UTILIZAÇÃO DE MATERIAL COMPOSTO EM EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS

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1 UTILIZAÇÃO DE MATERIAL COMPOSTO EM EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS Eder Ferreira Broca *, Glauber Dias Martins *, Vanessa Mitchell Ferrari ** Resumo O presente trabalho verificou a possibilidade de utilização de material composto em equipamentos industriais, como neste caso, na construção de plataformas, que auxiliam o operador, a atingir regiões a diferentes alturas na execução de atividades. Foram confrontados aspectos como resistência mecânica, custos e benefícios frente a estruturas tradicionalmente feitas em materiais metálicos, como aço e alumínio. A resistência mecânica de cada estrutura foi simulada e analisada por meio do auxilio do software gráfico CATIA V5, seguindo os requisitos normativos. As plataformas foram comparadas e discutidas quanto às suas vantagens e desvantagens, chegando à conclusão que itens como, ambiente de utilização e grau de exposição a agentes corrosivos, tem fundamental importância na escolha do material, bem como os custos envolvidos na fabricação de cada plataforma. Palavras-chave: Plataforma, material composto, fibra de vidro e teste de carga. Área do Conhecimento: Engenharia de Materiais Abstract This study concerns the possible use of composite materials in industrial equipment, as here, the construction of platforms, which help the operator to reach regions at different heights in the implementation of activities. Issues such as mechanical strength, costs and benefits compared to traditional structures made of metallic materials such as steel and aluminum will be faced. The mechanical strength of each structure was simulated and analyzed through the help of graphics software CATIA V5, following the regulatory requirements. The platforms were compared and discussed for their advantages and disadvantages, and the conclusion was that items such as operating environment and degree of exposure to corrosive agents are crucial to choosing the material, and the costs involved in the manufacture of every platform. Keywords: Platform, composite material, fiberglass and test force. * Estudantes da Instituição: Universidade do Vale do Paraíba UNIVAP ** Professor orientador 1

2 1. Introdução As plataformas são ferramentas que auxiliam na execução de trabalhos em lugares elevados ou de difícil acesso, onde não é possível a execução a partir do chão. Estas permitem ao usuário acessar o local de trabalho em segurança e oferecer uma condição de trabalho semelhante às realizadas no solo, dando a mesma agilidade e capacidade de movimentos, garantindo assim a perfeita execução da atividade. Geralmente estas estruturas devem ser leves e desobstruídas, possibilitar facilidade de manuseio, mas acima de tudo apresentar resistência suficiente às cargas de trabalho previstas, oferecendo assim maior segurança. Durante a fase de projeto de uma plataforma, alguns fatores essenciais devem ser levados em consideração tais como: geometria, dimensionamento da estrutura, material e também custo/beneficio. Normalmente estas estruturas são fabricadas em aço ou alumínio e sua geometria varia basicamente entre tubo retangular, quadrado ou circular. O perfil de aço tem origem do minério de ferro, e após o beneficiamento pode atingir variadas porcentagens de carbono e também serem adicionados elementos de liga, formando materiais com excelentes propriedades mecânicas. Na utilização como tubos estruturais, são obtidos através do processo de extrusão, que consiste basicamente em empurrar o material contra uma matriz com perfil desejado. Os resultados são perfis com elevados valores de resistência à tração, compressão, flexão e cisalhamento, além de possuirem boa soldabilidade e usinabilidade [CSN Companhia Siderúrgica Nacional]. O perfil de alumínio tem origem do minério da bauxita, e após o beneficiamento podem ser adicionados outros elementos químicos formando inúmeras ligas de alumínio com propriedades diversificadas. Na utilização como tubos estruturais, segue o mesmo processo de manufatura do aço, a extrusão. Os resultados são perfis com boa resistência à tração, compressão, flexão e possuem boa soldabilidade e usinabilidade e peso cerca de três vezes menores que o do aço, além de terem alta resistência à corrosão [CBA Companhia Brasileira de Alumínio]. 2

3 O prepreg de fibra de vidro é um material compósito produzido a partir da aglomeração de finíssimos filamentos flexíveis de vidro, misturados com algum tipo de resina que posteriormente recebe a aplicação de uma substância catalisadora de polimerização. Na utilização como tubos estruturais a idéia proposta para obtenção do perfil é da laminação manual do prepreg sobre um perfil quadrado de isopor (EPS) e deixá-lo curar a temperatura ambiente assim a resina do prepreg não necessita aguentar altas temperaturas. O composto apresenta boa resistência à tração, flexão e impacto e o peso é relativamente menor frente ao alumínio e principalmente ao aço, a também tem a vantagem de não sofrer oxidação [Daniel, I.M., Ishai]. O objetivo deste trabalho foi verificar a possibilidade de substituir os materiais tradicionais por uma estrutura em material composto. Os fatores levados em consideração foram: peso, relação custo - beneficio e solicitação mecânica. Foi feita uma simulação da solicitação mecânica utilizando um mesmo valor de carga e com auxilio do software gráfico CATIA V5, foram analisados os comportamentos de cada uma das estruturas e discutida a utilização quanto à expectativa em atender aos requisitos de segurança, custos e aplicação. Não foi discutido o projeto em si da plataforma, mas foi tomado como base para os cálculos uma plataforma simples comum aos três tipos de materiais. A plataforma utilizada neste trabalho foi baseada nas normas internas de ferramental MNF23061, Embraer. 2. Materiais e Métodos Os materiais selecionados para este trabalho e as suas propriedades são apresentados nas Tabela 1-3: Tabela 1 Aço ASTM A500 Grau A e suas propriedades MATERIAL COMPOSIÇÃO TENSÃO RUPTURA TENSÃO ESCOAMENTO MÓDULO ELASTICIDADE DENSIDADE Aço ASTM A500 GRAU A C 0,30% P 0,045% S 0,045% Cu 0,18% 31,0 kgf/mm 2 27,0 kgf/mm GPa 7860 kg/m 3 [CSN Companhia Siderúrgica Nacional] 3

4 Tabela 2 Alumínio AA 6061 T651 e suas propriedades MATERIAL COMPOSIÇÃO TENSÃO RUPTURA TENSÃO ESCOAMENTO MÓDULO ELASTICIDADE DENSIDADE Al AA 6061 T651 Al 95,8 a 98,6% Cr 0,04 a 0,35% Cu 0,15 a 0,40% Fe 0,70% Mg 0,80 a 1,20% Mn 0,15% Si 0,4 a 0,8% Ti 0,15% Zn 0,25% 31,0 kgf/mm 2 27,6 kgf/mm 2 68,9 GPa 2700 kg/m 3 [CBA Companhia Brasileira de Alumínio] Tabela 3 Prepreg fibra de vidro e suas propriedades MATERIAL Prepreg Fibra de vidro COMPOSIÇÃO 100% Vidro Resina Epoxy CARGA RUPTURA URDUME CARGA RUPTURA TRAMA RESISTÊNCIA TRAÇÃO MÓDULO ELASTICIDADE DENSIDADE 25 kgf/cm 25 kgf/cm 320 MPa 20 GPa 770 kg/m 3 [Owens Corning] Os perfis de seção quadrada de aço e alumínio são obtidos geralmente através de processos metalúrgicos denominados de extrusão. Com relação ao perfil em material composto, foi usado o método de laminação manual do prepreg para obter o tubo. O processo de laminação manual é bastante artesanal, e consiste em laminar o prepreg de fibra de vidro em volta de um isopor (Poliestireno Expandido - EPS) com forma quadrada. O isopor fica na parte interna do tubo e não há necessidade de retirá-lo posteriormente, pois sua densidade é relativamente baixa (em média 25 Kg/m 3 ) e tornase desprezível frente ao peso final. O processo consiste em laminar num total de 15 camadas do tecido de prepreg, sendo que cada camada possui espessura de 0,13mm, totalizando aproximadamente 1,9mm de parede de tubo, fechando assim o perfil quadrado (Figura 1). 4

5 Figura - 01 Representação do perfil em material composto Embora existam vários tamanhos e formas diferentes de plataforma, conforme a necessidade do trabalho, o estudo foi baseado numa plataforma de pequeno porte a fim de testar a proposta apresentada. A Figura 2 mostra a plataforma escolhida. Figura 02 Projeto da plataforma escolhida Para a modelagem e análise foi utilizado o programa de elementos finitos software gráfico CATIA V5 no módulo GENERATIVE STRUCTURAL ANALYSIS (DASSAULT SYSTEMS). Quanto à geometria da seção dos tubos da estrutura, as dimensões utilizadas foram: tubo quadrado 25 mm com espessura de parede de 1,9 mm conforme Figura 3. Figura 03 - Seção tubo utilizada no teste de carga 5

6 Foi elaborado o modelo estrutural por elementos finitos da estrutura para realização da análise [COOK, ROBERT D.]. O modelo de elementos finitos foi elaborado possuindo a seguinte composição: 3587 elementos, 3280 nós e massa de 25 kg (Alumínio), 73 kg (Aço) e 9 kg (Material Composto). Os elementos utilizados foram CBAR que é um elemento uniaxial representado por 2 nós. O elemento possui 6 graus de liberdade e foi utilizado para o modelamento das vigas e CQUAD4 que é um elemento isoparamétrico quadrilátero com acoplamento opcional entre rigidez de membrana e flexão, representado por 4 nós. Foi utilizado para o modelamento dos degraus e da plataforma. Por meio destas informações foi realizada a simulação, seguindo a norma NBR 14762:2001, através de análise estática e de flambagem da estrutura. A seguir alguns dados utilizados na simulação: - valor carga teste: 320 kg (nominal 160 kg); - números de pessoas consideradas: 2 (duas); - fator de segurança 2:1; - Módulo elástico, densidade, coeficiente de Poisson de cada material De acordo com a especificação da plataforma, uma carga de 320 kg (3200 N) será aplicada sobre a superfície horizontal da plataforma. O modelo de elementos finitos da estrutura foi analisado levando-se em conta como condição de contorno o engastamento, ou seja, considerando a fixação rígida da estrutura ao solo, conforme situação real de uso, onde a mesma é fixada na área através de parafusos. 3. Resultados As cargas atuantes na estrutura são de Flexão, Cisalhamento, Tração e Compressão. As figuras 4-9 mostram os valores máximos das tensões de cisalhamento atuantes considerando como material o aço, alumínio e material composto, ressaltando que a cor vermelha indica uma força positiva de maior intensidade e a cor lilás força negativa de maior intensidade, e os intervalos de cores intermediárias representam gradativamente a intensidade das forças conforme legenda de cada figura: 6

7 Figura 04 Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de barra (hastes) Material Aço Figura 05 Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de placa (superfície) Material Aço Figura 06 - Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de barra (hastes) Material Alumínio Figura 07 - Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de placa (superfície) Material Alumínio 7

8 Figura 08 - Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de barra (hastes) Material Composto Figura 09 - Tensões combinadas (Normais e Cisalhamento) Atuantes nos Elementos de placa (superfície) Material Composto Analisando as resultados gerados pelo software através das Figuras 4-9, percebe-se que a carga de cisalhamento é a mais critica, isto devido aos pontos de ligação ou nós formados entre a união de tubos, onde se considera um ponto critico da estrutura e que poderia se romper por cisalhamento, portanto foi calculada uma margem de segurança para esta situação. Além do fator de segurança 2:1 estabelecido pela norma interna de ferramental MNF23061 Embraer, foi considerado para todos os materiais mais um fator de 20%, a seguir o calculo mostra para cada material a margem de segurança final levando em consideração a carga máxima gerada na análise e a carga máxima de escoamento de cada material: - Aço ASTM A500 GRAU A: Fator de Segurança aplicável: FSYIELD = 1.20 (20%) Max Top Stress: fmax= MPa Margem de Segurança: MS YIELD f MAX F ty FS YIELD 1 8

9 MS YIELD = 2.06 ~ 200% A carga de trabalho necessária para romper o material tem de ser 200% maior que a carga considerada para uso, ressaltando que esta já está com fator de segurança 2:1 (320 Kg) com carga nominal de trabalho 160 Kg. - Alumínio AA 6061 T651: Fator de Segurança aplicável: FSYIELD = 1.20 Max Top Stress: fmax= 106.9MPa Margem de Segurança: MS YIELD f MAX F ty FS YIELD 1 MS YIELD = 2.11 ~ 210% A carga de trabalho necessária para romper o material tem de ser 210% maior que a carga considerada para uso, ressaltando que esta já esta com fator de segurança 2:1 (320 kg) com carga nominal de trabalho 160 Kg. - Prepreg Fibra de vidro: Fator de Segurança aplicável: FSYIELD = 1.20 Max Top Stress: fmax= MPa Margem de Segurança: MS YIELD f MAX F ty FS YIELD 1 MS YIELD = 2.87 ~ 290% A carga de trabalho necessária para romper o material tem de ser 290% maior que a carga considerada para uso, ressaltando que esta já esta com fator de segurança 2:1 (320 kg) com carga nominal de trabalho 160 Kg. Para esse tipo de análise foi utilizado um 9

10 parâmetro que faz com que os resultados de tensão dos elementos com material compósito sejam computados como se eles fossem elementos de placa com material homogêneo equivalente. Por esse motivo foi calculado a falha por escoamento. Se for feita uma análise sem esse parâmetro, pode-se verificar se vai ocorrer falha, considerando as teorias de falha de compósitos, que são de máxima tensão, máxima deformação. Na análise de flambagem da plataforma, o auto valor obtido no modelo foi de para Aço, para o Al e para o material composto. Ou seja, não ocorrerá falha por flambagem, já que para ocorrer esse tipo de falha o auto valor deverá ter um valor entre 0 e 1 (Conforme NBR 14762:2001). As Figuras representam a simulação da flambagem no software, e as cores apenas diferenciam cada material, o aço, o alumínio e material compósito, não significando intensidades de forças. Figura 10 - Primeiro Modo de Flambagem do Ferramental Material Aço Figura 11 - Primeiro Modo de Flambagem do Ferramental Material Alumínio 10

11 Figura 12 - Primeiro Modo de Flambagem do Ferramental Material Composto Com relação a valores dos materiais utilizados, foi feito um levantamento dos custos da matéria-prima dos perfis, como mostra a Tabela 4: Tabela 4 Custo de cada material MATERIAL FORNECEDOR CUSTO PERFIL AÇO PERFIL ALUMÍNIO CSN Companhia Siderúrgica Nacional CBA Companhia Brasileira de Alumínio R$ 6,50/kg R$ 25,00/kg PREPREG FIBRA DE VIDRO Maxepoxi R$ 8,50m2 Levando em consideração a densidade de cada material já que as três plataformas têm o mesmo dimensionamento, foi realizado um comparativo dos pesos finais de cada estrutura como mostra a Figura

12 Figura 13 Peso (kg) de cada estrutura Considerando-se o peso da estrutura para o cálculo de matéria-prima do aço e do alumínio e para o material composto, a área total de tecido utilizado, foi feito um levantamento dos custos (Figura 14): (Os pesos e área foram obtidos depois do modelamento da plataforma no software CATIA V5 que possibilita esta medição). Figura 14 Custo (R$) das matérias-primas A partir do custo das matérias-primas buscamos por meio de empresas (Planifer e CSE Composites) que trabalham com cada segmento desses materiais respectivamente, o custo para fabricação (Figura 15) da mesma estrutura. 12

13 Figura 15 - Custo (R$) de fabricação Analisando de uma forma geral os dados das Figuras 13,14 e 15, podemos dizer que com relação ao peso, a estrutura de material composto apresenta melhor resultado, porém tanto o custo de matéria-prima como o custo de fabricação são mais altos. A plataforma de aço e alumínio são facilmente soldadas, já a de material composto além do processo de cura a temperatura ambiente, que acaba gerando um ciclo maior de fabricação, há o fato dos tubos terem de ser unidos por parafusos ou através de cola especifica o que acaba aumentando o custo. A plataforma de alumínio e de material composto apresentam um custo de matéria-prima mais alto em relação ao aço, porém ganha em peso e em um item de fabricação, pois não necessita de pintura devido à resistência à corrosão que o material possui, ao contrário do aço que sofre corrosão se exposto a ambientes desfavoráveis e necessita de pintura superficial. 4. Discussão Dos resultados obtidos, constatou-se que o projeto da Plataforma está qualificado para os padrões da norma, já que não apresenta margens de segurança negativas ou muito baixas e de também não apresenta nenhuma possível flambagem, já que a carga está muito abaixo da carga critica que o perfil suporta. De maneira geral, a estrutura de material composto apresentou um comportamento que se enquadra na norma interna de ferramental MNF Embraer, tornando o material apto à aplicação proposta. 13

14 Analisado todo o contexto, alguns fatores podem auxiliar na escolha do material da plataforma. Deve-se considerar primeiramente a condição em que a estrutura estará exposta, se há ou não a necessidade de ter resistência a corrosão. Quanto ao peso da plataforma, quanto menor for maior será o ganho em mobilidade, o que é um item positivo. Levando em consideração o custo de cada plataforma, a de material composto apresentou um custo maior com relação às de aço e alumínio, mas em contrapartida seu peso representou ser significativamente menor o que acaba gerando ganhos de ergonomia durante o manuseio pelo operador, e ressaltando ainda ser a melhor escolha quanto à resistência a exposição a ambientes corrosivos, pois, além de não precisar de pintura, o que normalmente é necessário nas estruturas de aço, também descarta o uso de tratamentos térmicos para proteção superficial, como o óxido negro nos aços, e seu acabamento é de excelente qualidade. 5. Conclusão Embora os materiais tradicionais apresentem elevada resistência mecânica, os materiais compostos apresentaram um excelente comportamento mecânico, isto devido a esta combinação de materiais que confere características exclusivas. Concluindo, o que acaba sendo item mandatório na escolha do material, é o local de uso levando em consideração a necessidade de proteção contra corrosão o que acaba prolongando a vida útil da ferramenta. Pode-se considerar também como vantagem, a manutenção desta plataforma, que pode ser feita se ocorrer à degradação por ação de intempéries. Por fim os custos envolvidos determinarão esta relação custo/beneficio é apontará a melhor escolha conforme a necessidade do cliente. 6. Agradecimentos Agradecemos a todos que colaboraram para realização do trabalho, as empresas do setor e também ao Sr. Paulo Kabayama. 14

15 7. Referências - Manual de normas de ferramental MNF Plataformas Embraer - ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 14762: COOK, ROBERT D., Finite Element Modeling for Stress Analysis, John Wiley & Sons, Inc., USA, DANIEL, I.M., ISHAI, O., Engineering Mechanics of Composite Materials, Oxford University Press, Inc., USA, Planifer Ferramentaria e Estamparia 10 de março de CSN Companhia Siderúrgica Nacional 9 de fevereiro de CBA Companhia Brasileira de Alumínio de fevereiro de Maxepoxi Indústria e Comércio Ltda de fevereiro de Owens Corning Soluções para Compósitos 20 de março de CSE Composites de março de Dassault Systems 28 de janeiro de