Furação de compósito com matriz de poliéster reforçado com fibras de vidro utilizado na indústria naval

O objetivo deste artigo – extraído da dissertação de mestrado de Jhonatan Acacio Silva – é mostrar a delaminação que ocorre nas bordas dos furos feitos com diferentes tipos de brocas e diferentes condições de corte, em um material laminado com resina poliéster ortoftálica e fibras de vidro tipo E, utilizando corpos de prova fabricados pelo processo de laminação manual.

Por: Jhonatan Acacio Silva, Orientador Lourival Boehs, Coorientador Guilherme Mariz de Oliveira Barra

“As brocas com 130º, 135º e 140º apresentaram resultados semelhantes, ou seja, quanto menor o avanço e menor a velocidade de corte, menor foi o Fda na entrada do furo”.

Introdução
Nos anos recentes, a indústria náutica tem crescido a taxas de 15% ao ano, mesmo no período pós-crise global, tendo gerado cerca de 30 mil empregos no Brasil no ano de 2012. No mercado de embarcações de luxo e grande porte (topo dessa pirâmide de consumo), em que os prazos e o custo de capital para se adaptarem ao crescimento da demanda são muito maiores, abriu-se as portas para um grande número de marcas internacionais, que passaram a perceber o Brasil como um mercado de alto potencial – principalmente diante da crise econômica que afeta os países centrais, com destaque para a comunidade do Euro (ACOBAR, 2012).

O uso de materiais compósitos em peças estruturais ao invés de ligas metálicas tem crescido rapidamente em diversos setores devido às suas boas propriedades como, por exemplo, relação resistência-peso, alta resistência à fratura e resistência à corrosão (TSAO et al., 2012). Na fabricação de materiais compósitos, após a peça ser retirada do molde ela já tem a forma e acabamento final desejado, no entanto muitas vezes torna-se necessário um processo de usinagem para ajuste e/ ou montagem do componente na estrutura da embarcação. A furação é o processo mais utilizado em materiais compósitos (WERTHEIM et al., 2012) para tais componentes. Entanto, o processo de furação em materiais compósitos geralmente acarreta uma série de defeitos como delaminação, falta de circularidade, rebarba na entrada e saída dos furos, tendo consequências sobre a qualidade do produto final e sobre os tempos e custos de usinagem. Isto torna necessário realizar estudos com objetivo de minimizar esses danos, buscando a otimização da geometria da ferramenta – broca e os parâmetros de corte, aspectos estes em pauta neste trabalho.

Para obter essas informações, foram realizados ensaios de furação em materiais compósitos com matriz poliéster e reforçados com fibra de vidro em matriz poliéster com sentido de orientação das fibras de [00/900] e [-450/+450]. Para tanto, utilizou-se um plano de laminação semelhante aos empregados na fabricação de embarcações de pequeno e médio portes, sendo essas placas laminadas manualmente com uma fração volumétrica de 40% de fibra de vidro no laminado. Visando ampliar as informações e o conhecimento sobre o assunto, realizaram-se ensaios de furação com diferentes tipos de brocas, isto é, com brocas que possuem diferentes geometrias, materiais e revestimento. Também foram empregados diferentes parâmetros de corte. Tal conjunto de variáveis visou determinar quais delas têm maior influência na fabricação de furos em Polímero Reforçado com Fibras de Vidro (PRFV) com menor nível de defeitos.

1.MATERIAIS, MÉTODOS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

1.1 Fabricação dos corpos de prova
Os corpos de prova (CP) foram preparados a partir de placas planas de Polímero Reforçado com Fibras de Vidro (PRFV). Para realizar a fabricação dessas placas, foram utilizados os mesmos materiais e métodos de laminação que são aplicados na fabricação de embarcações de lazer de médio porte. Dessa maneira, na fabricação dos corpos de prova, valeu-se da fibra de vidro tipo E, usando laminação manual conforme os autores Kishore et al (2009), Kilickap (2010), Karimi et al (2012) e Patil et al (2014). Nas placas, foram utilizadas três mantas de 450g/m² e três tecidos de 875 g/ m², com orientação nas fibras de [00/900], juntamente com uma matriz de resina poliéster ortoftálica misturada com 1% de iniciador, peróxido de metil-etil-cetona (MECK 50). Primeiramente, as placas foram fabricadas sobre um molde plano de vidro com dimensões de 1,0m x 1,85m com a finalidade de manter as mesmas condições do ambiente e o mesmo teor de fibra para todo o laminado. Após o processo de cura de 72 horas, em temperatura ambiente, as placas foram desmoldadas e usinadas em placas menores, medindo 232mm x 232mm (fig. 1), com tolerância de ± 2mm. A espessura da placa é de 6,0 ± 0,2mm. As referidas placas menores foram utilizadas nos ensaios de furação.

1.2 Ferramentas Utilizadas
Para realizar a furação, valeu-se de cinco brocas com diferentes geometrias, materiais e revestimentos, sendo: brocas em Aço Rápido (HSS) normalizado pela DIN 338 e Metal Duro (Carboneto de Tungstênio). As brocas de HSS são helicoidais convencionais e têm diferentes ângulos de ponta, isto é, com 1180, 1300 e 1350, afiação em cruz, com e sem revestimento. No caso das brocas de Metal Duro, uma é helicoidal, com ângulo de ponta de 1400, e a outra é uma broca especial para furação de materiais compósitos. Neste estudo, esta broca será denominada E-900 e as demais serão denominadas pelo seu ângulo de ponta. Todas as brocas helicoidais utilizadas têm diâmetro de 6,0 mm e a broca E-900 possui 6,35 mm. Detalhes das brocas na figura 2, a seguir (SILVA, 2015).

1.3 Ensaios de furação
As furações foram realizadas em um centro de usinagem CHARLES modelo MVC 955 equipado com comando numérico SIEMMES 840Di, potência de 7,5 kw e rotação do eixo da árvore de 8000 rpm. Para a fixação dos corpos de prova, foi utilizado um suporte especial em aço carbono – perfil “L” (fig. 3) para assegurar a rigidez na fixação das placas, evitar deformações e facilitar a troca dos corpos de prova. Foram realizados 40 furos por ensaio, sendo dois ensaios por corpo de prova.

Os parâmetros de usinagem foram estabelecidos com base em outras pesquisas (SILVA, 2015) e encontram-se na tabela 1.

Devido ao desgaste que as brocas sofrem durante a furação, determinou-se que as brocas novas seriam usadas para os parâmetros mínimo, médio e máximo desse experimento. Para os demais se respeitou a ordem apresentada na tabela 1. Cada ensaio consistiu na realização de 40 furos, contudo uma broca foi utilizada em três ensaios antes de ser trocada por uma nova broca.

1.4 Processamento e análise das imagens
Para analisar a qualidade na entrada e na saída, foram usados sete furos por ensaio, escolhidos aleatoriamente dentre os quarenta furos realizados por ensaio. Utilizou-se um microscópio estereoscópio marca OPTON modelo TNE – 02B com ampliação de 7x a 30x visando realizar a aquisição das imagens, que foram tratadas valendo-se do software de domínio público da National Institute of Health dos Estados Unidos, denominado ImageJ. As imagens passaram por ajustes de tonalidades, contraste e brilho, além da utilização de um filtro binário para melhor determinar a área danificada ao redor dos furos feitos com as brocas. Isto permitiu aplicar o método anteriormente referido, calcular a área delaminada e obter o diâmetro máximo da delaminação conforme as publicações de Davim et al (2007), Rubio et al (2007), Krishnaraj (2012) e Alvarez et al (2013).

1.5 Determinação da delaminação na entrada e saída dos furos
Para determinar o fator de delaminação, foi utilizado o método proposto por Davim et al (2007), que quantifica a delaminação dos furos considerando a influência da área danificada, pois, ao se levar em conta somente o diâmetro máximo danificado dos furos, sua caracterização não representa corretamente o dano na superfície. Assim, os referidos autores denominam tal método como fator de delaminação ajustado (Fda), em que (Ad) é a área danificada na delaminação, (Amax) é a área que corresponde a uma circunferência que utiliza o diâmetro máximo (Dmax) da região danificada para o cálculo e (A0) é a área que corresponde ao diâmetro da broca (D0) para cálculo, conforme as equações 1, 2 e 3 (ver fórmula 1).

1.6 Análise da qualidade dos furos
A figura 4a exibe os danos típicos que ocorreram na entrada dos furos, em que se observa uma pequena área danificada ao redor do furo decorrente da ação da broca ao longo do processo de penetração no material. Observa-se, também, uma superfície lisa mais distante da borda do furo que é devido ao contato com o molde durante a fabricação dos corpos de prova e, no fundo do furo (região de saída da broca), fibras do material PRFV que não foram cortadas pela broca, além de delaminação.

A figura 4c mostra os danos típicos que acontecem na região ao redor da saída do furo. A superfície irregular representa os fios de fibras que compõem o tecido, formando assim a trama e sua orientação; os fios de costura são os que unem as camadas do tecido combinado, dificultando a sua ruptura e fazendo com que eles não se separem antes de ser impregnados com a resina. Os fios que não sofreram total ruptura necessitam de um pós-processo, que na indústria naval normalmente esses são escareados ou lixados manualmente para eliminar as fibras rompidas. As figuras 4b e 4d mostram os mesmos furos das figuras 4a e 4c, respectivamente, todavia após a aplicação do tratamento das imagens com os filtros, melhorando assim a caracterização da área danificada e a obtenção do fator de delaminação.

Após obter os valores para a área delaminada (Ad), o diâmetro máximo (Dmax) e o diâmetro das brocas (D0) das imagens tratadas, foi possível calcular o fator de delaminação ajustado (Fda) proposto por Davim et al (2007) para os furos, tanto na entrada quanto na saída. A tabela 4 apresenta os resultados médios do Fda (entrada) com os desvios padrão (D.P.) para cada ensaio. As brocas com 1300, 1350 e 1400 apresentaram resultados semelhantes, ou seja, quanto menor o avanço e menor a velocidade de corte, menor foi o Fda na entrada do furo. Já para o mesmo avanço e aumento na velocidade de corte também ocorreu um pequeno aumento no Fda na entrada do furo. No entanto, se mantiver a velocidade de corte e aumentar o avanço, terá um aumento significativo nos resultados. Portanto, para as brocas 1300, 1350 e 1400, o avanço é o parâmetro que tem maior influência nos resultados, seguidos da geometria da ferramenta e da velocidade de corte. Se analisarmos os resultados para a broca com 1180, a variação do avanço não é um fator tão importante, pois, mantendo a mesma velocidade de corte e aumentando o avanço, pode-se obter o mesmo resultado. Por exemplo: ƒ= 0,08 e Vc= 28 proporcionaram os mesmos resultados que o ƒ= 0,15 e Vc= 28, logo, conseguindo aumentar o avanço sem perder qualidade, obtém-se uma diminuição no tempo de usinagem.

Pode ser visto, na figura 5, que o avanço é o principal responsável pelos resultados no Fda na entrada do furo. As brocas com 1180, 1300, 1350 e 1400 têm um comportamento semelhante, em que quanto maior o avanço, pior os resultados. Entretanto, a broca E-900 tem um comportamento oposto das demais ferramentas, na qual quanto maior o avanço, melhor os resultados em termos da delaminação na entrada dos furos – afirmações estas suportadas como a ANOVA, teste de Tukey e também pela análise visual dos resultados no gráfico.

A realização do teste de Tukey, com um nível de confiança 95%, teve como principal função analisar alguns resultados, avaliando quando eles convergem ou divergem entre si e, deste modo, podendo caracterizar melhor os parâmetros de usinagem que não comprometem a qualidade dos furos. Deste modo, a broca com 1350 e os parâmetros ƒ= 0,15mm/rot e Vc= 10m/min proporcionaram resultados iguais a ƒ= 0,08mm/rot e Vc= 10m/mim. Com base nessa afirmação é possível obter um aumento de produção sem comprometer a qualidade dos furos na entrada.

A tabela 5 exibe os resultados médios para o Fda (saída) com os seus desvios padrão. Observa-se uma variação significativa nos resultados, tornando mais difícil caracterizar uma correlação com os parâmetros de usinagem.

Os resultados de Fda na saída dos furos apresentam valores com uma variação expressiva, os quais as brocas com 1180, 1300, 1350 e 1400 proporcionaram os piores resultados sempre para os maiores avanços e/ou maiores velocidades de corte. Para tais brocas, o menor avanço e as menores velocidades de corte produziram os melhores resultados no âmbito do presente estudo.

A broca E-900 proporcionou resultados interessantes e positivos, em termos de qualidade do furo tanto na entrada, quanto na saída. O melhor resultado para Fda na entrada e na saída, para essa broca, ocorreu com ƒ= 0,15mm e Vc= 28m/min, que também foi o melhor resultado no contexto desta pesquisa.

A figura 6 permite constatar que, para as velocidades de corte de 10m/min e 28m/min, conforme aumenta o avanço, também aumenta o Fda (saída); mas para a broca E-900, com avanço de 0,15 ocorreu uma diminuição no Fda (saída). Já para a velocidade de corte 57m/min, as brocas helicoidais mostram resultados divergentes entre si e somente a broca E-900 mantém um comportamento constante para a referida velocidade de corte.

Com base nos resultados já apresen- tados, verifica-se que os danos nos furos obtidos com as brocas utilizadas na presente pesquisa são sempre maiores na saída do que na entrada dos furos. Entretanto, deve-se considerar o dano na entrada também, pois há situações nas quais dois furos podem ter o mesmo valor para Fda (saída), porém o valor para Fda (entrada) pode ser diferente. Como exemplo, neste estudo, pode-se destacar a broca com 1350, que, com os parâmetros ƒ= 0,30mm e Vc= 28m/min, proporcionou um Fda (saída) de 3,14 e com ƒ= 0,08 e Vc= 57 um Fda (saída) de 3,04 – sob o ponto de vista da análise estatística, tais resultados não são distintos. Ao se analisar os mesmos furos e só se considerar o Fda (entrada), obteve-se, respectivamente, 1,65 e 1,38, fato este que aponta uma diferença importante na qualidade dos furos produzidos.

Estudos feitos por outros pesqui- sadores (KILICKAP, 2010; KARIMI et al, 2012; KRISHNARAJ et al, 2012) mostram uma tendência semelhante nos resultados para as brocas helicoidais, isto é, quanto menor o avanço e menor a velocidade de corte, melhores os resul- tados obtidos tanto para Fda (entrada), quanto Fda (saída).

A análise de variância (ANOVA) é importante para identificar quais são as variáveis ou as interações entre elas que têm maior influência sobre os resultados obtidos. A tabela 6 mostra os melhores resultados tanto para Fda (entrada) quanto para Fda (saída) dos furos.

Nota-se que a broca E-900 proporcionou os melhores resultados para o Fda para todos os valores de avanços tanto na entrada, quanto na saída dos furos, destacando-se o resultado para o avanço de 0,15mm. As brocas com 1180 e 1300 proporcionaram bons resultados quando se utilizaram baixos avanços e baixas velocidades de corte. No entanto, todos os resultados da tabela 6, sob o ponto de vista da analise estatística, não apresentam diferenças significativas – isto é possível afirmar com base no teste de Tukey para um nível de confiança de 95%.

Com os resultados apresentados, é possível determinar as variáveis mais importantes que devem ser controladas e quais os parâmetros de corte devem ser usados para se obter bons resultados dentro do âmbito deste estudo. Isto representa uma importante contribuição para as aplicações práticas na indústria náutica tanto em relação à qualidade dos furos necessários nos materiais utilizados na construção das embarcações, quanto no tempo de execução de tais furos. Para a fabricação de embarcações com materiais compósitos, necessita-se de centenas de furos por embarcação; no entanto, se não tiver um volume de produção de embarcações muito elevado, possivelmente o uso da broca 1180 pode ser uma alternativa aplicável devido a seu baixo custo e resultados satisfatórios em termos de qualidade dos furos.

2. CONCLUSÃO
Após a análise dos resultados obtidos e das variáveis presentes no âmbito deste estudo, conclui se que:

• A geometria da broca, as condições de corte empregadas na furação, o efeito de torço da broca, a ação de compressão que a broca exerce sobre a placa-peça na entrada e na saída dos furos é uma força que pode ser considerada de tração, além de não existir um apoio da placa na proximidade do furo que a broca está realizando e pelo qual ela está saindo. Estes são fatores determinantes para a existência da delaminação, rebarbas ao redor dos furos e por fios que não sofreram total ruptura durante o processo de usinagem e da significativa diferença do fator de delaminação na entrada e na saída dos furos. Embora tenha sido possível procurar soluções para reduzir o fator de delaminação com esta pesquisa, ainda não foi possível encontrar uma solução para a eliminação das rebarbas devido à falta de ruptura das fibras de vidro na saída dos furos.

• Com ANOVA, pôde-se determinar as interações da broca, do avanço e da velocidade de corte, que têm influência sobre os resultados. Também, com o teste de Tukey, foi possível analisar a semelhança entre os resultados e facilitar a escolha dos melhores parâmetros para serem aplicados na furação de PRFV. • A variável que mais influencia na qualidade dos furos é o avanço, todavia as demais variáveis como geometria da ferramenta e velocidade de corte também têm influência sobre os resultados, porém com uma significância menor.

• Mesmo os danos na saída dos furos sendo sempre maiores que os danos na entrada, é importante analisar ambos os resultados.

• A broca E-900 proporcionou bons resultados em termos de menor delaminação, inclusive com os maiores parâmetros de corte utilizados nesta pesquisa, contudo seus melhores resultados foram obtidos com avanços de 0,15 mm/ rot. As brocas com 1180 e 1300 proporcionaram bons resultados em baixo avanço e baixa velocidade de corte, que podem ser considerados no mesmo nível dos resultados obtidos com a broca E-900.

• As brocas com 1180, 1300, 1350 e 1400 tendem a piorar seus resultados na medida em que se aumenta o avanço e a velocidade de corte. Tais brocas proporcionaram os melhores resultados para o Fda para o avanço de 0,08 mm e velocidade de corte de 10m/mim.

Entende-se que este conjunto de resultados propiciará importantes contribuições para a indústria náutica, seja na escolha das ferramentas de furação, seja na definição dos parâmetros de usinagem, isto com o propósito de obter furos com melhor qualidade e também na melhor relação custo/ benefício. Assim, os autores deste trabalho consideram que os objetivos inicialmente estabelecidos foram alcançados. M&F

Referências bilbiográficas

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