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Adesivos Estruturais

na Aeronáutica

Relatório de projecto FEUP

Adesivos Estruturais na Aeronáutica

2

Adesivos Estruturais

na Aeronáutica

Equipa 514

Manuela Inês Soares de Castro

Miguel Miragaia Gomes Inácio

Pedro Rodrigo Barros

Tiago Daniel Gonçalves Pinheiro

Professor orientador: António Monteiro Baptista

Monitor: Francisco Duarte


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Resumo

No âmbito da Unidade Curricular Projecto FEUP, foi-nos atribuído o

tema: Adesivos Estruturais na Aeronáutica.

Com este trabalho, pretendemos dar a conhecer o que são adesivos

estruturais, a sua história, aplicação no dia-a-dia, mais especificamente na

indústria aeronáutica e o seu impacto no mundo que nos rodeia.

Neste projecto, abordaremos, assim, vários temas, tais como:

História breve;

Características e propriedades mecânicas;

Tipos de adesivos e suas diferentes características;

Aplicação de adesivos;

Vantagens e desvantagens da sua utilização.

Desenvolvemos qualidades como o trabalho de equipa, a cooperação

e a divisão de tarefas que poderão ser importantes para o nosso futuro, pois

iremos desenvolver vários projectos ao longo do nosso percurso na

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.


4


5

Abstract

Under Course Project FEUP, we were assigned the topic: Structural

Adhesives in aeronautics.

With this work, we intend to make known what are structural

adhesives, its history, common applications, specifically in the aerospace

industry and its impact on the world around us.

In this project, we discuss, so many topics, including:

• Brief history;

• Characteristics and mechanical properties;

• Types of adhesives and their different characteristics;

• Application of adhesives;

• Advantages and disadvantages of its use.

Develop qualities such as teamwork, cooperation and division of

tasks that may be important for our future because we will develop several

projects along our route in the Faculty of Engineering, University of Porto.


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Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer ao nosso supervisor, Professor António

Monteiro Baptista, e ao nosso monitor, Francisco Duarte, pela constante

disponibilidade, orientação e aconselhamento, no decorrer da execução

deste projecto.

Ao professor Lucas Filipe Martins da Silva pelos livros fornecidos.


7

Metodologia adoptada na realização do trabalho

Para a realização do trabalho, foi efectuada uma divisão de tarefas

pelos quatro elementos do grupo, ficando cada um com um diferente tópico

de pesquisa, relativo aos tipos de materiais dos adesivos, à sua utilização, à

sua história e características mecânicas.

Obtida toda a informação necessária, deu-se início à realização do

relatório e posteriormente à do poster, ficando estes dois prontos realizados

dentro da data prevista.


8

Lista de figuras

Ilustração 1 – Fórmula química do epóxi

Ilustração 2 – Fórmula química do poliuretano

Ilustração 3 – Fórmula química dos acrílicos

Ilustração 4 – Comparação de um avião com rebites e com adesivos

estruturais

Ilustração 5 – Rebarbagem (alisamento) de uma superfície

Ilustração 6 – Fenómenos destrutivos

Ilustração 7 – Favo de mel

Ilustração 8 – Exemplos de materiais que utilizam aderentes


9

Lista de tabelas

Tabela 1 – Exemplos de aplicações


10

Índice Resumo .......................................................................................................................................... 3

Abstract ......................................................................................................................................... 5

Agradecimentos ............................................................................................................................. 6

Metodologia adoptada na realização do trabalho .......................................................................... 7

Lista de figuras .............................................................................................................................. 8

Lista de tabelas .............................................................................................................................. 9

Introdução ................................................................................................................................... 11

Tipos de materiais dos adesivos estruturais ................................................................................ 12

Epóxi ....................................................................................................................................... 12

Poliuretano .............................................................................................................................. 13

Acrílicos .................................................................................................................................. 13

Vantagens e desvantagens ........................................................................................................... 14

Vantagens: ............................................................................................................................... 14

Desvantagens: ......................................................................................................................... 15

Características e propriedades mecânicas ................................................................................... 16

Aplicações dos adesivos .............................................................................................................. 17

Conclusão .................................................................................................................................... 19

Referências bibliográficas ........................................................................................................... 20


11

Introdução

Adesivos são colas fabricadas em vários materiais (tais como epóxi e

poliuretano) que têm uma resistência elevada ao impacto e às variações de

temperatura. Estes unem 2 materiais, desde madeiras, metais, compósitos,

através da interacção entre as suas superfícies.

A sua origem provém dos egípcios, que utilizavam adesivos naturais

feitos à base de gelatina caseína, albumina, ovo, grude, bálsamos e resinas

extraídas de diferentes árvores. Nessa época, os aderentes (adesivos) eram

utilizados nos sarcófagos, como decoração; misturados nos gizes para

servirem de aglutinantes e no fabrico de papiros.

Os adesivos estruturais começaram a ser usados na indústria

aeronáutica no século passado, sendo relativamente recentes, e ainda

continuam a ser usados, pois de entre todas as técnicas de ligação

permanente de componentes (soldadura, brasagem, rebitagem,

aparafusagem), apresentam uma grande resistencia, relativa facilidade na

produção de juntas simples e económicas.

Só se notou um desenvolvimento desta técnica, quando se

introduziram borrachas e, posteriormente os adesivos sintéticos. Foram

estas introduções que vieram a contrariar o problema pelo qual não era

usado, por ser necessário um tipo de adesivo para determinado material.

Este desenvolvimento surgiu da procura pela indústria aeronáutica de

elementos estruturais leves, de elevada rigidez e resistência nas mais

diversas aplicações para solucionar o problema de reduzir o peso de um

avião, mantendo no entanto a sua performance. Algo que só podia ser

resolvido com a pesquisa de novos materiais.

No quotidiano as colas têm uma elevada utilização em todos os

materiais domésticos, como as bancas (coladas com adesivos à base de

silicone), as cadeiras, mesas e mobiliário.


12

Tipos de materiais dos adesivos estruturais

Devido à sua estrutura química estável, são utilizados principalmente

6 tipos de adesivos:

Epóxi

Poliuretano

Acrílico reactivo

Acrílico rugoso

Acrílico anaeróbico

Cianoacrilato

Silicone

Ao longo dos anos, alguns químicos desenvolveram sistemas de

adesivos híbridos, tais como, epóxi/acrílico e epóxi/poliuretano, tornando a

engenharia de adesivos muito mais completa e eficaz. Cada adesivo,

dependendo do destino que lhe é dado, pode conter diversos componentes

As propriedades que alteram os componentes dos adesivos são as

seguintes:

Adesão

Expansão térmica

Rugosidade

Viscosidade

Epóxi

Este material (plástico) é o mais utilizado na indústria dos adesivos

porque provoca uma melhor junção dos materiais, especialmente metais,

cerâmica e polímeros. Tem uma boa resistência química, pois produz

poucos gases voláteis durante a sua formação e tem valores de

encolhimento bastante baixos.

Ilustração 1


13

Poliuretano

Este tipo de material raramente é utilizado sem junção de outros no

fabrico de adesivos. Surgiu da necessidade da indústria automóvel em

suportar grandes pesos em objectos de pequenas dimensões, juntando os

aderentes ao chassis do automóvel. Verificou-se que a utilização de

poliuretano era 60% mais eficaz do que epóxi ou acrílico.

Ilustração 2

Acrílicos

As colas em acrílico são utilizadas, maioritariamente, na junção de

termoplásticos, como o PVC, em borrachas, em aço e alumínio. A principal

vantagem dos adesivos estruturais acrílicos é a sua tolerância às superfícies,

ou seja, adere facilmente a qualquer superfície, lisa ou rugosa.

Ilustração 3


14

Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Distribuição mais uniforme das tensões ao longo da área ligada, que

permite uma melhor resistência à fadiga dos materiais;

• Amortecimento de vibrações, que permite que as tensões sejam

parcialmente absorvidas, melhorando também a resistência à fadiga;

• Ligação de materiais diferentes em composição, uma vez que a

diferença dos seus coeficientes de expansão é compensada pela

flexibilidade do adesivo;

• Tornam o projecto mais flexível permitindo o uso de novos conceitos

e materiais (exemplo de estruturas em ninho de abelha);

• São geralmente o método mais conveniente e efectivo de ligar dois

materiais uma vez que o processo pode ser automatizado (a mistura e

aplicação do adesivo podem ser realizadas por um robot);

• Permitem ter estruturas com contornos regulares porque evitam furos

devidos à soldadura e rebites;

• Criam um contacto contínuo entre as superfícies ligadas;

• Podem reduzir os custos uma vez que os projectos envolvendo

ligações adesivas tendem a ser mais económicos, pois utiliza-se um menor

número de peças.

Ilustração 4


15

Desvantagens:

• É necessário um projecto que elimine ao máximo as forças de

arrancamento (principal inimigo das ligações adesivas), clivagem e

impacto;

• É importante usar geometrias que evitem tensões localizadas e que

garantam uma distribuição uniforme de tensões, caso contrário podem

surgir forças de arrancamento ou clivagem;

• Apresentam resistência limitada a condições extremas, tais como o

calor e a humidade (devido à natureza polimérica do adesivo);

• A ligação não se realiza normalmente de forma instantânea, sendo

necessária a utilização de ferramentas de fixação para manter as peças em

posição (pode ser uma grande desvantagem económica);

• Para obter bons resultados é necessária uma cuidada preparação das

superfícies envolvidas;

• Os adesivos são normalmente curados a elevadas temperaturas

(possível desvantagem económica devido à energia dispendida na obtenção

das temperaturas elevadas);

• O controlo de qualidade e segurança é mais difícil (embora tenham

vindo a ser desenvolvidas técnicas não destrutivas adequadas);

• Um dos grandes problemas é não haver um critério de

dimensionamento universal que permita projectar qualquer estrutura

(muitos só funcionam bem em determinadas situações).

Ilustração 5


16

Características e propriedades mecânicas

Além das características acima referidas dos materiais utilizados no

fabrico de adesivos, estes também têm desvantagens, nomeadamente, os

adesivos acrílicos.

Os aderentes na aeronáutica são usados na junção de todas as artes de

um avião, pelo que sofrem grandes pressões e variações de temperatura.

Frequentemente, dão-se fenómenos de clivagem, tracção, descascamento e

cisalhamento, que afectam a sua resistência.

Apesar destes do acontecimento destes fenómenos, já se

desenvolveram técnicas, como os adesivos híbridos, para a resistência dos

adesivos ser superior e o seu tempo de vida mais elevado.

Ilustração 6


17

Aplicações dos adesivos

Desenvolveu-se na indústria aeronáutica uma forma muito resistente

e que pode ser fabricada em grandes dimensões, a estrutura favo de mel.

Estes podem ser de diversos materiais, como metais, compósitos e

plásticos. Os favos não metálicos apresentam uma grande flexibilidade em

termos de fabrico e custo. São muito importantes pois embora sendo

flexíveis na direcção longitudinal, apresentam uma elevada rigidez na

direcção transversal; são resistentes à fadiga e ao choque podendo mesmo

ser considerados incompressíveis.

A configuração das células dos favos permite 3 aspectos

fundamentais para a fuselagem do avião na indústria aeronáutica:

Têm uma boa absorção de som;

A presença do ar permite uma condutividade térmica reduzida;

Têm uma densidade bastante reduzida sendo então muito leves.

Ilustração 7


18

Exemplos de adesivos Exemplos de aplicações

Epóxi-nylon, polivinil butiral, epóxi

novolac, nitrilo-fenolico, epóxi nitrilo

Ligações metal-metal, estruturas favos de mel, ligações

de compósitos, vidros de segurança

Epóxi, poliuretano Montagem de componentes, vedação, suavização

Neoprene, nitrilo, copolímero de

estireno-butadieno

Mangueiras, ligações de elastómeros, impermeabilização

Acrílico, silicone Adesivos sensíveis à pressão para decoração, tecidos,

placas de identificação e bancas

Tabela 1

Actualmente, os adesivos estruturais são utilizados em todas as

indústrias, nomeadamente, do calçado, do mobiliário, da medicina,

automóvel e aeronáutica.

Ilustração 8


19

Conclusão

Em jeito de conclusão, podemos afirmar que, realmente, o

desenvolvimento dos adesivos estruturais contribuiu de forma avassaladora

para a evolução da indústria aeronáutica.

Esta influência verifica-se quer no tipo de materiais usados nas

aeronaves, quer no seu consequente modo de produção. De facto, a

utilização dos adesivos estruturais neste ramo conduziu a uma redução do

tempo de construção, obtendo-se, deste modo, aeronaves muito mais

resistentes e leves do que anteriormente. Estes demonstraram tantos

benefícios que passaram a ser adoptados nas mais variadas áreas, desde a

indústria automóvel à construção civil. Isto porque as suas propriedades

lhes permitem funcionar como uma ferramenta de união ideal de materiais

diferentes, de tal modo que esta pode atingir resistências iguais ou

superiores às dos materiais a ser unidos.

Além disso, por se apresentarem como uma solução económica no

que toca à ligação de materiais, a sua utilização foi sendo massificada nas

diversas indústrias de produção.


20

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