Projeto de seleção dos materiais

Projeto de seleção dos materiais

(Parte 1 de 3)

Vivian Cristina Sampaio Lima 11004810 Bruna Caldas de Sousa 11005811

Santo André 2015

Projeto apresentado como parte da avaliação da disciplina de Seleção dos Materiais.

Prof. Dr. Renato Antunes

1. INTRODUÇÃO3
1.1. Método de Ashby para Seleção dos Materiais3
1.2. Veículo Aéreo Não Tripulado – VANT4
1.3. Competição SAE Brasil AeroDesign6
1.4.1 Materiais Consagrados para Casca8
1.4.1.1 Fibra de Carbono8
1.4.1.2Fibra de Aramida ................................................................................................................. 9
1.4.1.3. Fibra de Vidro10
1.4.2 Materiais Consagrados para o Núcleo1
1.4.2.1 Colmeia Plástica1
1.4.2.2 Espuma de PVC12
1.4.2.3 Espuma PET13
1.4.2.4 Madeira Balsa13
2. OBJETIVO14
3. SELEÇÃO DOS MATERIAIS14
3.1. TRADUÇÃO:16
3.2. ELIMINAÇÃO:17
3.2.1 Etapa I – Casca18
3.2.2 Etapa I – Núcleo19
3.3. CLASSIFICAÇÃO:21
3.3.1. CASCA21
3.3.2. NÚCLEO23
4. SELEÇÃO DO PROCESSAMENTO25
4.1. TRADUÇÃO25
4.2. TRIAGEM25
4.3. CLASSIFICAÇÃO30
4.4. BUSCA POR INFORMAÇÕES DE APOIO:30
4.4.1. Informações sobre o processamento:30
4.4.1.1. Hand Lay-Up30
4.4.1.2. Moldagem por Autoclave31
4.4.1.3. Saco à Vácuo32
5. CONCLUSÃO3

Sumário 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ......................................................................................... 3

1. INTRODUÇÃO 1.1. Método de Ashby para Seleção dos Materiais

O Método de Ashby para Seleção dos Materiais tem como objetivo identificar o perfil de atributos do material desejado e compará-lo com os dos materiais de engenharia reais para encontrar a melhor combinação [1].

A primeira etapa da seleção é a tradução. Nessa etapa, os requisitos do projeto são examinados para identificar as restrições que eles impõe à escolha do material. Esses requisitos são determinados pela função do projeto, restrições, objetivos e variáveis livres. A função determina o que o material deve fazer no projeto, as restrições são as condições que ele deve cumprir, as propriedades necessárias que o material deve ter para cumprir determinada função, o objetivo do projeto é o fator que deve ser minimizado ou maximizado e a variável livre seria os parâmetros do problema que o projetista tem liberdade de mudar [1].

A segunda etapa da seleção é a eliminação ou triagem que consiste na eliminação de candidatos que não podem fazer o serviço imposto pelo projeto pelo fato de um ou mais atributos estar fora dos limites estabelecidos pelas restrições [1].

A próxima etapa da seleção é a classificação. Nessa etapa, os critérios de otimização são encontrados nos índices dos materiais, que medem quão bem um candidato que passou na etapa de triagem pode fazer o serviço. As vezes o desempenho é limitado por uma única propriedade, em outras, por uma combinação delas. Dessa forma, a classificação identifica quais materiais, dentre aqueles selecionados pela triagem, podem fazer melhor o serviço [1].

Os resultados das etapas anteriores citadas é uma lista curta e ordenada de candidatos que cumprem as restrições e minimizam ou maximizam o critério de excelência exigido. Para seguir a diante, é preciso procurar um perfil detalhado de cada candidato, sua documentação [1].

A documentação ajuda a reduzir a lista curta até uma escolha final, permitindo uma combinação definitiva entre requisitos de projeto e atributos de materiais. Porém, limites de atributo não ajudam a ordenar os candidatos que permanecem. Para fazer isso precisamos de critérios de otimização, que são encontrados nos índices de materiais, desenvolvidos em seguida, que medem quão bem um candidato que passou na etapa de triagem pode fazer o serviço. Às vezes o desempenho é limitado por uma única propriedade, em outras, por uma combinação delas. Documentação é muito diferente dos dados de propriedades usadas para a triagem [1]. 1.2. Veículo Aéreo Não Tripulado – VANT

Um Veículo Aéreo não Tripulado – VANT é todo e qualquer tipo de aeronave que não necessita de pilotos embarcados para ser guiada sendo controlada de forma autônoma por computadores inseridos na parte interna do veículo. Esses veículos também podem ser controlados por pilotos em terra ou em outros transportes, que darão coordenadas para os VANTs por meio do controle remoto [2].

A primeira utilização dos VANTs foi na área militar. Em 2000, foram utilizados pelas forças de defesa dos Estados Unidos para auxiliar em missões militares. Estas máquinas voadoras de última geração foram concebidas, projetadas e construídas com o objetivo de serem usadas em missões muito perigosas para serem executadas por seres humanos, nas áreas de inteligência militar, apoio e controle de tiro de artilharia, apoio aéreo a tropas de infantaria e cavalaria no campo de batalha, controle de mísseis de cruzeiro, atividades de patrulhamento urbano, costeiro, ambiental e de fronteiras, atividades de busca e resgate, entre outras [2].

Os VANTs vem sendo utilizados há alguns anos na detecção de pragas nas lavouras, na perseguição de fugitivos da polícia, no controle de fronteiras e no monitoramento de usinas nucleares ou de turbinas eólicas [3].

São utilizados também na indústria cinematográfica para fazer imagens aéreas, com a vantagem de serem mais baratos que aeronaves tripuladas e conseguirem entrar em espaços menores [3].

Já consagrados na área militar e com aplicações comerciais cada vez mais promissoras, os

VANTs ainda estão em fase experimental no uso doméstico. O que não falta é gente “experimentando”: estima-se que só nos Estados Unidos sejam postos no ar 1.0 novos VANTs pessoais por mês [3].

Figura 1 – Design de VANT utilizada pela Equipe Harpia para a Competição SAE Brasil Aerodesign 2015

O principal obstáculo nas primeiras tentativas para colocar um avião no ar era seu peso, uma força causada pela gravidade. Porém, com alguns diferentes formatos na aerodinâmica dos corpos, conseguiu-se controlar este problema. O ar, fluido que será responsável por sustentar uma aeronave em voo, é composto de alguns elementos (N2, O2, água, entre outros), com isto podendo sofrer alterações entre grandezas como a densidade, temperatura e pressão. Estas mudanças na atmosfera estão relacionadas com as diferenças de temperatura e pressão entre as várias massas de ar que circulam, originando deslocamentos das camadas, dando início aos ventos, que poderão ser úteis ou desfavoráveis ao voo.

Quando um avião tem o vento ao seu favor, temos uma soma vetorial, ou vice-versa, e com isto, os vetores são amplamente utilizados, originando todo tipo de resultantes, sejam elas verticais, como peso e sustentação, ou horizontais, como a tração e resistência do ar. Quando o avião está em voo com velocidade constante, a soma de todas as suas forças é nula. O deslocamento de ar para trás irá causar uma força para frente, que é o empuxo. Existem quatro forças básicas presentes no voo: Sustentação, arrasto, tração e peso.

Figura 2 – Esquema da atuação de forças em uma aeronave

1.3. Competição SAE Brasil AeroDesign

O projeto SAE AeroDesign é um desafio lançado aos estudantes de Engenharia que tem como principal objetivo propiciar a difusão e o intercâmbio de técnicas e conhecimentos de Engenharia Aeronáutica entre estudantes e futuros profissionais da engenharia da mobilidade, através de aplicações práticas e da competição entre equipes [4].

Os alunos que participam da Competição SAE Brasil AeroDesign devem formar equipes que representarão a Instituição de Ensino Superior ao qual estão ligados. Estas equipes são desafiadas anualmente com novos regulamentos baseados em desafios reais enfrentados pela indústria aeronáutica como por exemplo, otimização multidisciplinar para atendimento de requisitos conflitantes, redução de peso através de otimização estrutural, instrumentação e ensaios em voo dos protótipos, entre outros. A Competição SAE Brasil AeroDesign é composta por três categorias distintas: Regular, Aberta e Micro, com requisitos específicos aplicáveis a cada uma destas. As avaliações e classificação das equipes são realizadas em duas etapas: Competição de Projeto e Competição de Voo, onde os projetos são avaliados comparativamente por engenheiros da indústria aeronáutica, com base na concepção e desempenho de projetos [4].

O objetivo do projeto, de acordo com o Regulamento 2015 [5]: A equipe deverá projetar e construir um avião radio controlado original, que seja o mais otimizado possível em todos os aspectos da missão, através de soluções de projeto criativas, inovadoras e multidisciplinares, que satisfaçam os requisitos e restrições impostas no Regulamento. Para este trabalho, destacase o fator de eficiência estrutural, descrito abaixo:

Fator de Eficiência Estrutural (por bateria de voo):

Pontos adicionais para a Classe Regular serão acrescentados baseando-se no Fator de Eficiência Estrutural, ou seja, razão de Carga Paga/Peso Vazio da aeronave.

A equação para o cálculo dos pontos atribuídos ao Fator E é a seguinte:

PEE: pontos obtidos devido ao fator de eficiência estrutural E: fator de Eficiência Estrutural, definido como:

CP: carga paga (em kg)

PV: peso vazio (em kg) α: fator relacionado a nota de relatório

1.4 Painéis Sanduíche

Alguns fatores influenciam na seleção de materiais estruturais para uma aeronave, porém, dentre estes fatores, resistência relacionada a redução de massa é provavelmente o mais importante [6]. Por estas razões, compósitos sanduíche têm sido preferidos veículos aeroespaciais (além de aplicações marinhas, turbinas eólicas etc.) devido a sua alta resistência a flexão em adição a sua baixa densidade.

Compósitos sanduíche são compostos do núcleo, que é mais leve, porém mais grosso, e a face, que é mais rígida e resistente. As propriedades do reforço, rigidez e resistência do núcleo e a força da adesão núcleo-face determinam as características dos compósitos sanduíche [7]. O design do núcleo é relacionado a sua aplicação. A casca é altamente responsável pelos carregamentos de flexão enquanto que o núcleo provê resistência ao cisalhamento e integridade à estrutura [8]. Combinando diferentes tipos de face com diferentes materiais de núcleo e variando a geometria, é possível obter muitas formas de compósitos sanduíche [9].

Figura 3 – Esquematização de compósito sanduíche [10] 1.4.1 Materiais Consagrados para Casca 1.4.1.1 Fibra de Carbono

As fibras de carbono, como as fibras de vidro, foram os primeiros reforços utilizados para aumentar a rigidez e resistência de materiais compósitos avançados leves, comumente utilizados em aeronaves, equipamentos de recreação e aplicações industriais. A expressão “fibra de carbono” geralmente se refere a uma variedade de produtos filamentares compostos por mais de 90% de carbono e filamentos de 5 a 15 µm de diâmetro, produzidos pela pirólise da poliacrilonitrila (PAN), piche ou rayon [1].

Pelo fato das fibras de carbono possuírem elevados valores de resistência à tração, módulo de elasticidade extremamente elevado e baixa massa específica, comparadas com outros materiais de engenharia, são utilizadas predominantemente em aplicações críticas envolvendo redução de massa. As fibras de carbono comercialmente disponíveis podem duplicar seus valores de módulo de elasticidade em relação às outras fibras de reforço, tais como aramida e vidro S, e exceder os metais em resistência à tração. Quando se utilizam materiais compósitos de fibras de carbono, a sua resistência e módulo de elasticidade podem ser orientados de modo otimizado para minimizar a massa final [1].

Além da resistência e rigidez, as fibras de carbono possuem excelente resistência à fadiga, características de amortecimento de vibrações, resistência térmica e estabilidade dimensional. As fibras de carbono possuem também boa resistência elétrica e térmica e são quimicamente inertes, exceto quanto à oxidação [1].

1.4.1.2. Fibra de Aramida Fibra de aramida é uma fibra orgânica da família das poliamidas aromáticas, desenvolvida para aplicações industriais exigentes e tecnologicamente avançadas. As propriedades singulares e a composição química diferenciada dessa família distinguem as poliamidas aromáticas (aramidas) – e, de maneira especial, a fibra de aramida – das outras fibras comerciais fabricadas pelo homem. A fibra de aramida combina nobres propriedades num mesmo material. Caracterizada por possuir uma elevada resistência mecânica, alta estabilidade dimensional, módulo de elasticidade relativamente alto e baixa densidade (em relação às fibras de carbono e vidro), apresenta uma força até 5 vezes superior ao aço, porém sem perder flexibilidade e peso [12].

Suas principais características ainda compreendem alto ponto de fusão e alta estabilidade térmica. Dentre as fibras de aramida, a mais conhecida é a fibra de aramida 29 fios, comercialmente conhecida como Kevlar® 29, utilizado nos coletes a prova de balas, como componente para pastilhas de freio e na substituição do amianto. As roupas de proteção contra fogo, utilizadas pelos bombeiros também são confeccionadas com tecido de Kevlar® ou, mais precisamente, de uma variante do material denominada Nomex®, desenvolvida para resistir a temperaturas intensas [12].

Já o Kevlar® 49 é um material muito mais resistente, mas nada maleável, que pode ser encontrado em cascos de barcos e quadros de bicicletas, muito aplicado na indústria aeroespacial e em carros de corrida. Outras variações do material também são comuns na substituição dos itens que se assemelham às borrachas, sendo principalmente utilizado como revestimento de abrigos contra tornados. Dentre diversas e inúmeras aplicações, o Kevlar® também contribui com o mercado de telecomunicações. Devido a seu baixo peso e baixo alongamento, ele é utilizado como elemento de proteção e sustentação nos cabos de fibras ópticas. Contudo, apesar das aplicações bastante peculiares apresentadas pelas aramidas, a literatura sobre as mesmas é escassa [12].

1.4.1.3. Fibra de Vidro

Os compósitos de fibra de vidro são bastante populares, dado que as fibras de alta resistência podem ser facilmente fabricadas a partir do vidro derretido. Além disso, o processo de fabricação destes compósitos é relativamente barato, existindo várias técnicas para a sua elaboração. Podem ser utilizados numa grande variedade de ambientes corrosivos, dado serem bastante inertes do ponto de vista químico. Além disso, os materiais que utilizam fibras de vidro, normalmente, estão limitados a uma temperatura útil de 200ºC [13].

A temperaturas mais elevadas, os polímeros começam a amolecer ou a deteriorar-se. A temperatura útil deste tipo de compósitos pode ser elevada a um máximo de aproximadamente 300 ºC utilizando, para isso, sílica fundida de elevado grau de pureza e polímeros resistentes a alta temperatura, como por exemplo as resinas de poliamida. Avanços tecnológicos relativamente recentes – desenvolvimento do laser e a perfeição do vidro de alta pureza – permitiram tirar partido da propriedade da fibra de vidro pura em refletir a luz com perdas muito reduzidas, o que levou à construção da chamada fibra ótica. A tecnologia de um dos suportes mais eficientes na transmissão de informação a longas distâncias é através de fibras óticas, que se baseia no fenômeno da reflexão total da luz [13].

1.4.2.0 Materiais Consagrados para o Núcleo 1.4.2.1 Colmeia Plástica

Os materiais de núcleo tipo honeycombs, também conhecidos como colmeias, são amplamente utilizados em estruturas sanduíche para a fabricação de peças leves e rígidas. O material pode ser fabricado a partir de uma série de básicos como papel de aramida, propileno ou alumínio. Este material é fornecido em chapas com diversas densidades e espessuras e pode ser usado em conjunto com fibras de vidro, carbono ou aramida no sistema de laminação a vácuo. Os painéis de honeycombs tem grande aplicação em partes planas de superestruturas, pisos e divisórias [14].

As colmeias plásticas são fabricadas em polipropileno, combinadas com um véu de poliéster em sua superfície que possibilita a adesão de diversos substratos, sejam eles metálicos, termofixos ou termoplásticos, madeira, dentre outros. Elas propiciam o isolamento acústico das estruturas e excelentes propriedades mecânicas. Os processos de fabricação que possibilitam a utilização desse material partem desde os mais comuns como o manual e spray-up, até os processos mais sofisticados como o RTM Light, enrolamento filamentar e a laminação a vácuo com o auxílio de filmes plásticos [14].

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