Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

The excellent mechanical properties, combined with its low weight, makes composite materials to be currently at the top of the most interesting of our technological society. The growing use of these materials and the excellent results derived there from makes these materials to be used in complex structures of responsibility, so that its machining becomes necessary in order to enable the connection between parts. The drilling process is the most frequent. The composite machining process is based on conventional methods used in metallic materials. The process should, however, be conveniently adjusted, both in terms of parameters, either at the tool to be used. The characteristics of composite materials are very specific so that, when subjected to machining may introduce defects such as delamination, cracking intralaminar, fiber pullout or damage through overheating. To detect such damage sometimes visual inspection is not sufficient, being necessary to use specific processes damage analysis. There are already some studies, whose scope was to obtain quality holes in composite materials with minimized damage but they cannot be compared with the existing information with regard to the machining of metallic materials or alloys. Thus, there is still a long way to go, so that the degree of confidence in the use of these materials is close to metallic materials. The experimental work in this thesis was based primarily on drilling of laminated plates and subsequent analysis of the damage caused by this operation. Special attention was paid to the measurement of delamination caused by the drilling and the mechanical strength of the material after being machined. The materials used to develop this experimental work, were composite plates carbon/epoxy with two different fiber orientations: unidirectional and "cross-ply". We were unable to get much information from the supplier, about the material characteristics, so were carried out tests which allowed to determine their modulus of elasticity. Regarding its tensile strength, as already mentioned, the high resistance offered by the material limitations associated with the testing machine did not allowed to reach conclusive values. Were used three different tool geometries: twist, Brad and Step. The materials used in the tools were high-speed-steel (HSS) and tungsten carbide for twist drills and only the tip of tungsten carbide for drills and Brad Step. The diamond tools were not considered in this work, because, although they are recognized for their good machining characteristics of composites, their high cost does not justify the choice at least in an academic paper, as is the case. The advantages and disadvantages of each material or geometry were evaluated, both with regard to delamination an to the mechanical strength of the specimens tested. For the determination of the values of delamination was used the technique of Xray. Some existing knowledge on this process has set some parameters (for example: time of exposure to liquid contrast plates) which became accessible procedure for obtaining images of drilled plates. Importing these images to a drawing software (in this case - AutoCad), it was possible to measure the delaminated areas and reach values of delamination factor for each hole. After this process, all plates were subjected to bearing tests in order to evaluate how the machining parameters affected the mechanical strength of the material. In summarized form, the main goals of this work are: - To characterize the machining conditions in composite materials, more specifically in carbon fiber reinforced epoxy matrix (CFRP); - Characterization of the typical damage caused by the drilling of these materials; - Development of non-destructive analysis (RX) to evaluate the damages caused by drilling; - Know existing models based on linear elastic fracture mechanics (LEFM); - Defining optimal set machining parameter in order to minimize the damage resulting from drilling, taking into account the results from the tests of strength, nondestructive analysis and comparison with known existing models of damage.