Processamento Compósitos

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Processamento de Materiais Compósitos 
João Reis
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Moldagem por contato
Descrição
As fibras são impregnadas pelas resinas por processo manual.
A impregnação é efetuada por pincéis e rolos que forçam a molhagem das fibras.
Os laminados são curados à temperatura ambiente.
Materiais
Resinas: todo o tipo de resinas, p.e. poliéster, de epóxido, viniléster e fenólicas.
Fibras: todo o tipo de fibras, p.e. mantas, tecidos, unidireccionais.
Aplicações:
Embarcações, Moldações arquitectónicas, pás de turbinas.
Vantagens/Desvantagens
Técnica utilizada à muitos anos.
Fácil aprendizagem.
Molde de custo reduzido.
Vasta gama de materiais e fornecedores.
Cuidados na mistura da resina com o catalisador/acelerador.
Laminados demasiado ricos em resina.
Qualidade do laminado fortemente dependente da perícia do operador.
Considerações de segurança e manuseamento das resinas.
Elevada percentagem de estireno libertado para o meio ambiente resultante das resinas de poliéster e viniléster.
Presença de bolhas de ar no laminado.
Moldagem por Projeção Simultânea
Descrição
A fibra é cortada dentro da pistola e molhada pelo spray de resina previamente catalisada.
A projeção de fibra e de resina é simultânea sobre o molde.
Os laminados são curados à temperatura ambiente.
Materiais
Resinas: geralmente de poliéster.
Fibras: roving de fibra de vidro.
APLICAÇÕES:
Componentes de geometrias simples, painéis, componentes para caravanas, banheiras.
Vantagens/Desvantagens
Técnica utilizada à muitos anos.
Custo baixo e rápido de deposição de fibra e de resina.
Laminados ricos em resina e excessivamente pesados.
Propriedades mecânicas do laminado limitadas pela incorporação de apenas fibras curtas.
Resinas de baixa viscosidade.
Elevada percentagem de estireno libertado para o meio ambiente.
Presença de bolhas de ar no laminado.
MOLDAÇÃO EM SACO DE VÁCUO
Descrição
Extensão dos processos de moldação por contacto.
Pode ser também aplicado na realização de pré-formas e auxiliar a colagem entre materiais diferentes.
A pressão é aplicada para melhorar a consolidação do material.
O molde é fechado por uma membrana de vácuo. Seguidamente o ar é retirado através de uma bomba de vácuo. O vácuo auxilia a impregnação e diminui as bolhas de ar.
Os laminados são curados à temperatura ambiente.
Materiais
Resinas: geralmente de epóxido e fenólicas. As resinas de poliéster e viniléster podem causar problemas devido à emissão de estireno que pode danificar a bomba de vácuo.
Fibras: todo o tipo e fabrico de fibras.
APLICAÇÕES
Componentes de elevadas dimensões, embarcações, colagem de núcleos em estruturas sanduíche, componentes de automóveis de competição.
Vantagens/Desvantagens
Laminados com elevada percentagem de fibra e podem ser impregnados pelas técnicas de moldação tradicionais.
A pressão de consolidação permite a utilização de reforços de elevada gramagem.
Reduzido conteúdo de vazios.
Molhagem das fibras mais eficiente devido à pressão e ao fluxo de resina através das fibras.
Redução de voláteis durante a cura o que permite um meio ambiente mais saudável.
O saco de vácuo adiciona o custo de mão-de-obra e desperdício de materiais pós-processamento.
Operadores qualificados.
A mistura e o controlo da percentagem de resina é fortemente dependente da perícia do operador.
AUTOCLAVE
Descrição
Utilização de pré-impregnados.
Os laminados são formados por várias camadas de pré-impregnado dispostos sobre o molde.
Utilização do saco de vácuo.
O autoclave fornece temperatura, pressão e vácuo.
A cura é realizada a altas temperaturas geralmente entre 120-180ºC.
Materiais
Resinas: geralmente de epóxido, fenólicas e resinas de alta temperatura tais como poliamidas e bismaleimidas.
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras.
APLICAÇÕES:
Componentes estruturais para aeronaútica (p. e. asas e secções da parte traseira), componentes do F1, desportos de competição (p. e. raquetes de ténis e skis).
Vantagens/Desvantagens
As percentagens de resina/catalisador e a percentagem de resina contida no pré-impregnado são estabelecidos com exactidão pelo fabricante.
Devido ao longo tempo de utilização é possível executar laminados complexos e morosos.
Os materiais conferem boas condições de higiene e segurança sendo o trabalho mais limpo.
A química da resina pode ser optimizada para o melhor desempenho mecânico e térmico do componente.
O processo pode facilmente ser automatizado.
Componentes estruturais isentos de bolhas de ar e com excelente consolidação.
Os pré-impregnados são materiais dispendiosos.
Custos de produção elevados devido ao longos tempos de cura.
O material do molde deve suportar as temperaturas e pressões do ciclo de cura.
A dimensão do componente é limitada pelas dimensões do autoclave.
CURA DE PRÉ-IMPREGNADOS A BAIXA TEMPERATURA
Descrição
Utilização de pré-impregnados de baixa temperatura. O sistema de resina é diferente dos de alta temperatura.
Os laminados são formados por várias camadas de pré-impregnado dispostos sobre o molde.
Utilização do saco de vácuo.
Utilização de uma estufa para fornecer temperatura. Não se utiliza pressão.
A cura é realizada a baixas temperaturas geralmente entre 60-100ºC.
Materiais
Resinas: geralmente de epóxido.
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras.
APLICAÇÕES:
Pás de turbinas de alto desempenho, componentes de veículos ferroviários, embarcações de recreio.
Vantagens/Desvantagens
As percentagens de resina/catalisador e a percentagem de resina são controlados.
Devido ao longo tempo de utilização é possível executar laminados complexos e morosos.
Os materiais conferem boas condições de higiene e segurança sendo o trabalho mais limpo.
A química da resina pode ser optimizada para o melhor desempenho mecânico e térmico do componente.
Os pré-impregnados são materiais dispendiosos.
Custos de produção elevados devido ao longos tempos de cura.
O custo do molde é mais baixo comparado com os moldes para autoclave.
Enrolamento Filamentar
Descrição
Processo utilizado para o fabrico de componentes ocos.
Geralmente as secções são circulares ou ovais.
As fibras contínuas são molhadas numa tina de resina e enroladas sobre o mandril com várias orientações.
O sistema é controlado pelo mecanismo de alimentação das fibras e pela velocidade de rotação do mandril.
A cura é realizada à temperatura ambiente.
Materiais
Resinas: todo o tipo de resinas como por exemplo as de poliéster, de epóxido, viniléster e fenólica.
Fibras: geralmente rovings. As fibras são usadas directamente do rolo.
APLICAÇÕES:
Tanques e tubos de armazenamento de produtos químicos, cilindros para gás, tanques de armazenamento de água para incêndios.
Vantagens/Desvantagens
Método rápido e econômico de fabrico de componentes.
O conteúdo de resina pode ser controlado a partir da medição de resina nos filamentos de fibra por grelhas ou fieiras.
O custo da fibra é minimizado uma vez que não necessita de um processo secundário para converter os filamentos de fibra em tecido, antes do processamento.
Os laminados conferem boas propriedades estruturais uma vez que as fibras são esticadas e direcionadas de forma a suportar as cargas aplicadas.
O processo é limitado a componentes de formas convexas.
As fibras não são facilmente enroladas ao longo de todo o comprimento do mandril.
O custo do mandril pode ser elevado para componentes de grandes dimensões.
A superfície exterior do componente não é lisa e pode tornar-se visualmente pouco atrativa.
Produtos
Pultrusão
Descrição
As fibras são puxadas (pull) dos rolos e são molhadas quando passam por uma tina com resina. Seguidamente entram numa fieira aquecida curando o perfil.
A fieira completa a impregnação da fibra, controla o conteúdo de resina e cura o material até à forma final.
O perfil
é puxado por carros e posteriormente cortado por uma serra automática no comprimento pretendido.
A cura é realizada a altas temperaturas geralmente entre 120-160ºC.
Fabrico de perfis contínuos.
Materiais
Resinas: geralmente de poliéster. Mas podem ser também utilizadas as de epóxido, viniléster e fenólica.
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras.
APLICAÇÕES:
Vigas e suportes de estuturas para coberturas, reforço de pontes, escadas, passadiços.
Vantagens/Desvantagens
Processo rápido e económico de impregnação e cura de materiais.
O conteúdo de resina pode ser controlado com exactidão.
O custo de fibra é minimizado devido à alimentação da fibra ser directamente do rolo.
Possibilidade de conjugar fibras contínuas com mantas e tecidos.
Boas propriedades estruturais resultantes das fibras contínuas e elevada fracção volúmica.
A área de impregnação é fechada limitando a emissão de voláteis.
Limitado a componentes de secção constante.
Os custos da fieira são elevados.
Algum desperdício de material no arranque do processo.
Produtos
MOLDAÇÃO POR TRANSFERÊNCIA DE RESINA (RTM)
Descrição
O reforço, em forma de tecidos secos, é empilhado e deitado sobre o molde.
Geralmente o reforço é pré-formado à forma do molde por prensa ou saco de vácuo.
A utilização de tecidos tridimensionais não necessita de pré-formação.
O molde secundário é colocado sobre o primeiro molde e fechado a partir de parafusos ou por vácuo (RTM Light).
A resina é injetada para dentro da cavidade do molde a baixas pressões.
O processo pode ser assistido por vácuo para melhorar a impregnação e reduzir a formação de bolhas de ar (VARI).
Possibilidade de injetar mais do que uma resina para conjugar determinadas propriedades mecânicas e térmicas (CIRTM).
Depois da injeção os canais de entrada de resina são fechados e o material começa a curar.
A cura pode ser efetuada à temperatura ambiente ou alta temperatura (molde aquecido).
Materiais
Resinas: geralmente de poliéster, de epóxido, viniléster e fenólica. As bismaleimidas podem ser utilizadas mas a cura é efetuada a alta temperatura
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras. No entanto, foram desenvolvidos tecidos tridimensionais ou tipo sanduíche que permitem um avanço rápido do fluxo no interior do reforço e são facilmente deformáveis
APLICAÇÕES:
Componentes para a aeronáutica, indústria automóvel e ferroviária. 
Vantagens/Desvantagens
Laminados com elevada fração volumétrica de fibra e redução do conteúdo de vazios.
Ambiente de trabalho mais limpo e redução da emissão do estireno por ser um processo de molde fechado.
Redução do custo de mão-de-obra.
Componentes com as duas faces lisas e possibilidade de colocar insertos.
Existem sistemas de sensores para monitorizarão e controlo do processo.
Geralmente os moldes são fabricados em fibra e resina.
Para altas pressões, o molde deve ser metálico tornando-se pesado e o custo mais elevado.
Não é possível visualizar o enchimento tornando o processo mais complexo e propício a peças defeituosas.
Geralmente é limitado a componentes de médias dimensões.
OUTROS PROCESSOS DE INFUSÃO – SCRIMP, RIFT, VARTM
Descrição
O reforço, em forma de tecidos secos, é empilhado e deitado sobre o molde como no RTM.
A fibra é então coberta por peel-ply ou por um tecido que promove a distribuição de resina.
Utilização de membrana de vácuo como molde secundário.
A resina é injetada para dentro da cavidade do molde com o auxílio do vácuo.
Depois da injeção os canais de entrada de resina são fechados e o material começa a curar.
A cura pode ser efetuada à temperatura ambiente ou alta temperatura (molde aquecido).
Materiais
Resinas: geralmente de poliéster, de epóxido, viniléster.
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras. Os reforços em forma de malha promovem o fluxo de resina.
APLICAÇÕES:
Produção de pequena série de iates, painéis para caminhões e trens. 
Vantagens/Desvantagens
As mesmas que para o RTM, excepto nestes processos o componente só tem uma face lisa.
Ambiente de trabalho mais limpo e redução da emissão do estireno por ser um processo de molde fechado.
Redução do custo do molde devido ao contra-molde ser uma membrana.
Possibilidade de fabricar componentes com grandes dimensões.
As estruturas sanduíche podem ser fabricadas em uma só fase.
Processo relativamente complexo.
As resinas devem ser de baixa viscosidade, comprometendo as propriedades mecânicas devido à elevada percentagem de estireno presente no laminado.
Alguns destes processos são patenteados como o SCRIMP.
INFUSÃO COM FILME DE RESINA (RFI)
Descrição
As camadas de fibra seca são empilhadas umas sobre as outras e intercaladas com filme semi-sólido de resina.
O laminado é coberto com membrana de vácuo.
O vácuo é aplicado para remover uma parte do ar existente entre os tecidos secos.
O molde é então aquecido para fundir a resina e esta fluir por entre os filamentos de fibra.
A cura é efetuada a alta temperatura.
Materiais
Resinas: de epóxido.
Fibras: Todo o tipo e fabrico de fibras.
APLICAÇÕES:
Coberturas para antenas de radar na aeronáutica e submarinos.
Vantagens/Desvantagens
Fração volumétrica de fibra elevada com redução de vazios.
Ambiente de trabalho limpo e saudável como os pré-impregnados.
Custo mais baixo comparado com os pré-impregnados.
Propriedades mecânicas elevadas da resina devido estado sólido do material polímero inicial e elevada temperatura de cura.
Menor probabilidade de encontrar zonas secas de fibra, quando comparado com o SCRIMP, devido ao fluxo de resina ser apenas através da espessura.
Não é muito aplicado fora da indústria aeroespacial.
Necessidade de utilizar uma estufa e um sistema de vácuo como nos pré-impregnados.
O molde deve suportar temperaturas elevadas durante o ciclo de cura, tipicamente entre 60-100ºC.
Moldagem por Compressão
O compósito é formado sob pressão entre moldes tipo "macho-e-fêmea". O material, que é comprimido tipicamente, tem uma ou mais combinações de resina e fibra de vidro. Estas combinações são: "sheet molding compound" (SMC), bulk "molding compound" (BMC), "preform" (preformado) ou lâmina de termoplástico reforçado com fibra de vidro.
Processo
Materiais:
Fio Contínuo de Multifilamentos ("Multi-End Roving") 
Fios Picados Manta de Fio Contínuo ("Continuous Filament Mat")
Reinforced Reaction Injection Molding RRIM 
Este processo é similar ao de moldagem por reação estrutural. No caso do RRIM, o reforço é adicionado aos componentes da resina, antes de reagirem. A combinação de resina reforçada é injetada na cavidade do molde, onde a resina reage rapidamente e cura formando a parte de compósito.
Materiais:Fibra Moída
Processo RRIM
Structural Reaction Injection Molding SRIM
Este processo usa um sistema de resina de dois componentes, os quais são combinados e misturados juntos. Em seguida são injetados na cavidade do molde que contém o reforço. Na cavidade do molde, a resina reage rapidamente e cura-se formando a parte de compósito.
Materiais:Manta de Filamento Contínuo ("Continuous Filament Mat")
Processo SRIM
Sheet Moulding Compound
Um composto de resina termorrígida reforçada com fibra de vidro normalmente em bobines interligadas com um filme plástico para prevenir a adesão
Feito a partir de resina dispersa, cargas, agentes de maturação, catalizador e desmoldante em dois rolos de filme de polietileno em movimento. O rolo inferior possui também chopped glass roving ou glass mat. 
SMC
Bulk Moulding Compound
 BMC é uma combinação de fibra de vidro cortada com resina na forma de prepreg 
Ao contrario do SMC, não é necessario o estágio de maturação, e consequintemente, BMC prepreg contem maior porcentagem de cargas.
Os reforços são essencialmente fibra de vidro cortada de 6 ou 12mm, mas as vezes fibras com 25mm para aplicações que demandam elevadas propriedades mecânicas. A quiantidade de reforço
varia entre 15 and 20% podendo chegar a 25% 
BMC tem uma menor quantidade de reforço comparada com SMC, que permite uma maior quantidade de cargas barateando o custo do produto
BMC