixo custo podem ser utilizados para moldar termorrígidos. Processamento de compósitos termorrígidos: Desvantagens 1. Moldagem de compósitos termorrígidos necessita de tempos de cura relativamente grandes e assim resulta em menores taxas de produção do que na moldagem de compósitos termoplásticos. 2. Uma vez curado e solificado, as partes do compósito não podem ser reformadas para obter outras formas. 3. Os termorrígidos não podem ser reciclados. 4 passos básicos envolvidos na moldagem de compósitos de matriz polimérica termorrígida: • Posicionamento das fibras / Impregnação • Lay-up (assentamento, disposição) e remoção de vazios • Consolidação (criar contato íntimo) • Cura Fibras Contínuas e Descontínuas -Saco de vácuo/Autoclave -Moldagem por Transferência de Resina -Moldagem por Compressão a Quente -Laminação por projeção Fibras Contínuas --Laminação manual - Pultrusão - Bobinagem (winding) - Trançagem (braiding) Fibras Descontínuas -Extrusão - Injeção - Sopro Tipos de processos Moldagem de termorrígidos: Sistemas de impregnação: • Wet system (impregnação na fabricação) • Dry system(pré-impregnado) Moldagem de CMPs Laminação manual ou laminação por contato (hand lay up) Esquema do processo wet lay up (processo de molde aberto). Conceitos fundamentais: • Agentes desmoldantes: – Desmoldantes de sacrifício – Desmoldantes semipermanentes • Gel coat* a) proteger contra intempéries, raios UV e ação da água; b) permitir um acabamento superficial da peça, c) servir como base para a aplicação de tinta em superfícies que necessitam de pintura – * resina poliéster ortoftálica ou isoftálica, com ou sem neopentil glicol-NPG, iniciadores e promotores de cura, pigmentos e corantes, cargas, solventes, agente tixotrópico, inibidores e absorvedores UV. Moldagem de CMPs Laminação manual (hand lay up) Passos básicos envolvidos na laminação manual: • Inicia-se com a aplicação do desmoldante. Em seguida pode-se aplicar o gel coat ou o véu de superfície, caso seja necessário. • Disposição e empilhamento do reforço (na forma de mantas ou tecidos) em orientações pré-determinadas sobre o molde. • A cada camada de reforço sobreposta é efetuada a impregnação com a resina pré-formulada. • A espessura do componente moldado é obtida pelo número de camadas sobrepostas. • A cura se processa a temperatura ambiente ou em estufa. Moldagem de CMPs Moldagem manual (hand lay up) Dá origem a compósitos sem compromisso estrutural e que apresentam uma fração volumétrica de reforço menor que 40%. Nesses compósitos frações volumétricas de vazios (por exemplo, bolhas de ar) de cerca de 15% são observadas. Vantagens associadas ao processo de moldagem manual 1. Muito baixo investimento de capital, porque o custo de equipamentos é desprezível quando comparado a outros processos. 2. Processo muito simples e versátil. Qualquer tipo de fibra pode ser usada com qualquer tipo de orientação. 3. O custo para fazer uma peça protópipa é baixo porque um simples molde poder ser usado para fazer uma peça. 4. As matérias-primas (resina líquida, tela e tecido) usadas neste processo são menos caras do que os pré-impregnados. Limitações do processo de laminação manual 1. Processo muito trabalhoso. 2. É sobretudo apropriado para a criação de protótipos e peças grandes. 3. Emissão de estireno. 4. As partes produzidas não tem todas a mesma qualidade. 5. Peças com altas frações volumétricas de fibras não podem ser manufaturadas por este processo. 6. O processo não é limpo. 7. A qualidade do produto é fortemente dependente da habilidade do laminador. Moldagem de CMPs Esquema do processo de laminação por projeção. Laminação por projeção ou moldagem por aspersão (spray up) Passos básicos envolvidos na laminação por projeção: • Utilização de um dispositivo que realiza a aspersão de um mistura de fibras curtas e resina pré-acelerada/iniciador, envolvendo toda a superfície do molde. • No momento da aspersão, a resina pode estar previamente formulada, ou então, o agente endurecedor (ou iniciador) pode ser adicionado durante a aspersão. • A quantidade de material aspergido fornece a espessura do componente. A regularidade nas frações volumétricas do laminado é dada pela regulagem feita previamente no cabeçote da pistola e no motor do cortador. • A cura é realizada de maneira similar ao processo de moldagem manual. Processo de moldagem por aspersão para fazer uma banheira. O robô está aplicando fibras de vidro picadas com gel. Fanuc Robotics. Vantagens do processo de laminação por projeção 1. É um processo muito econômico. 2. Utiliza ferramentas e matéria-prima de baixo custo. 3. É adequado para peças de pequeno a médio volume. Limitações do processo de laminação por projeção 1. Não é adequado para fazer partes que possuem exigências estruturais. 2. Difícil de controlar a fração volumétrica das fibras bem como espessura. 3. Emissão de estireno. 4. Bom polimento de um lado da peça e ruim polimento do outro lado. 5. Não oferece controle dimensional em ambos os lados da peça. • http://www.youtube.com/watch?v=nT91tsQZDVE • “the making of a fiberglass boat” Pré-impregnados (prepregs) O pré-impregnado é um produto intermediário para moldagem de compósitos, sendo constituído de uma mistura de fibras de reforço impregnadas com um determinado polímero, em uma particular fração em massa. Moldagem de CMPs Fita pré-impregnada de boro/epóxi. http://www.specmaterials.com. Tipos de pré-impregnados: fita unidirecional, tecidos e bobinas de filamentos. As duas matérias-primas básicas para a produção de pré-impregnados são a matriz polimérica e a fibra de reforço, na forma de tecidos ou telas unidirecionais que formam uma lâmina. Surgiu da necessidade de desenvolver um processo para impregnar as fibras de forma precisa e homogênea antes do processo de moldagem propriamente dito. Esquemado processo de manufatura de um pré-impregnado. IMPORTANTE: tempo de residência e temperatura. Lâminas Conferir integridade física Fazendo uma fita unidirecional de pré-impregnado. O pré-impregnado é fornecido aos moldadores em um estágio em que uma determinada quantidade de ligações cruzadas foram efetuadas: Estágio B. De maneira geral, a temperatura é mantida à temperatura de gelificação por um dado tempo. Após o estágio B, o pré-impregnado é protegido por camadas de filmes . Armazenamento deve ser feito em baixas temperaturas. Passos básicos envolvidos na moldagem utilizando pré- impregnados: • Os pré-impregnados são empilhados no topo de um molde aberto. • O desmoldante é aplicado. • Após empilhamento dos pré-impregnados rolos compressores são utilizados para retirar ar aprisionado e criar contato íntimo. • Uma vez que todos os pré-impregnados foram adicionados na sequência e orientação desejadas, cura e consolidação pode ser feita em uma bolsa de vácuo ou em autoclaves. • Pode ser obtida com manta de fibras picadas, contínuas ou mistura dos dois tipos de reforços e com qualquer tipo de fibra disponível. • Gama de propriedades pode ser adaptadas para aplicações específicas. Moldagem em autoclave Moldagem de CMPs Esquema do processo de moldagem a vácuo Eficiência na retirada do excesso de resina e pela retirada de voláteis e bolhas de ar. Sobre a disposição de camadas pré-impregnadas são colocados sucessivamente filmes canalizadores, mantas absorvedoras de excesso de resina, filme desmoldante e um filme polimérico. • Aplicação do filme desmoldante • Filme perfurado que permite saída de voláteis, excesso de resina e ar. • Aplicação do bleeder • Tecido poroso que absorve umidade e excesso de resina. • Aplica outro filme acima do bleeder • Não é perfurado, nem poroso. • Aplica uma camada de breather • Tecido poroso que cria pressão entre as partes e ao mesmo tempo permite saída de ar. • Camada final é o saco de vácuo • Filme de poliamida ou elastômeros reutilizáveis. • Após laminação e bagging o molde é colocado dentro de uma autoclave para cura e consolidação. • A pressão é criada de duas maneiras: no saco de vácuo, bem como a pressão externa na autoclave. • O sistema é conectado a uma bomba de vácuo (vácuo dentro da bolsa). Pressão externa dentro da autoclave é criada injetando ar pressurizado ou nitrogênio. Com a moldagem a vácuo pode-se obter compósitos com frações volumétricas de fibras de até 50% e frações volumétricas com vazios inferiores a 5%. Parte de uma aeronave processada por moldagem a vácuo pronta para ser colocada em uma autoclave. Lunn Industries. Resumindo CUIDADOS com o manuseio e armazenagem do material pré-impregnado; com a qualidade do material pré-impregnado; com as condições do ferramental de moldagem; para não induzir falhas durante o processamento; no controle do processo de cura; e na qualidade das ferramentas de usinagem. Moldagem em autoclave Ciclo de cura típico durante o processo de moldagem por autoclave. Moldagem de CMPs É necessário um ajuste adequado dos tempos em que iniciam a aplicação de vácuo e a pressurização adicional imposta pela autoclave, para evitar excesso ou falta de resina após a cura do compósito. Faixa de valores da viscosidade da resina, na qual os instantes das aplicações do vácuo e da pressurização são mais favoráveis, em termos de minimizar a porcentagem de vazios e otimizar a fração volumétrica de fibras do compósito. Em autoclaves industriais a pressurização é realizada por meio de gás inerte e a pressão pode atingir cerca de cerca de 7 atm, operando a temperaturas de até 350oC. Vantagens do processo de moldagem de pré-impregnados utilizando autoclaves ou hidroclaves: 1. Permite produção de partes de peças com maior fração volumétrica de fibras (mais que 60%). Pré-impregnados usualmente tem acima de 60% (v/v) de fibra. 2. Peças simples e complexas podem ser manufaturadas. 3. Muito adequado para fazer protótipos. Tem a vantagem de baixo custo instrumental, mas alto investimento na autoclave. 4. Peças muito fortes e rígidas podem ser fabricadas. 5. Menores problemas associados com a saúde dos operários dado a inexistência de resina líquida (menos conteúdo em voláteis). Limitações do processo de moldagem de pré-impregnados utilizando autoclaves ou hidroclaves: 1. Preço relativamente elevado dos pré-impregnados e do seu armazenamento. 2. Sobras do material pré-impregnado. 3. Material pré-impregnado é perecível; 4. Despesas em material não recuperável (filme desmoldante, material de absorção, saco, etc.). 5. Equipamento auxiliar (arcas frigoríficas para armazenamento dos pré-impregnados, estufa ou autoclave) dispendioso. 6. Dificuldade em aplicar vácuo no caso de peças complexas. 7. É muito trabalhoso e inadequado para aplicações em larga escala. 8. Elevado consumo de energia. 9. Uma única superfície acabada. 10. As peças produzidas por este processo são caras. • Vídeos: • http://www.youtube.com/watch?v=aoQCZo_YfGY • “Vacuum Bagging a Composite (Carbon Fiber) Part” • http://www.youtube.com/watch?v=vf-Z-xEgPSM • “Vacuum Bagging with EZ~Spray Silicone Reusable Composite Bags 1/3” Moldagem de CMPs Bobinagem contínua ou filamentar (filament winding) Ideal para a manufatura de tubos e vasos cilíndricos, utilizando como matriz termoplásticos e termorrígidos e fibras de carbono, aramida ou vidro e híbridos destas. Esquema do processo de bobinagem contínua. BOBINAGEM FILAMENTAR Demonstração de operação do processo de bobinagem contínua. Aplicações: peças cilindrícas vasos de pressão tanques de combustível dutos Fibras Resinas - Carbono - poliéster - Vidro - epóxi - Kevlar - fenólicas - termoplásticas • Processo hoop chop: fabricação de estruturas sujeitas ao ataque de agentes agressivos, combina lâminas de resina pura, fibras de vidro picadas (corrosão), de areia (núcleo), e fibras de vidro contínuas. Passos básicos envolvidos no processo de bobinagem contínua: • Nesse processo, os filamentos são apropriadamente impregnados pelo polímero e submetidos à bobinagem sobre um mandril rotatório. • Uma tensão é aplicada ao reforço a medida que ele é enrolado. • Quando são utilizados polímeros termorrígidos, as formulações devem apresentar maior tempo de gelificação, para permitir que o trabalho seja completado em uma só etapa. • O componente é devidamente curado ou solidificado e o mandril é removido por um dispositivo de extração. Existem casos onde o mandril não é removido. Produção de risers pelo processo de bobinagem contínua. Partes feitas por bobinagem contínua. (Courtesy of Advanced Composites, Inc.) Cilindros de armazenamento. (Courtesy of Lincoln Composites.) Para algumas aplicações, o mandril não é removido e se torna uma parte interna da estrutura do compósito. • A correta seleção do material do mandril é fundamental na performance da peça bobinada. • Variáveis deste processo: tensão na fibra, velocidade, T de banho de impregnação, viscosidade da matriz, velocidade do carro e rotação do mandril. • Exigências como forma, acabamento superficial, capacidade de suportar esforços de bobinagem e os vários ciclos de cura ao qual estará submetido ao longo de sua vida útil estão entre as mais importantes para garantir a qualidade da peça bobinada. Bobinagem contínua: Vantagens 1. Investimento inicial alto em equipamento e ferramentas, mas os materiais utilizados na manufatura e a mão-de-obra têm pouco impacto no custofinal do componente a ser obtido. 2. Utiliza matéria-prima de baixo custo e ferramentas de baixo custo. 3. A automatização do projeto permite que a disposição do reforço sobre a superfície do mandril seja bastante precisa e reprodutível, resultando em redução de custo e alto volume de produção. 4. Produz peças grandes e pequenas. 5. Controle da posição da fibra e aproveitamento do material. Bobinagem contínua: Desvantagens 1. É limitado a produzir estruturas convexas e fechadas. Não é adequado para fazer estruturas abertas tais como banheiras. 2. A fração volumétrica máxima de fibras possível por este processo é 60%. 3. Dificuldade em obter distribuição uniforme das fibras e resinas. Mau controle do conteúdo de resinas. 4. Controle operacional (programação, parâmetros de processo). • Vídeos: • http://www.youtube.com/watch?v=qyvJFLBOWmI • “VEM - FILAMENT WINDING TECHNOLOGY” • http://www.youtube.com/watch?v=6_kgCSZM86c • “Processo Filamento Continuo - Filament Winding Process” Lâmina de moldagem composta – LMC (sheet moulding compound – SMC) Produto semi-manufaturado que se caracteriza por ser um produto formulado (reforço, resina e aditivos) tendo uma alta porcentagem de carga mineral agregada de baixo custo. Composição de uma formulação típica de uma placa de moldagem composta. Moldagem de CMPs Componente % de massa Função Estireno 13,4 Monômero reativo (ligações cruzadas) Resina poliéster 10,5 Monômero reativo (rigidez) Fibra de vidro 30 Reforço Carbonato de cálcio 40 Carga (aumenta volume e reduz custo) Plastificante 3,4 Termoplástico (controla encolhimento) Iniciador 1,0 Radicais livres para início da cura Hidróxido de magnésio 0.7 Aumenta viscosidade Estereato de zinco 1 Lubrificante/desmoldante SMC BMC BMC extrudado http://www.bmcbrasil.com.br Os fabricantes utilizam basicamente as mesmas matérias-primas para a fabricação da massa e da placa, variando o comprimento da fibra que no SMC é de 13 a 50 mm e no BMC é de 3 a 15 mm. Moldagem por compressão Moldagem de CMPs Diagrama esquemático de moldagem por compressão. Pressões podem chegar até 14 MPa. Passos básicos envolvidos na moldagem por compressão: • O molde é pré-aquecido. • A pasta ou a lâmina de moldagem composta (ou o laminado feito por moldagem manual) é colocada na parte inferior do molde pré-aquecido. • A metade superior do molde é rapidamente fechada a uma velocidade de 40 mm/s. Este rápido movimento faz com que a lâmina flua rapidamente para dentro da cavidade. • Após cerca de 1 a 4 minutos do ciclo de cura, a metade superior do molde é movida para trás e a pressão é liberada do molde. • O compósito é desmoldado. Para maior produtividade, o projeto do molde deve contemplar ângulos de saída para extração imediata do componente. Moldagem por compressão • Possibilitam a fabricação de peças com: • elevada produtividade, • baixa incidência de mão de obra, • redução do desperdício de matérias-primas e permitem acabamento liso em ambas as faces do produto fabricado. Moldagem de CMPs Principais variáveis - tempos de aquecimento e resfriamento - temperatura do processo - pressão - viscosidade da resina - posicionamento do reforço - teor fibra/matriz - desmoldante a ser utilizado Vantagens alta produtividade termoplásticos e termorrígidos Desvantagens custo elevado p/ poucas séries geometrias c/ espessuras variáveis de difícil obtenção Pultrusão (pultrusion) Moldagem de CMPs Ilustração de um processo de pultrusão. É um processo contínuo de fabricação de perfis lineares de seção transversal constante (como vergalhões, vigas, canaletas e tubos). Após a impregnação do reforço com resina, o material é puxado através de um molde de metal aquecido que dá a forma à seção transversal. A resina cura e o perfil está formado. Passos básicos envolvidos no processo de pultrusão: • O reforço na forma de mechas de fibras contínuas é impregnado com a resina em uma cuba. • Após a impregnação, o conjunto fibra/matriz adentra o molde que vai conferir uma geometria ao componente que se deseja obter. • Em particular, o molde define a seção transversal do componente. • O molde é submetido ao aquecimento. Após a saída do molde a peça está pronta. Moldagem de CMPs Formas típicas pultrudadas. Fabricação de barras, tubos e perfis retos nas mais diversas geometrias e formas. Não permitem a obtenção de componentes que possam apresentar variação na seção transversal ao longo do comprimento, ou seja, o comprimento tem que ser prismático. Sistema de grades e corrimões de fibras de vidro usando partes pultrudadas. Trilhos de alta voltagem em um sistema de transportes. Casa feita com peças pultrudadas. Torres de transmissão feita com peças pultrudadas. Vantagens do processo de pultrusão 1. Processo contínuo e pode ser completamente automatizado. é adequado para produção de grandes volumes de peças. 2. Utiliza fibras e resinas de baixo custo e produz produtos comerciais de baixo custo. Desvantagens do processo de pultrusão 1. É adequado para partes que tem área de seção transversal constante. Formas cônicas e complexas não podem ser produzidas. 2. Partes com paredes espessas não podem ser produzidas. 3. Estruturas que requerem carregamento complexo não podem ser produzidas porque as propriedades são limitadas a direção axial. • Vídeos: • http://www.youtube.com/watch?v=4MoHNZB5b_Y • http://www.youtube.com/watch?v=bRjU4na-ol8 Moldagem por transferência de resina (RTM) Moldagem de CMPs Esquema do processo RTM Máquina RTM Moldagem de CMPs Passos básicos envolvidos no processo de moldagem por transferência de resina: • O reforço ou a preforma são colocados dentro do molde e o molde é fechado. • O molde é aquecido a uma temperatura específica. • A resina polimérica é injetada sob baixa pressão, por meio de uma ou mais válvulas dispostas na câmara do molde e a uma dada temperatura. A resina é injetada até que o molde seja completamente preenchido. As válvulas são fechadas. A pressão dentro do molde é aumentada. • Após cura por um certo período de tempo o compósito é removido do molde. • Recomendado para a produção de componentes de pequeno e médio porte. Injeção de resina em um molde. Ex: um para-lama de caminhão com uma superfície de 2 m2, massa de 13,5 Kg e Proporção de vidro em volume de 19% exige pressão de injeção de 2 bar, tempo De injeção de 2 minutos e tempo de desmoldagem de 9 minutos, podendo-se ter uma Produção de quatro peças por hora. Vantagens do processo RTM • É capaz de atingir tanto demandas da indústria automobilística, onde alto volume de produção é aliado a baixo custo, quanto demandas da indústria aeroespacial, com alto desempenho aliado a baixo volume de produção. • Variações no processo podem possibilitar a produção de peças complexas, de grande espessura e tamanho. • As superfícies internas e externas da peça apresentam bom acabamento. • Controle da fração volumétrica de reforço, baixa emissão de solventes, investimento de capital médio produz componentes com boa repetibilidade, flexibilidade no projeto de moldes, qualidade superficial. Desvantagens do processo RTM 1. Custo de ferramenta e equipamento para processo RTM são mais altos do que os processos de moldagem manual e moldagem por projeção. 2. Para moldagem de estruturas complexas: tentativa e erro ou simulação de fluxo para garantir que porosidade e partes secas livres de fibra sejam manufaturadas. Componentes aeroespaciais moldados por RTM. • Vídeo: • http://www.youtube.com/watch?v=yTsXKGUdtCE
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