ESTRUTURA SANDWICH
NÚCLEO HONEYCOMB (COLMEIA)
MATERIAIS COMPÓSITOS
Alunos:
Rafael Sousa (1091083)
Tiago Silva (1091366)
Hugo Gouveia (1080823)
5/12/2012
2012/2013
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 2
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 3
ÍNDICE
Página
INTRODUÇÃO ………………………………………………………………………………….…………. 4
1. Fabrico …………………………………………………………………………….……….. 5
2. Ensaios ………………………………………………………………………………………. 7
Dureza de Barcol……………………………………………………………. 7
Flexão 3 Pontos …………………………………………………………….. 8
Flexão 4 Pontos ……………………………………………………………… 9
Compressão …………………………………………………………………… 12
Queima …………………………………………………………………..…….. 13
3. Análise Experimental e Teórica ………………………………………………..… 13
CONCLUSÃO …………………………………………………………………………………………….… 15
REFERENCIAS ……………………………………………………………………………………………… 16
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 4
INTRODUÇÃO
O objectivo deste trabalho é a criação e teste de uma estrutura sandwich. Para isso
criamos um material compósito, composto por 2 camadas exteriores (peles) e um núcleo. As
peles são feitas em fibra de vidro impregnada com resina e o núcleo é uma estrutura
“honeycomb” ou colmeia em polipropileno.
Uma estrutura sandwich consiste, basicamente, num mínimo de 3 camadas, duas placas
finas de um material resistente intercaladas por um outro material geralmente de baixa
densidade e de características inferiores às camadas superficiais.
As estruturas sandwich, face aos compósitos habituais e a outros materiais mais
comuns, têm vantagens no que toca as suas características estruturais. Por possuir um núcleo
leve mas espesso, apesar das suas baixas características, vem aumentar a rigidez do
compósito, pois aumenta a distância entre as peles. Desta forma, obtemos um compósito com
melhores características mecânicas, aumentando assim a sua resistência à flexão
significativamente, sem aumentar muito o seu peso. As placas à superfície devem ser capazes
de suportar tensões de tracção, compressão e corte devido à flexão, enquanto o núcleo deve
manter as faces afastadas e suportar compressão na direcção perpendicular à das faces, da
mesma forma, a sua resistência ao corte transversal deve ser suficiente para que o conjunto
funcione.
Obviamente, este tipo de estruturas também têm desvantagens, sendo algumas:
Problemas de temperatura
Incompatibilidade de materiais
Factores de segurança elevados levam a sobredimensionamento de estruturas
Problemas com a sua reciclagem
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 5
Figura 1 – Preparação das camadas de fibra de vidro
1. FABRICO
Com vista à realização de testes mecânicos numa estrutura sandwich, foi necessário
produzir vários provetes. Estes provetes, com medidas especificadas pela norma ASTM C393-
00-Standard Test Method for Flexural Proprieties of Sandwich Constructions, foram fabricados
através de moldação manual. A dimensão calculada para os provetes foi de 330x14x28 mm,
tendo sido fabricados 6 provetes.
Em relação ao processo de fabrico escolhido, e como referido anteriormente, foi
utilizado o processo de moldação manual. Este processo apresenta vantagens ao nível da
simplicidade de utilização e ao baixo custo de aplicação. Como desvantagens, podemos referir
o acabamento superficial menos cuidado embora, no nosso caso, tenha sido substancialmente
melhorado com a utilização de placas de vidro aplicadas como base e cobertura superficial.
No fabrico da estrutura sandwich, foi utilizado um núcleo de polipropileno com
estrutura em ninho de abelha (Honeycomb Structure) com uma espessura de
aproximadamente 10 mm, de salientar que a espessura original no núcleo era 25 mm mas
fomos obrigados a diminui-la através do corte da mesma de forma a ser possível reduzir os
tamanhos dos provetes de forma a caberem na máquina de ensaios. A este núcleo foram
sobrepostas 2 peles feitas de resina de poliéster insaturado, ortoftálica (no nosso caso foi
utilizada a resina “Resipur 9107”) e fibra de vidro, na forma de tecido orientado 0°- 90°. O
processo foi iniciado pela preparação das camadas de fibra de vidro. As peles da estrutura
sandwich eram compostas por duas camadas de tecido com orientação 0°- 90°, depositadas
sem alteração de ângulo. Na figura seguinte podemos observar o tipo de tecido utilizado:
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 6
Figura 2 – Aplicação da cera desmoldante
Figura 3 – Colagem do núcleo
O próximo passo foi a preparação das superfícies de trabalho. As superfícies foram limpas de
resíduos utilizando uma espátula para
raspar os resíduos de maiores dimensões
e posteriormente foram limpas com
acetona. Finalizada a limpeza das
superfícies, prosseguiu-se para a
aplicação de cera desmoldante, a fim de
garantir uma extracção facilitada e sem
danos da estrutura. Na imagem ao lado
mostra a aplicação de cera desmoldante.
Procedeu-se então à preparação da resina de poliéster. Neste tipo de resina, para
acelerar a reacção química e a cura da resina, foram adicionados um catalisador e um
acelerador de reacção. Completada a preparação da resina, procedemos à sua mistura com as
fibras.
Neste tipo de estrutura, tínhamos 2 opções de fabrico: fabrico em 1 etapa e fabrico em 2
etapas. No caso do fabrico em 1 etapa, as peles seriam coladas directamente ao núcleo pela
resina, enquanto no caso do fabrico por 2 etapas, as peles seriam coladas posteriormente ao
seu fabrico (outra opção seria fabricar uma das peles colada directamente no núcleo e outra
colada posteriormente).No nosso caso, optamos por fabricar a estrutura em 1 etapa, visto ser
um processo mais célere. Procedeu-se então à preparação da primeira pele e colagem com o
núcleo de polipropileno:
Realizada a aplicação do núcleo, procedeu-se à construção da segunda pele em cima do
núcleo, finalizando assim a preparação da estrutura.
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 7
Figura 4 – Estrutura após cura
A estrutura ficou a curar durante
uma semana. Finalizada a cura, a
estrutura foi extraída das superfícies de
vidro utilizando uma espátula. Para a
criação dos provetes, a estrutura
apresentada acima foi cortada com as
medidas acima enunciadas, sendo
posteriormente sujeitos a um processo
de pós-cura.
2. ENSAIOS
Os ensaios realizados nos provetes basearam-se na norma ASTM C393 para os ensaios
de flexão e ASTM C365-03 para a compressão. Os ensaios de flexão e compressão foram
realizados numa máquina de ensaios universal.
o DUREZA DE BARCOL
Para medir a dureza pré e pós cura da resina utilizamos um medidor de dureza Barcol.
Este método é dos mais comuns para medir a dureza de resinas. É normalizado pela ASTM D
2583.
Figura 5 - Ensaio de Dureza Barcol
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 8
Os valores obtidos foram os seguintes:
Média
Pré 37 26 35 31 24 30
Pós 35 42 32 32 30 34
A dureza pós cura é maior do que pré cura, como seria de esperar, ainda assim ficou
aquém da dureza especificada pelo fabricante, que é de 41.
o FLEXÃO EM 3 PONTOS
A distância entre apoios é normalizada para as dimensões do provete, neste caso é de
280mm (L1), as distâncias a cumprir estão representadas na figura seguinte:
Todas as outras dimensões dos provetes são mencionadas na tabela abaixo.
Provete 1 Provete 2 Provete 3 Média
d [mm] 13.93 14.0 14.0 13.98
c [mm] 10.3 9.8 10.0 10.03
b [mm] 28 29.3 29.2 28.83
t [mm] 1.8 1.9 1.8 1.83
Figura 6 - Ensaio de flexão em 3 pontos, Fonte: Norma ASTM C393
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 9
Figura 7 - Descolagem no provete de flexão em 3 pontos
Força Máxima (Média) [N] 277,93
Todos os provetes sofreram de uma
descolagem numa das pontas do provete do
lado em que não existia o tecido que
acompanha o núcleo para facilitar a colagem
entre camadas.
o FLEXÃO EM 4 PONTO
A distância entre apoios neste caso também é normalizada de acordo com as dimensões
do provete, neste caso é de 280mm (L2), as distâncias a cumprir estão representadas na figura
seguinte:
0
50
100
150
200
250
300
0,0
1,1
2,2
3,4
4,5
5,6
6,7
7,9
9,0
10,1
11,2
12,4
13,5
14,6
15,7
16,9
18,0
19,1
20,2
21,4
22,5
23,6
24,7
25,9
Forç
a [N
]
Deslocamento [mm]
Força Vs Deslocamento - Flexão em 3 Pontos
Provete 1
Provete 2
Provete 3
Figura 8 - Ensaio de flexão em 4 pontos, Fonte: Norma ASTM C393
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 10
Todas as outras dimensões do provete são mencionadas na tabela a baixo.
Provete 4 Provete 5 Média
d [mm] 14.2 14.1 14.15
c [mm] 10.2 10.1 10.15
b [mm] 27.4 27.1 27.25
t [mm] 1.8 1.9 1.85
Força Máxima (Média) [N] 331,65
Cálculos realizados para determinação de propriedades do compósito segundo a
Norma ASTM C393.
Flexão 3 Pts Flexão 4 Pts
P1 [N] = 100,57 P2 [N] = 100,57
Δ1 [mm] = 2,25 Δ2 [mm] = 1.308
L1 [mm] = 280,00 L2 [mm] = 280,00
020406080
100120140160180200220240260280300320340360
0 1 2 3 4 5 6 7 8
For
ça [N
]
Deslocamento [mm]
Força Vs Deslocamento - Flexão 4 Pontos
Provete 4
Provete 5
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 11
Rigidez à flexão - Equação (10)
[ (
)]
[ (
)]
Rigidez à flexão do compósito (D) [N.mm2]
46415089,43
Módulo de corte do núcleo – Equação (11)
[(
) ]
[(
) ]
Módulo de corte do núcleo (G)
[MPa] 13,53
Módulo de Elasticidade – Equação (4)
Módulo de Elasticidade (E) [MPa] 11211.21
Tensão de corte do núcleo – Equação (1) – Flexão 3 pontos
Tensão de Corte do Núcleo [MPa] 0.40
Tensão de corte do núcleo – Equação (7) – Flexão 4 pts
Tensão de Corte do Núcleo [MPa] 0.50
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Tensão de Flexão da superfície (peles) – Equação (2) – Flexão 3 pontos
Tensão de Flexão da superfície (peles) [MPa] 30.38
Tensão de Flexão da superfície (peles) – Equação (8) – Flexão 4 pontos
Tensão de Flexão da superfície (peles) [MPa] 18.95
o COMPRESSÃO
Para a compressão utilizamos 3 provetes menores com forma quadrada. Os resultados
obtidos foram os seguintes:
O provete 2 foi o que suportou a maior carga, sendo esta de 5054N.
0300600900
120015001800210024002700300033003600390042004500480051005400
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6
For
ça [N
]
Deslocamento [mm]
Força Vs Deslocamento - Compressão
Provete 1
Provete 2
Provete 3
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Este ensaio permite encontrar o módulo elasticidade e tensão máxima de compressão
do núcleo. Para isso utilizamos as seguintes equações:
Em que:
– Carga aplicada (média das cargas máximas 4797 N)
– Área do provete (média das médias 3466 mm2)
Obtivemos uma tensão de 1,4 MPa.
Para o modulo de corte, utilizamos a seguinte equação:
Em que:
– declive da primeira parte linear do gráfico Força vs Deslocamento (21473 N/mm)
– espessura do núcleo (10 mm)
o QUEIMA
A queima permite saber com exactidão a fracção mássica de fibras no laminado desta
estrutura sandwich.
Para isso foram retiradas 2 amostras do laminado da sandwich, pesadas e colocadas
num forno onde se queimou totalmente a resina existente. Depois da queima voltou-se a
pesar as amostras e os resultados obtidos foram os seguintes:
Peso do Cadinho [g] Amostra + Cadinho [g] Queimado + Cadinho [g]
25,1193 27,2506 26,1305
24,4666 26,5628 25,4541
Obtivemos uma fracção mássica de fibras de 47,28%.
3. ANÁLISE EXPERIMENTAL E TEÓRICA
Com os resultados obtidos podemos encontrar as constantes de engenharia do
compósito, como o módulo de elasticidade, módulo de corte, etc, assim como a espessura
medida e a esperada.
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 14
O ensaio de compressão permitirá ainda saber a tensão máxima de compressão e o
módulo de elasticidade do núcleo.
No que toca à espessura podemos utilizar a seguinte expressão para a obter:
Em que:
– gramagem do tecido (800 g/m2)
– densidade das fibras (2,54 g/cm3)
– densidade da matriz (1,12 g/cm3)
– fracção mássica de fibras no laminado (47,28%)
Obtivemos uma espessura, por camada de tecido de 1,1 mm, como temos duas camadas
de tecido em cada face, mais um núcleo com 10 mm dá um total de 14,4 mm. O valor medido
foi de 14,1 mm.
Para comparar os resultados práticos com os teóricos, primeiro é necessário encontrar a
fracção volúmica de fibras dos laminados, para isso utilizamos a seguinte expressão:
Onde:
– fracção volúmica de fibras no laminado
Obtivemos uma fracção volúmica de fibras de 28,34%.
Com este valor definido podemos então encontrar as constantes em questão
recorrendo à lei das misturas.
Para o módulo de elasticidade:
Em que:
– constante referente ao tipo de tecido utilizado (0,5 – tecido equilibrado)
– módulo de elasticidade das fibras (72 GPa)
– módulo de elasticidade da matriz (4 GPa)
Obtivemos um módulo de elasticidade de 13,07 GPa. De notar ainda que, como se trata
de um tecido equilibrado, .
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 15
Para o módulo de corte utilizamos a seguinte expressão:
Em que:
– módulo de corte das fibras (30 GPa)
– módulo de corte da matriz (1 GPa)
Obtivemos um módulo de corte de 1,38 GPa.
CONCLUSÃO
Com todos os valores obtidos podemos compara-los com os referidos pelos fabricantes
e também com valores teóricos.
Módulo de Elasticidade do Compósito
Experimental [GPa] Teórico [GPa]
10,94 13,07
Tensão de corte máxima do núcleo
Flexão 3 pontos [MPa] Flexão 4 pontos [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]
0,40 0,47 0,52
Módulo de Elasticidade do núcleo
Experimental [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]
61,95 65,4
Tensão de compressão máxima do núcleo
Experimental [MPa] Fabricante (mínimo) [MPa]
1,4 1,55
Os resultados experimentais ficaram aquém dos resultados esperados e estabelecidos
pelos fabricantes, isto poderá se dever ao facto de ter sido necessário cortar o núcleo e
também pela falta de experiência na moldação manual.
Estruturas Sandwich – Materiais Compósitos 16
REFERÊNCIAS
Moura, Marcelo F. S. F de; Morais, Alfredo B. de; Magalhães, António G. de; Materiais
Compósitos 2ªEd 2011.
Normas:
ASTM C274 ASTM C365 ASTM C393 ASTM D2583
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