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DESENVOLVIMENTO DE UM AUTOCLAVE PARA CURA DE ..., Notas de aula de Desenho

A partir da base teórica são desenvolvidos o dimensionamento dos componentes do autoclave, o desenho do sistema, simulação estrutural, os detalhes de construção ...

Tipologia: Notas de aula

2022

Compartilhado em 07/11/2022

Pipoqueiro
Pipoqueiro 🇧🇷

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Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Engenharia de Energia
DESENVOLVIMENTO DE UM AUTOCLAVE PARA
CURA DE MATERIAIS COMPÓSITOS
Autor: Raimundo Otávio Nogueira Dias
Orientador: Prof. Dr. Manuel Nascimento Dias Barcelos Júnior
Brasília, DF
2017
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Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Engenharia de Energia

DESENVOLVIMENTO DE UM AUTOCLAVE PARA

CURA DE MATERIAIS COMPÓSITOS

Autor: Raimundo Otávio Nogueira Dias

Orientador: Prof. Dr. Manuel Nascimento Dias Barcelos Júnior

Brasília, DF

i

Raimundo Otávio Nogueira Dias DESENVOLVIMENTO DE UM AUTOCLAVE PARA CURA DE MATERIAIS COMPÓSITOS Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA Orientador: Prof. Dr. Manuel Nascimento Dias Barcelos Júnior Brasília, DF 2017

Trabalho de conclusão de curso referente à

graduação em Engenharia de Energia da

Universidade de Brasília, como requisito

parcial para obtenção do Título de Bacharel

em Engenharia de Energia.

iii

“A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original” (Albert Einstein)

i

Agradecimentos

Na conclusão desse trabalho e dessa etapa eu gostaria de agradecer em especial

aos meus pais, Eduardo Dias e Cleide Maria que sempre lutaram como uma equipe para

que tudo corresse bem e os meus objetivos fossem cumpridos. Queria agradecer aos meus

irmãos Cleidson, Eduardo Junior e suas respectivas famílias pelo carinho familiar em

momentos de stress.

Queria deixar aqui também meus sinceros agradecimentos pelos meus amigos que

me ajudaram na correria do dia a dia, em especial Carols Ian, Thales Queiroz, Cloves de

Barros, Gabriela Volpato, Yuri Amorin e Yago Benázio, João Yamada e tamém meus

amigos que me ajudaram diretamente na realização do trabalho Mateus Sant'Ana, Renato

de Brito e Marcelo Lucas.

Para este trabalho e para minha vida profissional quero deixar meus sinceros

agradecimentos ao meu orientador Manuel Barcelos, que me orientou nas horas de

duvidas assim como ensinou o caminho das pedras a trilhar em rumo a ciência e ao

profissionalismo.

Por fim, agradeço a todos os professores, servidores e colegas que cruzaram meu

caminho, durante toda a minha jornada, e me ensinaram lições que eu levarei para à vida.

iii

Abstract

The use of composite materials as an alternative to conventional materials has led to major

technological advances in engineering. Composites composed of matrix and fiber can

result in materials with advanced properties combining the best of each element. For the

gains with these materials to be perceived in the different industries, an improvement of

the curing techniques of the composites is necessary to obtain the product as close as

possible to the desired one. For the curing of composite materials, there are several

available equipment on the market, the main one being the autoclave. Autoclaves are

large pressure vessels capable of providing the temperature and pressure control

necessary for the curing process. However, for university use, the development of a

smaller-scale autoclave at the educational level becomes necessary. Based on this, this

work proposes a conception and development of an autoclave for the study of curing of

composite materials by students and professors of the University. In the bibliographic

review are presented the curing processes and the types of composite materials, as well

as characteristics of the pressure vessels. From the theoretical base are developed the

design of the autoclave components, the sketch of the system, structural simulation, and

the details of construction of a model adapted to the university resources, operation and

maintenance of the equipment, as well as the results of a practical test of functioning of

the equipment in actual curing of a composite material.

Keywords: Autoclave, Cure, Composites

iv

Lista de Ilustrações

Figura 1: Comparação de propriedades mecânicas entre compósitos, aço e alumínio..... 6

Figura 2: Uso de materiais compósitos na estrutura de um Boeing 787. ......................... 8

Figura 3: Grumman X-29 ............................................................................................... 11

Figura 4: Folha de Prepreg em fita unidirecional UD e em tecido ................................. 12

Figura 5: Disposição de tridimensional de fibras em camadas do tipo NCF e NC2 ...... 12

Figura 6: Gráfico dos efeitos da temperatura e tempo de exposição na capacidade de

materiais de manterem suas propriedades ...................................................................... 14

Figura 7: Esquema representativo de um autoclave industrial. ...................................... 17

Figura 8: Tipos de vaso de pressão ................................................................................. 20

Figura 9: Ciclo de cura de uma resina epóxi .................................................................. 25

Figura 10: Croqui para chapas circulares aparafusadas em casco, flange ou chapas laterais

com juntas que abrangem toda a face de contato ........................................................... 34

Figura 11: Seção transversal com esquema de transferência de calor para o casco

cilíndrico com manta isolante ......................................................................................... 37

Figura 12: Autoclave montado e explodido ................................................................... 42

Figura 13: simulação da deformação do autoclave no Ansys (deformação na escala 91:1)

Figura 14: Simulação de stress mecânico do autoclave no Ansys ................................. 43

Figura 15: Componentes do sistema de pressurização ................................................... 44

Figura 16: Componentes do sistema de aquecimento .................................................... 45

Figura 17: Componentes do sistema de segurança e vedação. ....................................... 46

Figura 18: Panela de pressão industrial a ser adaptada .................................................. 47

Figura 19: Perfil do tampo toriesférico 6%D ................................................................. 50

Figura 20: Resistência elétrica na base da panela........................................................... 51

Figura 21: Simulação da deformação no Ansys (deformação na escala 28:1) ............... 55

Figura 22: Simulação de stress mecânico no Ansys ....................................................... 55

Figura 23: (a) Sistema on/off do termostato, (b) abertura e fechamento de contato de

acordo com a temperatura............................................................................................... 57

Figura 24: Estrutura de aquecimento com resistência fixada a panela pelas alças e

termopar para medição e controle da temperatura.......................................................... 57

vi

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Número mínimo de fios de rosca que devem ser utilizados para fixação de

conexões tubulares roscadas ........................................................................................... 35

Tabela 2 - valores do coeficiente de convecção h para situações de convecção natural em

edifícios .......................................................................................................................... 38

Tabela 3 - Valores da tensão de ruptura obtidos pelo teste de flexão ............................ 71

Tabela 4 - Valores da extensão de ruptura obtidos pelo teste de flexão ......................... 71

vii

Lista de Abreviaturas e Siglas CRFC Carbono Reforçado com Fibra de Carbono PET Politereftalato de etileno PVC Policloreto de vinila NCF Non-Crimp Fabric NC2® Non-Crimp 2nd generation BMI BisMaleimIda DCPD DiCicloPentaDieno TP Termofixos de Poliéster CAD Computer Aided Design FEA OpenType Feature Data ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASME American Society of Mechanical Engineers t Espessura requerida mínima de resistência de pressão |mm| es Espessura requerida mínima de resistência estrutural |mm| Di Diâmetro interno do casco cilíndrico |mm| CET Comprimento entre tangentes |mm| P Pressão |Pa| T Temperatura |ºC| S Tensão admissível do material |Pa| C Sobre espessura de corrosão |mm| E Coeficiente de eficiência de solda d Vão menor |mm| Npc Número de porcas Nf Número de fios de rosca Ff Força suportada por fio de rosca |N| T∞1 Temperatura no centro do autoclave |ºC| T1 Temperatura na superfície interna do autoclave |ºC| T2 Temperatura na superfície externa do autoclave |ºC| T3 Temperatura externa da manta de lã |ºC| r1 Distância na superfície interna do autoclave |m| r2 Distância na superfície externa do autoclave |m| r3 Distância externa da manta de lã |m| L Comprimento |m| T∞2 Temperatura ambiente |ºC| K Condutividade térmica |W/m.K|

ix

  • 1 INTRODUÇÃO Sumário
    • 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO
    • 1.2. MOTIVAÇÃO.......................................................................................................................................
    • 1.3. JUSTIFICATIVA
    • 1.4. OBJETIVO
      • 1.4.1. Objetivo principal
      • 1.4.2. Objetivos secundários
    • 1.5. METODOLOGIA
    • 1.6. CHAMADA
    1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
    • 2.1. ASPECTOS GERAIS DOS MATERIAIS COMPÓSITOS
    • 2.2. HISTÓRIA DOS COMPÓSITOS
      • 2.2.1. Evolução histórica
      • 2.2.2. Perspectivas futuras
    • 2.3. PROPRIEDADES DOS REFORÇOS
      • 2.3.1. Utilização das Fibras
      • 2.3.2. Tipos de Fibras
    • 2.4 PROPRIEDADES DA MATRIZ
      • 2.4.1 Resinas poliméricas
      • 2.4.2. Tipos de resinas
    • 2.5 MÉTODOS DE CURA E MOLDAGEM DE COMPÓSITOS
    • 2.6 EQUIPAMENTOS PARA CURA DE MATERIAIS COMPÓSITOS..................................................................
      • 2.6.1. Autoclave
      • 2.6.2. Cura sem autoclave
    • 2.7. TIPOS DE AUTOCLAVE
    • 2.8. NORMA PARA CONSTRUÇÃO DO VASO DE PRESSÃO
      • 2.8.1. História da normatização de vasos de pressão........................................................................
      • 2.8.2 Características de um vaso de pressão
      • 2.8.3 Norma brasileira para fabricação de vaso de pressão
    • 2.9. SIMULAÇÃO NUMÉRICA
    • 2.10. PROCESSO DE CURA DA RESINA EPÓXI
    • 2.11. INTERESSE EDUCACIONAL
    1. METODOLOGIA
    • 3.1. ESCOPO DO PROJETO
    • 3.2. REQUISITOS DO PROJETO
    • 3.3. PESQUISA DE MERCADO
    • 3.4. PROJETO CONCEITUAL
    • 3.5. PROJETO PRELIMINAR x
      • 3.5.1. Escolha do material
      • 3.5.2. Espessura de parede.........................................................................................................
      • 3.5.3. Isolamento do autoclave...................................................................................................
      • 3.5.4. Dimensionamento do sistema de aquecimento
      • 3.5.5. Desenho Preliminar do Sistema
      • 3.5.6. Simulação com análise estrutural no Ansys
    • 3.6. PROJETO DETALHADO
      • 3.6.1. Dimensionamento do sistema de pressurização
      • 3.6.2. Dimensionamento do sistema elétrico de aquecimento
      • 3.6.3. Segurança e Vedação
    • 3.7. AJUSTES NO PROJETO
      • 3.7.1. Análise estrutural da panela
      • 3.7.2. Sistema de aquecimento do autoclave
      • 3.7.3. Sistema de isolamento do autoclave
      • 3.7.4. Ajustes no projeto detalhado
      • 3.7.5. Análise estrutural no Ansys
    • 3.8. CONSTRUÇÃO DO AUTOCLAVE
      • 3.8.1. Sistema de aquecimento
      • 3.8.2. Sistema de pressurização
      • 3.8.3. Sistema de isolamento
      • 3.8.4. Base para suporte
    • 3.9. MANUAL DE UTILIZAÇÃO
    1. RESULTADOS E DISCUSSÕES
    • 4.1. TESTE DE VERIFICAÇÃO.............................................................................................................
    • 4.2. RESULTADOS QUALITATIVOS
    • 4.3. RESULTADOS QUANTITATIVOS
    • 4.4. UTILIZAÇÃO DO EQUIPAMENTO EM CAMPO
    1. CONCLUSÃO
    1. REFERÊNCIAS
  • APÊNDICE A – TABELAS DE PROPRIEDADES
  • APÊNDICE B – TABELAS INFORMATIVAS
  • APÊNDICE C – PESQUISA DE MERCADO
  • APÊNDICE D – RESULTADOS ENSAIO DE FLEXÃO

1.2. Motivação

As motivações técnico-científicas desse Trabalho de Conclusão de Curso são descritas

a seguir:

 Importância do processo de cura de materiais compósitos para fins de pesquisa e

desenvolvimento de componentes dentro do ambiente universitário

 Possibilidade de novos trabalhos e pesquisas na área de materiais utilizando

processos que exigem manutenção de temperatura e pressão

 Melhoria da infraestrutura universitária quanto aos equipamentos e máquinas com

tecnologia para auxiliar projetos de engenharia

1.3. Justificativa

Este trabalho integra-se num projeto do setor de engenharia de energia/aeroespacial da

Universidade de Brasília campus Gama com a finalidade de desenvolvimento de um autoclave

para utilização na Universidade como equipamento de laboratório para corpos de prova e para

uso das equipes de competição para confecção de peças com propriedades específicas que

necessitam de um tratamento de cura a pressão e temperatura controladas.

Na indústria o equipamento principal utilizado para realizar o processo de cura é o

autoclave. O autoclave é um vaso de pressão capaz de ser internamente aquecido e pressurizado

de forma independente. A pressão e o calor presentes no interior da máquina oferecem as

condições necessárias para reações de curas completas e assim, para a fabricação de camadas

de materiais compósitos [CAMPBELL, 2004].

Este método é frequentemente utilizado principalmente na indústria aeronáutica para a

cura de componentes com formas complexas, produzindo materiais laminados com elevado

controle de suas propriedades físicas [DAVIES et. al., 2007].

1.4. Objetivo

1.4.1. Objetivo principal

Dimensionar, desenhar e construir um protótipo de autoclave para a cura de materiais

compósitos demandados pela Universidade de Brasília;

1.4.2. Objetivos secundários

 Estudar a tecnologia dos materiais compósitos e seus processos de cura;

 Simular a uniformidade da transferência de calor em diferentes ambientes de pressão

dentro do autoclave.

 Demonstrar o funcionamento do autoclave desenvolvido por meio de testes de cura de

materiais compósitos;

 Estudar a influência da pressão e temperatura na cura de materiais compósitos

 Verificar a estabilidade do forno em manter temperatura e pressão constantes durante

longos períodos de tempo

 Estudo do vaso de pressão

1.5. Metodologia

O trabalho foi desenvolvido seguindo algumas etapas de projeto.

Primeiramente, na fase inicial desse trabalho é feito uma pesquisa de mercado para

averiguar quais autoclaves estão sendo utilizados no mercado e sua tecnologia atual.

No projeto conceitual é apresentada a metodologia de projeto, o escopo, levantamento

de requisitos, escolha dos materiais e testes e a idealização da forma do autoclave que será

desenvolvido para atender as necessidades encontradas na Universidade de Brasília campus

Gama no Distrito Federal.

Em seguida é feito um projeto preliminar onde foi identificado o escopo inicial do

projeto do autoclave e definido globalmente alguns detalhes técnicos e econômicos que

atendem aos requisitos demandados. São definidas nesse projeto também características

dimensionais do autoclave de acordo com as demandas técnicas do projeto como temperatura

na parede externa, suporte a pressão de trabalho, etc.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Aspectos gerais dos materiais compósitos

Alguns autores sugerem uma definição alternativa e mais completa de compósitos: misturas

de dois ou mais materiais sólidos que são mecanicamente separáveis, pelo menos em teoria e

possuindo propriedades complementares. Os termos "compósitos" ou "materiais compósitos"

são geralmente utilizados, se referindo a materiais sólidos compostos por uma pasta ou matriz

que envolve os materiais responsáveis pelos reforços. As matrizes de maior importância no

mercado são as poliméricas, metálicas e cerâmicas. Geralmente, para todos esses materiais de

matriz, os reforços considerados são fibras. As fibras de maior importância no mercado são as

fibras de carbono, fibras de grafite e fibras de vidro[STEPANSKI, SIGWALT, 2008].

As propriedades dos compósitos variam de acordo com os materiais que a compõe, mas em

relação a outros materiais tem características únicas para diferentes aplicações. A comparação

de algumas propriedades de materiais compósitos em relação ao alumínio e ao aço é apresentada

na figura 1. Esses gráficos podem não ter grande precisão, porque agrupam todos os compósitos

em um grupo, e todos os tipos de aço e alumínio em outros dois, mas os dados refletem

corretamente as tendências gerais.

Figura 1: Comparação de propriedades mecânicas entre compósitos, aço e alumínio.

Fonte: Adaptado de A.B. Strong (2008)

Fica evidente na figura o baixo peso, baixa expansão térmica, alta rigidez, alta força

específica e alta resistência à fadiga dos compósitos versus aço e alumínio. As características

separadas da matriz e dos reforços contribuem de forma sinérgica para as propriedades globais

do compósito. Além disso, porque podem ser escolhidos tantos materiais de matriz e reforço

diferentes, é possível uma ampla gama de propriedades, tornando este um material de grande

valor para a engenharia. Dentro de uma escolha particular de matriz e reforço, podemos obter

ainda, uma variedade adicional de propriedades do composto através das: orientações dos

reforços, método de fabricação, condições de processamento e combinações feitas com outros

materiais. [STRONG, 2008].

Os materiais convencionais devem sempre ser comparados aos materiais compósitos em

relação as demandas econômicas, estruturais e físicas do projeto. Para essa análise de acordo

com Strong (2008) algumas das principais vantagens dos materiais compósitos são:

 Leveza;