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Processos de Fabricação Professor: Alexius Masiukewycz Título: Blindagem Integrantes: Bruno Sena Julia Reiko Luciana Aparecido Rodrigo de Assis Turma: N4 – 1º semestre de 2010 SUMÁRIO INTRODUÇÃO 4 Engenharia de Controle e Automação TABELAS BALÍSTICAS 5 NORMA – NIJ 0108.01 / NIJ 0101.04 5 NORMA – DIN EM 1063 / DIN 52.290 5 NORMA – ABNT NBR 15000/2005 6 BLINDAGENS MONOLÍTICAS DE AÇO 8 BLINDAGENS COMPÓSITAS 9 BLINDAGENS 12 FRAGMENTAÇÃO DOS CERÂMICOS DEVIDO AO IMPACTO 15 MATERIAIS COMPÓSITOS SOB IMPACTO 18 EFEITO DA VELOCIDADE DE IMPACTO 20 MECANISMO ADICIONAL DE DANO E O PROCESSO DE PENETRAÇÃO 21 FABRICAÇÃO DE VIDROS BLINDADOS 23 EXEMPLO DE FABRICAÇÃO DE VIDRO 23 PROCESSO DE FABRICAÇÃO 23 EXEMPLO DE UMA PORTA BLINDADA 24 BLINDAGEM MAIS UTILIZADA 24 FABRICAÇÃO 25 LAPIDAÇÃO 26 GENERALIDADES 26 VANTAGENS 26 DESCRIÇÃO DO PROCESSO 26 LAPIDAÇÃO DE POLIMENTO 27 LAPIDAÇÃO PLANA PARALELA 27 DISCO DE LAPIDAÇÃO 28 MEIO DE LAPIDAÇÃO 28 CARACTERÍSTICAS E RESULTADOS DE TRABALHO 29 PRECISÃO DE TRABALHO 29 PRESSÃO DE LAPIDAÇÃO 29 BLINDAGENS MONOLÍTICAS DE AÇO No Século XX, as placas monolíticas de aço foram empregadas para proteção dos carros de combate na Primeira Guerra. Estas blindagens consistiam apenas de chapas de aço, fundido ou laminado, que possuíam a dupla função estrutural e de blindagem. Na Primeira Guerra Mundial a espessura da blindagem dos carros de combate era de cerca de 12 mm. Já ao final da Segunda Guerra Mundial esta espessura se situava em torno de 280 mm, o que conferia a estes carros pesos acima de 60 toneladas e densidade superficial de aproximadamente 3 toneladas por metro quadrado. Porém, a evolução das munições anti-tanque demonstrou que a blindagem constituída por um único material com propriedades homogêneas ao longo de sua espessura não era capaz de deter as novas ameaças, sem que fosse elevado demasiadamente o peso dos veículos blindados. Posteriormente as blindagens de aço com face endurecida resultaram da observação da influência da dureza do material na resistência à penetração de uma blindagem. Porém, existe um compromisso entre dureza e tenacidade, sendo concluído que a dureza da chapa de aço da blindagem deveria diminuir ao longo de sua espessura, tendo o seu valor máximo na face externa da viatura. Caso contrário isto aumentaria a probabilidade de ocorrerem estilhaçamentos e apesar da blindagem não sofrer penetração, a tripulação estaria sujeita a ameaça de estilhaços projetados da parede interna do veículo. BLINDAGENS COMPÓSITAS O crescente poder de destruição das munições passou a exigir das blindagens uma combinação de propriedades que um único material não poderia suprir sozinho. Sendo assim, o estudo de materiais para emprego em blindagens tornou-se mais amplo, no sentido de melhorar o desempenho e reduzir peso. De acordo com esta linha de ação, a blindagem deve incorporar diversos tipos de materiais, sendo que cada um desempenha uma função específica dentro do conjunto. Os materiais empregados nas blindagens compósitas mais comuns são: cerâmicas, ligas de alumínio, tecidos de fibras poliméricas e o aço. Além da combinação de vários materiais, um recurso utilizado para aumentar a proteção é a inclinação das paredes do veículo blindado como forma de aumentar a espessura na direção paralela ao solo, sem que seja necessário aumentar a espessura da blindagem. A função da cerâmica na blindagem compósita é, devido a sua elevada dureza, erodir a ponta do projétil, reduzindo, desta forma, o seu poder de penetração. O emprego dos tecidos de fibras poliméricas tem como finalidade principal revestir o interior do veículo para evitar a propagação de estilhaços e, em alguns casos, desempenhar uma função estrutural e de proteção. As ligas de alumínio, por sua vez, além de atuarem na proteção balística, funcionam como encapsulamento da blindagem. O encapsulamento da blindagem evita a projeção de estilhaços de cerâmica, aumentando a vida útil do material. Devido à fragilidade dos materiais cerâmicos, as blindagens compósitas precisam ser destacáveis, ou seja, devem ser de fácil adaptação à estrutura básica do veículo blindado, para que possam ser substituídas rapidamente, quando necessário. O estudo da propagação das ondas de choque provocadas por impactos balísticos fez surgir uma propriedade até então desconhecida no campo dos materiais de emprego em blindagem: a impedância de choque. Grande parte dos danos causados pelo impacto de uma munição se deve às ondas de choque, cuja propagação no material se inicia com o impacto do projétil e, ao encontrar uma superfície livre ou outro material de impedância de choque de menor valor, a onda de compressão gerada pelo impacto reflete como uma onda trativa, que promove a fratura de materiais frágeis como as cerâmicas. Sendo assim, foi observado que materiais de baixa densidade tem a capacidade de atenuar ou até dissipar as ondas de choque. Tabela 1 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1910 -1940 Tabela 2 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1950 -1970 Tabela 3 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1950 -1970 BLINDAGENS A evolução dos projéteis vem sendo confrontada com a evolução das blindagens. Com o desenvolvimento do poder de penetração dos projéteis, novos aperfeiçoamentos são introduzidos na blindagem para detê-los. larga escala são requeridas para este problema, e uma comparação do desempenho de diferentes cerâmicos sob impacto é inicialmente feito de modo experimental. Diboreto de titânio e carbeto de titânio parecem superar outros cerâmicos. Carbeto de silício, carbeto de boro, e alumina também apresentam bom desempenho. Ao projetar uma blindagem cerâmica, deve-se considerar a importância da densidade superficial requerida para a proteção contra uma certa ameaça. Devido a diferença de densidade entre os cerâmicos, para um mesmo valor de densidade superficial corresponde a diferentes espessuras destes materiais. FRAGMENTAÇÃO DOS CERÂMICOS DEVIDO AO IMPACTO Os Materiais cerâmicos possuem duas qualidades muito importantes: alta dureza e baixa densidade relativa. A característica de baixa ou nenhuma ductilidade não deve ser um fator importante se estes materiais não forem utilizados como materiais estruturais; mas apenas adicionados na estrutura, como no caso de aplicações balísticas, e sendo denominando “Appliqué”. Os mecanismos de dano destes materiais são bastante diferentes dos apresentados pelos metais. Não pode ser assumido que os materiais cerâmicos possuem baixa resistência a impactos a altas velocidades. A Figura 2 mostra esquematicamente a penetração em materiais cerâmicos. FIGURA 2: (a) Mecanismos de interação entre projéteis e alvos cerâmicos em função da velocidade de impacto; (b,c) Padrões de fratura do alvo cerâmico impactado por um projétil com alta velocidade: 1- região fragmentada (pulverizada); 2- alvo e projétil ejetados; 3- trincas radiais; 4- trincas por Estilhaçamento ou “Spalling” devida a reflexão da Onda. Viechinicki dividiu os mecanismos de penetração em três regimes de velocidades: Baixa, Intermediária e Hipervelocidades (VSL, VSI, VSH). Em baixa velocidade o cerâmico deforma o projétil, enquanto sofre uma fratura cônica. Em velocidades intermediárias é iniciada a penetração no cerâmico. Em altas velocidades a erosão do cerâmico ocorre. O confinamento do material cerâmico é importante nas blindagens compósitas pois mantém os fragmentos cerâmicos no lugar, continuando a serem efetivos, sob tensões compressivas produzidas pelo projétil. Quatro tipos de fraturas são mostradas na Figura 2.(c). Uma zona fragmentada é formada na frente do projétil. Esta zona fragmentada, também chamada de “Zona de Mescall” em homenagem a John Mescall, que previu sua formação em simulação computacional, é resultado direto da alta tensão compressiva. Esta região fragmentada pode sofrer cisalhamento localizado durante a deformação plástica. Trincas radiais (3) são geradas a partir do ponto de impacto. Estas trincas radiais são produzidas pelas ondas trativas (tensões Hertzianas) resultantes da compressão do centro. Quando a onda de tensão produzida pelo impacto reflete na superfície posterior ou livre, trincas de reflexão podem ser produzidas (4). O material fragmentado é ejetado a partir do alvo, junto com o projétil altamente deformado e fraturado. A Figura 3 mostra o esquema da formação do cone. Este cone é produzido pelas tensões trativas geradas pelas alta tensões de contato. Estas tensões foram estudadas por Hertz. O mesmo tipo de trinca foi observada sob condições estáticas de indentação do vidro. Trincas trativas ocorrem em forma de cone a partir do ponto de contato, interagindo com as tensões refletidas da superfície livre, produzindo a ejeção do cone. O vértice e o topo do cone formam superfícies muito suaves, produzidas pelas tensões Hertzianas, enquanto a base do cone é formada por diferentes sistemas de tensões onde as tensões refletidas desempenham um importante papel neste processo. FIGURA 3: Esquema das trincas Hertzianas e reflexão trativa para a formação e ejeção do cone. MATERIAIS COMPÓSITOS SOB IMPACTO O desempenho de compósitos balísticos depende da taxa de absorção de energia e dos mecanismos de fratura dinâmica durante o impacto. Teoricamente, o comportamento de materiais sob carregamento pode aproximadamente ser dividido em três regimes, como discutido na Tabela 1. TABELA 1: Comportamento dos Materiais sob Carregamento. REGIME TEORIA GOVERNANTE VELOCIDADE DE CARREGAMENTO TAXA DE TENSIONAMENTO EXTENSÃO DA DEFORMAÇÃO MECANISMO DE FALHA ELÁSTICO LEI DE HOOKE 10^(-3) – 10^(-4) 100 - - PLÁSTICO VISCOELASTICIDADE 10^0 – 10^(-1) 10¹ - 10^(-2) GLOBAL FLUXO PLÁSTICO HIDRODINÂMICO ONDA DE CHOQUE >10³ >10^5 LOCAL SEPAREÇÃO FÍSICA DO MATERIAL A Lei de Hooke é aplicada em materiais submetidos a condições de carregamento que resultem em tensões abaixo da tensão de escoamento. Conforme a intensidade de carregamento aumenta, os materiais são levados para dentro da extensão plástica onde podem ser governados pelas equações da viscoelasticidade. Testes de Izod e/ou impacto de queda de peso falham dentro deste regime cujos mecanismos de carregamento são deformações extensas, aquecimento e freqüentemente falha global. Ainda com o futuro aumento na intensidade de carregamento, os materiais comportam-se de forma hidrodinâmica uma vez que as pressões geradas excedem por várias vezes o valor da resistência ao impacto do material. Um exemplo típico é a desempenho balística de compósitos cujo os mecanismos de falha pode somente ser descrito por ondas de choque. O comportamento do material durante um intenso carregamento de impacto é bastante complexo. Para materiais compósitos, é ainda mais complexo já que existem pelo menos dois componentes, e ainda interfaces extras entre os componentes que precisam ser consideradas. Esforços bem sucedidos tem sido iniciados para entender a resposta ao impacto de compósitos através de análises ocorre, as fibras em contato com o projétil são empurradas, causando uma linha de trincas na matriz dentro desta camada propagando para fora, entre as fibras, em ambos os lados do projétil. Isto é demonstrado graficamente na Figura 6 (vista superior) onde a camada (a) cujas fibras são mostradas na direção vertical estão na frente da camada (b) que contém fibras mostradas na direção horizontal. FIGURA 6: Processo de Delaminação em um Compósito por Camadas Cruzadas durante Velocidade Alta ou Balística. As duas linhas verticais cheias representam as trincas formadas. As fibras em contato com o projétil são inicialmente empurradas e o trincamento da matriz continua a crescer na direção vertical até que todas as fibras naquela faixa são totalmente cisalhadas. Contudo, até que as fibras sejam cisalhadas, a faixa a partir da lâmina (a) carrega transversalmente a segunda lâmina (b) adiante da linha da trinca da matriz e também a empurra. Isto causa a delaminação entre as fibras não- carregadas da camada (a) e as carregadas da camada (b). Já que estas fibras são todas cortadas na camada (a) o processo é repetido em (b). Este processo de delaminação continua conforme o projétil viaja através do compósito. Uma vez que este mecanismo leva mais tempo para penetrar cada lâmina sucessiva, a separação entre as camadas possui mais tempo para propagar, causando uma área de delaminação, e estendendo o crescimento da trinca na matriz conforme o projétil percorre o compósito. Isto é continuado até que o projétil é detido no interior do compósito ou o perfura completamente. FABRICAÇÃO DE VIDROS BLINDADOS Os vidros blindados são produzidos atualmente utilizando dois materiais balísticos deferentes, com variações nas suas configurações. São eles: 1 – o policarbonato que pode ser utilizado em duas diferentes configurações, entre laminas de vidro ou externamente. 2 – a resina inomérica: assim denominada pelo processo no qual os materiais Noviflex, sentry Glass ou Miraplay se tornam compostos balísticos. Tais compostos podem ser utilizados apenas em uma única composição, entre laminas de vidros, e requerem uma camada de spall shield após a ultima lamina de vidro, material este anti-fragmento. EXEMPLO DE FABRICAÇÃO DE VIDRO EMPRESA GEPCO As principais matérias primas utilizadas na produção do vidro blindado são: 1) Vidro Float, material desenvolvido em processo de flutuação que permite superior paralelismo entre as duas partes da chapa de vidro. 2) Policarbonato, um plástico de engenharia que possui maior capacidade de absorção energética entre os materiais transparentes disponíveis. PROCESSO DE FABRICAÇÃO O Float é cortado de acordo com molde pré-definido e é encaminhado para a lapidação. O próximo passo é a serigrafia. Que consiste na pintura da borda do vidro para torná-lo o mais próximo do original de fabrica. Depois de pintado, o material vai para um primeiro forno onde é feita a fusão da tinta cerâmica e, em seguida, para um segundo forno para a execução de sua curvação. A próxima etapa é a montagem, em que as diversas camadas do vidro recebem uma camada de policarbonato. Posteriormente, o laminado (vidro + policarbonato) é prensado em autoclave em alta pressão e temperatura. Figura i10 – Exemplo de fabricação de vidro da PG PRODUCTS EXEMPLO DE UMA PORTA BLINDADA Fabricada com chapa tripla ou dupla de aço com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado. BLINDAGEM MAIS UTILIZADA - Anti-Invasão / Nivel II (ABNT) – Resiste armamentos até Magnum 357 e Pistola 9mm. - Nivel III-A (ABNT) – Resiste armamentos até Magnum 44 e Submetralhadora 9mm. - Nivel III (ABNT) – Resiste armamentos até fuzil AR15 - AK47 e FAL 7.62 FABRICAÇÃO - A porta blindada é fabricada com chapa tripla ou dupla de aço com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado. Seu interior é estruturado por perfis de aço soldados entre si, através de solda MIG (Metal Inert Gas), e preenchido com material especial isolante termo-acústico. - O batente blindado é fabricado com chapas de aço dobradas com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado. LAPIDAÇÃO GENERALIDADES Processo de fabricação com remoção de cavaco, utilizando grãos abrasivos os grãos são soltos e suspensos em um líquido ou pasta a partir de movimentos aleatórios, os grãos promovem a forma da ferramenta. Pode-se obter superfícies de formas geométricas e dimensões variadas Este processo compete com a usinagem de ultraprecisão e com o brunimento em vista da qualidade da superfície usinada obtida. VANTAGENS PRECISÃO DE TRABALHO Influenciada pelo tamanho do grão abrasivo, composição do meio de lapidação, pressão efetiva de lapidação, característica da superfície da peça, oscilações na temperatura, construção da máquina-ferramenta etc. PRESSÃO DE LAPIDAÇÃO Exerce grande influência na taxa de remoção, maior do que a dimensão dos grãos abrasivos. Deve-se buscar o ponto ótimo de pressão que concilie a agilidade no processo e a obtenção das tolerâncias exigidas. CONCENTRAÇÃO DO MEIO DE LAPIDAÇÃO Influi na taxa de remoção e também tem um valor ótimo. Acima do valor ótimo não se verifica aumento na formação de cavacos. POTENCIALIDADE Grandezas específicas do meio de lapidação: tipo e composição do meio de lapidação, caracterizado pela forma tamanho, dureza e distribuição dos grãos, viscosidade da suspensão etc. Grandezas específicas do processo: tipo e dureza do material da peça, pressão de lapidação, tamanho e forma da superfície a ser lapidada, velocidade de lapidação, tipo do trabalho prévio, alimentação do meio de lapidação, movimento do processo de lapidação, tipo de estado da ferramenta de lapidação e exigências de qualidade. MATERIAL PARA O DISCO DE LAPIDAÇÃO Utilizam-se materiais duros para altas taxas de remoção, e materiais moles para melhor acabamento da superfície usinada. Há, entretanto exceções para esta regra. CONCLUSÃO Foi muito interessante e construtivo pesquisar sobre o tema blindagem; sua historia, dinâmica, mecânica e fabricação. Vimos que a essência da blindagem esta na fabricação e escolha dos materiais bases da mesma e que esses na sua maioria são constituídos de um material de elevada dureza na superfície da blindagem e materiais dúcteis no seu interior. Na fabricação o mais comum é usar o processo de lapidação, no caso de vidros e solda MIG no caso de portas. Tivemos bastante dificuldade em achar o tema abordado, em sites em geral, porém vimos que o assunto era rico em teses e pesquisa cientifica de instituições, tais como ITA e IME, como também de patentes sobre o assunto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Dissertações A N. Sousa; C. Thaumaturgo.Geopolimeros para aplicações balísticas. Instituto Militar de Engenharia (IME), Departamento de Engenharia Mecânica e de Materiai. J. P. Moreira. Vitro. Cerâmicas utilizadas em blindagem balística. Tese ( Mestrado em eng. aeronáutica do ITA). Internet UFSC. Processos de Usinagem. Disponível em: <http://www.lmp.ufsc.br/disciplinas/emc5240/Aula-23-U-2006-1- brunim_lapid_jateam_lixam.pdf > Gepco. Disponível em: <http://www2.gepco.com.br/final/home.htm> Blindaco. Disponível em: <http://www.blindaco.com.br> Youtube. Fabricação do vidro blindado <http://www.youtube.com/watch?v=8yLrDl2g4Ag>