Composites in the Aircraft Industry/pt

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Os materiais compósitos têm ^{sido amplamente utilizados} na indústria aeronáutica, permitindo que os engenheiros superem obstáculos encontrados ao usar os materiais individualmente. Os materiais constituintes mantêm suas identidades nos compósitos e não se dissolvem ou se fundem completamente uns nos outros. Juntos, os materiais criam um material "híbrido" com propriedades estruturais aprimoradas.

O desenvolvimento de materiais compósitos leves e resistentes a altas temperaturas permitirá a concretização da próxima geração de aeronaves de alto desempenho e econômicas. A utilização desses materiais reduzirá o consumo de combustível, aumentará a eficiência e diminuirá os custos operacionais diretos das aeronaves.

Os materiais compósitos 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 estratificados, com as fibras em cada camada dispostas em uma direção diferente. Isso permite que um engenheiro projete estruturas com propriedades únicas. Por exemplo, uma estrutura pode ser projetada para que se dobre em uma direção, mas não em outra. ^{[ 2 ]}

Em um compósito básico, um material atua como matriz de suporte, enquanto outro material se apoia nessa estrutura básica, reforçando todo o material. A formação do material pode ser um processo caro e complexo. Essencialmente, uma matriz de material base é colocada em um molde sob alta temperatura e pressão. Uma resina epóxi ou outra resina é então vertida sobre o material base, criando um material resistente quando o compósito esfria. O compósito também pode ser produzido pela incorporação de fibras de um segundo material na matriz base.

Os materiais compósitos apresentam boa resistência à tração e à compressão, o que os torna adequados para uso na fabricação de peças aeronáuticas. A resistência à tração do material provém de sua natureza fibrosa. Quando uma força de tração é aplicada, as fibras dentro do compósito se alinham na direção da força aplicada, conferindo-lhe resistência à tração. A boa resistência à compressão pode ser atribuída às propriedades adesivas e de rigidez do sistema de matriz base. Cabe à resina manter as fibras alinhadas como colunas retas e impedir que sofram flambagem.

Os materiais compósitos são importantes para a indústria da aviação porque proporcionam resistência estrutural comparável às ligas metálicas, mas com um peso mais leve. Isto leva a uma melhoria na eficiência de combustível e no desempenho de uma aeronave. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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 em barcos e automóveis. Sua primeira utilização em aeronaves foi no jato comercial Boeing 707 , também na década de 1950, onde representava cerca de dois por cento da estrutura. Cada geração de novas aeronaves construídas pela Boeing apresentou um aumento na porcentagem de uso de materiais compósitos, chegando ao máximo de 50% no 787 Dreamliner .

O Boeing 787 Dreamliner é uma das primeiras aeronaves comerciais em que os principais elementos estruturais são feitos de materiais compósitos em vez de ligas de alumínio. ^{[ 1 ]} Há uma mudança em relação aos arcaicos compósitos de fibra de vidro, passando a utilizar compósitos avançados de laminado de carbono e sanduíche de carbono nesta aeronave. Problemas foram encontrados com a caixa da asa do Dreamliner, que foram atribuídos à rigidez insuficiente dos materiais compósitos usados ​​para construir a peça. ^{[ 1 ]} Isso levou a atrasos nas datas de entrega iniciais da aeronave. Para resolver esses problemas, a Boeing reforçou as caixas das asas adicionando novos suportes às caixas de asas já construídas, enquanto modificava as caixas de asas que seriam usadas em aeronaves futuras. ^{[ 1 ]}

Tem sido difícil modelar com precisão o desempenho de uma peça feita de compósito por simulação computacional devido à natureza complexa do material. Os compósitos são frequentemente dispostos em camadas para aumentar a resistência, mas isso complica a fase de testes pré-fabricação, uma vez que as camadas são orientadas em direções diferentes, dificultando a previsão de como elas se comportarão quando testadas. ^{[ 1 ]}

Testes de resistência mecânica também podem ser realizados nas peças. Esses testes começam com modelos em pequena escala, passando 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.

A redução de peso é a maior vantagem do uso de materiais compósitos e um dos fatores-chave na decisão de sua seleção. Outras vantagens incluem a alta resistência à corrosão e à fadiga. Esses fatores contribuem para a redução dos custos operacionais da aeronave a longo prazo, melhorando ainda mais sua eficiência. Os compósitos têm a vantagem de poderem ser moldados em praticamente qualquer formato, mas isso agrava o já complexo problema de modelagem.

Uma das principais desvantagens do uso de compósitos é que se trata de um material relativamente novo e, como tal, possui um custo elevado. O alto custo também se deve ao processo de fabricação, que exige muita mão de obra e é frequentemente complexo. Os compósitos são difíceis de inspecionar em busca de defeitos, e alguns deles absorvem 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 íntegro. Os materiais compósitos não são assim; se forem danificados, exigem reparo imediato, o que é difícil e caro.

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, condições meteorológicas, entre outras. O peso dos componentes da aeronave feitos de materiais compósitos é reduzido em aproximadamente 20%, como no caso do 787 Dreamliner. ^{[ 4 ]}

A seguir, será apresentadoum exemplo de cálculo da economia total de combustível com uma redução de 20% no peso vazio 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 Operacional Vazio (OEW): 129.300 kg
• Peso máximo sem combustível (MZFW): 178.000 kg
• Peso máximo de decolagem (MTOW): 275.000 kg
• Autonomia máxima com peso máximo: 10.458 km

Outras grandezas podem ser calculadas a partir dos valores fornecidos acima:

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

Assim, podemos calcular o consumo de combustível em kg/km com base no peso máximo do combustível e na autonomia máxima: 97.000 kg / 10.458 km = 9,275 kg/km.

A seguir, apresentamos o cálculo da economia de combustível prevista com uma redução de peso de 20%, o que reduzirá o valor do OEW em apenas 20%:

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

Supondo que o peso da carga e do combustível permaneçam constantes:

• MZFW(novo) = MZFW - 25.680 kg = 152.320 kg
• MTOW (novo) = MTOW - 25.680 kg = 249.320 kg

A massa de combustível de 97.000 kg implica em uma redução do MTOW (peso máximo de decolagem), resultando em maior alcance, uma vez que o peso máximo e o alcance máximo são grandezas inversamente proporcionais.

Utilizando proporções simples para calcular o novo intervalo:

249,320kg275,000kg=10,458kmXkm

Resolvendo para X, obtemos um novo intervalo de:

• X = 11.535,18 km

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

Para se ter uma ideia, numa viagem de 10.000 km , haverá uma economia aproximada de combustível de 8.660 kg , com uma redução de 20% no peso vazio.

Observa-se uma tendência crescente em direção à Engenharia Verde . A sociedade atual preocupa-se cada vez mais com o meio ambiente, e isso também se aplica à fabricação de materiais compósitos.

Como mencionado anteriormente, os compósitos têm um peso mais leve e valores de resistência semelhantes aos de materiais mais pesados. Quando o compósito mais leve é ​​transportado ou utilizado em aplicações de transporte, a carga ambiental é menor em comparação com as alternativas mais pesadas. Os compósitos também são mais resistentes à corrosão do que os materiais à base de metal, o que significa que as peças terão uma vida útil mais longa. ^{[ 7 ]} Esses fatores combinados fazem dos compósitos bons materiais alternativos do ponto de vista ambiental.

Os materiais compósitos produzidos convencionalmente são feitos de fibras e resinas derivadas do petróleo e não são biodegradáveis ​​por natureza. ^{[ 8 ]} Isso representa um problema significativo, pois a maioria dos compósitos acaba em aterros sanitários quando seu ciclo de vida chega ao fim. ^{[ 8 ]} Há pesquisas significativas sendo conduzidas em compósitos biodegradáveis ​​feitos de fibras naturais. ^{[ 9 ]} A descoberta de materiais compósitos biodegradáveis ​​que possam ser facilmente fabricados em larga escala e que tenham propriedades semelhantes às dos compósitos convencionais revolucionará diversos setores, incluindo a indústria aeronáutica.

Uma opção alternativa para auxiliar os esforços ambientais seria a reciclagem de peças usadas de aeronaves desativadas. A 'desmontagem' de uma aeronave é um processo complexo e caro, mas pode economizar dinheiro para as empresas devido ao alto custo de aquisição de peças novas. ^{[ 6 ]}

Grandes esforços estão em andamento na Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA) para desenvolver materiais compósitos leves e resistentes a altas temperaturas para uso em peças de aeronaves. Temperaturas de até 1650 °C são previstas para as entradas de turbina de um motor conceitual, com base em cálculos preliminares. ^{[ 3 ]} Para que os materiais suportem 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 de operação do motor, 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.

A seda de aranha é outro material promissor para uso em materiais compósitos. A seda de aranha apresenta alta ductilidade, permitindo o estiramento de uma fibra em até 140% do seu comprimento normal. ^{[ 11 ]} A seda de 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 manterão sua resistência mesmo em temperaturas extremas. Materiais compósitos dúcteis serão benéficos para aeronaves em peças sujeitas a tensões variáveis, como a junção de uma asa com a fuselagem principal. O aumento da resistência, tenacidade e ductilidade de tal compósito permitirá a aplicação de tensões maiores na peça ou junção 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 de aranha em laboratório, mas a ressíntese perfeita ainda não foi alcançada. ^{[ 12 ]}

Outro material promissor pode ser o aço inoxidável, construído com inspiração em compósitos, nanofibras e madeira compensada. As chapas de aço são feitas do mesmo material e podem ser manuseadas e trabalhadas exatamente da mesma forma que o aço convencional, porém são alguns por cento mais leves, mantendo a mesma resistência. Isso é especialmente valioso para a fabricação de veículos. A Lamera, empresa sueca com patente pendente, é um spin-off de pesquisas da Volvo Industries.

Devido à sua maior relação resistência/peso, os materiais compósitos apresentam vantagem sobre os materiais metálicos convencionais; no entanto, atualmente, a fabricação de compósitos é dispendiosa. Até que sejam introduzidas técnicas para reduzir os custos iniciais de implementação e solucionar o problema da não biodegradabilidade dos compósitos atuais, esse material relativamente novo não será capaz de substituir completamente as ligas metálicas tradicionais.