Univap – Universidade do Vale do Paraíba
Feau- Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo
Melhoria nos painéis sanduíche instalados nos compartimentos de
carga dianteiro e traseiro das aeronaves ERJ 170 e ERJ 190
Trabalho de Conclusão de Curso
Engenharia de Materiais
João Paulo Souza Oliveira
Alice Regina Moreira Santos
Orientadora:
Prof. MSc. Erika Peterson Gonçalves
São José dos Campos, SP
Novembro 2011
1
MELHORIA NOS PAINÉIS SANDUICHE INSTALADOS NOS
COMPARTIMENTOS DE CARGA DIANTEIRO E TRASEIRO DAS
AERONAVES ERJ 170 e ERJ 190.
João Paulo Souza Oliveira*, Alice Regina Moreira Santos*
*Univap – Universidade do Vale do Paraíba
RESUMO
As estruturas sanduiche atualmente estão empregadas em grande escala nas
indústrias. Entre as vantagens apresentadas por esses materiais podem-se destacar a
baixa densidade, alta resistência mecânica e rigidez.
Os materiais compósitos foram utilizados pela primeira vez na indústria
aeronáutica na década de 60, e desde então, esse tipo de material tem evoluído e sendo
aplicado em diversos setores dos quais podemos mencionar como na Indústria Naval,
Automobilística, Saúde, Aeronáutica e Aeroespacial. O principal motivo da utilização
está nas muitas vantagens que os materiais compósitos oferecem, tais como; baixo peso
específico associado à alta rigidez e resistência mecânica, versatilidade que pode ser
obtida através da otimização dos materiais, redução de custos de manutenção, reparação
e potencial para redução do número de componentes em estruturas.
O desafio é realizar melhorias nos painéis sanduiche instalados nos
compartimentos de carga dianteiro e traseiro das aeronaves ERJ 170 e ERJ 190,
fabricadas pela Embraer – Empresa Brasileira de Aeronáutica. Pois durante o uso dos
compartimentos constatou-se que os mesmos estavam sendo danificados pelo impacto
das malas, resultando em delaminação dos painéis; e as mesmas também estavam
sofrendo avarias e colocando em risco o manuseio dos funcionários das companhias
aéreas.
A solução proposta para o problema é a aplicação de uma folha de Lexan®
F6000 na superfície do painel sanduiche, o qual foi fornecido pela empresa C&D
Zodiac Aeroespace – Indústria de Componentes de Interiores e Sistemas Integrados.
O principal ensaio realizado nos corpos de provas de Lexan® foi o de impacto
Izod, que tem como objetivo medir a suscetibilidade relativa de um corpo de prova
padrão à solicitação ao impacto através de uma máquina de ensaio pendular.
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Os resultados são expressos em termos de energia cinética consumida pelo
pêndulo durante a ruptura do corpo de prova. A energia requerida para quebrar o corpo
de prova é na realidade a soma das energias necessárias para deformá-lo, iniciar seu
processo de fratura e propagá-lo ao longo da seção transversal do corpo [15]. Também
foram feitos os testes, resistência a tração, módulo de elasticidade, resistência a flexão.
O conjunto painel sanduiche, adesivo e Lexan® submeteram-se a visualização
de Microscopia Óptica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e
Espectrometria de Energia Dispersiva (EDS).
PALAVRAS CHAVE: Material Compósito, painel sanduiche, Lexan®.
3
ABSTRACT
Sandwich structures are currently widely used in industries. Among the
advantages of such materials are their low density and great mechanical resistance and
stiffness.
The composite materials were used for the first time in the Aerospace industry in
60s. Since then, this kind of material has been improve and are using in various type of
industries as Naval Industry, Automotive, Healthcare, Aerospace. The main reason to
use this material are the advantages that it has and offer, such as, low specific weight
combined with high shear rigidities, low densities and mechanical strength, the
versatility can be obtained through the optimization of the materials, reduction of the
maintenance costs, reduce the costs of the manufacture process, repairs and the
potential to reduce the number of the components in the structures.
The challenge is to release improvements in the sandwich panels installed in the
FWD and AFT cargo compartments in the aircrafts model ERJ 170 and ERJ 190,
manufacture by Embraer – Empresa Brasileira de Aeronáutica. After some hours of the
operation of the aircraft it was verified that they were being damaged by the impact of
the luggage, resulting delamination of the panels and causing damage in the luggage of
the passenger and putting the handling of the employees of the companies in risk.
The proposal solution to the problem is to apply a Lexan® sheet series F6000
on the surface of the panel, that was supply by C&D Zodiacaerospace – Industry of
Interior components and integrated systems.
The main test released in the test samples was Izod impact, has the objective to
measure the relative susceptibility of a test sample standard to request the impact test
trough of the pendulum machine. The results are expressed in terms of kinetic energy
consumed by the pendulum during the breakage of the test sample. The energy required
to brake the test sample is in fact the sum of the energies necessaries to deform it, start
the process of the fracture and spread it over the cross section of the test sample. It was
provide the tests, tensile strength, tensile modulus, flexural strength.
The assembly sandwich panel, adhesive and Lexan® were submitted the
visualization of their structures with, microscope optical, Scanning Electron
Microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy.
KEY WORDS: Composite material, sandwich panel, Lexan®
4
1. INTRODUÇÃO
Nos anos 60 que os materiais compósitos foram empregados pela primeira vez
em projetos estruturais inicialmente na indústria aeronáutica. Os materiais compósitos
evoluíram nas mais variadas direções sendo usados em diversos setores dos quais são o
naval, automobilístico, saúde, aeronáutica, aeroespacial. O motivo está nas muitas
vantagens que os compósitos oferecem, tais como; baixo peso, associado à alta rigidez e
resistência mecânica, que reflete diretamente na eficiência do comportamento da
estrutura; versatilidade, que pode ser obtida através da otimização dos materiais,
modelação geométrica ou processos de fabricação, redução de custos na manutenção e
reparação e potencial para redução do número de componentes em estruturas.
Contudo, ainda existem algumas dificuldades na integração dos materiais
compósitos e os materiais convencionais utilizados em estruturas, entre as quais são; a
dificuldade em prever o modo de falha exato, o que causa problemas em componentes
estruturais sujeitos a elevados níveis de fadiga e impacto.
Muitas das tecnologias modernas requerem materiais com combinações de
propriedades que não são satisfeitas pelas ligas metálicas convencionais, pelas
cerâmicas e pelos materiais poliméricos, especialmente quando se trata da área
aeronáutica, onde é necessária baixa densidade, alta resistência, rigidez e resistência à
abrasão e ao impacto. O acelerado desenvolvimento dos materiais compósitos
reforçados tem proporcionado aos projetistas e engenheiros um leque de novas
alternativas para a solução de problemas.
Um material denomina-se compósito quando resulta da combinação de dois ou
mais materiais distintos [1]. Esses materiais que formam o compósito podem ser
classificados como matriz e reforço. A matriz tem como função manter os reforços
unidos, transmitindo-lhes a carga. Devido à grande variedade de matrizes e reforços
pode ser classificados como: compósitos reforçados por partículas, compósitos
reforçados por fibras e compósitos estruturais como apresentado na figura 1 [2].
5
Figura 1 – Esquema de classificação para materiais compósitos [2]
A relação fibra e resina variam, sobre tudo, devido ao processo utilizado no
processamento dos materiais. Em geral, as propriedades mecânicas das fibras são muito
superiores às das resinas, e dependendo da fração destas, obtêm-se um compósito com
maiores ou menores propriedades mecânicas, como se poderá concluir pela análise da
figura 2 [2].
Figura 2 – Relação da força de tração entre resina e compósito [2]
1.1 ESTRUTURA SANDUICHE
Em estruturas de engenharia, utilizam-se freqüentemente materiais compósitos
construídos por um material central, entre duas camadas exteriores mais finas
denominada estrutura sanduiche.
6
As estruturas sanduiche englobam uma grande proporção de materiais
compósitos na sua concepção. Historicamente estas foram às primeiras estruturas leves
de alto desempenho [3].
Pode-se considerar que a primeira construção a incorporar painéis sanduiche foi
o avião de Havilland Mosquito utilizado na 2ª Guerra Mundial. Este possuía uma
fuselagem em construção sanduiche, faces em contra placa (Plywood) e núcleo em
madeira de balsa [4].
Contudo, os painéis sanduiche foram usados no passado, mas de forma não tão
sucedida. Historiadores atribuem a Fairbairn (1849) o primeiro registro de construção
sanduiche [5].
Este tipo de estruturas é formado por três camadas, sendo duas delas as faces
separadas por uma camada intermediária em geral mais espessa denominada de núcleo.
As faces podem, em geral, ser tratadas como placas finas e são constituídas por
materiais de alta resistência tais como, aço, alumínio, compósitos laminados.
O núcleo é formado por materiais de pesos específicos baixos sendo, por vezes
formado por várias camadas.
A norma ASTM C 274-53 define uma construção sanduiche estrutural.
A construção sanduiche permite o projeto de painéis de acordo com as
especificações do projeto a que se destinam.
O núcleo pode ser otimizado quanto à rigidez tensional, isolamento sonoro ou
acústico, espessura, entre outros parâmetros, de forma a dar resposta a solicitações
particulares do projeto.
Os compósitos laminados que formam as faces exteriores também podem ser
otimizados quanto às suas características mecânicas, fazendo para isso variar o número
de camadas, orientações e tipo de material.
A colagem entre o núcleo e as faces é um aspecto importante de forma a evitar a
soltura.
A rigidez à flexão de uma viga é proporcional ao cubo da sua espessura, desta
forma o aumento da mesma com material mais leve origina uma maior rigidez, sem um
aumento significativo de peso [3].
Experiências têm comprovado que o uso de materiais compósitos reduz o peso
entre 10% a 50%, com igual desempenho, com uma redução de custo monetário de 10%
a 20%, comparando com peças concebidas em materiais metálicos convencionais [3].
7
Uma estrutura sanduiche é entendida como uma estrutura com faces de reduzida
espessura de material de alto desempenho e núcleo espesso.
A escolha dos materiais a serem utilizados numa construção sanduiche depende
das especificações do projeto final [3].
1.3 MATERIAIS DAS FACES
O grupo de materiais possíveis de selecionar é enorme podendo ser dividido em
dois grupos: materiais metálicos e não metálicos. No grupo dos metálicos existem
inúmeras ligas que podem ser utilizadas com as mais diversas propriedades mecânicas.
O grupo de materiais não metálicos é muito superior fazendo parte dele a
madeira, cimento, polímeros, materiais compósitos e cerâmicos.
Os materiais metálicos possuem como vantagens o baixo custo, elevado
desempenho em rigidez e resistência, bom acabamento, resistência ao impacto e
encontram-se muito bem documentados e estudados. A sua desvantagem na aplicação à
construção de estruturas sanduiche é a sua alta densidade e a dificuldade em obter
formas geométricas muito complexas. O fator corrosão é extremamente importante, pois
os materiais metálicos, salvo se tiverem algum tratamento, que normalmente não possui,
então, degradam-se com facilidade.
Do grupo dos materiais não metálicos, os materiais compósitos de matriz
polimérica reforçada com fibras são os mais utilizados na construção sanduiche.
Em um material compósito a matriz tem como função manter as fibras unidas,
transmitindo a estas as cargas aplicadas, as fibras têm como função suportar os
carregamentos transmitidos pela matriz. As fibras podem ser divididas em fibras longas,
curtas ou partículas. A matriz protege igualmente as fibras da abrasão e do impacto.
Existem vários tipos de materiais possíveis de adicionar a uma matriz para
formar um material compósito, sendo os mais comuns o vidro, Kevlar®, carbono, boro,
alumínio e fibras naturais. Estes podem apresentar-se sob diversas formas, desde tecidos
unidirecionais, bidirecionais ou multiaxiais. Os compósitos particulados e fibras curtas
possuem a vantagem de formarem um compósito homogêneo e com características
quasi-isotrópicas, contudo, comparadas com as fibras longas apresentam propriedades
mecânicas inferiores.
A matriz no material compósito tem que obedecer a certos requisitos,
propriedades mecânicas razoáveis, capacidade de adesão às fibras e alguma tenacidade.
8
As resinas mais usadas são o poliéster, viniléster e epoxídica, contudo existem outras
para aplicações mais específicas tais como as resinas fenólicas, policarbonatos, silicone
e poliuretana.
1.4 MATERIAIS DO NÚCLEO
A escolha do material deve satisfazer determinadas características como baixa
densidade, alta rigidez, resistência mecânica, isolamento térmico e acústico. Tal como
nos materiais compósitos também existem os mais variados tipos de materiais e
geometrias que são passíveis de utilização no núcleo de uma construção sanduiche.
Na Figura 3 apresenta-se um esquema dos vários tipos de núcleo em construções
sanduiche.
Nos últimos anos tem-se observado a uma evolução no tipo de materiais
aplicados no núcleo em detrimento dos materiais clássicos, tais como o cimento leve, a
cortiça, espumas entre outros. No caso do núcleo sólido é possível o uso de madeira tipo
balsa ou cedro comum na indústria naval, para a indústria aeronáutica o mais usado é o
favo de mel (Honey Comb) [10].
Figura 3 – Tipos de núcleo para construção painel sanduiche. [10]
9
1.5 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PAINEL SANDUICHE
Quando se pretende descrever as vantagens e desvantagens de uma estrutura
sanduiche, é necessário conhecer muito bem as especificações do projeto para que se
destine, podendo em determinadas situações ter suas vantagens transformadas em
desvantagens e vice-versa.
A variedade de materiais que se pode usar neste tipo de construção é um
exemplo bem ilustrador desta dificuldade.
A facilidade de modelação do material de acordo com as necessidades do projeto
permite obter peças reforçadas em locais específicos e possibilita a redução de custos.
Esta redução, pode ser obtida reduzindo o número de peças e sub-montagens, o custo
inicial e custos associados com manutenção e reparações. Uma estrutura sanduiche é
uma construção com elevada resistência e rigidez específica, tendo um bom
comportamento à flexão possuindo um baixo peso e no caso do núcleo ser formado por
espumas, fornece um elevado isolamento térmico e acústico. O núcleo em espuma pode
igualmente funcionar como um elemento absorvente de energia.
Os materiais compósitos, no geral, possuem um grave problema de reciclagem
no seu fim de vida e possíveis problemas de saúde que podem ser originados na
construção e que se fica a dever a agentes químicos liberados pelas resinas [11].
Embora seja amplamente aceite o uso de compósitos sanduiche, por vezes a
relutância dos projetistas e fabricantes habituados a materiais convencionais faz com
que estes não sejam mais utilizados.
Um problema complexo de quantificar as construções sanduiche é a dificuldade
de prever o modo de falha exato, uma vez que esta depende da geometria e
carregamento. Este problema torna-se mais complexo em componentes de alta
responsabilidade, onde a combinação de fadiga, danos por impacto e efeitos do meio
ambiente podem causar alguma falha catastrófica. A cada falha está associado uma
variedade de critérios de carregamento de rotura. A figura 4 ilustra os modos de falha
mais comuns [12].
Uma particularidade de extrema importância é a interface fibra-matriz. Para
garantir que os esforços sejam transmitidos, deve-se proporcionar uma forte adesão
entre as fibras e a matriz, pois na sua ausência o material fica sujeito a falhas [13].
10
Figura 4 – Modos de falha em construções sanduiche a) ruptura na face por tração/compressão; b) ruptura
do núcleo; c) delaminação da face; d) instabilidade nas face; e) instabilidade do núcleo; f) rugas nas faces;
g) local; h) vibração e ruído; i) descolagem; j) impacto [13].
De uma forma geral pode-se resumir as vantagens e desvantagens das
construções sanduiche, tais como vantagens; elevada resistência e rigidez específica,
baixo peso, isolamento térmico e acústico, facilidade na modelação, resistência à
corrosão, necessidade de poucas peças estruturais [11]. Desvantagens apresentam como,
baixa possibilidade de reciclagem, difícil controle de qualidade, perigo de construção
devido aos gases liberados durante a cura da resina, sensibilização de projetistas e
engenheiros.
Assim, mesmo na presença de tais dificuldades técnicas, o projeto de
construções sanduiche possui uma ótima combinação de desempenho, processo de
fabricação e custos [12].
1.6 APLICAÇÕES DE COMPÓSITOS NO COMPARTIMENTO DE CARGA
O painel sanduiche utilizado nesse trabalho é utilizado como revestimento da
estrutura dos compartimentos de carga na figura 5 e 6 mostra suas aplicações no
compartimento como divisórias, tetos, painéis laterais curvos, e painéis piso, seus
pontos de fixação são através de insertos passantes poliméricos instalados nos painéis
11
por pressão unidos em 2 partes, assim já com os insertos instalados e projetados nas
dimensões necessárias junto aos pontos de fixação da estrutura da aeronave podem ser
instalados por parafusos figura 7.
Figura 5 – Demonstração 3D dos painéis instalados no compartimento de carga
dianteiro
Figura 6 – Vista interna do compartimento e painéis instalados.
12
Figura 7 – Painel sanduiche instalado na estrutura do avião vista 3D Catia V5.
Na figura 8 mostra as características estrutural do painel sanduiche utilizado, seu
núcleo do tipo favo de mel mostrado na Figura 9 com espessura de 9,525 mm de fibra
de aramida construída através do papel Dupont Nomex®, e suas faces são de fibra de
vidro empilhadas em (0º/90º) o rolo do tecido da fibra de vidro é unidirecional
impregnado com resina epóxi totalizando 10,160 mm de espessura.
Figura 8- Painel sanduiche utilizado no compartimento de carga característica de fabricação. por João
Paulo Souza Oliveira
13
Figura 9 – Núcleo favo de mel do painel sanduiche. Data Sheet Nomex®
Ao longo do uso dos compartimentos, foi verificado que os painéis estavam
sofrendo severos danos, causando assim uma descaracterização do produto.
Para a melhoria das características do compósito utilizado como revestimento no
compartimento de carga é necessário melhorar a tenacidade a fratura deste compósito.
A escolha das folhas de Lexan® foi norteada devido a suas características, a
chapa de Lexan F6000 é um material leve, que é usado como um substituto para o
tradicional cloreto de polivinila (PVC) ou produtos de acrílico. Isso poderia diminuir o
peso de uma aeronave por cerca de 23% em relação a outros materiais, e por se tratar de
um material polimérico termoplástico possui tenacidade a fratura superior quando
comparada à tenacidade a fratura do compósito comumente aplicado no revestimento e
acredita-se que o Lexan® possua maior resistência ao impacto do que o referido
material aplicado.
O Lexan® é desenvolvido pela SABIC Innovates Plastics que é uma empresa do
grupo GE – General Electric no departamento de desenvolvimento da GE Plastics,
portanto trata-se de um material de fácil importação para o mercado nacional aprovado
pela norma FAA/FAR 25.853 Section 121.312 part 121.
O modelo de folha Lexan® da linha F6000 são de policarbonato, para os
materiais aeronáuticos as especificações regulamentadas pelo FAA e ANAC estipulam
as caracterícas básicas para se produzir algo, que incluem que o material seja antichamas, nula ou baixa
propagação de fumaça, baixa toxicidade, alta resistência
mecânica [14]. Em relação ao baixo peso os materiais são estipulados e estudados pelos
engenheiros de desenvolvimento do produto final, a idéia da redução de peso em uma
14
aeronave resulta em baixo consumo de combustível, menores vigas estruturas para
fixação de monumentos internos. O segundo passo foi encontrar um tipo de adesivo
para união das 2 partes Lexan® e painel sanduiche, para esse caso precisaríamos de um
adesivo que fosse homologado pelas normas aeronáuticas, secagem rápida e uma boa
trabalhabilidade, com isso foi decidido verificar o adesivo PR 1776 C-8 fabricado pela
empresa PPG Aerospace.
Foi informado pela empresa características importantes para um componente
aeronáutico sendo: excelente resistência a água, álcool, produtos a base de petróleo,
fluídos hidráulicos, teste de flamabilidade aprovado através da norma AMS 3281.
15
2. OBJETIVO
O objetivo desse trabalho é realizar melhorias nos painéis sanduiche instalados
nos compartimentos de carga dianteiro e traseiro das aeronaves ERJ 170 e ERJ 190,
fabricadas pela Embraer. Durante o uso dos compartimentos constatou-se que os
mesmos estavam sendo danificados pelo impacto das malas, resultando em delaminação
dos painéis; causando avarias nas malas dos passageiros e colocando em risco o
manuseio feito pelos funcionários das companhias aéreas.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a confecção dos corpos de prova utilizou-se painel sanduiche com faces de
fibra de vidro e seu núcleo do tipo favo de mel com espessura de 9,525 mm, suas faces
são compostas por de fibra de vidro empilhadas em (0º/90º) e o rolo do tecido da fibra
de vidro é unidirecional impregnado com resina epóxi totalizando 10,160 mm de
espessura total, fornecidos pela Empresa Aerocell fabricante de painéis sanduiche
subsidiaria da Empresa Zodiac Aerospace, França. Foi comprado um kit de Lexan®
contendo 10 folhas para estudo com dimensões de 4000 mm x 1500 mm x 1 mm ,
fornecida também pela Zodiac Aerospace, juntamente o adesivo PR 1776 C-8 3 galões
de 3,6 ml cada comprado direto da Empresa PPG Aerospace, Estados Unidos.
Nas avaliações feitas sobre o adesivo PR1776 C-8 foi necessário verificar as
características para aplicação sob o painel sanduiche, todas fornecidas pela fabricante e
aprovada pela norma de fabricação AMS 3281.
Para a preparação do corpo de prova foi cortado um painel e a folha de Lexan®
nos tamanhos de 300 mm x 300 mm, com um serra de arco da marca Scarrett depois foi
iniciado o processo de limpeza do Lexan® e do painel sanduiche estipulados pela
fabricante do adesivo, o primeiro passo foi limpar a superfície do painel sanduiche para
eliminação de sujeiras, graxas, pós de qualquer origem, depois de limpo com um pano
úmido por um solvente, foi feito o mesmo procedimento para a superfície que será
colada o Lexan®, ao todo foram produzidos 7 corpos do painel + Lexan ®, e 15 corpos
somente Lexan ® para aplicação dos ensaios de acordo com as normas.
A preparação do adesivo consiste em parte A e B, a parte A é a base e a parte B
o acelerador, a mistura consiste em 10 partes A para 1 B por peso de ambas, a balança
16
utilizada para a preparação foi a balança de precisão marca Kern modelo: EWB 2202M, em seguida, separado 1 recipiente de vidro para cada parte sob a balança e
apertado a tecla Tara para posteriormente ser pesado o adesivo e não contar o peso dos
recipientes de vidro, então foi pesado 100g de parte A e 10g de parte B, um outro
recipiente de vidro foi separado para a mistura das partes então adicionado as partes
pesadas, a composição foi misturada por um bastão de alumínio de 30 cm, até a mistura
completa, ficando com a cor cinza escuro. A composição final do adesivo foi aplicada
na superfície já preparada conforme descrito com uma espuma, sendo assim aplicada no
painel sanduiche e no Lexan® e logo as unindo. O tempo de cura é de 8 horas, porém
para a trabalhabilidade do produto é recomendado 120 horas em temperatura ambiente
em torno de 23 ºC, assim foi feito, todo o procedimento de preparação das amostras foi
executado na oficina de reparos da Empresa C&D Zodiac Aerospace instalado no prédio
F-60 da Embraer cede Faria Lima, São José dos Campos, SP, Brasil.
As amostras foram cortadas, em dimensões de aproximadamente 10 mm x 10
mm, medida na qual caberia na prensagem baquelite + amostra, que foram cortadas em
serra de arco mecânica, marca Starrett a 90º, em uma bancada presa por uma morsa
conforme Figura 10, disponível no laboratório de processamento de materiais metálicos
da Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo – UNIVAP.
Figura 10 – Corte da amostra manual com arco de serra.
Para a análise morfológica, foram realizadas microscopia óptica e microscopia
eletrônica de varredura (MEV).
A preparação metalográfica foi realizada no laboratório da FEAU – UNIVAP. E
as amostras foram cortadas utilizando cortadeira metalográfica Panambra Struers,
modelo Mesotom em disco Figura 11 e 12, e embutidas em embutidora à quente
Panambra Struers, modelo TempoPress 2, à temperatura de 150 ºC conforme figura 13.
17
Foram embutidas 2 amostras em baquelite, sendo uma para avaliação do corte
transversal do painel com Lexan® e outra da superfície sem Lexan®.
Figura 11 – Cortadeira metalográfica
Figura 12- Amostra sendo cortada
Figura 13 – Embutimento da amostra cortada
O lixamento foi realizado com as lixas de 200, 320, 400, 600, 1200 e 2000 mesh,
em politriz Panambra Struers, modelo DPU-10. No polimento foram utilizados
abrasivos com suspensão de alumina 1,0 µm, alumina 0,3 µm, pasta de diamante 1,0 µm
e diamante 0,25 µm, em politriz Panambra Struers, modelo DPU-10. A microscopia
óptica foi realizada em microscópio óptico Olympus, modelo BX51M, no laboratório de
metalografia da FEAU – UNIVAP.
Para a microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise por energia
dispesiva (EDS), as amostras foram metalizadas em metalizadora Emitech, modelo
K550X Figura 14 com uma camada superficial de ouro (Au), isto melhora o contraste
da amostra. O ensaio foi realizado em MEV, marca EVO, modelo MA 10, no Instituto
de Pesquisa e Desenvolvimento da UNIVAP mostrado na Figura 15.
18
Figura 14 - Metalizadora
Figura 15 – Microscopia Eletrônica de Varredura
O MEV é um equipamento capaz de produzir imagens de alta ampliação (até
300.000 x). As imagens fornecidas pelo MEV possuem um caráter virtual, pois o que é
visualizado no monitor do aparelho é a transcodificação da energia emitida pelos
elétrons, ao contrário da radiação de luz a qual estamos habitualmente acostumados.
O princípio de funcionamento do MEV consiste na emissão de feixes de elétrons
por um filamento capilar de tungstênio (eletrodo negativo), mediante a aplicação de
uma diferença de potencial que pode variar de 0,5 a 30 KV. Essa variação de voltagem
permite a variação da aceleração dos elétrons, e também provoca o aquecimento do
filamento. A parte positiva em relação ao filamento do microscópio (eletrodo positivo)
atrai fortemente os elétrons gerados, resultando numa aceleração em direção ao eletrodo
positivo. A correção do percurso dos feixes é realizada pelas lentes condensadoras que
alinham os feixes em direção à abertura da objetiva. A objetiva ajusta o foco dos feixes
de elétrons antes dos elétrons atingirem a amostra analisada [16].
O EDS (energy dispersive X-ray detector, EDX ou EDS) é um acessório
essencial no estudo de caracterização microscópica de materiais. Quando o feixe de
elétrons incide sobre um material, os elétrons mais externos dos átomos e os íons
constituintes são excitados, mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para sua
posição inicial, liberam a energia adquirida a qual é emitida em comprimento de onda
no espectro de raios X. Um detector instalado na câmara de vácuo do MEV mede a
energia associada a esse elétron. Como os elétrons de um determinado átomo possuem
energias distintas, é possível, no ponto de incidência do feixe, determinar quais os
elementos químicos estão presentes naquele local e assim identificar em instantes que
material está sendo observado. O diâmetro reduzido do feixe permite a determinação da
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composição mineral em amostras de tamanhos muito reduzidos (< 5 µm), permitindo
uma análise quase que pontual.
O uso em conjunto do EDS com o MEV é de grande importância na
caracterização de materiais. Enquanto o MEV proporciona nítidas imagens (ainda que
virtuais, pois o que se vê no monitor do computador é a transcodificação da energia
emitida pelas partículas, ao invés da radiação emitida pela luz, ao qual estamos
habitualmente acostumados), o EDS permite sua imediata identificação. Além da
identificação do material, o equipamento ainda permite o mapeamento da distribuição
de elementos químicos dos materiais, gerando mapas composicionais de elementos
desejados [16].
Um ponto na qual o Lexan® irá sofrer como revestimento nos painéis sanduiche
são riscos, então foi enviado às folhas de Lexan® a uma empresa terceirizada
especializada no método teste tribométrico, pois não foram encontrados laboratórios
disponíveis e equipamentos necessários para o teste de acordo com as normas
recomendadas ASTM D7027. Então no laboratório de desenvolvimento da Empresa
C&D Zodiac Aerospace, Califórnia, USA, simulou-se os riscos causados por malas e
bagagens. Na figura 16 mostra o desenho esquemático de como funciona um
tribômetro, para ponta da ferramenta a ser aplicada sob o material a ser testado, no caso
foi fixado no corpo um metal do tipo latão conforme é fabricado o zíper das bagagens.
Figura 16 – Desenho esquemático do procedimento do ensaio tribológico automatizado. [17]
Também foi requisitado ao laboratório de desenvolvimento, o teste IZOD. O
ensaio de impacto IZOD tem como objetivo medir a suscetibilidade relativa de um
corpo de prova padrão à solicitação ao impacto através de uma máquina de ensaio
pendular. Os resultados são expressos em termos de energia cinética consumida pelo
pêndulo durante a ruptura do corpo de prova. A energia requerida para quebrar o corpo
20
de prova é na realidade a soma das energias necessárias para deformá-lo, iniciar seu
processo de fratura e propagá-lo ao longo da seção transversal do corpo, neste
laboratório também foram executados os testes, resistência a tração, módulo de
elasticidade, resistência a flexão.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 MICROSCOPIA ÓPTICA
Observa-se nas imagens a camada mais externa do reforço fibroso, onde as
fibras têm uma única orientação. Conforme discutido anteriormente a camada externa
do compósito aplicado no revestimento do compartimento de carga das aeronaves, a
orientação das fibras são 0/90, deste modo, a imagem apresentada na figura 17 mostra
somente a camada mais externa, implicando que durante o processo de preparação
metalográfica não houve desbaste total desta camada.
Observa-se ainda que algumas fibras de vidro apresentam-se rompidas, devido
ao processo de lixamento e corte.
Não foi possível verificar a morfologia do Lexan®, por se tratar de um material
polimérico de policarbonato.
Figura 17 – Superfície sem Lexan®
Figura 18 – Superfície sem Lexan®
21
Foi observado as regiões do compósito sendo a região A) Lexan® colado sob o
painel sanduiche, região B) fibras de vidro orientadas a 0 ° e sua matriz polimérica de
resina epóxi, região C) fibras de vidro orientadas a 90 ° e matriz polimérica de resina
epóxi, região D) o final do núcleo favo de mel (Honey Comb).
Figura 20 – Transversal com Lexan
4.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
Foi feito as análises por MEV para comprovar se houve a impregnação total das
matrizes polimérica e as fibras de vidro, pois se houver alguma falha pode comprometer
suas propriedades mecânicas como, tensões sofridas pode haver ruptura da camada, na
figura 21 foi observado nas regiões a) fibras orientadas a 0°, b) massa de matriz
polimérica, c) fibras orientadas a 90°, d) fibras orientadas a 0° novamente totalmente
impregnadas, e) vista frontal de parte do núcleo favo de mel (honey comb), Observou-se
que a face superior está devidamente assentada sobre o núcleo.
22
Figura 21 - Transversal estruturas fibrosas
As regiões apresentadas na imagem referem-se a, A) adesivo B) Lexan®, na
região A foi verificado algumas impurezas devido ao corte no processo de preparação
da amostra, a intenção da verificação dessas regiões foi verificar se houve total adesão
entre as partes, então se pode comprovar positivamente sem afetar ou danificar a
superfície colada do Lexan®.
Figura 22 – Região de colagem, adesivo e folha Lexan®
23
4.3 ANÁLISE POR ENERGIA DISPERSIVA (EDS)
O resultado da composição do spectrum 1 apresentou sódio em grande
proporção, ouro, silício, cálcio e titânio. O ouro encontrado foi devido à metalização do
material. De acordo com a fabricante o adesivo é composto por acrilonitrila, dióxido de
manganês, talco e hidrocarbonos aromáticos, então entende-se que foi diagnosticado
contaminação da superfície da amostra durante o processo de preparação.
Figura 23 – Região de colagem, adesivo e folha Lexan® 10 µm
24
De acordo com a imagem e sua composição podemos verificar ouro e carbono,
porém o ouro (Au) foi desconsiderado, pois o mesmo foi utilizado para metalizar a
amostra, removendo Au da sua composição do spectrum 2, ficou 100% de Carbono, o
spectrum procede pois sua composição principal é policarbonato.
Figura 24 – Somente Lexan®
A seguir teremos os resultados fornecidos pelo Laboratório de desenvolvimento
da C&D Zodiacaerospace, Califórnia, USA; do teste executado na folha de Lexan®.
Teste
Resistência a Tração
62 MPa
Resultado
Módulo de Elasticidade
Resistência a flexão
2200 MPa
90 MPa
Teste de Impacto IZOD a 20 °C
Teste de Impacto IZOD a -20 °C
Teste de Risco F=18 Kg
Percurso = 300 mm
Temperatura: 23 °C
Profundidade até perfuração = 1 mm
640 J/m
100 J/m
Ciclo = 250.000 vezes
Norma
DIN 53455
DIN 53457
DIN 53452
ASTMD256
ASTMD256
ASTM D7027
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A Temperatura determinada para execução do ensaio tribológico, é a qual uma
aeronave com cabine pressurizada opera, sempre na temperatura ambiente que é pré
estabelicida a 23 °C.
Para ensaio tribológico a simulação foi feita de uma superfície a outra até
perfurar completamente o material testado.
Os testes citados acima foram requisitados para simular os esforços estruturais
da aeronave em vôo, já para o painel sanduiche não trabalhamos em cima de valores e
testes, pois o material já foi homologado para os modelos de aeronaves citados nesse
trabalho.
Com relação ao teste de flamabilidade do Lexan® o mesmo foi feito pela
fabricante conforme FAA/FAR 25.853 Section 121.312 part 121 of the FAR e aprovado
já citado na introdução.
Os dados dos resultados foram passados a Engenharia de Estruturas da Embraer
para verificação e analise, como os valores de trabalho de uma estrutura da aeronave é
restrito ao fabricante e a área competente da tecnologia, recebemos a informação que o
produto atende as necessidades de cargas e esforços, sendo assim aprovado para
execução da melhoria.
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5. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos no MEV comprovam a aderência da folha a superfície do
painel sanduiche que seria o dado principal no experimento, outro aspecto positivo para
a aprovação do material foi que o adesivo não afetou a face superior do compósito,
composto pelas fibras de vidro e a resina epóxi do painel e a parte da folha de Lexan®.
Os testes de flamabilidade executados pelas fabricantes e aprovada pelo órgão
homologador FAA - Federal Aviation Administration, Departamento de transporte dos
Estados Unidos da América, comprova que essa modificação pode ser instalada no
interior de uma aeronave.
No procedimento prático na Embraer, na sala de retrabalhos da C&D Zodiac,
para a tentativa de descolar a folha de Lexan® do painel sanduiche; sua aderência foi
tão eficaz que ao retirar a folha de Lexan® parte da face do painel sanduiche foi
removido junto com a folha de Lexan®.
Também pode ser concluído que através da aplicação da folha de Lexan® no
painel sanduiche obteve resultado satisfatório sob impacto e riscos durante a futura
operação das aeronaves, na qual o produto aplicado como revestimento protetor do
painel sanduiche resistiu às expectativas necessárias para a aprovação da melhoria.
A melhoria executada nas amostras e verificadas na microscopia óptica e na
microscopia eletrônica de varredura, foram implementadas nos painéis instalados nos
compartimentos de carga, o mesmo foi inspecionado e homologado pela Embraer e
ANAC (Agência Nacional de Aviação Civil) para ser aplicado nas aeronaves da
empresa Azul Linha Aéreas. Os retrabalhos iniciaram-se em dezembro de 2010, sendo
inspecionado periodicamente mês a mês; e hoje a primeira aeronave na qual a solução
foi implementada esta acima de 6 mil horas de vôo.
O relatório de inspeção foi elaborado por João Paulo Souza Oliveira e Luis
Manoel dos Santos Vieira, gerente de suporte ao cliente, ambos funcionários da empresa
C&D Zodiac Aeroespace.
Com a implantação da melhoria pode-se observar que não ocorreu danos
superficiais e nem descolagem entre o Lexan® e painel sanduiche.
Todos os direitos referente a essa melhoria estão reservados a empresa C&D
Zodiac Aeroespace, proprietária do projeto e responsável pela aplicação aeronáutica.
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Anisotropic Flat and Doubly Curved Sandwich Panels, PhD Thesis in Engineering
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ANAC – Agência Nacional de Aviação Civil, revisão 2007.
[15] Coordenação: Canevarolo Jr., Sebastião, vários autores, Técnicas de Caracterização
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