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

Os materiais compósitos W são amplamente utilizados na indústria aeronáutica e permitiram que os engenheiros superassem os obstáculos encontrados ao usar os materiais individualmente. Os materiais constituintes mantêm suas identidades nos compósitos e não se dissolvem ou se fundem completamente um no outro. Juntos, os materiais criam um material 'híbrido' que possui propriedades estruturais aprimoradas.

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.

Materiais compósitos podem ser formados 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 dispostos 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 para dobrar em uma direção, mas não em outra. [2]

Síntese de composições básicas

Exemplo de um material composto básico.

Em um compósito básico, um material atua como uma matriz de suporte, enquanto outro material se baseia nesse 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 de base é colocada 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 de 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, dando sua resistência à tração. A boa resistência à compressão pode ser atribuída às propriedades adesivas e de rigidez do sistema matriz base. É papel da resina manter as fibras como colunas retas e evitar que elas flambem.

de aviação e compostos

Os materiais compósitos são importantes para a indústria aeronáutica porque fornecem resistência estrutural comparável às ligas metálicas, mas com um peso menor. Isso leva a uma melhor eficiência de combustível e desempenho de uma aeronave. [3] [4]

O papel dos compostos 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 2% 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 compostos 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 de asa do Dreamliner, que foram atribuídos à rigidez insuficiente nos 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 endurecendo 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 maior 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 imitar 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 quanto à 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 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 sobre o 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 e muitas vezes complexo. Os compósitos são difíceis de inspecionar quanto a falhas, enquanto alguns absorvem umidade.

Mesmo sendo mais pesado, o alumínio, pelo contrário, é fácil de fabricar e reparar. Ele pode ser amassado ou perfurado e ainda se manter unido. Compósitos não são assim; se estiverem danificados, exigem reparo imediato, o que é difícil e caro.

Economia de combustível com

O consumo de combustível depende de várias 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 são reduzidos em aproximadamente 20%, como no caso do 787 Dreamliner. [4]

Um cálculo de amostra da economia total de combustível com uma redução de 20% do 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): 178.000kg
  • Peso Máximo de Decolagem (MTOW): 275.000 kg
  • Máx. Alcance @ Máx. Peso: 10.458 km

Outras quantidades podem ser calculadas a partir dos números acima:

  • Maximum Cargo Weight = MZFW - OEW = 48,700kg
  • Maximum Fuel Weight = MTOW - MZFW = 97,000kg

So, we can further calculate the fuel consumption in kg/km based on maximum fuel weight and maximum range = 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km

Following is the calculation for anticipated fuel savings with a 20% weight reduction, which will only reduce the OEW value by 20%:

  • OEW(new) = 129,300kg * 0.8 = 103,440kg, which equates to a 25,860kg weight saving.

Assuming that cargo and fuel weight remain constant:

  • MZFW(new) = MZFW - 25,680kg = 152,320kg
  • MTOW(new) = MTOW - 25,680kg = 249,320kg

The 97,000kg mass of fuel has a reduced MTOW to deal with, and thus will have increased range because maximum weight and maximum range are inversely proportional quantities.

Using simples ratios to calculate the new range:

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}}}

Solving for X gives a new range of:

  • X = 11,535.18km

This gives a new value for fuel consumption with reduced weight = 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km

To put this in perspective, over a 10,000km journey, there will be an approximate fuel saving of 8,660kg with a 20% reduction of empty weight.

Environmental impact

Recycling of parts from decommissioned aircrafts is possible.[6]

There is a shift developing more prominently towards Green Engineering. Our environment is given increased thought and attention by today's society. This is true for composite material manufacture as well.

As mentioned previously, composites have a lighter weight and similar strength values as heavier materials. When the lighter composite is transported, or is used in a transport application, there is a lower environmental load compared to the heavier alternatives. Composites are also more corrosion-resistant than metallic based materials, which means that parts will last longer.[7] These factors combine to make composites good alternate materials from an environmental perspective.

Conventionally produced composite materials are made from petroleum based fibres and resins, and are non-biodegradable by nature.[8] This presents a significant problem as most composites end up in a landfill once the life cycle of a composite comes to an end.[8] There is significant research being conducted in biodegradable composites which are made from natural fibres.[9] The discovery of biodegradable composite materials that can be easily manufactured on a large-scale and have properties similar to conventional composites will revolutionize several industries, including the aviation industry.

An alternative option to aid environmental efforts would be to recycle used parts from decommissioned aircraft. The 'unengineering' of an aircraft is a complex and expensive process, but may save companies money due to the high cost of purchasing first-hand parts.[6]

Future composite materials

Ceramic matrix composites

Major efforts are underway to develop light-weight, high-temperature composite materials at National Aeronautics and Space Administration (NASA) for use in aircraft parts. Temperatures as high as 1650°C are anticipated for the turbine inlets of a conceptual engine based on preliminary calculations.[3] In order for materials to withstand such temperatures, the use of Ceramic Matrix Composites (CMCs) is required. The use of CMCs in advanced engines will also allow an increase in the temperature at which the engine can be operated, leading to increased yield.[10] Although CMCs are promising structural materials, their applications are limited due to lack of suitable reinforcement materials, processing difficulties, lifetime and cost.

Spider silk fibres

Scientists have as of yet been unable to perfectly re-synthesize spider silk.

Spider silk is another promising material for composite material usage. Spider silk exhibits high ductility, allowing stretching of a fibre up to 140% of its normal length.[11] Spider silk also holds its strength at temperatures as low as -40°C.[11] These properties make spider silk ideal for use as a fibre material in the production of ductile composite materials that will retain their strength even at abnormal temperatures. Ductile composite materials will be beneficial to an aircraft in parts that will be subject to variable stresses, such as the joining of a wing with the main fuselage. The increased strength, toughness and ductility of such a composite will allow greater stresses to be applied to the part or joining before catastrophic failure occurs. Synthetic spider silk based composites will also have the advantage that their fibres will be biodegradable.

Many unsuccessful attempts have been made at reproducing spider silk in a laboratory, but perfect re-synthesis has not yet been achieved.[12]

Hybrid composite steel sheets

Another promising material can be stainless steel constructed with inspiration from composites and nanontech-fibres and plywood. The sheets of steel is made of same material and is able to handle and tool exactly the same way as conventional steel. But is some percent lighter for the same strengths. This is especially valuable for vehicle manufacturing. Patent pending, swedish company Lamera is a spinoff from research within Volvo Industries.

Conclusion

Due to their higher strength-to-weight ratios, composite materials have an advantage over conventional metallic materials; although, currently it is expensive to fabricate composites. Until techniques are introduced to reduce initial implementation costs and address the issue of non-biodegradability of current composites, this relatively new material will not be able to completely replace traditional metallic alloys.

References

  1. Jump up to: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Surface Modelling for Composite Materials - SIAG GD - Retrieved at http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. A to Z of Materials - Composites: A Basic Introduction - Retrieved at http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Jump up to: 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Retrieved at http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Jump up to: 4.0 4.1 Boeing's 787 Dreamliner Has a Composite Problem - Zimbio - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
  5. Peeters, P.M. et al. - Fuel efficiency of commercial aircraft (pg. 16) - Retrieved at http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Jump up to: 6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Retrieved from http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. A study of the environmental impact of composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Jump up to: 8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Retrieved at http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. A to Z of Materials - High Performance Composite Materials Produced from Biodegradable Natural Fibre Reinforced Plastics - Retrieved at http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Jump up to: 11.0 11.1 Department of Chemistry - University of Bristol - Retrieved at http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Retrieved at http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Page data
Part of MECH370
Keywords aircraft, materials, materials processing
Authors B.S.Kukreja, Johan Löfström
Published 2009
License CC-BY-SA-4.0
Affiliations Queen's University
Derivatives Composites dans l'industrie aeronáutica , Compósitos na indústria aeronáutica , Verbundwerkstoffe in der Flugzeugindustrie
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