Post on 26-Mar-2020
Introdução a Compósitos
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de
fabricação
Dr. Alfredo R. de Faria
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Classificação de Materiais Compósitos2.
Definições Básicas1.
Agenda
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Definições básicas
Material compósito é um material constituído de duas fases combinadas
numa escala macroscópica cujo desempenho e propriedades para
uma dada aplicação são superiores aos materiais constituintes agindo
independentemente.
As fases constituintes de um compósito são:
• reforço: geralmente descontínua, mais rígida e mais resistente
• matriz: contínua e geralmente menos rígida e resistente
Além da matriz e do reforço, a interface entre essas fases também afeta as propriedades mecânicas do compósito
Uma boa interface (resultado da compatibilidade química entre as fases) é essencial para a resistência e rigidez do compósito
reforço
matriz
compósito
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Definições básicas
Funções da matriz
� mantém o reforço agregado e distribui as cargas
� protege o reforço de dano químico e mecânico
� componente dominante nas propriedades de:
resistência ao impacto e tenacidade
temperatura de serviço
comportamento viscoelástico (creep)
propriedades transversais
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Definições básicas
Homogeneidade
� um material é homogêneo quando as suas propriedades não variam de
ponto a ponto no material ou não dependem da localização
� um material é heterogêneo quando as suas propriedades variam de ponto a
ponto no material ou dependem da localização
� o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou
volume característico
� um material pode ser considerado como homogêneo numa escala
macroscópica mas heterogêneo numa escala microscópica
� materiais compósitos se enquadram no caso acima
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Definições básicas
Homogeneidade
Material homogêneo numa
escala macroscópica
Material heterogêneo numa
escala microscópica
matrizfibra
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Definições básicas
Anisotropia
� muitas propriedades dos materiais, tais como rigidez, resistência, expansão
térmica e condutividade térmica estão associadas com uma direção ou com a
orientação dos eixos de referência
� um material é isotrópico quando as suas propriedades são as mesmas em
todas as direções ou independente da orientação dos eixos de referência
� o conceito de homogeneidade de um material está associado a uma escala ou
volume característico
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Classificação de materiais compósitos2.
Definições básicas1.
Agenda
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
� particulado
� fibra descontínua
� fibra contínua
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
� um compósito particulado consiste de partículas de várias formas e tamanhos
dispersas aleatoriamente na matriz
� os compósitos particulados podem ser considerados quase-homogêneos
numa escala bem maior do que o tamanho médio das partículas
� devido a aleatoriedade da distribuição das partículas os compósitos
particulados podem ser considerados quase-isotrópicos
� Exemplos de compósitos particulados:
concreto
partículas de alumínio em poliuretano
(usado em propelentes de foguetes)
partículas de carbeto de silício em alumínio
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
� um compósito com fibras descontínuas contém fibras curtas ou whiskers
como reforço; as fibras são longas em relação ao diâmetro
� a orientação das fibras pode ser aleatória ou unidirecional
� utilização em geral em aplicações de baixa solicitação mecânica
� devido a aleatoriedade da distribuição das fibras os compósito com fibras
descontínuas com orientação aleatória podem ser considerados quase-
isotrópicos
� o material pode ser encontrado na forma de mantas de fibras picadas
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
Compósito com fibras descontínuas
aleatória unidirecionalmanta de fibra de carbono
(fibras curtas dispostas
aleatoriamente)
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
� um compósito com fibras contínuas contém fibras longas e contínuas como
reforço
� a orientação das fibras pode ser unidirecional, bi-direcional ou multidirecional
� utilização em aplicações onde se requer alta rigidez e resistência
unidirecional bi-direcional multidirecional
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
As fibras contínuas são fornecidas em várias formas:
� roving (fio seco)
� lâmina unidirecional pré-impregnada (tape)
� tecido (pré-impregnado ou seco)
roving
tecido
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de reforço – arranjo geométrico
reforço particulado
b) orientação aleatória
a) unidirecional
reforço de fibras descontínuas
a) unidirecional
reforço de fibras contínuas
b) tecido (cross-ply)
c) multidirecional
quase-
isotrópico
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
� polimérica
� cerâmica
� metálica
� carbono
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
� Matriz polimérica termoplástica
� Matriz polimérica termorígida
� Aplicações: compósitos reforçados por fibra de vidro, kevlar ou carbono em
aplicações de temperaturas relativamente baixas
� Vantagens:
alta rigidez e resistência específica
fácil processamento
custo de fabricação relativamente baixo
flexibilidade na orientação das fibras
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
� Matriz polimérica termoplástica
PEEK (poli-éter-éter-cetona)
Polisulfona
PEI (poli-éter-imida)
� Características
alto custo
alta tenacidade e ductilidade
consolidação: transformação física
processamento difícil
temperatura de uso limitada pela temperatura de amolecimento ou fusão
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
� Matriz polimérica termorígida
epoxi
poli-imida
poliester
fenólica
� Características
cura: transformação química
uma vez curada não pode ser re-fundida
resistente, rígida e frágil
armazenamento com refrigeração
perecível (shelf life limitada)
processamento simples
temperatura de uso relativamente baixa
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz cerâmica reforçada por fibras de cerâmica
carbeto de silício
óxido de alumínio
nitreto de silício
� Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas muito elevadas
� Características
alta temperatura de uso
baixa densidade
alta rigidez e dureza
processamento complexo
isolamento elétrico
frágil – baixa tenacidade à fratura
baixa tolerância ao dano
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz metálica reforçada por fibra de boro, carbono ou cerâmica
alumínio
magnésio
titânio
� Aplicações que requerem uso contínuo sob temperaturas elevadas e
propriedades mecânicas elevadas
� Características
alta temperatura de uso
alta rigidez e resistência (3D)
alta condutividade térmica
dúctil – alta tenacidade à fratura
alta tolerância ao dano
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Classificação de materiais compósitos
Quanto ao tipo de matriz
Matriz de carbono reforçada por fibras de carbono
compósito carbono-carbono
� Aplicações que requerem alta resistência a temperaturas muito elevadas
(exemplos: tubeira de foguete, freios de aviões)
� Características
alta temperatura de uso
alta rigidez
baixa densidade
baixa expansão térmica
boa condutividade térmica e elétrica
processamento difícil
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Lâmina3.
Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Lâmina
Definição
� lâmina é uma camada de fibras unidirecionais ou tecidas embebidas em uma
matriz
� os eixos principais do material são:
1. direção longitudinal à fibra
2. direção transversal à fibra no plano da lâmina
3. direção perpendicular ao plano da lâmina
1
3 2
(longitudinal)
(transversal, no plano)(perpendicular
ao plano)
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Lâmina
Orientação
� o ângulo de laminação de uma lâmina é o ângulo que o eixo x do sistema de
coordenadas usado faz com a direção da fibra (ou longitudinal da lâmina)
� o eixo z do sistema de coordenadas deve ser sempre normal ao plano da
lâmina
� o ângulo de laminação depende do sistema de coordenadas escolhido
x
z y
12
3
θθ
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Lâmina
Orientação
� no caso de lâmina de tecido, há fibras em duas direções ortogonais: a direção
do urdume e a direção da trama
� nesse caso, o ângulo de laminação da lâmina é o ângulo que o eixo x do
sistema de coordenadas faz com a direção do urdume (ou trama, conforme
convencionado)
� quando se acrescenta 180o no ângulo de laminação, obtém-se a mesma
direção das fibras. Exemplo: θ1 = −90o e θ2 = 90o representam o mesmo ângulo
de laminação
� a orientação da lâmina depende do sistema de referência
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Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Laminado
Definição
� um laminado é constituído por duas ou mais lâminas empilhadas em
orientações arbitrárias
� um laminado pode ser constituído de lâminas de materiais diferentes; nesse
caso o laminado é chamado laminado híbrido
xy
z
o
o
o
o
90
45
45
0
+−
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Laminado
Notação
� um laminado é descrito pelas características de cada lâmina que o compõe
� os dados necessários de cada lâmina são:
material
espessura
ângulo de laminação
� se todas as camadas forem de mesma espessura e mesmo material, o
laminado pode ser descrito pelos ângulos de laminação ordenados do fundo do
laminado para o topo
� exemplo: [90 / +45 / −45 / 0]T� o sub-escrito “T” (de total) em geral é usado para indicar que todo o
laminado está sendo descrito
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Laminado
Notação
� um sub-escrito “S” pode ser usado para indicar que um laminado é simétrico;
nesse caso, apenas metade das camadas precisam ser indicadas
� exemplo:
[0/+45/−45]S = [0/+45/−45 /−45 /+45/0]T
[0/ ±45]S = [0/+45/−45 /−45 /+45/0]T
� uma sobre-barra pode ser usada para indicar a camada do meio de um
laminado simétrico com um número ímpar de camadas
� exemplo:
[0/90]S = [0/90/0]T
[±45/0]S = [+45/−45/0/−45 /+45]T
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Laminado
Notação
� quando camadas repetidas aparecem, um sub-escrito com o número de
repetições pode ser usado
� exemplo:
[02/+45/−45/02]S = [0/0/+45/−45 /0/0/0/0/−45 /+45/0/0]T[±30]2S = [+30/−30/+30/−30/−30/+30/−30/+30]T
� parênteses podem ser usados para agrupar um conjunto de camadas
� exemplo:
[0/(90/0)2]S = [0/90/0/90/0/0/90/0/90/0]T
[0/(±15)2/0]T = [0/±15/±15/0]T = [0/+15/−15/+15/−15/0]T
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Definições básicas1.
Agenda
Classificação de materiais compósitos2.
Lâmina3.
Laminado4.
Processos de Fabricação5.
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Processos baseados
em cura em autoclave
Processos baseados em
cura fora do autoclave
-Hand lay-up
-Automatic Tape Laying (ATL)
-Fiber Placement (FP)
-Resin Film Infusion (RFI)
-Filament Winding
-Resin Transfer Molding (RTM)
-Vacuum Assisted Transfer Molding
(VARTM/RTM Light)
-Resin Film Infusion (RFI)
-Filament Winding
Processos de Fabricação
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Processos de Fabricação
� Hand lay-up
� Automatic Tape Laying (ATL)
� Fiber Placement (FP)
� Resin Film Infusion (RFI)
� Filament Winding
� Resin Transfer Molding (RTM)
� Vaccum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)
� Pultrusão
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Fita UD / tecido Consumíveis
Processos de Fabricação
Hand lay-up: matéria prima
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1. Corte de camadas
2. Preparação do molde
3. Laminação
4. Saco de vácuo
5. Estrutura pronta para cura
6. Cura em autoclave
7. Estrutura curada
8. Desmoldagem
9. Inspeção
Processos de Fabricação
Hand lay-up: passos
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Processos de Fabricação
Hand lay-up: sequência de laminação
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Processos de Fabricação
Hand lay-up: tipos de molde
� Molde metálico: altos custos, maior durabilidade e capacidade térmica. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas primárias
� Molde compósito: baixos custos, durabilidade reduzida e baixa capacidade térmica, reciclável. Empregado na fabricação de peças aeronáuticas secundárias.
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Processos de Fabricação
Hand lay-up: ciclos de cura típicos
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Vantagens
- Baixa porosidade e poucos
vazios
- Bom controle da fração
volumétrica e fibra e resina
- Altas frações volumétricas de
resina
- Fabricação em formas
complexas
Desvantagens
- Altos custos do pre-preg;
- Desperdício de material
- Necessita de ambiente
altamente controlado – sala limpa
- Alto consumo energético
- Acabamento superficial em uma
superfície apenas
Processos de Fabricação
Hand lay-up: vantagens e desvantagens
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FPATL
Processos de Fabricação
Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)
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Processos de Fabricação
Vantagens
- Deposição de camadas na
orientação correta
- Reduz ciclo de custos
- Manufatura de partes planas ou
curvas
- Manufatura de grandes
estruturas (até 14 m) em apenas
uma etapa
- Processo automatizado
- Precisão, repetibilidade e
qualidade elevadas
Desvantagens
- Introdução de descontinuidades
no reforço durante o processo de
laminação
- Qualidade final de furos limitada
pela largura da fita depositada
- Altos custos associados com
cura em autoclave
Automatic Tape Laying (ATL) e Fiber Placement (FP)
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Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI)
Tecidos secos são depositados entremeados por camadas de filmes de resina semi-sólidos. O laminado é submetido a um saco de vácuo para remover o ar através do tecido seco e posteriormente aquecido para que a resina inicialmente derreta e depois flua por meio do tecido livre de ar e, finalmente, a cura ocorra após algum tempo.
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Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI): matéria prima
Resinas: geralmente apenas epóxi
Fibras: quaisquer
Núcleos: vários, embora espumas PVC necessitem de procedimentos especiais devido às altas temperaturas envolvidas no processo
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Vantagens
-Altas frações volumétricas de fibra
podem ser obtidas com poucos vazios
-Processo seguro e limpo, como pre-preg
-Boas propriedades mecânicas da resina
devido ao estado inicialmente sólido do
polímero e elevada temperatura de cura
-Custos potencialmente mais baixos do
que aqueles do pre-preg, com quase
todas as mesmas vantagens.
Desvantagens
-Não muito aceito fora da indústria
aeronáutica
-Forno e saco de vácuo são necessários
para cura do componente assim como no
caso dos pre-pregs
-Ferramental suficiente resistente para
suportar as temperaturas de
processamento do filme de resina (60-
100°C);
-Material do núcleo deve ser capaz de
suportar temperaturas e pressões do
processo
Processos de Fabricação
Resin Film Infusion (RFI)
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Processos de Fabricação
Filament Winding (enrolamento filamentar)
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Processos de Fabricação
Filament Winding: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, fenólicas
Fibras: vidro, carbono, aramida
Aplicações: estruturas axisimétricas como vasos de pressão, tanques de combustível e dutos
Parâmetros de processo: viscosidade da resina, tensão na fibra, velocidade, posicionamento das fibras
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Vantagens
- Processo de posicionamento de
fibras controlado
- Baixo conteúdo de vazios
- Permite a fabricação de partes
unidas em oneshot
- Permite fabricação de estruturas
de qualquer tamanho
- Processo com baixíssimo
desperdício de material
Desvantagens
- Limitado a geometrias
axisimétricas
- Não permite bom controle do
conteúdo de resina
- A qualidade do produto final
depende dos parâmetros de
processo (viscosidade da resina,
tensão nas fibras, velocidade,
posicionamento das fibras)
Processos de Fabricação
Filament Winding
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Processos de Fabricação
RTM é um processo de transferência de resina assistido por vácuo no qual uma pré-forma seca é colocada entre duas partes rígidas de um molde fechado seguido por impregnação de resina termofixa sob pressão com ajuda de vácuo. Resinas de baixa viscosidade devem ser utilizadas. Geralmente a cura é feita in-situ usando molde aquecido com controle de temperatura. Aplicável na produção em cadência média e alta de grandes componentes estruturais.
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Processos de Fabricação
RTM: passos
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Processos de Fabricação
RTM: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, vinil éster
Fibras: vidro, carbono, aramida
Aplicações: gerais nas indústrias aeroespacial e automotiva (aeroestruturas primárias, painéis reforçados integrais)
Parâmetros de processo: viscosidade da resina, definição dos pontos de entrada e saída da resina, velocidade de infusão, qualidade do molde (rigidez e resistência), tecidos (“dobrabilidade” ou distorções geométricas e permeabilidade)
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Boeing 787 → painel compósito reforçado
Processos de Fabricação
RTM: exemplos de aplicação
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Desvantagens
- Altos custos (ferramental)
- Limitação de tamanho
- Quantidades produzidas
tipicamente entre 100-5000
partes
- Software para preenchimento
do molde em desenvolvimento
- Posicionamento da pré-forma
no molde é crítico
Vantagens
- Não há desperdício
- Alta cadência de produção
- Bom acabamento em ambos
lados da peça
- Boa tolerância dimensional
(espessura)
- Processo em molde fechado
(emissões voláteis reduzidas)
- Conteúdo de fibra elevado
Processos de Fabricação
RTM
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Processos de Fabricação
VARTM é similar ao processo de RTM, porém utiliza apenas vácuo, tanto para a injeção de resina quanto para a cura do molde. Assim, ele opera a pressões mais baixas do que o processo RTM, o que permite a inclusão de núcleos de espuma facilmente incorporados no lay-up. O processo consiste em apenas um molde com uma bolsa de vácuo e pré-forma inserida entre essas duas partes. Um meio poroso é geralmente colocado sobre a pré-forma para facilitar a distribuição de resina.
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Desvantagens
- Não atinge tolerâncias tão boas
quanto o RTM
- Acabamento ruim do lado da
peça voltado para bolsa de vácuo
- Dificuldade em atingir requisitos
de desempenho e qualidade
- Raramente se aplica a estruturas
primárias
Vantagens
- Opera a pressões mais baixas
que o RTM
- Não necessita de autoclave
- Uso de ferramental mais simples
- Permite fabricar peças maiores
que o RTM
Processos de Fabricação
VARTM
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Pultrusão → seções reta
Processos de Fabricação
Pultrusão
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Processos de Fabricação
Pultrusão
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Processos de Fabricação
Pultrusão: matéria prima
Resinas: epóxi, poliéster, fenólica
Fibras: carbono, kevlar, vidro
Aplicações: indústrias automotiva e petróleo, trilhos, pórticos e maçanetas
Parâmetros de processo: velocidades e rotação e giro, aquecimento, medida e calibração da solidificação, resfriamento, trefilação e corte
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Desvantagens
- Limitado a seções reta
uniformes
- Propriedades mecânicas podem
ser afetadas pelo reduzido ciclo
de cura durante solidificação
- Baixa resistência transversal
quando reforços unidirecionais
são utilizados
Vantagens
- Não há desperdício
- Altas taxas de produtividade
- Alto conteúdo de fibras
Processos de Fabricação
Pultrusão