R1 Processamento Compósitos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ – UNIFEI
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – IEM
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
EMT029P – PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS
PRODUÇÃO DA ASA DIANTEIRA DE UM CARRO DE FÓRMULA SAE PELO PROCESSO DE LAMINAÇÃO MANUAL ASSISTIDA POR VÁCUO
GUILHERME MORGADO – 24626
MATHEUS ZAMBINATI ROSA - 31753
PEDRO DE SOUZA CIACCO – 30236
ITAJUBÁ – MG
2017
	
	UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ – UNIFEI
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – IEM
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
EMT029P – PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS
PRODUÇÃO DA ASA DIANTEIRA DE UM CARRO DE FÓRMULA SAE PELO PROCESSO DE LAMINAÇÃO MANUAL ASSISTIDA POR VÁCUO
Relatório apresentado na disciplina de Processamento de Materiais Compósitos – EMT029P, ministrada pelo professor doutor António Carlos Ancelotti Júnior, para o curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI.
GUILHERME MORGADO – 24626
MATHEUS ZAMBINATI ROSA - 31753
PEDRO DE SOUZA CIACCO – 30236
ITAJUBÁ – MG
2017
RESUMO
Os materiais compósitos são aqueles que mesclam propriedades das fases que o compõe, tornando um material com propriedades significativas, já que são a soma de outras duas. Por conta disso, diversos estudos vêm sendo feito para a confecção de novos materiais, baseados em necessidades, como a alta performance, por exemplo. Como consequência, o modo de processamento desses materiais também vem evoluindo consideravelmente. Novas técnicas surgem, sem que as antigas sejam deixadas de lado. A laminação representa uma forma de processamento de compósitos e é uma técnica bem simples, mas que atende as necessidades de aplicações como a confecção de um componente automobilístico, como no caso deste relatório. Assim, fez-se uso de um molde de madeira para a produção de uma asa dianteira de um carro de fórmula SAE. As matérias primas utilizadas foram 4 camadas de tecido plano de fibra de carbono e resina epóxi. A laminação a vácuo foi feita para diminuir a quantidade de defeitos da peça após o processo de cura da resina. Então, a peça final foi desmoldada e medida, tendo 1,9 mm de espessura apresentando defeitos como pontos secos, bolhas e porosidade devido à eventualidades durante a laminação. O volume de fibra calculado na peça foi de 39 %.
 
Palavras-chave: Materiais compósitos. Processo de laminação manual. Fibra de carbono. Resina epóxi.
OBJETIVO
Este experimento tem por objetivo a fabricação da asa dianteira, do tipo CR17, do carro utilizado pelo Cheetah Racing, projeto desenvolvedor de carros para fórmula SAE, através de laminação manual assistida por vácuo, fazendo-se uso de resina epóxi e fibra de carbono.
INTRODUÇÃO
 Materiais Compósitos
Um material compósito pode ser considerado como qualquer material multifásico que exibe uma proporção significativa de ambas as fases que o constituem, de modo que se obtenha uma melhor propriedade. De acordo com esse princípio da ação combinada, melhores combinações de propriedades são criadas por uma junção de dois ou mais materiais distintos [1]. A Figura 1 apresenta um esquema da classificação desse tipo de materiais.
Figura 1: Fluxograma de classificação dos materiais compósitos.
Fonte: [1].
Além disso, podem-se citar, como exemplo de materiais compósitos, aqueles que possuem, em sua composição, materiais metálicos, cerâmicos ou poliméricos, conforme ilustra a Figura 2. Entre as ligas metálicas, pode-se citar o aço perlítico, que possui, em sua microestrutura, camadas alternadas de ferrita-α e cementita, mesclando suas propriedades individuais. Além desses, existem também materiais compósitos naturais como a madeira, que consiste em fibras de celulose resistentes e flexíveis envolvidas e mantidas unidas por um material mais rígido chamado lignina [1].
Figura 2: Representação das combinações possíveis em compósitos com matriz cerâmica, metálica e polimérica
Fonte: [1]
É importante citar que as duas fases constituintes do material compósito são denominadas como matriz e reforço, conforme ilustra a Figura 3. Apesar de serem física e quimicamente distintas, são postas juntas, aumentando as propriedades do material final e formando duas regiões: a interfase e a interface [2].
Figura 3: Desenho esquemático da distribuição fibra e matriz em um material compósito
Fonte: [2]
Um dos compósitos mais utilizados no mundo é o formado por fibras de carbono e resina epóxi, possuindo este uma vasta aplicação aeronáutica e automobilística, devido à sua alta rigidez, boa fluidez, boa resistência à corrosão e fácil moldagem, características que podem ser generalizadas para a maioria dos compósitos [3].
 Fibras de Carbono
A partir da década de 1960, devido ao crescimento exponencial da indústria aeronáutica e espacial, a utilização de reforços de alto desempenho recebeu um grande impulso a fim de se produzir compósitos avançados. No processamento desse tipo de materiais, pode-se usar o reforço de três principais formas: contínua, picada ou na forma de particulados. Porém, caso não sejam combinados com uma matriz, não possuem função alguma. Logo, para que, ao final do processo, o componente sólido formado esteja em plenas condições de uso, deve-se integrar o reforço a uma matriz [4].
Particularmente para os compósitos desenvolvidos com matriz polimérica, as fibras dispostas de maneira contínua são as mais comuns. Quando estas possuem exatamente o mesmo comprimento da maior dimensão da peça final, ocorre a máxima transferência de esforços, ou seja, as tensões mecânicas sofridas pela fibra são transferidas diretamente para o compósito. Em geral, o reforço é feito com milhares de filamentos de fibra, com diâmetros na ordem de 5 a 20 µm, dependendo do tipo de fibra. A Tabela 1 mostra os principais tipos utilizados [5, 6].
Tabela 1: Propriedades mecânicas dos principais reforços
Fonte: [6]
Especificamente, as fibras de carbono são produzidas através da pirólise controlada de precursores orgânicos em forma de fibras. Os precursores mais comuns são a poliacrilonitrila (PAN), fibras de celulose (viscose e algodão) e piche. Um sistema de classificação para as fibras de carbono é baseado no seu módulo em tração. Sendo assim: [6].
Fibras de Ultra-Alto Módulo: módulo de elasticidade superior a 500 GPa;
Fibras de Alto Módulo: módulo de elasticidade entre 300 e 500 GPa;
Fibras de Módulo Intermediário: módulo de elasticidade na faixa de 300 GPa;
Fibras de Baixo Módulo: módulo de elasticidade inferior a 100 GPa.
Usualmente, as fibras de carbono que têm o precursor PAN apresentam maior limite de resistência, enquanto que as de piche apresentam maior módulo de elasticidade, conforme ilustrado na Tabela 2. As fibras de rayon (viscose e algodão) tendem a ser mais baratas, justamente pelo fato de possuir um desempenho inferior do que as demais [6].
Tabela 2: Propriedades mecânicas das fibras
Fonte: [7]
Assim, entre os reforços citados anteriormente, as fibras de carbono são as mais utilizadas para a fabricação dos compósitos poliméricos pelos seguintes aspectos: [1, 6].
As fibras de carbono possuem os maiores valores de módulo específico e a maior resistência específica por unidade de massa dentre todas as fibras de reforço;
Estas retêm os seus elevados módulos de tração e resistências em temperaturas elevadas; 
Na temperatura ambiente, as fibras de carbono são pouco afetadas pela umidade e por uma grande variedade de solventes, ácidos e bases;
Os processos de fabricação para essas fibras e para os seus compósitos são relativamente de baixo custo e de boa relação custo-benefício.
Por conta de todos esses fatores, a fibra de carbono é muito empregada nas indústrias aeroespacial e automobilística, além de ser utilizada em elementos estruturais, particularmente em ambientes agressivos sujeitos a ataques químicos [7].Vale ressaltar que os tecidos são elementos básicos de reforço de compósitos estruturais, e são constituídos por duas direções principais: o urdume, que é o comprimento do rolo de tecido na direção 0°, e a trama, que é a largura do rolo de tecido na direção 90°. A Figura 4 apresenta um tecido de fibra de carbono [4].
Figura 4: Representação de um tecido de fibra de carbono
Fonte: [4]
Os compósitos confeccionados utilizando tecidos como o demonstrado têm uma região entre lâminas de menor resistência e, como consequência disso, a aplicação desses materiais deve levar em conta este fato, já que as propriedades mecânicas se limitam para este caso [6].
 Resina Epóxi 
Este tipo de resina pode ser definido como termofixos que se encontram na forma de líquidos viscosos ou sólidos quebradiços obtidos a partir da junção de um composto epoxídico com um agente de cura, conforme a Figura 5 [8]. 
Figura 5: Desenho esquemático do processo de cura de uma resina epóxi
Fonte: [8]
Assim, as resinas epóxis são caracterizadas por um éter cíclico de três membros, sendo dois carbonos e um oxigênio, como ilustrado na Figura 6. O composto epoxídico mais comum utilizado na produção de resinas com aplicação em materiais compósitos, é o DGEBA, obtido através da reação de condensação entre a Epicloridina e o Bisfenol-A [9]. 
Figura 6: Representação de um anel epóxi com dois radicais (R) quaisquer
Fonte: [9]
Esse tipo de resina pode ser aplicado, devido a sua alta gama de aplicações, na produção de prepegs e adesivos estruturais. Além disso, podem ser usadas em soldas e materiais para vedação de barcos de metal, plásticos e automóveis, material de fundição para moldes e protótipos, equipamentos elétricos e eletrônicos, argamassa quimicamente resistente em aplicações dentária, cirúrgica e protética. A Tabela 3 mostra vantagens e desvantagens da utilização de resinas epóxi [9]. 
Tabela 3: Vantagens e desvantagens da utilização de resinas epóxi
	Vantagens
	Desvantagens
	Elevadas propriedades mecânicas
	Emite fumaça tóxica
	Boas propriedades térmicas
	Processamento é lento
	Boas propriedades de adesão à fibra
	Tendência moderada para absorção de umidade
	Baixa retração volumétrica na cura
	Mistura de componentes é difícil
	Diversas formulações
	
	Longa vida útil
	
Fonte: [8]
 Processamento de Materiais Compósitos
Para o processamento de materiais compósitos, deve-se considerar o tamanho e a geometria da peça, principalmente, além da microestrutura desejada, com base no tipo de reforço e matriz, tendo em mente todas as características desses dois últimos. Dessa forma, a classificação do tipo de processamento dos compósitos pode ser feita através da avaliação do tipo de matriz utilizada (cerâmica, metálica ou polimérica), ou pelo tipo do processo usado para a obtenção final, ou seja, se foi feito utilizando fase liquida, gasosa ou por meio de partículas sólidas. Em processos de laminação manual, por exemplo, matriz apresenta-se na forma líquida durante a moldagem e sofre a cura somente depois do processo [4].
Logo, para cada tipo de processamento de materiais compósitos, é utilizado um tipo específico de sistema e de materiais, como parte da fabricação. Um tipo de material pode ser usado em um determinado processamento, mas não em outro. Logo, devem-se saber as limitações de cada um dos materiais, para que suas propriedades não sejam prejudicadas pelo processamento [10].
No Brasil, o principal tipo de processamento empregado é o spray-up, estando presente em 59% dos meios de fabricação. A laminação manual é utilizada em 14% dos casos. Outros processos que fazem uso de técnicas mais complexas e específicas, como o enrolamento filamentar e o VaRTM, englobam os outros 27% dos casos [10].
Laminação Manual
O processo de laminação manual é um dos mais utilizados para a fabricação de materiais compósitos, principalmente aqueles que são feitos usando resinas poliméricas. Esta técnica se resume em utilizar resina suficiente para impregnar as fibras previamente cortadas, pressionando firmemente em sua posição. As fibras são compactadas com um rolo de lã ou pincel para forçar a resina a penetrar nas fibras, movendo através delas e atuando de modo a dissolver os ligantes químicos das fibras, mantendo-as nas ajustadas nas suas posições [11].
 Qualquer área que apareça branca ao invés de translúcida deve ser compactada até a perfeita impregnação. Quando esta estiver completa, o ligante químico estará dissolvido e as fibras estarão na forma de filamentos individuais, o que tornará mais fácil sua moldagem sobre o molde [11]. A Figura 7 ilustra um processo de laminação manual.
Figura 7: Esquema ilustrativo do processo de laminação manual.
Fonte: [11]
Após isso, o laminado é compactado com o rolo de metal para remover qualquer bolha de ar que esteja presa. Os rolos devem ser usados molhados em resina, fazendo movimentos de ida e volta na extensão da área de trabalho, à medida que a manta seja impregnada. O uso do rolete de ferro sobre a fibra seca resultará em desperdício de tempo, em uma grande quantidade de fibra presa no rolo e pode gerar defeitos no tecido como rasgos, por exemplo. O processo é feito até que a resina atinge um estado gelatinoso [11]. 
Como visto, o tipo de processamento por meio de laminação manual é relativamente simples e pode ser utilizado para a fabricação de pás de turbinas eólicas, moldagens arquiteturais, na construção de barcos e para reparo em aviões. Todos esses processos não exigem do material final propriedades estruturais tão elevadas e, por isso, são feitos através desse processamento [12]. A Tabela 3 mostra as vantagens e desvantagens desse processo.
Tabela 3: Vantagens e desvantagens do processo de laminação manual
	Vantagens
	Desvantagens
	Processo simples
	Fiação fibra/resina depende da aplicação do operador
	Baixo custo de ferramental
	Resina deve apresentar baixa viscosidade
	Pode ser utilizada uma ampla gama de materiais
	Permite o contato do material com o operador (segurança/saúde)
	Altas porcentagens de fibra
	
	Permite aplicação de reforço contínuo
	
Fonte: [12]
Laminação à Vácuo
O processo de laminação à vácuo ocorre depois de algum outro tipo de processamento, como, por exemplo, a laminação manual. Assim, ele é feito fazendo-se uso de uma bolsa de vácuo que sela a peça final, submetendo-a a uma constante aplicação de vácuo. Este processo é de grande importância, pois garante a compactação uniforme das camadas de fibras na matriz além de retirar os voláteis provenientes do processo de cura da matriz, solventes e umidade, dificultando a ocorrência de poros ou vazios, removendo o excedente de resinas [13].
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Primeiramente foi-se preparado a resina epóxi misturando-se Araldite LY 5052 (Figura 8a) com um catalisador Aradur 5052 CH (Figura 8b), até que se fosse obtido 452g.
Figura 8: Preparação da resina epóxi utilizando a) Araldite b) catalisador
Fonte: [Autores]
Esta mistura foi composta por 400g de resina (Araldite) e 152g de catalisador (Aradur), sendo assim utilizada uma proporção de 2,6:1 de resina-catalisador, respectivamente, e pesada na balança Shidmadzu modelo BL3200H (Figura 9).
Figura 9: Balança Shimadzu utilizada no experimento
Fonte: [Autores]
Após realizadação da mistura de ambos os fluídos, utilizou-se um agitador elétrico (Figura 10a) por aproximadamente 1 minuto a fim de se fornecer energia à reação. A Figura 10b evidencia o mix após agitação. 
Figura 10: Evidenciado a mistura a) durante a agitação com auxílio do agitador elétrico b) posteriormente a agitação
Fonte: [Autores]
Com essa etapa concluída, prosseguiu-se à preparação do molde (Figura 11a), onde foi necessário o preenchimento prévio com desmoldante CHL 44 (Figura 11b), com intuito de não se aderir o primeiro tecido a parte superior do molde após a cura.
Figura 11: a) molde da asa dianteira b) desmoldante utilizado
Fonte: [Autores]
	Com relação aostecidos, foram-se utilizados quatro camadas de fibras de carbono plain weave da marca TECSTRIN (Figura 12).
Figura 12: Fibra de carbono plain weave
Fonte: [Autores]
Após o posicionamento sobre o molde, derramou-se a resina epóxi sobre a fibra, enquanto dois operadores espalhavam-na com ajuda de uma espátula e um pincel (Figura 13a). No local onde seria utilizado a espatula, houve necessidade do posicionamento de um plástico com intuito de preservar a qualidade da fibra (Figura 13b).
Figura 13: a) derramamento da resina epóxi sobre a fibra de carbono b) utilização de um plástico para espalhar a resina
Fonte: [Autores]
	Após esse procedimento se repetir nas quatro camadas, passou-se um filme separador (Figura 14a) e um absorvedor (Figura 14b) na superfície da última, visando-se impedir a adesão deste à bolsa (Figura 14) de vácuo e absorver o excesso da resina, respectivamente.
Figura 1: a) filme separador b) filme absorvedor
Fonte: [Autores]
Antes de iniciar o processo de vácuo, passou-se um selante de borda ao redor da bolsa de vácuo (Figura 15a) e também adicionou-se um bico de vácuo (Figura 15b), a fim que se obtivesse uma maior uniformidade e qualidade em um menor período de tempo.
Figura 15: a) selante de borda b) bico de vácuo utilizado em autoclave
Fonte: [Autores]
	Por fim, fez-se o vácuo (Figura 16) de forma que, após 30 minutos o material entrasse em estado gel e depois curasse em um prazo de 24 horas.
Figura 16: Realização do vácuo a 10-3 psi
.
Fonte: [Autores]
RESULTADOS E DISCUSSÕES
	
	Após o tempo de cura, pode-se realizar algumas medidas e observar, visualmente, características finais da asa dianteira desenvolvida pela equipe neste experimento.
	A equipe Cheetah, forneceu os dados do molde em que foi fabricada a asa dianteira, além da espessura da peça depois de pronta e da massa total da peça, sendo de 658 gramas, das quais 320 gramas são das fibras e 338 gramas são de resina, podendo-se assim calcular o volume final de fibra e de resina.
	A densidade da fibra de carbono e a densidade da resina epóxi a 25ºC, ambas encontradas na literatura, é de 1,76 g/cm³ e 1,17g/cm³, respectivamente. Com estes valores e através da equação 1, obtemos o volume total das fibras de 181,82 cm³ e o volume total da resina de 288,89 cm³.
 d = m / v (1)
	Encontrado os devidos volumes e realizando a sua somatória, obtemos o volume total da asa dianteira desenvolvida no laboratório, podendo-se então concluir de maneira percentual a quantidade de fibra contida na peça. O volume total da peça é de 470,71 cm³ e o volume das fibras é de 181,82, assim, através da equação 2, obtemos que as fibras ocupam aproximadamente 39% do volume total da peça laminada manualmente pela equipe.
 (2)
	Como citado anteriormente, as dimensões do molde foram fornecidas pela equipe Cheetah, sendo de 1480 x 518 x 42 mm e a espessura da peça fabricada foi de 1,9 mm. Assim, a partir destes dados, calculou-se o volume total esperado da peça que foi de 1456,62 cm³. Após a obtenção destes valores, pode-se identificar uma grande diferença entre os volumes calculados a partir das dimensões da peça e o volume calculado a partir das densidades e massas das fibras e da resina, supondo-se que houve algum erro durante a fabricação, como por exemplo, problemas durante o processo de vácuo não compactando totalmente a peça previamente laminada manualmente ou algum erro de medida durante o processo.
	Foi possível observar visualmente uma coloração escura da peça, além de uma aparência de textura de xadrez, e isto é devido a utilização de fibras de carbono do tipo plain weave, podendo estas características serem observadas na Figura 17.
	
Figura 17: Asa dianteira realizada através do processo de laminação manual assistida à vácuo.
Fonte: [Autores]
	Finalizando a análise visual, foi possível também identificar a presença de algumas saliências e pontos secos na peça desenvolvida, tornando a superfície da asa dianteira irregular, como visto na Figura 18 e na Figura 19. 
Figura 18: Saliências geradas na peça
Fonte: [Autores]
Figura 19: Pontos secos geradas na peça
Fonte: [Autores]
	
CONCLUSÕES
	Assim, com a peça desmoldada, posteriormente ao tempo de cura de 24 horas, obteve-se uma densidade 181,82 cm³ e 288,89 cm³ do volume das fibras e da resina, respectivamente; uma espessura de 1,9 mm e um volume de fibras total de aproximadamente 39%. Com esses dados, conclui-se que há a presença de defeitos no material, provavelmente proveniente da não homogeneização da resina com as fibras, ou até mesmo, pela ineficiência da bolsa de vácuo, como pode ser visto pela Figura 19, a qual, juntamente ao filme absorvedor, não retirou todo o excesso de resina utilizada na preparação da peça. 
	
REFERÊNCIAS 
[1] CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ed. LTC, São Paulo, 2002.
[2] ANCELOTTI, A. C. J. Materiais Compósitos: Processos de Fabricação. Notas de aula de matéria de Tecnologia em Materiais Compósitos da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá - MG, 2017.
[3] LEVY NETO, F.; PARDINI, L. C. Compósitos Estruturais: Ciência e Tecnologia. 1. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2013.
[4] PARDINI, L. C.; NETO, F. L., Compósitos Estruturais; Edgar Blücher, 309 f., 1 ed. 2006.
[5] NOGUEIRA, C. L., Obtenção e Caracterização de Compósitos Termoplásticos Avançados à Base de Matrizes de Polipropileno Reforçados com Fibra de Carbono. Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, 256 f., 135 2004.
[6] BRITO JUNIOR, C. A. R.; Caracterização Dinâmico-Mecânica de Compósitos MetalFibra e Compósitos de Fibras de Carbono/Resina Epóxi para Uso Aeronáutico. Dissertação de Mestrado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos, 151 f., 2007.
[7] Reforço Estrutural com Compósitos de Fibra de Carbono. Disponível em: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/10658/10658_3.PDF> Acesso em: 18 de setembro de 2017.
[8] ANCELOTTI, A. C. J. Materiais Compósitos: Matrizes para Materiais Compósitos. Notas de aula de matéria de Tecnologia em Materiais Compósitos da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá - MG, 2017.
[9] RODRIGUES, M. R. A. Estudo Da Reação De Cura Da Resina Epóxi (Araldit F) com Anidrido Ftálico e Trietilamina como Iniciador. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1991.
[10] JAIGOBIND, A. G. A; AMARAL, L.; JAISINGH, S. Fabricação de peças em fibra de vidro (compósitos). Instituto de Tecnologia do Paraná - TECPAR, 2014. 
[11] Técnica Básica de Laminação Manual. Manual técnico da empresa Barracuda. Disponível em: http://www.barracudacomposites.com.br/pdf/laminacaomanual.pdf. Acesso em 18 de setembro de 2017.
[12] ANCELOTTI, A. C. J. Materiais Compósitos: Processos de Fabricação. Notas de aula de matéria de Tecnologia em Materiais Compósitos da Universidade Federal de Itajubá. Itajubá - MG, 2017.
[13] CÂNDIDO, G. M. et al. Processamento De Laminados de Compósitos Poliméricos Avançados com Bordas Moldadas. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 10, nº 1, p. 31-41, 2000.