Utilização de diversos materiais no Boeing 787 Dreamliner. [1]Os materiais compósitos W são amplamente utilizados na indústria aeronáutica e têm permitido aos engenheiros superar obstáculos encontrados ao usar os materiais individualmente. Os materiais constituintes mantêm as suas identidades nos compósitos e não se dissolvem nem se fundem completamente uns nos outros. Juntos, os materiais criam um material “híbrido” que melhorou as propriedades estruturais.
O desenvolvimento de materiais compósitos leves e resistentes a altas temperaturas permitirá a materialização da próxima geração de projetos de aeronaves econômicas e de alto desempenho. O uso de tais materiais reduzirá o consumo de combustível, melhorará a eficiência e reduzirá os custos operacionais diretos das aeronaves.
Os materiais compósitos podem ser moldados em vários formatos e, se desejado, as fibras podem ser enroladas firmemente para aumentar a resistência. Uma característica útil dos compósitos é que eles podem ser dispostos em camadas, com as fibras de cada camada correndo em uma direção diferente. Isso permite que um engenheiro projete estruturas com propriedades únicas. Por exemplo, uma estrutura pode ser projetada de modo que se dobre em uma direção, mas não em outra. [2]
Conteúdo
Síntese de compósitos básicos
Exemplo de um material compósito básico.Num compósito básico, um material atua como matriz de suporte, enquanto outro material se baseia neste andaime de base e reforça todo o material. A formação do material pode ser um processo caro e complexo. Em essência, uma matriz de material base é disposta em um molde sob alta temperatura e pressão. Um epóxi ou resina é então derramado sobre o material de base, criando um material forte quando o material compósito é resfriado. O compósito também pode ser produzido incorporando fibras de um material secundário na matriz base.
Os compósitos apresentam boa resistência à tração e à compressão, tornando-os adequados para uso na fabricação de peças de aeronaves. A resistência à tração do material vem de sua natureza fibrosa. Quando uma força de tração é aplicada, as fibras dentro do compósito se alinham com a direção da força aplicada, proporcionando sua resistência à tração. A boa resistência à compressão pode ser atribuída às propriedades adesivas e de rigidez do sistema de matriz base. É papel da resina manter as fibras como colunas retas e evitar que elas deformem.
Aviação e compósitos
Os materiais compósitos são importantes para a indústria da aviação porque fornecem resistência estrutural comparável às ligas metálicas, mas com peso mais leve. Isso leva a uma melhor eficiência de combustível e desempenho de uma aeronave. [3] [4]
O papel dos compósitos na indústria da aviação
Utilização de diversos materiais no Boeing 787 Dreamliner. [1]A fibra de vidro é o material compósito mais comum e consiste em fibras de vidro incorporadas em uma matriz de resina. A fibra de vidro foi amplamente utilizada pela primeira vez na década de 1950 para barcos e automóveis. A fibra de vidro foi usada pela primeira vez no jato de passageiros Boeing 707 na década de 1950, onde representava cerca de 2% da estrutura. Cada geração de novas aeronaves construídas pela Boeing teve uma porcentagem maior de utilização de materiais compósitos; o maior sendo 50% de uso composto no 787 Dreamliner .
O Boeing 787 Dreamliner será a primeira aeronave comercial em que os principais elementos estruturais serão feitos de materiais compósitos em vez de ligas de alumínio. [1] Haverá uma mudança dos compósitos de fibra de vidro arcaicos para laminados de carbono mais avançados e compósitos sanduíche de carbono nesta aeronave. Problemas foram encontrados com a caixa da asa do Dreamliner, que foram atribuídos à rigidez insuficiente nos materiais compósitos usados para construir a peça. [1] Isto levou a atrasos nas datas iniciais de entrega da aeronave. Para resolver esses problemas, a Boeing está reforçando as caixas das asas adicionando novos suportes às caixas das asas já construídas, enquanto modifica as caixas das asas que ainda serão construídas. [1]
Teste de materiais compósitos
Descobriu-se que é difícil modelar com precisão o desempenho de uma peça composta por simulação computacional devido à natureza complexa do material. Os compósitos são frequentemente colocados em camadas uns sobre os outros para aumentar a resistência, mas isso complica a fase de testes pré-fabricação, pois as camadas são orientadas em direções diferentes, tornando difícil prever como elas se comportarão quando testadas. [1]
Testes de estresse mecânico também podem ser realizados nas peças. Estes testes começam com modelos de pequena escala, depois passam para partes progressivamente maiores da estrutura e, finalmente, para a estrutura completa. As peças estruturais são colocadas em máquinas hidráulicas que as dobram e torcem para imitar tensões que vão muito além das piores condições esperadas em voos reais.
Fatores de uso de material compósito
A redução de peso é a maior vantagem da utilização de materiais compósitos e é um dos fatores-chave na decisão de sua seleção. Outras vantagens incluem sua alta resistência à corrosão e resistência a danos por fadiga. Esses fatores desempenham um papel na redução dos custos operacionais da aeronave no longo prazo, melhorando ainda mais sua eficiência. Os compósitos têm a vantagem de poderem ser moldados em praticamente qualquer formato usando o processo de moldagem, mas isso agrava o já difícil problema de modelagem.
Uma grande desvantagem do uso de compósitos é que eles são um material relativamente novo e, como tal, têm um custo elevado. O alto custo também é atribuído ao processo de fabricação intensivo em mão-de-obra e muitas vezes complexo. Os compósitos são difíceis de inspecionar quanto a falhas, embora alguns deles absorvam umidade.
Embora seja mais pesado, o alumínio, por outro lado, é fácil de fabricar e reparar. Ele pode ser amassado ou perfurado e ainda assim permanecer unido. Os compósitos não são assim; se estiverem danificados, requerem reparo imediato, o que é difícil e caro.
Economia de combustível com peso reduzido
O consumo de combustível depende de diversas variáveis, incluindo: peso seco da aeronave, peso da carga útil, idade da aeronave, qualidade do combustível, velocidade do ar, clima, entre outras coisas. O peso dos componentes da aeronave feitos de materiais compósitos é reduzido em aproximadamente 20%, como no caso do 787 Dreamliner. [4]
Um exemplo de cálculo da economia total de combustível com uma redução de 20% no peso vazio será feito abaixo para uma aeronave Airbus A340-300.
Os valores amostrais iniciais para este estudo de caso foram obtidos de uma fonte externa. [5]
Dado:
- Peso operacional vazio (OEW): 129.300kg
- Peso Máximo Zero Combustível (MZFW): 178.000kg
- Peso Máximo de Decolagem (MTOW): 275.000kg
- Máx. Alcance @ Máx. Peso: 10.458 km
Outras quantidades podem ser calculadas a partir dos números fornecidos acima:
- Peso Máximo da Carga = MZFW - OEW = 48.700kg
- Peso Máximo do Combustível = MTOW - MZFW = 97.000kg
Assim, podemos calcular ainda o consumo de combustível em kg/km com base no peso máximo de combustível e autonomia máxima = 97.000kg/10.458km = 9,275kg/km
A seguir está o cálculo da economia de combustível prevista com uma redução de peso de 20%, o que reduzirá apenas o valor OEW em 20%:
- OEW(novo) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, o que equivale a uma economia de peso de 25.860kg.
Supondo que o peso da carga e do combustível permaneçam constantes:
- MZFW(novo) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
- MTOW(novo) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg
A massa de combustível de 97.000 kg tem um MTOW reduzido para lidar e, portanto, terá maior alcance porque o peso máximo e o alcance máximo são quantidades inversamente proporcionais.
Usando proporções simples para calcular o novo intervalo:
249,320kg275,000kg=10,458keuXkeu{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Resolver para X fornece uma nova gama de:
- X = 11.535,18 km
Isto dá um novo valor para o consumo de combustível com peso reduzido = 97.000kg/11.535,18km = 8.409kg/km
Para colocar isto em perspetiva, ao longo de uma viagem de 10.000 km , haverá uma poupança de combustível aproximada de 8.660 kg com uma redução de 20% do peso vazio.
Impacto ambiental
É possível reciclar peças de aeronaves desativadas. [6]Há uma mudança que se desenvolve de forma mais proeminente em direção à Engenharia Verde . Nosso meio ambiente recebe maior reflexão e atenção da sociedade atual. Isto também se aplica à fabricação de materiais compósitos.
Como mencionado anteriormente, os compósitos têm peso mais leve e valores de resistência semelhantes aos materiais mais pesados. Quando o compósito mais leve é transportado ou utilizado em uma aplicação de transporte, há uma carga ambiental menor em comparação com as alternativas mais pesadas. Os compósitos também são mais resistentes à corrosão do que os materiais de base metálica, o que significa que as peças durarão mais. [7] Esses fatores se combinam para tornar os compósitos bons materiais alternativos do ponto de vista ambiental.
Os materiais compósitos produzidos convencionalmente são feitos de fibras e resinas à base de petróleo e não são biodegradáveis por natureza. [8] Isto representa um problema significativo, pois a maioria dos compósitos acaba em aterros sanitários quando o ciclo de vida de um compósito chega ao fim. [8] Há pesquisas significativas sendo conduzidas em compósitos biodegradáveis feitos de fibras naturais. [9] A descoberta de materiais compósitos biodegradáveis que podem ser facilmente fabricados em larga escala e possuem propriedades semelhantes aos compósitos convencionais irá revolucionar diversas indústrias, incluindo a indústria da aviação.
Uma opção alternativa para ajudar os esforços ambientais seria reciclar peças usadas de aeronaves desativadas. A 'desengenharia' de uma aeronave é um processo complexo e caro, mas pode economizar dinheiro para as empresas devido ao alto custo de aquisição de peças em primeira mão. [6]
Futuros materiais compósitos
Compósitos de matriz cerâmica
Grandes esforços estão em andamento para desenvolver materiais compósitos leves e de alta temperatura na Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) para uso em peças de aeronaves. Temperaturas tão altas quanto 1650°C são previstas para as entradas da turbina de um motor conceitual com base em cálculos preliminares. [3] Para que os materiais resistam a tais temperaturas, é necessário o uso de Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs). O uso de CMCs em motores avançados também permitirá um aumento na temperatura na qual o motor pode operar, levando a um aumento no rendimento. [10] Embora os CMCs sejam materiais estruturais promissores, suas aplicações são limitadas devido à falta de materiais de reforço adequados, dificuldades de processamento, vida útil e custo.
Fibras de seda de aranha
Os cientistas ainda não conseguiram ressintetizar perfeitamente a seda da aranha.A seda de aranha é outro material promissor para uso de materiais compósitos. A seda de aranha apresenta alta ductilidade, permitindo o estiramento de uma fibra em até 140% de seu comprimento normal. [11] A seda da aranha também mantém sua resistência em temperaturas tão baixas quanto -40°C. [11] Essas propriedades tornam a seda de aranha ideal para uso como material fibroso na produção de materiais compósitos dúcteis que reterão sua resistência mesmo em temperaturas anormais. Os materiais compósitos dúcteis serão benéficos para uma aeronave em peças que estarão sujeitas a tensões variáveis, como a união de uma asa com a fuselagem principal. O aumento da resistência, tenacidade e ductilidade de tal compósito permitirá que maiores tensões sejam aplicadas à peça ou à união antes que ocorra uma falha catastrófica. Os compósitos sintéticos à base de seda de aranha também terão a vantagem de suas fibras serem biodegradáveis.
Muitas tentativas malsucedidas foram feitas para reproduzir a seda da aranha em laboratório, mas a ressíntese perfeita ainda não foi alcançada. [12]
Chapas de aço compostas híbridas
Outro material promissor pode ser o aço inoxidável construído com inspiração em compósitos, fibras nanotecnológicas e compensados. As chapas de aço são feitas do mesmo material e podem ser manuseadas e trabalhadas exatamente da mesma forma que o aço convencional. Mas é um pouco mais leve para as mesmas dosagens. Isto é especialmente valioso para a fabricação de veículos. Com patente pendente, a empresa sueca Lamera é um resultado da pesquisa da Volvo Industries.
Conclusão
Devido às suas maiores relações resistência-peso, os materiais compósitos têm uma vantagem sobre os materiais metálicos convencionais; embora atualmente seja caro fabricar compósitos. Até que sejam introduzidas técnicas para reduzir os custos iniciais de implementação e resolver a questão da não biodegradabilidade dos compósitos atuais, este material relativamente novo não será capaz de substituir completamente as ligas metálicas tradicionais.
Referências
- ↑Ir para:1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Modelagem de Superfícies para Materiais Compósitos - SIAG GD - Obtido em http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ^ A a Z de Materiais - Compósitos: Uma Introdução Básica - Obtido em http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Ir para:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Obtido em http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Ir para:4.0 4.1 O 787 Dreamliner da Boeing tem um problema composto - Zimbio - Obtido em http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+composto+problema
- ^ Peeters, PM e outros. - Eficiência de combustível de aeronaves comerciais (pág. 16) - Obtido em http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Ir para:6.0 6.1 National Geographic Channel - Feito pelo Homem: Avião - Obtido em http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Um estudo do impacto ambiental dos compósitos - obtido em http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Ir para:8.0 8.1 Textile Insight - Compósitos Têxteis Verdes - Obtido em http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ^ Materiais de A a Z - Materiais Compósitos de Alto Desempenho Produzidos a partir de Plásticos Reforçados com Fibra Natural Biodegradável - Obtidos em http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Obtido em http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Ir para:11.0 11.1 Departamento de Química - Universidade de Bristol - Obtido em http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ^ Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Obtido em http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
