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sexta-feira, 3 de julho de 2015

                                      MATERIAIS COMPÓSITOS NA AVIAÇÃO
                                         (E o desenvolvimento de suas aplicações)
Gamaliel Brum  
Lídia Farias
Pedro Henrique 
Rafaela Pereira
Raphael Elias
Alunos do curso de engenharia aeronáutica, Universidade Fumec,

Faculdade de engenharia e arquitetura.

  Resumo

             Os compósitos são materiais que apresentam duas ou mais fases físico-químicas distintas, não miscíveis arranjadas e separadas por uma interface ,cuja criação surgiu da necessidade de se construir objetos mais resistentes e essenciais a vida do ser humano. Materiais compósitos são constituídos por uma fase matriz,de caráter continuo responsável por definir e resguardar a estrutura de carga ou reforço, enquanto a fase de reforço se caracteriza por ser descontínua e resistente. A combinação destes elementos permite alcançar propriedades complementares não atingíveis quando isolados. As propriedades físico-químicas apresentadas pelos compósitos estruturais dependem da quantidade de material utilizado, o grau de adesão e o arranjo existente entre estes materiais. Uma vez que esses compósitos estruturais apresentam inúmeras vantagens dentre elas, maior resistência à corrosão, menor peso e baixa expansão térmica ,além do baixo custo de produção, a utilização destes matérias no ramo aeronáutico vem se destacando cada vez mais devido a essas vantagens. Palavras chave: Avanços ,compósitos, aviação.

  Introdução

           A união de materiais de natureza diferente ,com a finalidade de se construir algo, remonta os tempos mais antigos, do elementar tijolo de barro e fibras de capim, ao radome da mais moderna aeronave, os materiais compostos tem permitido grandes avanços nos sistema mecânicos. E por recente que pareça o tema, a idéia de se combinar materiais pela união destes (sem modificação de suas estruturas individuais), está intimamente ligada ao nascimento da aviação, o fato é que a vertente de se construir aeronaves inteiramente metálicas proposta por Hugo Junkers(1919), e o conseqüente desenvolvimento dessas ligas, parece ter desviado o olhar da indústria aeronáutica, daquela que é sua vocação primeira: O uso de material composto em suas estruturas(as primeiras aeronaves eram feitas de madeira , e tecido embebido ,numa espécie de resina ,o dope). São inegáveis os avanços conquistados a partir do desenvolvimento das ligas metálicas,mas os sistemas reforço/matriz ressurgem ainda mais atraentes. Respaldados pela ciência dos materiais e as modernas técnicas construtivas, o “composto” tem assumido importantes posições ,o que lhe falta é tempo de serviço, em funções estruturais primárias de maior vulto.

  1.0 O desenvolvimento de suas aplicações

             O desenvolvimento das aeronaves modernas em termos de performance, tem se dado principalmente por dois caminhos, a redução de peso e os avanços aerodinâmicos, e é sobre esse aspecto que reside a grande vantagem em se usar materiais baseados em fibras de alto desempenho, são mais leves e permitem melhor acabamento superficial. Encabeçam essa lista de materiais as fibras de carbono/grafite , fibras aramidas , e fibras de vidro (para menores requerimentos),cujo uso em componentes de pequena e média importância estrutural, já passa de alguns lustros.
                                 Figura 1: Pá de hélice,feita de fibra cuja estrutura falhou.

      Mas afinal, o que são os pró e os contra dessa tecnologia nas aplicações aeronáuticas? Que fatores mantém divididas as opiniões nessa indústria e até onde vai o “receio” dela em aplicar largamente esse material?

         As fibras de alto desempenho, surgiram com impressionantes características de resistência e leveza frente a materiais tradicionais como o aço, e as ligas de alumínio. As peças se tornaram mais leves e com resistência à tração final, muito superiores(no caso da fibra de carbono) e com maior resistência à pressão normal (no caso das fibras aramidas), no entanto essas fibras quando falham o fazem de forma abrupta, sem gerar indícios anteriores que pudessem ser plenamente detectados por alguma inspeção, como ocorre com as ligas metálicas através dos ensaios não destrutivos, e isso é um fator preocupante para as inspeções. Nos metais (material isotrópico),os sinais de fadiga , trincas ou estiramentos, frente a esforços próximos do valor limite, nos dão um claro indício das reais condições da peça, mas no caso de partes feitas utilizando-se material composto, o comportamento ante a um esforço crescente atende a um outro padrão, segundo (Agarwal & Broutman,1990) do primeiro momento de sujeição a esse esforço até a ruptura(falha) do material o sistema reforço/matriz passa por quatro estágios de deformação a se saber:

  -No primeiro estágio, a fibra e a matriz se deformam de forma elástica(deformação reversível)

 -No segundo estágio, a fibra continua a se deformar de forma elástica, mas a matriz passa a se deformar plasticamente(deformação irreversível).

 -No terceiro estágio, a fibra e a matriz deformam de forma plástica.

-No quarto e último estágio as fibras se rompem.

         Fica implícito, que sendo a matriz menos resistente à tensão em relação à fibra, após a ruptura dessa, no quarto estágio, o material se encontra na iminência de falhar. É preciso ainda que consideremos um outro fator ,a qualidade da impregnação e a posterior cura do material, pois os estágios descritos acima consideram a melhor interação mecânica, da matriz através dos recessos da fibra,assim se porventura a cura dessa matriz não houver se processado de forma eficiente, ou essa resina não houver fluido através das tramas da fibra, poderemos esperar resultados inferiores , ruptura mais breve que o descrito. Apesar dessa clara divisão de estágios, a ruptura de peças de material composto se processa num intervalo muito curto, as mudanças devidas à anisotropia não são comparáveis àquelas verificadas nos metais, dessa forma, podemos dizer que o receio da indústria, até então ,num uso mais amplo dessas tecnologias se deve, a incerteza da real condição estrutural de determinada peça em serviço. Um exemplo clássico de  risco financeiro representado à indústria aeronáutica, devido a falha de tecnologia,foi o caso da gigante Rolls Royce, que em meados de 1971 , sofreu um impacto financeiro grande , quase indo a bancarrota devido as falhas recorrentes de uma família de motores cujas pás  do rotor eram de fibra de carbono . Depois de conseguir suporte financeiro do governo e se restabelecer a empresa se dedicou a qualidade dos serviços junto aos clientes e principalmente , retornou os projetos , e o desenvolvimento de seus motores baseados em ligas metálicas , historicamente mais confiáveis.

1.1 Frentes de desenvolvimento


É nesse ponto, que  nós estudantes de engenharia, nos perguntamos: O que deve ser feito para que descobertas tão importantes no campo da ciência  dos materiais se tornem ,mais importantes e aplicáveis em nossas aeronaves?
Desde as primeiras aplicações dos materiais compostos modernos (advanced composites) , nos planadores alemães ou nos caças da força aérea inglesa, o que tem ocorrido é uma mudança não só no teor e na qualidade dessas fibras e resinas, como na forma em que são aplicadas(técnicas construtivas),  e é nesse aspecto que acreditamos residir o caminho a se trilhar com os compósitos daqui em diante, a isso chamamos de desenvolvimento de suas aplicações. Mas  cabe antes dividir esse desenvolvimento em dois ramos, avanços aerodinâmicos ( novos conceitos e configurações de aeronaves mais eficazes) e avanços construtivos (técnicas construtivas) que permitam ao material trabalhar sob suas melhores condições de resistência específica.
           No campo dos avanços aerodinâmicos, para que essa ideia se torne clara é preciso que pensemos  na seguinte  questão,  seria possível construirmos uma aeronave das primeiras “eras da aviação” de forma eficiente dispondo da  miscelânea de materiais utilizados atualmente na construção de aeronaves leves? Rebites, chapas de alumínio aeronáutico,solda, longarinas e reforçadores, em muitos casos não seriam capazes de reconstruir de forma fiel essa aeronave, tampouco atenderiam ao requerimentos de peso e resistência desse modelo.Nesse ponto concordamos que para o uso pleno desses novos matérias houve paralelamente mudança de paradigma, desenvolveram se as ligas , e desenvolveram –se  suas aplicações. Por isso, é necessário pensar no material composto não como algo excêntrico, mas algo diferente (Foreman,2002), a maior parte dos esforços  até então tem se  voltado para tornar  esse material aplicável aonde o metal o é,  e existem limitações naturais para isso, mas se pensarmos em aeronaves desenhadas para o uso dos compósitos em suas estruturas ,então poderemos ter melhores resultados.
  Figura 2: Boeing 797, blended wings concept

             Os novos conceitos e configurações a exemplo, do Boeing 797, e a série D (“dupla bolha”) do MIT apontam para aeronaves aerodinamicamente superiores, que voam com maior  “facilidade” e menores esforços estruturais, menor consumo e peso final,  e com um design favorável ao uso de modernas técnicas de construção, por material composto ,como veremos adiante.
















Figura 3: Aeronave conceito D, MIT

             No campo dos avanços construtivos,  a questão é: Será que o  ideal a se buscar , são aeronaves, com grandes seções inteiriças, feitas de composto,formando uma espécie de corpo único?  De fato, essa era a proposta inicial ,observada nas primeiras formas de construção (como o hand-lay-up),na busca de acabamento superficial impecável e leveza, o que atende muito bem a aeronaves experimentais e de pequeno porte, devido às suas dimensões, mas se torna muito complexo e criterioso em aeronaves maiores, sobretudo àquelas que são  pressurizadas. Em adição a isso é preciso se considerar que os reparos numa estrutura única são sempre temerários, risco análogo ao das aeronaves cuja estrutura é unicamente moncoque.

             Nesse aspecto o desenvolvimento da aplicação desses matériais (sobretudo a fibra de carbono e Kevlar) se verifica em formas de construção inovadoras, que mesclam a confiabilidade do conceito semi-monocoque ,e a praticidade  dos amplos painéis de compósitos previamente fabricados.Nesse sentido cabe aqui ressaltar duas técnicas interessantes, a primeira delas é denominada SOFI sigla cujo significado é (Stringer Outside Frame Inside) ,reforçadores externos e  cavernas internas (Kolesnikov,2003), neste conceito de estrutura, os reforçadores e as cavernas ficam de lados opostos ao revestimento interno estrutural e é prevista a utilização de um núcleo de espuma e um revestimento externo que completa essa estrutura. A construção SOFI se mostrou, eficiente e mais leve para os mesmos requerimentos estruturais, em relação a uma fuselagem semi-monocoque em alumínio, (peso 8% menor) conforme demostrado pelos alunos do ITA, para a aeronave UNIQUE no (3rd CTA-DLR Workshop on Data Analysis & Flight Control Copyright © 2009 by AA September 14-16, 2009, S. J. Campos,SP, Brazil).














Figura 4:Painel construído na forma SOFI

                  A segunda delas  denominada PRSEUS (pultruded rod, stitched, efficient, unitized structure), em desenvolvimento conjunto entre Boeing e Nasa, prevê a construção de painéis pré fabricados para aeronaves presurizadas, sua forma de construção consiste em painéis pré formados de fibra de carbono, que são posicionados  juntos  sobre   a estrutura interna (reforçadores verticais e longitudinais),sobre os quais um revestimento especial,cujo núcleo  também de espuma é fixado.

















Figura 5: Painel de PRSEUS montado

      A grande diferença porém está nessa fixação, o conjunto é unido por uma espécie de costura de pontos longos, que confinam a extensão de danos provocados por  rasgos no revestimento, e previnem de forma consistente as falhas por delaminação, superando nesse aspecto o uso de fixadores mecânicos, segundo a engenheira Daw Jegley, integrante dessa divisao de pesquisa da Nasa. Com o uso desses painéis, preve-se a construção de aeronaves híbridas asa/fuselagem como o 797 já descrito, o que pode mudar a aviação sobremaneira, daqui em diante.



Figura 6: Esquema de montagem do PRSEUS

Conclusão

A partir dessa breve avaliação, das nuanças dos materiais compostos, no âmbito da indústria aeronáutica,percebe-se que além do desevolvimento específico desses materiais (aumento de resistência a diversos fatores), é necessário se desenvolver soluções de engenharia nas aeronaves , para beneficiar o uso dos compósitos,  para que trabalhem em suas melhores condições, e não somente naquelas previstas para o metais, para tal, 
conceitos construtivos inovadores, e configurações novas de aeronaves, devem se aliar e “ajudar” mutuamente. Essa mudança de foco poderá ainda abrir caminho a outros materiais novos, ainda tímidos na aviação, como os nanomaterias (compósitos de grapheno, nanotubos de carbono) e os sonhados  sistemas matriz/reforço inteiramente metálicos.


Referências

Irfan,Umair. Piper,Julia (2013). “U.S look to regain lead in making Carbon fiber.”
Scientific American, junho de 2013.
Sloan ,Jeff (2011). “PRSEUS perform for pressurized cabin walls.”
Composite World     setembro de 2011.
Milmo,Dan(2011). “Why Rolls-Royce is seen as engine of recovery for UK economy.”
The Guardian,11 de novembro de 2011.
Agarwal,Bhargwan. Broutman, Lawrence.(1990).
“Analysis and performance of fiber composites”
. John Wiley & sons.Inc 1990.
Iscold,José Henriques (2007) (dissertação).
“ Desenvolvimento do processo de fabricação de laminados de material composto
      polimérico de fibra de vidro para aplicação na construção aeronáutica.” 2007
Foreman,Cindy (2002). “Advanced Composites” Jeppensen Sanderson.Inc.(2002)

Kolesnikov,B.Y (2003): “Carbon Fiber Composite Airplane fuselage:
concept and analysis.” German Aerospace center(DLR). (2003)

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