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.

Comparative analysis of drills for composite laminates

The characteristics of carbon fiber-reinforced plastics allow a very broad range of uses. Drilling is often necessary to assemble different components, but this can lead to various forms of damage, such as delamination which is the most severe. However, a reduced thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, two variables of the drilling process were compared: tool material and geometry, as well as the effect of feed rate and cutting speed. The parameters that were analyzed include: thrust force, delamination extension and mechanical strength through open-hole tensile test, bearing test, and flexural test on drilled plates. The present work shows that a proper combination of all the factors involved in drilling operations, like tool material, tool geometry and cutting parameters, such as feed rate or cutting speed, can lead to the reduction of delamination damage and, consequently, to the enhancement of the mechanical properties of laminated parts in complex structures, evaluated by open-hole, bearing, or flexural tests.

Damage analysis of carbon/epoxy plates after drilling

Drilling of composites plates normally uses traditional techniques but damage risk is high. NDT use is important. Damage in a carbon/epoxy plate is evaluated by enhanced X-rays. Four different drills are used. The images are analysed using Computational Vision techniques. Surface roughness is compared. Results suggest strategies for delamination reduction.

Análise de estabilidade e fundações de equipamentos de sinalização vertical rodoviária

O presente projeto foi realizado no âmbito da unidade curricular Dissertação/Estágio/Projeto, e desenvolve um estudo sobre as estruturas porticadas de sinalização vertical em Autoestradas, ao nível da estrutura metálica e das fundações, com o objetivo de analisar três casos diferentes com características distintas. Dois dos casos em estudo são modelos comuns que se encontram facilmente nas autoestradas. O terceiro tem uma configuração diferente, mais gravoso que o habitual. Com estes três casos obtém-se um estudo completo e abrangente deste tipo de estrutura porticada. Ao longo do projeto é seguida a norma EC3 (Eurocódigo 3 – Projeto de estruturas de aço). Dimensionaram-se as estruturas utilizando secções tubulares, mas é também realizado o dimensionamento de uma solução estrutural alternativa recorrendo a perfis laminados I ou H. As estruturas foram modeladas com recurso ao software de cálculo Autodesk Robot Structural Analysis Professional, obtendo-se os esforços e deformações nos vários pontos da estrutura, que permitem realizar o dimensionamento manual das secções dos perfis estruturais, chumbadouros, chapas de fundação e fundações propriamente ditas. Na parte final do projeto apresenta-se uma apreciação global do mesmo, conclusões gerais sobre os resultados obtidos e possíveis desenvolvimentos futuros.

Estudo do reaproveitamento energético de ar quente numa Olaria

Como o sector cerâmico é um consumidor intensivo de energia, este trabalho teve como objectivo principal a elaboração de um plano de optimização do desempenho energético da olaria número três da Fábrica Cerâmica de Valadares. Para o efeito, efectuou-se o levantamento energético desta fracção autónoma. O valor total obtido para os ganhos térmicos foi de 8,7x107 kJ/dia, sendo 82% desta energia obtida na combustão do gás natural. Por outro lado, as perdas energéticas rondam os 8,2x107 kJ/dia, sendo o ar de exaustão e a envolvente os principais responsáveis, com um peso de 42 % e 38%, respectivamente. Tendo em conta estes valores, estudaram-se várias medidas de isolamento da cobertura, pavimento, paredes e saída de ar através de fendas do edifício. No caso do isolamento da cobertura sugeriu-se a substituição das telhas de fibrocimento e do isolamento actualmente existentes por painéis sandwich de cobertura. Esta acção permite uma poupança de 64.796€/ano, com um investimento de 57.029€ e o seu período de retorno de 0,9 anos. O Valor Actualizado Líquido (VAL) no 5º ano foi de 184.069€, com uma Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) de 92%. Para isolar o pavimento, sugeriu-se a utilização de placas de poliuretano expandido (PU) de 20mm de espessura. Assim, consegue-se uma poupança de 7.442 €/ano, com um investimento de 21.708€, e um tempo de retorno 2,9 anos. No final do 5º ano de vida útil do projecto, o VAL é de 4.070€ e a TIR 7%. Relativamente ao isolamento das paredes e pilares, sugeriu-se a utilização de placas de PU (30mm), recobertas com chapa de ferro galvanizado. O tempo de retorno do investimento é de 1,5 anos, uma vez que, o investimento é de 13.670€ e a poupança anual será de 9.183€. Esta solução apresenta no último ano um VAL de 12.835€ e uma TIR de 22%. No isolamento das fendas do edifício, sugeriu-se a redução de 20% da sua área livre. Esta medida de optimização implica um investimento de 8.000€, revelando-se suficientemente eficaz, pois apresenta um tempo de retorno de 0,67 anos. O VAL e a TIR da solução no último ano de vida útil do projecto de investimento são de 36.835€ e 35%, respectivamente. Por fim, sugeriu-se ainda a instalação de um sistema de controlo que visa o aproveitamento de ar quente proveniente do forno, instalado no piso inferior à olaria, para pré-aquecer o ar alimentado aos geradores de calor. Esta medida implicaria um investimento de 4.000€, com um tempo de retorno de 2,4 anos e uma poupança anual é de 1.686€. O investimento é aconselhável, já que, no 5º ano, o VAL é de 1.956€ e a TIR é de 17%.

Diagnóstico energético da indústria de placas de borracha e optimização do sector de pintura

Cada vez mais a indústria tem vindo a sofrer algumas mudanças no seu processo produtivo. Hoje, mais que nunca, é preciso garantir que as instalações produtivas sejam o mais eficiente possível, procurando a racionalização de energia com um decrescimento dos custos. Deste modo o objectivo desta dissertação é o diagnóstico energético da fábrica de placas de borracha e a optimização do sector da pintura na empresa Monteiro Ribas. A realização de um diagnóstico energético, para a detecção de desperdícios de energia tem sido amplamente utilizada. A optimização irá prospectar potenciais de mudanças e aplicação de tecnologias de eficiência energética. Pretende-se deste modo travar o consumo energético sem que seja afectada a produção, já que a empresa é considerada consumidora intensiva de energia. Na empresa Monteiro Ribas há consumo de gás natural, de vapor e de energia eléctrica, sendo o vapor a forma de energia mais consumida, seguida da energia eléctrica e por fim, do gás natural nas proporções de 55%, 41% e 4%, respectivamente. A optimização feita permitiu estudar a influência de algumas variáveis, nos consumos anuais da energia, e assim apresentar propostas de melhoria. Uma das propostas analisadas foi a possibilidade de efectuar um isolamento térmico a algumas válvulas. Este isolamento conduziria a uma poupança de 79.263,4 kWh/ano. Propôs-se também a implementação de balastros electrónicos, que conduziria a uma diminuição em energia eléctrica de 29.509,92 kWh/ano. Relativamente às máquinas utilizadas no sector da pintura, verificou-se ser a estufa IRK 6, um dos equipamentos de grande consumo energético. Então analisou-se a influência da velocidade de circulação das placas de borracha através desta máquina, bem como a alteração da respectiva potência, pela diminuição do número de cassetes incorporados nesta estufa.

Recuperação de calor dos efluentes da tinturaria

Foram utilizados como elemento principal de estudo, os efluentes líquidos dos processos industriais da ENDUTEX, Tinturaria e Acabamento de Malhas, S. A. localizada no município de Caldas de Vizela, distrito de Braga. O estudo foi realizado na empresa devido ao interesse da mesma em poder reaproveitar o calor libertado nos efluentes para aquecimento de parte da água captada no rio de Vizela. O objectivo do trabalho consiste no dimensionamento de um permutador de calor que permita satisfazer o interesse da empresa, assim como, um estudo económico relativo aos custos envolventes. Com o intuito de concretizar os objectivos propostos foram realizadas visitas semanais à empresa para se proceder ao levantamento de dados e para a realização de amostragens do efluente para posterior caracterização. Depois de efectuado o dimensionamento do permutador de placas para diferentes caudais e temperaturas dos fluidos, frio (água do rio) e quente (efluentes), concluiu-se que as condições mais rentáveis correspondiam a um caudal de fluido frio de 17 m3/h em que a temperatura de entrada e de saída no permutador seria de 14 ºC e 48 ºC, respectivamente. O caudal de fluido quente seria de 20 m3/h, sendo a temperatura de entrada e de saída no permutador de 62 ºC e 33,1 ºC, respectivamente. Como resultado do dimensionamento obteve-se um permutador de placas com 167 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 726,9 W/m2ºC, a área projectada de 55,7 m2 e a queda de pressão de 0,904 KPa. Foi consultada a empresa ARSOPI-THERMAL para verificação das características dos permutadores existentes no mercado. No entanto, para as mesmas condições foi sugerido um permutador com 31 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 6267 W/m2ºC, a área projectada de 7,39 m2 e a queda de pressão de 76 KPa. A diferença verificada nos resultados apresentados pode ter origem na utilização de diferentes expressões no cálculo do coeficiente pelicular de transferência de calor (h) e pelo facto da ARSOPI desprezar o factor de sujamento no seu dimensionamento Na análise económica do projecto é de referir que para o arranque do projecto foi feito o levantamento das necessidades de investimento, situando-se este num valor total de 9640€, sendo o investimento financiado apenas por capitais próprios. O prazo de recuperação do investimento (Pay Back Period) é de cerca de 2 meses.

From local to global importance measures of uncertainty propagation in composite structures

The influence of uncertainties of input parameters on output response of composite structures is investigated in this paper. In particular, the effects of deviations in mechanical properties, ply angles, ply thickness and on applied loads are studied. The uncertainty propagation and the importance measure of input parameters are analysed using three different approaches: a first-order local method, a Global Sensitivity Analysis (GSA) supported by a variance-based method and an extension of local variance to estimate the global variance over the domain of inputs. Sample results are shown for a shell composite laminated structure built with different composite systems including multi-materials. The importance measures of input parameters on structural response based on numerical results are established and discussed as a function of the anisotropy of composite materials. Needs for global variance methods are discussed by comparing the results obtained from different proposed methodologies. The objective of this paper is to contribute for the use of GSA techniques together with low expensive local importance measures.

Drilling delamination outcomes on glass and sisal reinforced plastics

Nowadays, fibre reinforced plastics are used in a wide variety of applications. Apart from the most known reinforcement fibres, like glass or carbon, natural fibres can be seen as an economical alternative. However, some mistrust is yet limiting the use of such materials, being one of the main reasons the inconsistency normally found in their mechanical properties. It should be noticed that these materials are more used for their low density than for their high stiffness. In this work, two different types of reinforced plates were compared: glass reinforced epoxy plate and sisal reinforced epoxy plate. For material characterization purposes, tensile and flexural tests were carried out. Main properties of both materials, like elastic modulus, tensile strength or flexural modulus, are presented and compared with reference values. Afterwards, plates were drilled under two different feed rates: low and high, with two diverse tools: twist and brad type drill, while cutting speed was kept constant. Thrust forces during drilling were monitored. Then, delamination area around the hole was assessed by using digital images that were processed using a computational platform previously developed. Finally, drilled plates were mechanically tested for bearing and open-hole resistance. Results were compared and correlated with the measured delamination. Conclusions contribute to the understanding of natural fibres reinforced plastics as a substitute to glass fibres reinforced plastics, helping on cost reductions without compromising reliability, as well as the consequence of delamination on mechanical resistance of this type of composites.

Tool effects on hybrid laminates drilling

Fiber reinforced plastics are increasing their importance as one of the most interesting groups of material on account of their low weight, high strength, and stiffness. To obtain good quality holes, it is important to identify the type of material, ply stacking sequence, and fiber orientation. In this article, the drilling of quasi-isotropic hybrid carbon +glass/epoxy plates is analyzed. Two commercial drills and a special step drill are compared considering the thrust force and delamination extension. Results suggest that the proposed step drill can be a suitable option in laminate drilling.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Analyzing objects in images for estimating the delamination influence on load carrying capacity of composite laminates

The use of fiber reinforced plastics has increased in the last decades due to their unique properties. Advantages of their use are related with low weight, high strength and stiffness. Drilling of composite plates can be carried out in conventional machinery with some adaptations. However, the presence of typical defects like delamination can affect mechanical properties of produced parts. In this paper delamination influence in bearing stress of drilled hybrid carbon+glass/epoxy quasi-isotropic plates is studied by using image processing and analysis techniques. Results from bearing test show that damage minimization is an important mean to improve mechanical properties of the joint area of the plate. The appropriateness of the image processing and analysis techniques used in the measurement of the damaged area is demonstrated.

The influence of the boundary conditions on low-velocity impact composite damage

The objective of this work was to study the influence of the boundary conditions on low-velocity impact behaviour of carbon-epoxy composite plates. Experimental work and numerical analysis were performed on [04,904]s laminates. The influence of different boundary conditions on the impacted plates was analysed considering rectangular and square plates. The X-radiography was used as a non-destructive technique to evaluate the internal damage caused by impact loading. A three-dimensional numerical analysis was also performed considering progressive damage modelling. The model includes three-dimensional solid elements and interface finite elements including a cohesive mixed-mode damage model, which allows simulating delamination between different oriented layers. It was verified that plate’s boundary conditions have influence on the delaminated area. Good agreement between experimental and numerical analysis for shape, orientation and size of the delamination was obtained.

Optimization of the Pultrusion process

Manufacturing processes need permanently to innovate and optimize because any can be susceptible to continuous improvement. Innovation and commitment to the development of these new solutions resulting from existing expertise and the continuing need to increase productivity, flexibility and ensuring the necessary quality of the manufactured products. To increase flexibility, it is necessary to significantly reduce set-up times and lead time in order to ensure the delivery of products ever faster. This objective can be achieved through a normalization of the pultrusion line elements. Implicitly, there is an increase of productivity by this way. This work is intended to optimize the pultrusion process of structural profiles. We consider all elements of the system from the storehouse of the fibers (rack) to the pultrusion die. Particular attention was devoted to (a) the guidance system of the fibers and webs, (b) the resin container where the fibers are impregnated, (c) standard plates positioning of the fibers towards the entrance to the spinneret and also (d) reviewed the whole process of assembling and fixing the die as well as its the heating system. With the implementation of these new systems was achieved a significant saving of time set-up and were clearly reduced the unit costs of production. Quality assurance was also increased.

Avaliação da eficiência energética e optimização de uma unidade de trigeração

Portugal é um país dependente da energia do exterior, devido à elevada percentagem de consumo de energia a partir de fontes primárias, como por exemplo o gasóleo. Para colmatar este cenário, têm vindo a criar-se incentivos para o uso de energias renováveis e para intensificação de medidas de eficiência energética, como os sistemas de cogeração, de forma a tornar os processos industriais nacionais mais autónomos e mais competitivos. O presente trabalho, centra-se na determinação do potencial térmico disponível na central de trigeração da empresa Monteiro, Ribas-Indústria, SA, com a finalidade de identificar a quantidade de energia não utilizada, com vista ao aproveitamento dessa mesma energia nos processos mais problemáticos da empresa. Verificou-se que a água líquida era a fonte de maior energia não aproveitada, representando cerca de 30%, relativamente à energia disponível na água de refrigeração que é de 1890 kW. Assim, perante este facto, fez-se um estudo em dois setores autónomos da empresa, o setor dos revestimentos e o setor dos componentes técnicos da borracha. Pretendeu-se propor medidas para melhorar os seus processos produtivos, aproveitando essa energia. Para o efeito foi projetado um permutador de calor de placas com necessidade energética de 131,4 MWh, no setor dos revestimentos e um permutador compacto no setor de produção de placas de borracha, necessitando de uma energia de 335,2 MWh. Face à energia disponível na central de trigeração, de 161,9 MWh, verifica-se que esta apenas poderá ser aproveitada no setor dos revestimentos. Para tornar este objetivo real, a empresa Monteiro, Ribas- Indústria, SA necessitaria de efetuar um investimento no total de 49.390€. Além disso, foi contabilizado o rendimento das caldeiras da central térmica e da cogeração, ambas pelo método direto, apresentando estas os valores de 72% e 42%, respectivamente.