fibra de carbono em equipamentos de laboratrio para aplicaes ...

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  • Universidade Federal

    do Rio de Janeiro

    Escola Politcnica

    Departamento de Engenharia

    Naval e Ocenica

    POLI/UFRJ

    Fibra de Carbono em Equipamentos de Laboratrio para Aplicaes em

    Engenharia Naval e Ocenica

    Filipe Martins Pinheiro

    Projeto de Graduao apresentada ao

    Departamento de Engenharia Naval e Ocenica,

    Escola Politcnica, da Universidade Federal do

    Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

    necessrios obteno do ttulo de Engenheiro

    Naval.

    Orientador: Antonio Carlos Fernandes, Ph.D.

    Rio de Janeiro

    Fevereiro de 2014

  • FIBRA DE CARBONO EM EQUIPAMENTOS DE LABORATRIO PARA APLICAES

    EM ENGENHARIA NAVAL E OCENICA

    Filipe Martins Pinheiro

    PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

    ENGENHARIA NAVAL E OCENICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE

    FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

    PARA OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL.

    Examinado por:

    ________________________________________________

    Prof. Antonio Carlos Fernandes, Ph. D.

    ________________________________________________ Prof. Luiz Vaz, D. Sc.

    ________________________________________________ Prof. Julio Cesar Ramalho Cyrino, D. Sc.

    RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

    FEVEREIRO DE 2014

  • iii

    Dedicatria Dedico este trabalho minha esposa Barbara

    e s minhas filhas Maria Clara e Flora.

  • iv

    Agradecimentos Sou grato contribuio de inmeros colegas e professores e importante registrar

    alguns em especial:

    Ao meu Orientador Professor Antonio Carlos Fernandes pela acolhida neste projeto e

    pela oportunidade de contribuir com a pesquisa fazendo uso da minha modesta

    experincia em aplicaes deste material dito extico.

    Ao meu Orientador Acadmico Professor Luiz Vaz pelo voto de confiana e pacincia.

    Ao Engenheiro Walter Ebers pela reflexo objetiva em direo ao foco do problema.

    Ao Professor Ramon Costa (COEP/Coppe-UFRJ) pelo suporte na compreenso dos

    sistemas e equipamentos.

    Ao amigo e companheiro dirio, Tcnico do Laboratrio LOC, Luis Ferreira pela parceira

    e por todas as solues prticas em que me ajudou.

    Ao Engenheiro Ivan Falco pelo apoio na produo e estmulo meta.

    Ao Tcnico Jorge Viletti, do LEDAV, a quem recorri inmeras vezes por conselhos e

    suporte tcnico.

    Ao Tcnico Francisco de Assis Freitas, do LIOC pela parceria.

    Ao colega Rubem Caetano pela amizade e pelos projetos em Solidworks.

    Ao colega Fabio Coelho.

    Aos demais alunos que passaram pelo LOC.

    A minha me, Thereza.

    E a minha esposa, Barbara, e minhas filhas, Maria Clara e Flora, pela inspirao.

  • v

    Resumo da Dissertao apresentada ao DENO/UFRJ como parte dos requisitos

    necessrios para a obteno do grau de Bacharel em Cincias (B.Sc.)

    FIBRA DE CARBONO EM EQUIPAMENTOS DE LABORATRIO PARA APLICAES

    EM ENGENHARIA NAVAL E OCENICA

    Filipe Martins Pinheiro

    Fevereiro/2014

    Orientador: Antonio Carlos Fernandes

    Departamento de Engenharia Naval e Ocenica

    Compsitos de Fibra de Carbono vm sendo usados em diversas estruturas comerciais

    favorecendo reduo de peso e aumento de rigidez. Sua aplicao em equipamentos

    de laboratrio sugere maior controle da resistncia de suportes e do peso de modelos,

    induzindo melhor aquisio de dados experimentais e adequao do modelo ao caso

    real.

    Diversas estruturas com a aplicao deste material foram desenvolvidas no Laboratrio

    de Ondas e Correntes.

    O Estudo aborda as alternativas mais comuns comparando as estruturas em fibra de

    carbono com outros materiais tais como: ao, alumnio, fibra de vidro, plstico e

    madeira, considerando viabilidade tcnica, econmica e qualidade esperada de

    resultados experimentais.

  • vi

    Abstract of Dissertation presented to DENO/UFRJ as a partial fulfillment of the

    requirements for the degree of Bachelor in Science (B.Sc.)

    Carbon Fibers in Laboratory Equipment for Aplications in Naval and Offshore

    Engineering

    Filipe Martins Pinheiro

    February/2014

    Advisor: Antonio Carlos Fernandes

    Departament of Naval and Offshore Engineering

    Carbon Fiber Composites have been applied in many comercial structures favoring

    weight reduction and stiffness. Its application to laboratory equipment suggests greater

    of the strength of supports and weight of models, inducing better experimental data

    acquisition and adequacy of the model to the real case.

    Several Structures with the application of such material have been developed at the

    Laboratrio de Ondas e Correntes (Waves and Currents Laboratory) and Laboratrio de

    Instrumentao Oceanogrfica (Oceanographic Instrumentation Laboratory)

    The Study addresses the most common alternatives comparing the structures made of

    carbon fiber with other materials such as: steel, aluminum, fiberglass, plastic and wood,

    considering technical and economic feasibility and expected quality of experimental

    results.

  • vii

    SUMRIO

    Dedicatria .......................................................................................................................... iii

    Agradecimentos .................................................................................................................. iv

    RESUMO .....................................................................................................................v

    ABSTRACT ................................................................. Erro! Indicador no definido.

    1. Introduo ................................................................................................................... 1

    1.1. Materiais aplicados em equipamentos do LOC ................................................... 2

    1.2. Cenrio considerado de ensaios de laboratrio .................................................. 2

    1.3. Aplicaes em outros laboratrios ....................................................................... 3

    2. Metodologia ................................................................................................................. 7

    3. Fibras e Compsitos - Propriedades mecnicas dos materiais .............................. 10

    3.1. Fibra de Carbono ............................................................................................... 10

    3.2. Fibra de Vidro ..................................................................................................... 12

    3.3. Aramida .............................................................................................................. 13

    3.4. Resina Epxi X Resina Polister ....................................................................... 14

    3.5. Funes da Fibra e da Matriz no Compsito ..................................................... 16

    3.6. Vantagens dos compsitos ................................................................................ 18

    3.7. Desvantagens dos compsitos .......................................................................... 19

    3.8. Juntas Adesivas X Mecnicas em compsitos ................................................. 20

    3.9. Plstico Reforado de Fibra de Carbono .......................................................... 22

    4. Processos de fabricao .......................................................................................... 25

    4.1. Instalao requerida ........................................................................................... 25

    4.2. Preparo e aplicao da resina ........................................................................... 25

    4.3. Injeo de resina em moldes fechados ............................................................. 27

  • viii

    4.4. Laminao a Vcuo ........................................................................................... 27

    5. Comparao da aplicao de outros materiais ........................................................ 30

    6. Aplicao em Suporte para ensaios de VIV ............................................................. 33

    7. Aplicao em Chassi de Rob ................................................................................. 38

    8. Aplicao na Cyber-Semi ......................................................................................... 40

    8.1. Objetivo .............................................................................................................. 40

    8.2. Caractersticas Principais .................................................................................. 41

    8.3. Gerao da Forma ............................................................................................. 43

    8.4. Equipamentos Embarcados ............................................................................... 46

    8.5. Definio dos elementos estruturais .................................................................. 49

    8.5.1. Flutuadores ................................................................................................. 49

    8.5.2. Convs ........................................................................................................ 50

    8.5.3. Pilares e Contraventamentos ..................................................................... 51

    8.5.4. Flanges ....................................................................................................... 53

    8.6. Fabricao e Montagem .................................................................................... 55

    9. Aplicao no Tubulo do Propulsor Azimutal .......................................................... 59

    10. Concluso .............................................................................................................. 62

    11. Bibliografia ............................................................................................................. 63

  • 1

    1. Introduo

    Compsitos de Fibra de Carbono vm sendo usados em diversas estruturas

    comerciais e industriais favorecendo reduo de peso e aumento de rigidez. Com

    relao escala de aplicao destacam-se o uso nas ps de hlice de geradores de

    energia elica. Na aviao comercial aplicada nas asas, principalmente e em flaps. Na

    aviao militar usada intensivamente. Na Engenharia Naval tem diversas aplicaes:

    em embarcaes de esporte recreio, especialmente competies de alto desempenho;

    em estruturas offshore como material de reparo temporrio substituindo a solda em

    ambientes volteis. Alm de inmeras outras aplicaes de menor destaque nesta

    abordagem.

    Esta disperso na aplicao estimulou a criao de um mercado de fibra de

    carbono com ganho de escala e reduo do seu preo a patamares relativamente

    atrativos, ou comercialmente viveis.

    Portanto, considerando os desafios tecnolgicos a serem vencidos na rea de

    pesquisa Offshore e a importncia econmica do produto final em questo, instalaes

    de produo de Petrleo e Gs, o eventual aumento nos custos da pesquisa pode ser

    compensado pelo ganho na qualidade dos dados obtidos. E ainda, o que este estudo

    pretende mostrar, pode permitir ensaios que com outros materiais no seriam possveis

    de outra forma na escala de laboratrio.

  • 2

    1.1. Materiais aplicados em equipamentos do LOC

    Os Materiais mais frequentemente aplicados em equipamentos de ensaio no LOC e

    no LIOC so: Plstico PVC (em placas e tubos), madeira, fibra de vidro, espuma de

    poliuretano, espuma de poliestireno, ao, ao inoxidvel, alumnio e lato.

    Recentemente foi aplicada a fibra de carbono em alguns equipamentos, modelos e

    prottipos. Este relatrio pretende explicitar as vantagens de aplicao deste material

    nestes casos e deixar aberta a oportunidade de aplicao em novos casos.

    1.2. Cenrio considerado de ensaios de laboratrio

    Ensaios de laboratrio buscam, o melhor possvel, restringir as variveis do

    problema da pesquisa, de forma a obter maior controle dos dados coletados procurando

    reduzir a margem de erro e trabalhando em uma faixa de tolerncia o mais estreita

    possvel. Especialmente dentro das limitaes de uma instalao em escala reduzida.

    Para tanto, estruturas de apoio do objeto do ensaio precisam ser concebidas de

    forma a apresentar deflexes mnimas. O prprio objeto de ensaio deve apresentar

    comportamento estrutural que atenda s necessidades da pesquisa, sem deformaes

    relevantes que influenciem nos dados coletados ou com deformaes previsveis e

    controladas.

    No mbito das pesquisas aplicadas aos equipamentos Offshore a reduo de escala

    muitas vezes chega a ordem de cem, devido s grandes dimenses destes em relao

    s instalaes de laboratrios em operao. Os materiais comumente usados, mais

    baratos, usados na maioria dos casos, oferecem restries quanto forma devido

    baixa resistncia mecnica e muitas vezes exigindo modelos com geometria

  • 3

    simplificada em relao estrutura real representada. O uso de sensores igualmente

    fica restrito. Isso compromete a qualidade da correlao entre os dados obtidos no

    ensaio de laboratrio e no caso real, exigindo maior tratamento dos dados o que pode

    extrapolar os erros do ensaio e aumentar o tempo de trabalho.

    1.3. Aplicaes em outros laboratrios

    NASA

    Na literatura s foi obtido sucesso na identificao de um caso de aplicao de fibra

    de carbono em equipamento de laboratrio bem descrito. Trata-se da substituio das

    ps da turbina do gerador de vento do Tunel de Vento do Laboratrio NASA Ames

    Research Center, na California, EUA. Conforme apresentado em [10] PETERS.

    O projeto consistia em substituir ps feitas de alumnio por feitas de laminado em

    sanduiche de fibra de carbono com ncleo de espuma rgida, para atuar num

    compe=ressor com capacidade de at 711 rpm, conforme descrito adiante.

    As ps substitutas ofereceram os seguintes benefcios:

    Maior tolerncia a avarias;

    Maior ciclo de vida, maior resitencia a fadiga;

    Maior amortecimento;

    Maior segurana no caso de falha catastrfica

    Menor peso de p, reduzindo a 50% do peso original.

    Maior eficincia da turbina com ps mais leves

    Projeto de Prottipo de p feita de Compsito em 1995:

    Com 1067mm de comprimento e 406mm de largura na base com seo decrescente

    at 241mm na extremidade

  • 4

    Feita em estrutura sanduiche com ncleo de espuma sinttica envolta com laminado

    hbrido de fibra de vidro e carbono e resina epxi em camadas orientadas a 0/+30/-30

    graus.

    Apesar de espumas sintticas tipicamente pesarem de quatro a oito vezes mais que

    espumas tradicionais, as propriedades mecnicas so superiores em vrias ordens de

    magnitude. Isso se deve capacidade de absoro de energia das microesferas de

    vidro no interior da espuma, o que tambm indica os pontos de avaria quando so

    esmagadas. Ainda, regies de falha local do laminado externo so claramente visveis a

    olho nu por uma impresso externa.

    As camadas de fibra de carbono serviram de suporte estrutural fornecendo

    resistncia especfica e rigidez elevadas, enquanto o ncleo de espuma apoiava o

    laminado contra impactos.

    As camadas de fibra de vidro atuavam como revestimento protetor de sacrifcio e

    aprimoramento visual de avarias por impacto durante avaliao da resistncia residual.

    O prottipo de p foi testado com cargas combinadas de fora centrfuga e presso

    do ar at sete vezes superior ao alumnio.

    Fabricando a p por processo de moldagem por transferencia de resina (RTM

    Resin Transfer Molding) poderia resultar numa p com custo de aquisio competitivo

    em relao ao alumnio enquanto reduziria o peso de forma significativa.

  • 5

    Figura 10.1 Ps da trubina de vento, carbono a esquerda e alumnio a direita

  • 6

    MARIN

    Questionando diretamente o Laboratrio MARIN (Maritime Research Insitute

    Netherlands), atravs do senhor Jan de Boer, gerente da equipe de Desenvolvimento,

    apoio e Manuteno de Instrumentao, declara que de fato faz uso do material em

    casos especiais quando resistncia e/ou peso so fatores chave. E cita alguns casos

    em que fizeram uso, com comentrios, apresentados a seguir a partir da mensagem

    traduzida pelo autor:

    Estrutura de modelos segmentados (alta rigidez e baixo peso)

    Eixo de propulsor com alta rigidez a flexo (infelizmente a desvantagem uma

    reduzida resistncia a toro)

    Quilha de embarcaes a vela (alta rigidez e baixo peso)

    Modelos de navios de espuma (a partir de uma espuma de poliestireno usinada

    com a carena do modelo com uma reduo de 10mm. Aplica-se uma camada de

    laminado de fibra de carbono e epxi para gerar rigidez e completa-se com

    15mm de massa de modelagem que aps a cura usinada para a forma final da

    carena. Aplicando a tcnica para modelos de at 6m, a partir da qual reconhece

    que a resistncia a flexo e toro se reduzem muito para uso prtico)

  • 7

    2. Reviso da Literatura

    3. Metodologia

    Este estudo busca na Cincia e Engenharia de Materiais (CEM) o amparo para a

    devida considerao a respeito da convenincia do uso da fibra de carbono em

    equipamentos de laboratrio. Na referencia MATERIAIS DE ENGENHARIA

    Microestrutura e Propriedades de Angelo Fernando Padilha encontra-se a seguinte

    definio atribuda a Morris Cohen, conceituado cientista de materiais do MIT:

    Cincia e Engenharia de Materiais (CEM) a rea da atividade humana associada

    com a gerao e com a aplicao de conhecimentos que relacionem composio,

    estrutura e processamento s suas propriedades e usos.

    Um modelo conveniente para representar a CEM apresentado na figura abaixo.

    Cohen utiliza um tetraedro, no qual os quatro vrtices representam: sntese e

    processamento, estrutura e composio, propriedades e desempenho.

    Figura 2.1 - Representao da CEM com auxlio de um tetraedro. [1]PADILHA

  • 8

    No conceito proposto por Cohen, sntese e processamento esto relacionados com

    a definio do material com foco na sua microestrutura:

    A microestrutura dos materiais determinada basicamente pela sua composio e

    pelo seu processamento. Por exemplo, a microestrutura de uma liga metlica (e grande

    parte das suas propriedades) depende da sua composio qumica, do teor de

    impurezas, das condies de solidificao (da tecnologia de fundio empregada), do

    processo de conformao mecnica, dos tratamentos trmicos e assim por diante.

    (Padilha, pgina 30)

    Considerado aqui a aplicao em equipamentos estamos abordando a

    macroestrutura de materiais e este aspecto de sntese est definido adiante por

    exemplo nos trs tipos de fibra de carbono que se pode encontrar no mercado, entre os

    quais determina-se o trabalho com o tipo alta resistncia (HS High Strangth). No

    cabe entrar em detalhes dessa natureza com as demais fibras e mesmo demais

    materiais abordados neste estudo.

    Na sntese e processamento vamos considerar: a definio do tipo, o custo de

    aquisio, o processamento na aplicao e uso (tanto tcnico como de custo).

    Na composio e estrutura vamos considerar os elementos e sua aplicao em

    estrutura, projeto estrutural com o material, adequao do projeto estrutural de acordo

    com as possibilidades do material.

    Nas propriedades vamos considerar as propriedades mecnicas do material ou da

    composio de materiais quando houver mais de um, no caso dos compsitos.

  • 9

    No desempenho vamos considerar o comportamento da estrutura ou equipamento

    do ponto de vista das necessidades do experimento a ser aplicado.

    A partir deste modelo se desenvolve este trabalho apresentando o material quanto

    as suas propriedades, composio, desempenho e processamento. Em seguida

    comparando com os demais materiais citados quanto a estes aspectos, considerando

    alguns casos efetivos de aplicao para amparar as consideraes do trabalho e

    permitir uma referencia para futuras escolhas de material onde a Fibra de Carbono

    possa ser aplicada com sucesso adequado.

  • 10

    4. Fibras e Compsitos - Propriedades mecnicas dos

    materiais

    Nesta seo apresentamos detalhadamente a Fibra de Carbono em relao s

    demais fibras estruturais alm da resina epxi e demais resinas estruturais e o

    compsito Fibra+resina efetivamente.

    4.1. Fibra de Carbono

    A Fibra de Carbono produzida pela oxidao, carbonizao e grafitizao

    controlada de precursores orgnicos ricos em carbono que j estejam em forma de

    fibra. O precursor mais comum o poliacrilonitrila (PAN), porque o que resulta em

    fibra de carbono com as melhores propriedades, mas a fibra tambm pode ser feita a

    partir de piche ou celulose. Variaes no processo de grafitizao produzem fibras de

    variados mdulos de tenso de escoamento. Uma vez formada, a fibra recebe

    tratamento da superfcie de modo a favorecer a adeso da matriz e tratamento qumico

    para proteo ao manuseio.

    No incio de sua fabricao, no final dos anos sessenta, o preo bsico era da

    ordem de 300 US$/Kg. Em 1996 a produo mundial chegou a cerca de 7.000

    toneladas e o preo equivalente era de 25 a 60 US$/Kg, atualmente estes valores se

    mantm, dependendo da resistncia da fibra e do volume a ser adquirido.

    A Fibra de Carbono apresenta a maior rigidez especfica de todas as fibras

    comerciais, alta resistncia trao e compresso e alta resistncia corroso, fluncia

    e fadiga. Por outro lado sua resistncia ao impacto inferior de outras fibras como

    Vidro e Aramida, com caractersticas de fratura frgil particularmente nas sries de alto

  • 11

    mdulo (HM) e ultra alto mdulo (UHM). Neste trabalho estamos considerando a Fibra

    de Carbono de Alta Resistncia (HS High Strength), processada a temperaturas

    inferiores as HM e UHM apresenta maior disponibilidade no mercado e menor custo

    entre as trs.

    Ainda, as fibras de carbono so as nicas em questo que podem ser consideradas

    condutoras eltricas. Em muitos casos isso pode no ser relevante, mas pode ser crtico

    em alguns casos. Por essa caracterstica, pode ser necessrio se considerar a

    possibilidade de corroso eletroltica quando aplicada em conjunto com outros

    materiais. O Carbono apresenta potencial eletroltico elevado e tem comportamento de

    material nobre em sries galvnicas. No ocorre corroso do prprio carbono, mas

    pode provocar corroso galvnica em outros materiais, particularmente o alumnio.

  • 12

    Propriedades Bsicas de Fibras e Outros Materiais de Engenharia

    Tabela 3.1.1 - Propriedades mecnicas dos materiais em discusso [2] ROYLANCE

    4.2. Fibra de Vidro

    As Fibras de Vidro tambm apresentam trs tipos: Tipo E, Especial e Quartzo, e

    neste estudo estamos considerando a tipo E pelo mesmo motivo que restringimos o tipo

    da fibra de carbono.

    Fibra de Vidro tipo E apresenta modulo de tenso e rigidez inferior s outras fibras

    sendo consideradas mas possui um custo consideravelmente menor. uma fibra mais

    densa do que as demais de forma que estruturas reforadas com esta fibra tero peso

    bastante superior do que outras reforadas com fibras de desempenho superior.

    Tipicamente uma estrutura desta fibra atinge mais do dobro do peso de uma estrutura

  • 13

    de compsitos de fibra de Carbono ou Aramida, mesmo que seu peso ainda seja

    bastante inferior do que estruturas convencionais em ao ou mesmo alumnio.

    Comporta-se como isolante eltrico e oferece boa resistncia a corroso.

    4.3. Aramida

    Fibras de Aramida, sendo a mais conhecida o Kevlar (da DuPont), apresentam

    elevada resistncia trao e relativamente elevado alongamento at a ruptura.

    Resultando em excelente desempenho na absoro de grandes quantidades de energia

    como, por exemplo, estruturas sujeitas a foras de impacto. A fibra possui densidade

    muito reduzida e, portanto, resultam em estruturas extremamente leves. A maioria das

    estruturas em PRFV apresentam Resistencia a compresso ligeiramente inferior a

    resistncia a trao, e isto tambm ocorre com as estruturas laminadas com fibras de

    Aramida portanto qualquer seo da estrutura sujeita a tenses de compresso

    significativas devem ser cuidadosamente consideradas. Fibras de Aramida apresentam

    coeficiente de expanso trmica negativo.

    Seu processamento difcil tanto o corte do tecido como o acabamento de

    superfcies exigindo camadas extras de outras fibras, seja de vidro ou de carbono, a fim

    de se obter um bom acabamento.

  • 14

    Tabela 3.3.1 - Propriedades mecnicas das fibras mais comuns [3] MAZUMDAR

    4.4. Resina Epxi X Resina Polister

    O universo de resinas plsticas vasto, suas aplicaes so inmeras, porm

    devido o ambiente de laboratrio exigir peas nicas, prottipos por excelncia,

    sistemas de resina de aplicao industrial que requeiram equipamentos para o

    processamento no sero considerados. Ainda, pelo reduzido volume das peas, a fim

    de obter o melhor acesso aos materiais necessrios e controlar os custos, faz-se

    necessrio trabalhar com as resinas mais comuns, disponveis comercialmente no

    varejo. Considerando finalmente a manipulao e processamento podem-se restringir

    as opes s resinas Epxi e Polister, comparadas a seguir.

    Resina Epxi

    As resinas epoxdicas so compatveis com todas as fibras e so particularmente

    empregadas em compsitos de estruturas de alto desempenho em funo de sua alta

  • 15

    capacidade de adeso/interface com as fibras alm de alto mdulo de elasticidade.

    Transmitindo os esforos para as fibras de forma eficiente, proporcionando melhor

    aproveitamento da resistncia mecnica das fibras. adotada como primeira opo em

    laminados de Fibra de Carbono.

    De manipulao simples, com diversos sistemas disponveis comercialmente,

    podendo ser processada a frio, sua estrutura cristalina apresenta baixa retrao aps a

    cura, de forma que entre as resinas viveis de serem processadas manualmente a

    que reproduz o molde com maior preciso e preserva a forma por mais tempo.

    Resina Polister

    A resina Polister possui mdulo de elasticidade inferior ao do Epxi, resistncia

    trao tambm inferior e menor adesividade (ou capacidade de adeso), no transmite

    os esforos da estrutura s fibras to bem quanto ltima. Desta forma no

    proporciona o melhor aproveitamento das propriedades mecnicas das fibras.

    De manipulao mais complexa, com aplicao de catalizadores e aceleradores na

    mistura, exige maior curva de aprendizado do usurio. Apresenta retrao durante seu

    processo de cura gerando peas com menor preciso que podem comprometer a

    montagem de peas de tamanho reduzido tpicas de laboratrio, ou podem exigir maior

    tempo de trabalho de processamento e ajustes.

    Tabela 3.4.1 - Propriedades mecnicas das Resinas [3] MAZUMDAR.

  • 16

    A fim de explorar ao mximo as propriedades mecnicas da Fibra de Carbono, com

    destaque para resistncia a trao, a resina mais adequada, portanto, a resina epxi.

    Com o melhor aproveitamento das fibras pode-se definir o projeto de uma pea mais

    resistente ou mais leve conforme as necessidades do equipamento em questo, com

    uso econmico da fibra. O principal consultor na rea de estruturas em fibra de carbono

    em atuao no pas, Jorge Nasseh M. Sc., categrico em afirmar a necessidade de se

    aplicar resina epxi.

    4.5. Funes da Fibra e da Matriz no Compsito

    O material compsito tratado aqui formado por plstico reforado com fibras. Para

    uma boa compreenso do comportamento dessas estruturas se faz necessrio

    esclarecer de forma sucinta o papel das partes de fibra e da matriz no compsito, suas

    funes principais esto apresentadas abaixo:

    Fibras

    As principais funes da fibra no compsito:

    Suportar a solicitao: Num compsito estrutural, de 70 a 90% do carregamento

    suportado pelas fibras.

    Proporcionar o compsito de caractersticas de rigidez, resistncia, estabilidade

    trmica e outras propriedades estruturais.

    Proporcionar condutividade eltrica quando necessrio.

  • 17

    O material da matriz preenche diversas funes na estrutura do compsito e na maioria

    essenciais ao comportamento satisfatrio da estrutura. A Fibra no utilizada sem a

    presena de um material matriz, ou ligante.

    Matriz

    As funes mais importantes do material matriz incluem:

    O material da matriz aglutina as fibras umas as outras e transfere o carregamento a

    estas de forma a distribuir as cargas ao conjunto. Proporciona dureza e molda a

    geometria da estrutura;

    A matriz isola as fibras de forma a atuarem separadamente. Isso impede ou dificulta a

    propagao de trincas;

    A matriz permite uma superfcie de acabamento de boa qualidade e produo de

    peas acabadas ou semiacabadas;

    A matriz protege as fibras reforadoras contra agentes qumicos e desgaste;

    Tambm podem influenciar outras caractersticas mecnicas como ductilidade,

    resistncia ao impacto, etc.

    As condies de falha so fortemente afetadas pelo material da matriz, bem como pela

    sua compatibilidade com a fibra.

    A matriz permite a incorporao de sensores no compsito para fins de monitoramento

    de esforos. Algumas aeronaves apresentam sensores na sua estrutura a fim de

    monitorar falhas devido fadiga. Neste caso tambm so chamados de materiais

    inteligentes pois permitem operao monitorada.

  • 18

    4.6. Vantagens dos compsitos

    Uma das propriedades mais interessantes dos PRFV (Plstico Reforado de Fibra

    de Vidro), a de poder orientar o esforo, segundo a direo mecanicamente mais

    solicitada. [4] FONSECA

    O Compsito de Plstico Reforado de Fibra apresenta uma srie de caractersticas

    que podem ser vantajosas na aplicao de estruturas comumente usadas em

    laboratrio.

    Possuem alta rigidez especfica (relao rigidez/densidade) permitindo se obter a

    mesma rigidez do ao com peso de cinco a 15 vezes menor, ou do alumnio com peso

    de duas a sete vezes menor.

    A tenso especfica tambm elevada sendo de 3 a 10 vezes a do ao e alumnio

    respectivamente. Da resulta que peas de compsitos podem ser mais leves que as

    comumente feitas de metal e oferecer a mesma resistncia.

    A resilincia, caracterstica de resistncia fadiga, tambm maior, pode atingir

    90% da tenso esttica em compsitos unidirecionais de carbono/epxi, contra cerca de

    50% da tenso esttica apresentada pelo ao. No caso de carbono unidirecional temos

    todas as fibras aplicadas na direo da solicitao dos esforos, otimizando a relao

    peso/resistncia.

    A possibilidade de direcionamento de fibras e de moldagem plstica oferece maior

    flexibilidade de projeto do objeto.

    Com coeficiente de expanso trmica muito inferior, dependendo da seleo de

    materiais do compsito pode-se obter maior estabilidade dimensional.

  • 19

    Estruturas complexas difceis de fabricar com metais, normalmente exigindo

    usinagem especial e soldas de partes feitas separadamente podem ser moldadas

    diretamente no plstico reforado aumentando a confiabilidade e reduzindo o tempo de

    fabricao. Possibilitando muitas vezes a reduo nos custos finais.

    4.7. Desvantagens dos compsitos

    Custo

    A principal desvantagem da Fibra de Carbono seu custo elevado de aquisio que

    ser abordado em mais detalhe quando comparado com outros materiais adiante. Esta

    caracterstica tem maior relevncia, sobretudo para produtos industrializados, feitos em

    srie, cujos custos de fabricao so reduzidos pelo ganho de escala e prevalece o

    custo de material. Na aplicao proposta, de equipamentos de laboratrio de pesquisa

    offshore, pela natureza inovadora dos elementos a serem objeto de pesquisa, das

    caractersticas nicas dos modelos, ou dos suportes, cada objeto a ser fabricado um

    prottipo feito exclusivamente para atender uma linha de pesquisa. Podem ser geradas

    sries de modelos e que raramente passam de dez unidades e ainda na maior parte

    das vezes so diferentes entre si, mesmo que em pequenos detalhes.

    Desta forma o custo de fabricao destes equipamentos parte importante do custo

    total, materiais mais caros que ofeream fabricao mais rpida, e barata, podem se

    equiparar com outros mais baratos e de fabricao mais complexa como os metais.

    Ainda, na pesquisa offshore intensivo o uso de ao inoxidvel, material que tambm

    apresenta custo relativamente elevado na aquisio e no processamento.

  • 20

    Com os metais solues de projeto so mais rpidas de se desenvolver diante do

    histrico de dados de solues e aplicaes possveis. Devido ao histrico recente dos

    compsitos no se dispe de tal apoio neste caso e o projeto do elemento pode

    consumir mais tempo reduzindo sua vantagem em relao velocidade de

    processamento o que deve ser considerado no prazo global da pesquisa quando da

    escolha do material.

    4.8. Juntas Adesivas X Mecnicas em compsitos

    Trabalhando com compsitos muito comum as partes serem unidas por colagem,

    ou por adesivos, e a resina aplicada deve apresentar boas caractersticas de adeso.

    Portanto aqui cabe um comentrio sobre as vantagens e desvantagens entre unies por

    colagem com adesivos e unies mecnicas. De forma a se observar em cada caso qual

    a mais adequada ao produto em cada parte dele.

    Entre os aspectos positivos da colagem o primeiro a se considerar que com a

    colagem obtm-se a distribuio dos esforos contra a carga concentrada tpica de

    juntas aparafusadas, ou com unio mecnica, e com isso igualmente apresentam maior

    resistncia a cargas devidas a flexo, fadiga e vibraes. E tambm funcionam como

    seladores, acomodando superfcies irregulares e vedando de forma mais eficaz a unio.

    Permitem contornos suaves com mnima influncia nas dimenses o que pode ser

    crucial em geometrias hidrodinmicas. O aumento de peso desprezvel. E, finalmente,

    na maioria dos casos o custo menor.

    Entre os aspectos negativos mais relevantes temos: a necessidade de tratamento

    das superfcies sujeitas colagem, o tempo de cura que pode ser demorado e

  • 21

    aplicao de calor pode ser necessria. A inspeo de uma junta colada pode ser difcil

    gerando incerteza quanto integridade. Exige maior tcnica e controle de processo. E,

    principalmente, permanente, no permitindo montagens e desmontagens sucessivas.

    Em contrapartida juntas mecnicas permitem: montagens e desmontagens sem

    prejuzo das partes, inspeo e controle de qualidade fcil. Requer mnima ou nenhuma

    preparao das superfcies a serem unidas, exceto quando se faz necessria a vedao

    da unio.

    Por adicionarem maior peso estrutura as juntas mecnicas podem comprometer o

    potencial de reduo de peso de estruturas em compsitos.

    A concentrao de esforos causada pela presena de furos gera uma

    descontinuidade do compsito porque interrompe as fibras reforadoras, alm de exp-

    las ao ambiente removendo a camada isolante de resina, exigindo reprocessamento no

    local com repasse de uma nova camada, como um anel de resina por dentro da

    furao. A concentrao de esforos no pode ser absorvida como em metais com

    escoamento local e redistribuio das tenses tpicas de materiais dcteis. Em alguns

    casos pode ser necessrio prever o furo no projeto de orientao das fibras com

    aplicao de camadas adicionais no local. H ainda a possibilidade de corroso

    galvnica pela presena de materiais diferentes, exigindo o acrscimo de produtos

    isolantes, tipicamente usa-se a borracha de silicone nestes casos.

  • 22

    4.9. Plstico Reforado de Fibra de Carbono

    As propriedades mecnicas do compsito de fibra/resina so determinadas

    principalmente pela contribuio da fibra ao compsito, onde compsito deve ser

    entendido como um composto de dois elementos que no se misturam e que juntos

    formam um terceiro elemento de novas propriedades, e que no podem ser separados.

    Tambm denominado Compsito de Carbono, ou ainda Conjugado de Carbono/Epxi

    (considerando que a resina epxi predomina nas aplicaes).

    Os quatro fatores principais que definem a contribuio da fibra so:

    - As propriedades mecnicas da prpria fibra;

    - A interao da fibra com a resina (a interface);

    - A quantidade de fibra no compsito (Frao Volumtrica de Fibra);

    - A a gramatura e a quantidade de camadas de tecido;

    - A orientao das fibras no compsito.

  • 23

    Tabela 3.9.1 - tabela de propriedades mecnicas de laminados padronizados

    [5] GERSTLE

    A Fibra de carbono apresenta ainda grande resistncia fadiga, superando as

    Fibras de Aramida e de Vidro. Fortalecendo sua adequao ao laboratrio pela

    capacidade de manter suas caractersticas por mais tempo, ou maior nmero de

    ensaios. Como podemos ver no grfico a seguir:

  • 24

    Grfico 3.9.1 - Tenso de escoamento x Carregamento esttico [6] TEW

  • 25

    5. Processos de fabricao

    5.1. Instalao requerida

    As propriedades do compsito apresentadas nas tabelas anteriores foram geradas a

    partir de ensaios com corpos de prova fabricados em condies ambientais controladas.

    Para a fabricao de objetos em fibra de carbono em conformidade com seu projeto,

    com referencia as propriedades esperadas j citadas, necessrio que a temperatura e

    a umidade ambientes estejam prximas daquelas da referncia de projeto, basicamente

    25C e umidade relativa do ar abaixo de 75% e idealmente abaixo de 60%, portanto

    condies semelhantes s necessrias pintura profissional.

    O local de trabalho deve oferecer uma bancada de trabalho com espao suficiente

    para aplicao da resina nas fibras alm do molde do modelo e ferramentas. As

    ferramentas necessrias so as mesmas usadas no processamento da fibra de vidro.

    Uma balana de preciso moderada garante a correta mistura da resina.

    5.2. Preparo e aplicao da resina

    O preparo da resina epxi feito basicamente atravs da mistura de dois

    componentes resinosos de alta viscosidade. A fim de se favorecer a melhor reao

    entre os componentes e desta forma obter o plstico mais homogneo necessrio que

    a mistura seja bem feita. Nesse processo de mistura muitas bolhas de ar so

    capturadas pela resina. Num ambiente mido, acima de 75% de umidade relativa do ar,

  • 26

    essas bolhas de ar contm vapor em quantidade no desprezvel. Durante a

    cristalizao da resina ocorre exotermia, e essas bolhas de vapor aprisionadas na

    resina se expandem criando microfissuras no laminado, comprometendo a

    impermeabilidade e a resistncia da matriz que suporta o reforador.

    Quanto temperatura, em um ambiente abaixo de 30C h maior tempo para

    manipulao da resina antes que se inicie a cristalizao, ou Gel-Time. Isso permite

    que se possam aplicar as camadas de tecido corretamente, conforme projeto, e ainda

    sobre tempo para que a resina se espalhe pelo molde, e eventualmente seja removido

    seu excesso, de forma que o Gel-Time se d com o laminado j em repouso.

    Favorecendo a formao mais homognea de cristais e assim um compsito mais

    resistente.

    Depois de encerrada a manipulao dos materiais podem ser aplicadas presses

    externas sobre o laminado contra o molde e/ou aumento da temperatura a fim de

    acelerar o processo de cura. Existem diversos procedimentos e equipamentos para

    isso. A necessidade de se aplicar presso sobre o laminado depende da geometria da

    pea e em alguns casos pode ser essencial para garantir a correta moldagem.

    Considerando o laboratrio de pesquisa Offshore com sua demanda bastante

    reduzida, essencialmente no industrial, mas de prototipagem, no se encontra

    justificativa econmica direta para empregar equipamentos muito elaborados tais como

    fornos Autoclave, ou sistema de infuso de resina. O primeiro pelas suas dimenses e

    complexidade de operao e manuteno. O segundo pelas caractersticas do mtodo

    que exige uma margem excedente de resina no laminado. Eventualmente partes

    especiais podem ser processadas por prestadores de servio que disponham destas

    instalaes.

  • 27

    5.3. Injeo de resina em moldes fechados

    A Injeo de resina pode ser feita por gravidade e/ou diferena de presso. A

    principal vantagem deste processo a segurana de trabalho obtida pelo controle dos

    gases volteis devido a resina permanecer confinada, seja dentro do molde ou no

    reservatrio. As sadas de ar podem ser filtradas contra vapores orgnicos, inclusive a

    exausto da bomba de vcuo.

    Aplicada em moldes fechados, na maioria das vezes em conjunto de molde e

    contramolde, a injeo se presta muito bem rplica de peas, favorecendo sua

    reproduo de forma homognea e rpida.

    Por outro lado, para se garantir a completa impregnao das fibras se faz

    necessrio trabalhar com uma margem acima na proporo de resina/fibra, dai

    resultando numa pea mais pesada daquela que se poderia obter num processo de

    laminao manual com aplicao de vcuo.

    Esse mtodo favorece a confeco de modelos/corpos de prova seriados que

    podem ter suas caractersticas mecnicas consideradas equivalentes para efeito de

    comparao de resultados de ensaios.

    5.4. Laminao a Vcuo

    Na elaborao de Prottipos as alteraes de projeto so inerentes ao processo

    exigindo flexibilidade por parte do processo construtivo, e versatilidade por parte do

    molde. Para moldes que precisem variar muito um processo eficiente de compresso do

    laminado compsito o processo de laminao a vcuo, onde uma bolsa envolve todo

  • 28

    o molde e aplica-se vcuo bolsa de forma que a presso atmosfrica atue distribuda

    sobre a pea contra o molde.

    Dentro da bolsa, sobre o laminado, camadas de tecido de nilon, plstico perfurado

    e manta permitem alm da compresso, absoro do excesso de resina no laminado,

    resultando num laminado com uma matriz mnima dando suporte aos reforadores, ou

    seja um elemento compsito com a resistncia projetada de fibra e peso final mnimo.

    por esse processo bsico que se obtm peas mais leves e que leva a

    interpretao de que a fibra de carbono mais leve, quando na verdade uma fibra

    mais resistente cujo painel laminado vai apresentar menos fibras por seo do que um

    painel equivalente em fibra de vidro, com a reduo da proporo de resina a pea final

    de carbono pode ter seu peso da ordem de at dez vezes menor do que uma pea

    equivalente em fibra de vidro, dependendo da geometria.

    Numa pea de fibra de vidro, mesmo que se aplique a compresso do laminado,

    devido a quantidade de camadas ou quantidade de fibras por seo ser maior (a fim de

    atender a mesma resistncia) h maior empilhamento de fibras dificultando a

    compactao do laminado sob presso desta forma permitindo o surgimento de vazios

    entre as fibras que sero preenchidos de resina resultando numa maior proporo de

    resina/fibra e maior peso final e relativo da pea de fibra de vidro.

    Forno Auto-clave

    O forno Auto-clave, resumidamente, uma cmera pressurizada com aquecimento

    interno. No interior deste uma pea de carbono processada dentro de uma bolsa de

    vcuo. Desta forma a presso exercida sobre o laminado maior do que a atmosfrica,

    como no caso da bolsa de vcuo simples, e acrescenta-se a aplicao de calor para

    acelerar o processo de cura da resina.

  • 29

    O resultado uma pea com menor percentual de resina, portanto mais leve. Melhor

    acomodao das fibras, portanto mais prximo da acomodao terica. E melhor cura

    da resina, portanto com comportamento mecnico mais prximo do terico.

    O Auto-clave essencial no caso de laminao com tecidos Pr-preg, ou pr

    impregnados de resina. Esses tecidos precisam ser estocados em ambiente refrigerado

    e a resina precisa de temperaturas mais altas, em geral 60 ou 80o, para atingirem seu

    ponto de cura.

    Peas de alto desempenho, tais como fuselagem de avies ou de carros e

    embarcaes de competio so processadas desta forma.

    O custo extremamente elevado. Na cidade do Rio de Janeiro s se tem

    conhecimento de uma instalao comercial, na rea de manuteno de aeronaves do

    Aeroporto Internacional.

    um processo importante quando se trata de uso da fibra de carbono mas est fora

    do escopo deste trabalho e do cenrio de laboratrios de pesquisa Naval e Ocenica.

    Alm disso na abordagem dos casos de aplicao deste trabalho mostra-se que mesmo

    sem a aplicao desta tcnica os resultados obtidos foram extremamente satisfatrios.

    O que significa dizer que mesmo que o processo usado no permita o aproveitamento

    mximo do desempenho deste material ainda assim mostra-se como uma alternativa

    bem sucedida

  • 30

    6. Comparao da aplicao de outros materiais

    Nesta argumentao em favor do uso de compsitos de fibra de carbono em

    equipamentos de laboratrio essencial sua comparao com outros materiais de

    aplicao recorrente com o mesmo fim.

    Em muitos casos a relao entre vantagens e desvantagens permitir perceber na

    aplicao da fibra de carbono perspectivas de melhores resultados.

    Como j mencionado na Introduo os materiais estruturais mais frequentemente

    aplicados em equipamentos de ensaio no LOC e no LIOC so: Plstico PVC (em placas

    e tubos), madeira, fibra de vidro, ao, ao inoxidvel, alumnio e lato.

    Seguindo a linha de abordagem do estudo de materiais feita a comparao nos

    quatro aspectos essenciais: sntese e processamento, estrutura e composio,

    propriedades e desempenho, como descrito na metodologia.

    A comparao de Plsticos com outros materiais favorecida se considerarmos

    stiffnes per unit mass, ou o mdulo de elasticidade dividido pela massa especfica

    como no grfico 5.1. Como resultado da baixa densidade dos polmeros seus valores se

    aproximam e os compsitos excedem amplamente ao ao. No Grafico 5.1 temos no

    grfico a esquerda o mdulo de elasticidade dos materiais e a direita o mdulo de

    elasticidade por densidade.

    Pelo grfico podemos perceber que o desempenho do alumnio equivalente ao do

    ao, e reconhece-se que no ambiente de laboratrio aplica-se com frequncia o

    alumnio sobretudo pela facilidade de trabalho, de processamento.

    No item hard thermoplastics pode-se considerar que engloba o PVC rgido, de

    tubos e placas, com uso extensivo em laboratrios pela grande facilidade de

    processamento e baixo peso. Para cargas leves.

  • 31

    O item thermosets with glass reinforcements trata dos compsitos em fibra de

    vidro, material usado na maioria dos modelos de embarcaes, na maioria dos

    laboratrios.

    Com desempenho semelhante fibra de vidro encontramos a madeira, a escolha

    entre um ou outro depende essencialmente da forma do objeto, das limitaes de

    processamento da madeira. Muitas estruturas simples podem ser feitas igualmente por

    madeira ou fibra de vidro, geometrias mais complexas tornam a modelao da madeira

    mais demorada e/ou exigindo maior tcnica

    Finalmente a fibra de carbono aparece destacada, fora da curva pode-se dizer. Nos

    de aplicao apresentados neste trabalho pretende-se reforar esta vantagem em

    relao aos demais materiais.

    Grfico5.1 Resistncia a trao e resistncia a trao por massa especfica. [7] VEGT

  • 32

    Na Tabela 5.1 alm das propriedades mecnicas o custo mdio dos materiais. Cabe

    explicitar que o custo do primeiro item, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic

    Plstico Reforado com Fibra de Carbono), de fato muito acima dos demais. Nos

    casos de aplicao citados adiante pode-se verificar que o custo do material pode ser

    absorvido pelos demais custos de uma pesquisa, sobretudo porque as estruturas em

    questo so de baixo peso, sendo o maior deles o peso da Cyber-Semi de 3,1kg.

    Dentro de um projeto muito maior que benficia vrios estudos. O Suporte para VIV alm

    da pesquisa original, que o motivou, faz parte agora dos equipamentos de uso

    permanente do Laboratrio de Ondas e Correntes, e neste caso pode-se considerar que

    seu custo inicial, mesmo que elevado, vem sendo absorvido pelo sucessivo uso.

    Portanto a discusso de custo mesmo que seja importante deve ser relativizada.

    Tabea 5.1 Propriedades mecnicas e custo de materiais[8]ROYLANCE

  • 33

    7. Aplicao em Suporte para ensaios de VIV

    Para estudos de Vibraes Induzidas por Vrtices com dois graus de liberdade foi

    desenvolvido um aparato experimental com uma haste feita em laminado de fibra de

    carbono com 25mm de dimetro interno e comprimento de 3145mm. Os resultados

    obtidos permitiram um estudo inovador.

    Estruturas tubulares laminadas so geralmente fabricadas usando fibras envoltas

    em dois ngulos. Fibras com ngulo de bobina prximo de 90 graus (medido a partir do

    eixo longitudinal da pea) so chamadas de fibras em anis. Fibras formando um

    padro helicoidal so tipicamente orientadas em ngulos entre 10 e 60 graus

    dependendo da rigidez e resistncia requeridas. Estas fibras proporcionam rigidez axial

    e suportam as cargas axiais. As fibras em anis suportam carreamentos

    circunferenciais. As fibras envoltas em helicoides a grandes ngulos colaboram com

    as fibras em anis na resistncia a cargas circunferenciais entretanto se o ngulo de

    alinhamento da fibra for muito acentuado a resistncia axial das fibras perde muita

    eficcia. Camadas em anis e helicoides costumam ser alternadas ao longo da

    espessura do laminado. As fibras em anis quando envoltas com presso compactam

    as demais camadas do laminado de forma eficiente alm remover o excesso de resina,

    reduzindo o peso final.

    O tubo foi laminado seguindo conceitos de tubos estruturais comuns, com 3

    camadas de fibra de carbono unidirecional (de 150 g/m2) sendo uma orientada ao longo

    do tubo (0 graus) e em X (45 e 135 graus), com resina epxi e processo de presso

    por fita de nilon esticada em espiral, para remoo do excesso de resina.

    A seguir a descrio do aparato conforme apresentada por [9] COELHO:

  • 34

    APARATO EXPERIMENTAL PARA O ESTUDO COM DOIS GRAUS DE

    LIBERDADE

    O projeto do aparato para os ensaios com dois graus de liberdade similar ao

    projeto para um grau de liberdade. De forma a permitir movimentos somente em duas

    direes e obter um baixo fator de amortecimento, uma torre foi utilizada conforme a

    Figura 6.1. No topo da torre, um sistema de rolamentos lineares restringe, em dois

    graus de liberdade somente, o movimento pendular de uma haste que se estende do

    topo da torre conexo com o modelo imerso no canal de correntes (Ver Figura 6.2).

    Neste dispositivo, na medida em que se aumenta a fora de arrasto com a

    velocidade de corrente, o cilindro tende a encontrar uma posio neutra (na direo

    alinhada com a corrente) a jusante da posio neutra da medio anterior. Para corrigir

    este efeito e garantir que a posio neutra da haste esteja sempre na vertical, um

    dispositivo de compensao foi adicionado ao aparato de forma a permitir um

    deslocamento da haste pelo topo at o seu alinhamento com a vertical (Ver Figura 6.2).

    O cilindro foi conectado a dois conjuntos de molas dispostas nas direes x e y

    conforme destacado na Figura 6.3. A rigidez das molas a mesma para as duas

    direes e foram ajustadas de forma a se obter, via ensaio de decaimento, a mesma

    freqncia natural para as direes x e y.

    A haste possui um comprimento de 3,145 m e foi produzida com fibra de

    carbono resultando em alta rigidez e massa reduzida. O comprimento total do sistema

    incluindo o cilindro de 3,91 m. Este comprimento foi dimensionado de forma a garantir

    que o movimento de rotao do cilindro (movimento pendular) seja desprezvel e que o

    cilindro se comporte como se estivesse sofrendo pura translao. Um estudo desta

    influncia foi feito e constatou-se que o movimento de rotao do sistema como um todo

  • 35

    de aproximadamente 1,5 para o caso de maior translao observado nos resultados

    experimentais obtidos.

    O sistema projetado original, uma vez que os sistemas que se utilizam de

    torres em ensaios similares verificados na literatura no configuram o sistema em

    comportamento pendular.

    O sistema utilizado representou um ganho significativo em termos de reduo do

    fator de amortecimento estrutural medido por ensaio de decaimento (016,0=), alm de

    permitir uma reduo significativa da razo de massa em relao ao sistema utilizado

    para o estudo de VIV com um grau de liberdade.

    O custo total de material ficou em R$900,00, muito elevado se comparado com

    ao, alumnio, fibra de vidro ou mesmo PVC. Mas oferece um desempenho muito

    superior que viabilizou o conceito da pesquisa e logo permitiu um estudo indito.

    Considerando seu valor em relao ao custo global da pesquisa deve-se admitir que

    seu impacto no oramento no to significativo. Acrescentando-se o fato que outras

    pesquisas forma feitas e continuam sendo feitas com o aparato.

  • 36

    Figura 6.1 Foto ampliada do sistema de sustentao do modelo.

    Figura 6.2 Dispositivo de compensao para posio neutra da haste.

  • 37

    Figura 6.3 Molas para restaurao do sistema.

  • 38

    8. Aplicao em Chassi de Rob

    Um Chassi para rob de inspeo por ultrassom foi desenvolvido para o LIOC.

    Consistindo em um painel laminado em sanduiche com reforos localmente distribudos,

    substituindo uma placa macia de alumnio.

    O objetivo principal era reduo de peso com preservao da resistncia estrutural

    do chassi original em alumnio. O rob apresentava dificuldade de locomoo ao subir

    chapas na vertical, uma limitao do sistema de magntico de locomoo desenvolvido

    pelo laboratrio.

    Constituindo originalmente de uma placa de alumnio com dimenses de 400mm de

    comprimento, 250mm de largura e 8mm de espessura o chassi desenvolvido preservou

    as dimenses e para tanto foi laminada uma placa em estrutura sanduiche com

    camadas externas de laminado de fibra de carbono com 1mm de espessura e ncleo de

    espuma de PVC de baixa densidade (60kg/m3). Nos pontos de fixao foi feito um

    reforo para resistir s cargas de compresso local dos parafusos. O reforo foi feito de

    uma mistura de resina epxi com cargas de fibra de vidro moda.

    Como resultado uma placa originalmente com 2,160kg foi substituda por uma placa

    de 0,720kg com reduo de mais de 60% no peso do elemento e que atende

    igualmente as cargas de operao proporcionando um desempenho melhor do

    equipamento com peso final menor.

    O custo total de materiais ficou em R$ 420,00, muito superior aos R$ 20,00 da placa

    de alumnio, mas muito baixo se comparado aos custos de desenvolvimento do rob

    como um todo e de baixa relevncia se considerado que permitiu superar um impasse

    na capacidade de operao do mesmo. A perspectiva de reviso do sistema de

    propulso para capacit-lo a suportar a carga extra da placa de alumnio tinha custos

  • 39

    ainda no estimados mas que seguramente superariam o custo da pea de carbono,

    incluindo a o retrabalho e as provveis perdas de material j empregado.

    Figura 7.1 arranjo da placa

    Figura 7.2 seo tpica da placa

  • 40

    9. Aplicao na Cyber-Semi

    9.1. Objetivo

    O objetivo da Cyber-Semi contribuir para o seguinte projeto:

    Aproveitamento de Base Fsica Existente na COPPE/UFRJ para Anlise de

    Sistemas de Posicionamento Dinmico de Plataformas Semissubmersveis em Escala

    Reduzida (PENO8844) tem por objetivo ltimo capacitar dois laboratrios da

    COPPE/UFRJ na execuo de projetos (Fernandes, 2006). Integrando os seguintes

    estudos: Projeto, Construo e Testes do Propulsor para o DP de Modelo 1:40 da

    Plataforma P XIII para testes no LabOceano (Mariana Coelho Pinto Torres, Janeiro de

    2008); e Sistema de Posicionamento Dinmico: Modelao e Construo de Hlice em

    Escala Reduzida atravs de Usinagem de Alta Preciso e Estudo Comparativo entre

    Simuladores. (Sara da Silva Jorge, Janeiro de 2006).

    Objetivamente, funo deste modelo de plataforma Semissubmersvel criar

    condies para a avaliao de um conjunto de sistemas propostos para o

    posicionamento dinmico para sua subsequente aplicao na anlise de um modelo

    maior e mais complexo de uma Semissubmersvel. Os sistemas propostos

    compreendem: propulsores azimutais e placas de controle eletrnico dos motores

    destes propulsores integradas a um sistema externo de rastreamento de posio

    (Qualysis).

  • 41

    9.2. Caractersticas Principais

    A fim de se obter resultados mais confiveis do controle considerou-se necessrio

    preservar semelhana geomtrica e de equilbrio esttico. Isso implica em limitaes ao

    peso total do modelo de forma a permitir o controle do centro de gravidade e do calado

    de operao.

    O modelo foi dimensionado para poder manobrar dentro do Canal de Correntes do

    LOC Laboratrio de Ondas e Correntes. As dimenses principais do canal e do

    modelo so:

    Tabela 8.2.1 Dimenses do canal de correntes

    Os propulsores esto dimensionados para o modelo maior, com seu dimetro de

    hlice, sistema de transmisso e motores eltricos adequados ao modelo maior tem-se

    um conjunto relativamente pesado para o modelo Cyber-Semi, (somando cerca de

    4,0Kg) concentrados r do modelo, restringindo o posicionamento das cargas

    adicionais: baterias e das placas de controle. O modelo Cyber-Semi porta dois

    propulsores, o modelo maior portar oito propulsores.

  • 42

    As figuras 8.3.1, 8.3.2 e 8.3.3 apresentam as trs escalas: A Plataforma

    propriamente dita, o modelo 1:40 e o modelo 1:120, Cyber-Semi, no primeiro teste de

    flutuao, ainda sem equipamentos.

    Figura 8.3.1 - Plataforma P-XIII (atual Olinda-Star) na costa de Niteri

    Figura 8.3.2 - O modelo P-13 (escala 1:40) no MARIN (Holanda)

  • 43

    Figura 8.3.3 - Cyber-Semi (escala1:120) no Canal de Correntes no LOC

    9.3. Gerao da Forma

    A Partir da definio da escala pode-se inserir o modelo no programa Maxsurf,

    onde podemos analisar a distribuio de pesos em funo do equilbrio e podemos

    estimar o calado de operao adequado ao problema.

    A plataforma pode operar em vrios calados, dependendo da sua condio de

    operao, contudo recomendado operar na regio das colunas com maior rea

    transversal para favorecer a estabilidade a pequenos ngulos de inclinao e um

    resultante amortecimento no movimento de jogo ou caturro.

    Ainda, a fim de favorecer a semelhana de operao com o caso real e o

    compromisso de ter capacidade de embarcar os equipamentos necessrios simulao

    dos propulsores, alimentao e do controle preciso admitir um calado maior que a

    altura dos Flutuadores ou Pontoons. Desta forma o calado de projeto definido para o

    modelo foi de 122,5 mm, de forma que a linha dgua se localize na regio mais larga

    da coluna e tenhamos um deslocamento de 15,1 Kg conforme obtido nas Tabelas

  • 44

    Hidrostticas geradas a partir do modelo definido no programa de computador Maxsurf

    apresentadas a seguir:

    Figura 8.3.4 - Modelo da Cyber-Semi gerado no Maxsurf com a rea molhada destacada

    Tabela 8.3.1 - Propriedades Hidrostticas do Modelo Cyber-Semi

    Uma vez definida a forma e a condio de flutuao faz-se necessrio estudar os

    materiais possveis de aplicao na construo do modelo Cyber-Semi a fim de se

    verificar quais seriam capazes de atender as caractersticas hidrostticas acima com os

    equipamentos necessrios embarcados. A seguir apresenta-se a fibra de carbono como

    alternativa e subsequentemente sua comparao com demais materiais passveis de

    aplicao com espessuras estimadas. As espessuras dos elementos de placa de cada

    material apresentadas na tabela a seguir levam em conta a espessura mnima de

  • 45

    trabalho factivel considerando as amostras disponveis para aquisio no mercado, em

    prateleira.

    Figura 8.3.5 - Aspectos do arranjo da CYBER_SEMI; posio dos azimutais e lastro.

    Tabela 8.3.1 - Estimativa de peso da Cyber-Semi em diferentes materiais

    Aplicao de madeira dura e/ou balsa: apesenta baixo peso estimado mas

    reconhecido a dificuldade de se trabalhar este material em geometrias detalhadas e

    complexas como a semi-sub. Pela dificuldade de se acomodar os sistemas embarcados

    no modelo em fibra de carbono pode-se afirmar com segurana que o modelo em

  • 46

    madeira no apresentaria espao interno suficiente apenas considerando a maior

    espessura, tomando de 35 a 47% do volume total do modelo.

    Aplicao de alumnio e/ou ao inoxidvel: o peso leve j compromete o projeto, de

    qualquer forma a fabricao em metais com espessura to fina exige expertise em

    solda que poucos profissionais tem capacidade de executar.

    Aplicao de fibra de vidro: o peso leve igualmente compromete o projeto. fato

    que a fibra de vidro foi aplicada no modelo em carbono como complemento em

    laminados muito finos de forma auxiliar conforme descrito adiante.

    9.4. Equipamentos Embarcados

    Definido o volume deslocado podemos dimensionar a estrutura a partir dos

    equipamentos embarcados listados a seguir:

    Tabela 8.4.1 - Pesos embarcados e Deslocamento

  • 47

    Figura 8.4.1 - Azimutais A e B

    Cabe aqui registrar a presena de dois conjuntos propulsores, A e B, de

    fornecedores diferentes para ser selecionado o mais eficiente. Os conjuntos so

    semelhantes, mas apresentam detalhes diferentes quanto a montagem. Engrenagens

    de lato ou ao respectivamente, dimetro do eixo propulsor de 8 e 6 milmetros,

    borrachas de vedao, sem boo do eixo do hlice e com boo do eixo. Alm de

    diferenas na qualidade da usinagem das peas.

    O conjunto A usa um flange de alumnio, o conjunto B usa um flange de fibra de

    carbono. Essa diferena permite variar o centro de gravidade e o calado de operao.

    Resta confirmar em ensaio a resistncia do flange de carbono contra o de alumnio que

    se resume a uma placa de 2mm de espessura com adaptaes ao encaixe de vedao,

    enquanto o primeiro consiste de uma placa laminada com tecido biaxial de 400 g/m2

    reforada com tecido unidirecional de 150g/m2 em resina epxi.

  • 48

    Os lastros do conjunto B so suficientes para atingir o calado da condio de

    equilbrio de projeto e posicionados de forma que no haja ngulos significativos de

    banda ou trim.

  • 49

    9.5. Definio dos elementos estruturais

    9.5.1. Flutuadores

    Os flutuadores foram desenvolvidos com painis em laminao tipo sanduiche, com

    laminado em fibra de carbono (gramatura de 450g/m2) e resina epxi, e ncleo de

    espuma de PVC (de 100 kg/m3 e espessura de 6mm), desta forma as paredes ficaram

    auto-estruturantes, dispensando reforadores secundrios, tais como cavernas e

    longitudinais, e facilitando as montagens com os demais elementos estruturais, os

    pilares e os flanges.

    Dentro dos flutuadores foram definidos espaos para os equipamentos de propulso

    e lastro de correo do equilbrio. Ver figura 8.5.1.1:

    Figura 9.5.1.1 Flutuadores em processo de fabricao

  • 50

    9.5.2. Convs

    A Plataforma do convs foi desenvolvida numa placa sanduiche do mesmo padro

    dos flutuadores porm com maior espessura do ncleo de espuma de PVC (15 mm) de

    forma oferecer melhor resistncia a toro. Apresentado duas aberturas para encaixe

    de caixas, ou bandejas, feitas em laminado simples de fibra de carbono, para

    acomodao de equipamentos tais como as placas de controle dos propulsores

    azimutais. Ver figuras 9.5.2.1 e 9.5.2.2:

    Figura 9.5.2.1 e 9.5.2.2 Convs em processo de montagem

    Caixa para os Equipamentos

    A fim de se reduzir a altura do centro de gravidade e preservar a estabilidade

    esttica do modelo com comportamento mais prximo do projeto real e devido a

    operao na gua optou-se por instalao dos equipamentos eletrnicos em uma caixa

    com tampa. As caixas forma laminadas em fibra de carbono e posicionam os

    equipamentos 60mm abaixo do convs principal, so dotadas de tampa em plstico

    transparente de forma a proteger os circuitos contra eventuais espirros e gotas

    permitindo a visualizao dos equipamentos.

  • 51

    9.5.3. Pilares e Contraventamentos

    Os Pilares foram laminados seguindo conceitos de tubos estruturais comuns, com 3

    camadas, sendo duas camadas de fibra de vidro (de 300g/m2 e tecido 0/45/90/135),

    uma por dentro e outra por fora do tubo para garantir estanqueidade, e uma camada

    tripla de fibra de carbono unidirecional (de 150 g/m2) orientada ao longo do tubo (0

    graus) e em X (45 e 135 graus) aplicadas em forma helicoidal.

    Os contraventamentos no apresentam o laminado em fibra de vidro, somente a

    camada tripla em fibra de carbono descrita acima, com aplicao de massa de

    acabamento para garantir a vedao e preparo para pintura.

    Os pilares das extremidades dos flutuadores apresentam uma base prismtica,

    geometricamente equivalente ao da Plataforma P-13 de referencia e que distribuem os

    esforos na conexo entre os pilares e os flutuadores, alm de, no mbito de equilbrio

    dinmico do modelo, favorecer no amortecimento do movimento de jogo.

    Figura 9.5.3.1 Pilares.

  • 52

    Figura 9.5.3.2 e 9.5.3.3 Contraventamentos.

  • 53

    9.5.4. Flanges

    Os Flanges foram concebidos para a melhor instalao dos motores no modelo.

    Com conjuntos de motores de pesos diferentes foi necessrio desenvolver um flange

    diferente para cada, sendo um conjunto de flanges de alumnio e outro de fibra de

    carbono.

    O material mais simples de trabalho neste caso seria o alumnio, mas os conjuntos

    de propulsores apresentavam dimenses ligeiramente diferentes, e para um conjunto A

    o flange em alumnio no permitia espao adequado. E por isso um flange em fibra de

    carbono foi desenvolvido

    Para uma montagem mais rpida, para o conjunto de motores mais leve, optou-se

    pelo flange em alumnio, nada mais que uma chapa de 4mm de espessura com furao

    distribuda para a fixao de parafusos.

    O Flange em carbono apresenta laminado simples de fibra de carbono com dupla

    camada de fibra de vidro para estanqueidade, resultando em espessura mxima de

    1,1mm com uma borda reforada e adequada para ter os mesmos 4mm de espessura

    do flange em alumnio permitindo alternncia de sistemas na mesma montagem.

    Figura 8.5.1 e 8.5.2 Flange em alumnio preparado para teste de estanqueidade

  • 54

    Figura 8.5.3, 8.5.4 e 8.5.5 Flange em carbono sendo modelado

  • 55

    9.6. Fabricao e Montagem

    A montagem do modelo seguiu a seguinte sequncia bsica: definio dos

    elementos estruturais confeco dos elementos estruturais por ordem de complexidade,

    flutuadores, pilares de dimetro menor, pilares de dimetro maior, tubos dos

    contraventamentos, convs principal, bandejas ou caixas de convs e flanges. As

    imagens a seguir representam a sequencia de fabricao

    Figura 8.6.1 Laminao dos pilares e Flutuadores Figura 8.6.1 Preparao dos Flutuadores.

    Figura 8.6.3 Montagem do convs Figura 8.6.4 Montagem dos contraventamentos

  • 56

    Figura 8.6.5 colagem dos elementos Figura 8.6.6 Preparao dos Flanges

    Figura 8.6.7 Montagem dos flanges Figura 8.6.8 teste de estanqueidade

  • 57

    Figura 8.6.9 calado de 20mm verificado para o deslocamento do casco

    Figura 8.6.10 e 8.6.11 Modelo pronto para operao, com pintura final.

    Figura 8.6.12 Modelo com flanges removidos Figura 8.6.13 teste com lastro

  • 58

    Figura 8.6.14 Modelo com lastro distribudo no primeiro ensaio de equilbrio monitorado pelo sistema Qualisys

  • 59

    10. Aplicao no Tubulo do Propulsor Azimutal

    No projeto da Cyber-Semi dois sistemas de propulsores foram desenvolvidos e o

    conjunto A precisou ser adaptado com a substituio do tubulo do propulsor original,

    em alumnio por uma cpia em fibra de carbono. O conjunto A apresentava um peso

    excessivo que junto com o lastro necessrio ao ajuste do trim do modelo ultrapassava o

    deslocamento mximo permitido.

    Com o tubulo original pesando 440g e o segundo 80g. a reduo de 720g

    embarcadas numa extremidade do modelo implicou na reduo do lastro fixo em iguais

    700g levando a uma reduo de 1400g na carga total, de forma que o modelo pudesse

    flutuar no calado de projeto.

    O tubulo original serviu de plugue para a gerao de um molde em quatro partes

    para a laminao do equivalente em fibra de carbono. A soluo em plstico tambm

    permitiu a fabricao de um suporte ao tubulo com menor resistncia ao escoamento,

    seguindo referencias de aplicaes semelhantes:

    Figura 9.1 Tubulo Montado projeto em Solidworks

  • 60

    Figura 9.2 e 9.3 Tubulo e suporte do tubulo projeto em Solidworks

    Figura 9.4 e 9.5 Tubulo montado e posicionado

    Figura 9.6 Suporte do Tubulo montado e posicionado

  • 61

    Figura 9.5 Tubulo de Carbono (80g) a esquerda e alumnio (440g) a direita

    O suporte desenvolvido apresenta perfil afilado, e sua curvatura procura afastar a

    estrutura do propulsor e desta forma reduzir a interferncia no fluxo de agua de tomada

    do propulsor, resultando em muito menor interferncia do que as trelias da concepo

    original.

    O consumo de material foi muito baixo, da ordem de 150 gramas de fibra e prximo

    de 500 gramas de resina, considerando as perdas e a confeco dos moldes em resina.

    Portanto o custo final ficou na ordem de R$150,00. O tempo de estudo, definio,

    projeto em Solidworks, confeco dos moldes, laminao e ajustes necessrios foi

    elevado, mas foi todo executado pela equipe do laboratrio com diversas contribuies.

  • 62

    11. Concluso

    A Fibra de Carbono se apresenta como alternativa vivel aos materiais de aplicao

    em equipamentos de laboratrio de pesquisa ocenica, podendo substituir ou atuar em

    conjunto com os demais materiais j utilizados. Seu processamento acessvel e

    adequado s dependncias disponveis em praticamente qualquer oficina de modelos

    que j trabalhem com outros materiais comuns como placas e tubos de PVC e

    marcenaria em geral.

    A tcnica de manipulao apesar de especfica se mostra prxima das atividades de

    marcenaria no que diz respeito habilidade manual e controle do ambiente.

    Os benefcios oferecidos por estruturas em fibra de carbono permitem aumentar o

    escopo de modelos, auxiliando o pesquisador ao oferecer um maior nmero de

    solues para modelos e aplicaes diferentes. O controle das fibras permite ainda ao

    pesquisador determinar o comportamento estrutural do modelo com a mesma preciso

    do que outros materiais comuns de aplicao em pesquisa. Um mesmo experimento

    pode, portanto, apresentar uma gama de modelos muito mais ampla, em muitos

    aspectos, notadamente de peso total e de resistncia estrutural, mas tambm de forma

    e de montagens diferentes que favoream a pesquisa em questo.

    Este relatrio pretende estimular os laboratrios de pesquisa, e especialmente os

    pesquisadores, a inclurem os materiais compsitos, sobretudo a fibra de carbono,

    dentre as suas opes de material de fabricao de modelos e equipamentos de

    laboratrio. possvel que as pesquisas em andamento possam ter seu leque de

    abordagem ampliado, com melhor seleo de aplicao do objeto de pesquisa,

    permitindo restringir as variveis de pesquisa com melhor controle dos elementos

    estruturais.

  • 63

    12. Bibliografia

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