Os desafios e oportunidades no uso de estruturas leves foram discutidos em seminário realizado na manhã de terça-feira, 17 de abril, no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). O evento contou com a participação de três pesquisadores internacionais para discussão de estratégias e técnicas de projeto e manufatura de estruturas leves. Os pesquisadores fazem parte do Conselho Consultivo do Laboratório de Estruturas Leves (LEL) do IPT, em implantação no Parque Tecnológico de São José dos Campos.

O LEL é um investimento governamental de R$ 50 milhões para o desenvolvimento de estruturas leves tanto de materiais compósitos quanto de materiais metálicos e híbridos. Participou do evento um público de 35 convidados, entre pesquisadores do IPT e profissionais da VSE – Vale Soluções em Energia, Marinha do Brasil, Braskem, Embraer e Escola Politécnica da USP, que assistiu às apresentações dos professores Ramesh Talreja, da Texas A&M University, Jürgen Fleischer, do Karlsruhe Institute of Technology (KIT), e David Ewins, do Imperial College of London.

Fiber placement machine, única no hemisfério sul, instalada no laboratório de São José dos Campos

As tecnologias de manufatura para metais, compósitos e estruturas híbridas foram o tema da apresentação do professor Fleischer. Os campos de pesquisa de manufatura de estruturas leves da instituição alemã estão nas tecnologias de automação, nas soluções de manuseio para materiais sensíveis ou de estruturas de geometria complexa, e no desenvolvimento de processos e sistemas de controle da qualidade. O pesquisador destacou em sua apresentação o trabalho de integração dos processos de conformação, corte e soldagem para a produção flexível de estruturas leves, atualmente em curso no Centro de Pesquisas Transregio 10 criado em 2003 pelo German Research Foundation (DFG). O objetivo é desenvolver os fundamentos científicos e os métodos para o projeto de cadeias integradas de processos e suas tecnologias para a produção em série de pequenos lotes.

Fleischer: estudo do Karlsruhe Institute relacionou desafios e melhorias sobre deposição automática de fitas de fibras

Fleischer apresentou também o resumo de um estudo feito sobre o estado da arte na deposição automática de fitas de fibras, que trabalhou os fundamentos dos materiais e processos e realizou uma comparação das tecnologias oferecidas pelos diversos fabricantes. Entre os desafios e melhorias identificados pelos pesquisadores, a lista inclui a integração de sensores para a garantia de qualidade, o uso de novos materiais para deposição, como fibras termoplásticas, o desenvolvimento de um conceito modular de máquinas e um sistema de robôs trabalhando simultaneamente.

O estudo mostrou um aumento no número de fabricantes de máquinas de deposição automática de fitas de fibras, e procedeu a uma classificação delas em três segmentos: fabricantes de grandes máquinas com alta produtividade (entre as quais a MAG, fabricante do equipamento já instalado no laboratório do IPT), de sistemas baseados em robôs industriais e de máquinas de menor custo para aplicações especiais, em maior número no levantamento realizado.

Em relação às estruturas híbridas, Fleischer mostrou que não é suficiente combinar processos existentes e procedimentos de manufatura para alcançar bons resultados, mas sim desenvolver novos processos adequados a produtos específicos. Os desafios técnicos na produção, explicou ele, estão principalmente no projeto dos componentes segundo os fluxos de forças, na convergência das duas cadeias de processos (metais e compósitos) e na garantia de qualidade.

AERONÁUTICA – O professor Ramesh Talreja trouxe ao seminário uma apresentação dedicada ao uso de compósitos em estruturas aeroespaciais. O processo de redução de peso de um produto, componente ou sistema, explicou ele, tem o objetivo de aumentar seu desempenho, como velocidade e mobilidade, sua operacionalidade (transporte, por exemplo) e sua vida útil, com maior resistência ao impacto e tolerância a danos.

Talreja: processo de redução de peso tem os objetivos de aumentar desempenho, operacionalidade e vida útil

Os elementos para o projeto de estruturas leves são classificados pelo professor em quatro categorias. O primeiro é a arquitetura criativa de fibras, com resposta acoplada e multifuncionalidade; o segundo é a engenharia de manufatura; o terceiro é a análise de falhas baseada em fenômenos físicos e o último é a Engenharia de Materiais Integrada por Computador, isto é, a integração das informações de materiais, que foram capturadas por meio de ferramentas computacionais, com as análises de desempenho de produtos e a simulação do processo de manufatura. “Um projeto econômico de estruturas leves pode ser obtido por meio da integração de modelos baseados em física para avaliação de desempenho com os estudos de falhas na manufatura”, explicou o pesquisador da universidade norte-americana.

Para demonstrar o aumento no uso de materiais compósitos em aeronaves comerciais, Talreja usou como exemplo o peso total da estrutura de uma aeronave 787. Os compósitos respondem por 50% dos materiais usados, e em seguida estão o alumínio (20%) e o titânio (15%) – para fazer uma comparação, continuou ele, um modelo 777 emprega 12% de compósitos e 50% de alumínio.

Modelos para avaliação de desempenho devem ter capabilidade em escala múltipla, mas precisam ser sinérgicos, explicou o professor em sua conclusão. E acrescentou que no futuro a técnica de monitoramento de saúde estrutural com sensores será necessária para alcançar melhores resultados, assim como o projeto sustentável de estruturas em materiais compósitos irá exigir o auxílio de ferramentas como reciclagem e avaliação de ciclo de vida.

MODELAGEM – Uma estratégia para a dinâmica estrutural de estruturas leves e compósitos foi proposta pelo professor David Ewins, que explicou a necessidade de fornecer tecnologias que tragam a garantia para máquinas e estruturas estarem livres de características dinâmicas não-desejadas, como fadiga e desgaste, e permitam ainda uma monitoração para a manutenção de sua vida útil.

Ewins: uso de ferramentas como a modelagem dos elementos estruturais pode reduzir número de ensaios para validação de modelos

As ferramentas para fornecer as capabilidades incluem, segundo Ewins, a modelagem dos elementos estruturais e das forças de excitação, a análise numérica e a experimentação, com a seleção e medição de parâmetros. Entre as áreas críticas mencionadas pelo professor em estruturas leves, a primeira é a modelagem de juntas e interfaces e a segunda a validação de modelos por meio da utilização de dados de testes – segundo ele, é possível eliminar até 90% do total dos ensaios previamente agendados por meio de uma estratégia focada em avaliar apenas as peças mais sensíveis.