Utilização de diversos materiais no Boeing 787 Dreamliner. [1]

Os materiais compostos W são amplamente utilizados na indústria aeronáutica e permitiram que os engenheiros superassem os obstáculos encontrados ao usar os materiais individualmente. Os materiais constituintes retêm suas identidades nos compósitos e não se dissolvem ou 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 que a próxima geração de projetos de aeronaves econômicas e de alto desempenho se materialize. O uso de tais materiais reduzirá o consumo de combustível, melhorará a eficiência e reduzirá os custos operacionais diretos das aeronaves.

Os materiais compostos podem ser moldados em várias formas e, se desejado, as fibras podem ser enroladas firmemente para aumentar a resistência. Uma característica útil dos compósitos é que eles podem ser colocados em camadas, com as fibras em 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]

de composição básica

Exemplo de um material composto básico.

Em um compósito básico, um material atua como uma matriz de suporte, enquanto outro material se baseia nessa estrutura de base e reforça todo o material. A formação do material pode ser um processo caro e complexo. Em essência, uma matriz de material de 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 composto é resfriado. O compósito também pode ser produzido incorporando fibras de um material secundário na matriz de base.

Os compósitos têm boa resistência à tração e resistência 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, dando sua resistência à tração. A boa resistência à compressão pode ser atribuída às propriedades adesivas e de rigidez do sistema de matriz base. O papel da resina é manter as fibras como colunas retas e evitar que se deformem.

de aviação e compostos

Os materiais compostos são importantes para a indústria da aviação porque fornecem resistência estrutural comparável às ligas metálicas, mas com um 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 embutidas 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 compreendia cerca de dois por cento da estrutura. Cada geração de novas aeronaves construídas pela Boeing teve uma porcentagem maior de uso de material compósito; o mais alto sendo 50% de uso composto no 787 Dreamliner .

O Boeing 787 Dreamliner será a primeira aeronave comercial em que os principais elementos estruturais são feitos de materiais compósitos em vez de ligas de alumínio. [1] Haverá uma mudança de compósitos de fibra de vidro arcaicos para laminados de carbono mais avançados e compostos de sanduíche de carbono nesta aeronave. Problemas foram encontrados com a caixa da asa do Dreamliner, que foram atribuídos à rigidez insuficiente dos materiais compostos usados ​​para construir a peça. [1] Isso levou a atrasos nas datas iniciais de entrega da aeronave. Para resolver esses problemas, a Boeing está enrijecendo as caixas das asas adicionando novos suportes às caixas das asas já construídas, enquanto modifica as caixas das asas que ainda não foram construídas. [1]

Teste de materiais compostos

Tem sido difícil modelar com precisão o desempenho de uma peça composta por simulação de computador devido à natureza complexa do material. Os compósitos geralmente são colocados em camadas uns sobre os outros para aumentar a resistência, mas isso complica a fase de teste de pré-fabricação, pois as camadas são orientadas em direções diferentes, dificultando a previsão de como elas se comportarão quando testadas. [1]

Testes de estresse mecânico também podem ser realizados nas peças. Esses testes começam com modelos em 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 simular tensões que vão muito além das piores condições esperadas em voos reais.

Fatores de uso de material composto

A redução de peso é a maior vantagem do uso de materiais compósitos e é um dos fatores-chave nas decisões sobre sua seleção. Outras vantagens incluem sua alta resistência à corrosão e sua resistência a danos por fadiga. Esses fatores desempenham um papel na redução dos custos operacionais da aeronave a longo prazo, melhorando ainda mais sua eficiência. Os compósitos têm a vantagem de poderem ser formados em quase qualquer formato usando o processo de moldagem, mas isso agrava o já difícil problema de modelagem.

Uma grande desvantagem sobre o uso de compósitos é que eles são um material relativamente novo e, como tal, têm um alto custo. O alto custo também é atribuído ao processo de fabricação intensivo e muitas vezes complexo. Compósitos são difíceis de inspecionar em busca de falhas, enquanto alguns deles absorvem umidade.

Mesmo sendo mais pesado, o alumínio, ao contrário, é fácil de fabricar e consertar. Pode ser amassado ou perfurado e ainda se manter unido. Os compostos 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 de componentes de aeronaves feitos de materiais compósitos é reduzido em cerca de 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 iniciais da amostra para este estudo de caso foram obtidos de uma fonte externa. [5]

Dado:

  • Peso Vazio Operacional (OEW): 129.300kg
  • Peso máximo de combustível zero (MZFW): 178.000 kg
  • Peso máximo de decolagem (MTOW): 275.000 kg
  • máx. Alcance @ máx. Peso: 10.458 km

Outras quantidades podem ser calculadas a partir dos dados acima:

  • Peso Máximo da Carga = MZFW - OEW = 48.700kg
  • Peso máximo de combustível = MTOW - MZFW = 97.000 kg

Assim, podemos calcular ainda mais 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 para economia de combustível antecipada com uma redução de peso de 20%, que reduzirá apenas o valor OEW em 20%:

  • OEW(novo) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, o que equivale a uma economia de peso de 25.860 kg.

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=10,458kmxkm{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}

Resolver para X dá um novo intervalo de:

  • X = 11.535,18km

Isso dá um novo valor para consumo de combustível com peso reduzido = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km

Para colocar isso em perspectiva, em uma viagem de 10.000 km , haverá uma economia de combustível aproximada de 8.660 kg com uma redução de 20% no peso vazio.

de impacto ambiental

A reciclagem de peças de aeronaves desativadas é possível. [6]

Há uma mudança se desenvolvendo de forma mais proeminente em direção à Engenharia Verde . Nosso meio ambiente recebe maior consideração e atenção da sociedade atual. Isso também é verdade para a fabricação de materiais compósitos.

Como mencionado anteriormente, os compósitos têm um peso mais leve e valores de resistência semelhantes aos dos materiais mais pesados. Quando o compósito mais leve é ​​transportado ou usado 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 duram 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] Isso representa um problema significativo, pois a maioria dos compósitos acaba em um aterro sanitário quando o ciclo de vida de um compósito chega ao fim. [8] Há uma pesquisa significativa sendo realizada 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 revolucionará várias indústrias, incluindo a indústria da aviação.

Uma opção alternativa para ajudar nos 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 de primeira mão. [6]

Futuras materiais compostos

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 de até 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 Ceramic Matrix Composites (CMCs). O uso de CMCs em motores avançados também permitirá um aumento na temperatura na qual o motor pode ser operado, levando a um maior 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 o uso de materiais compósitos. A seda da aranha apresenta alta ductilidade, permitindo o alongamento de uma fibra de até 140% do 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 de fibra na produção de materiais compósitos dúcteis que retêm sua resistência mesmo em temperaturas anormais. Materiais compósitos dúcteis serão benéficos para uma aeronave em partes 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 composto permitirá que maiores tensões sejam aplicadas à peça ou 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]

Folhas de aço compostas híbridas

Outro material promissor pode ser o aço inoxidável construído com inspiração em compósitos e fibras nanotecnológicas e madeira compensada. As chapas de aço são feitas do mesmo material e são capazes de manusear e usinar exatamente da mesma forma que o aço convencional. Mas é um pouco mais leve para os mesmos pontos fortes. Isso é especialmente valioso para a fabricação de veículos. Patente pendente, a empresa sueca Lamera é um spinoff da pesquisa dentro da Volvo Industries.

Conclusão

Devido às suas maiores relações resistência/peso, os materiais compostos 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 abordar a questão da não biodegradabilidade dos compósitos atuais, esse material relativamente novo não será capaz de substituir completamente as ligas metálicas tradicionais.

Referências

  1. Salte para:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modelagem de Superfície para Materiais Compósitos - SIAG GD - Obtido em http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. A a Z de materiais - Composites: A Basic Introduction - Obtido em http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Salte para:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Recuperado em http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Salte para:4.0 4.1 O 787 Dreamliner da Boeing tem um problema composto /Boeing+787+Dreamliner+composto+problema
  5. Peeters, PM e outros. - Eficiência de combustível de aeronaves comerciais (pág. 16) - Recuperado em http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Salte para:6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Recuperado de http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. Um estudo do impacto ambiental dos compósitos - Recuperado em http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Salte para:8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Obtido em http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. A a Z de Materiais - Materiais Compósitos de Alto Desempenho Produzidos a partir de Plásticos Reforçados com Fibra Natural Biodegradável - Obtido em http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Recuperado em http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Salte para:11.0 11.1 Departamento de Química - Universidade de Bristol - Recuperado em http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - As aranhas produzem seda dourada - Recuperado em http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
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