Projecto e desenvolvimento de equipamento industrial para aquecimento de material compósito polimérico reforçado com fibras contínuas

Abstract

A aplicação de materiais compósitos tem vindo a crescer rapidamente em diversas indústrias, com especial impacto na indústria aeronáutica, onde elevados rácios resistência/peso mecânica são essenciais. A procura por processos mais eficientes conduziu à implementação de técnicas automatizadas, tais como enrolamento filamentar e deposição automatizada de fibra, perfeitamente estabelecidas no processamento de estruturas em compósito de matriz termoendurecível. Contudo, a maior resistência ao impacto e ao dano dos compósitos de matriz termoplástica relativamente aos termoendurecíveis tem motivado a sua utilização em produtos com apertados requisitos de tolerância ao dano. No entanto, processos de produção pouco eficientes para compósitos de matriz termoplástica limitam a sua aplicação, sendo o ciclo de aquecimento um dos pontos críticos no processamento de compósitos termoplásticos. No presente trabalho pretende-se desenvolver um sistema de aquecimento por radiação infravermelha passível de ser adaptado a um equipamento de cariz industrial. Para tal, elaborou-se um modelo capaz de prever a evolução da temperatura da fita pré-impregnada ao longo do processo de aquecimento. O modelo computacional desenvolvido é unidimensional e transiente, considerando como principais parâmetros a velocidade da fita e a distância entre as lâmpadas de infravermelho e a superfície da fita. A equação da energia foi discretizada pela técnica dos volumes finitos e implementada em linguagem de programação Fortran. Para futura validação do modelo computacional foi projectada uma bancada experimental dotada de um sistema de aquecimento por infravermelhos e de um mandril de enrolamento. Os resultados do modelo computacional mostram que o sistema de aquecimento por radiação infravermelha concebido é susceptível de implementação no processamento de compósitos de matriz termoplástica.

The application of composite materials has been growing quickly in several industries, with special impact in aeronautic industry, where high strength/weight ratios are essentials. The need to implement more efficient processes leads to the implementation of automated techniques, such as filament winding and automated tape disposal. The application of these techniques in the production of composites structures with thermoplastic matrix is perfectly established. Nevertheless, the better damage and impact resistance of thermoplastics with respect to thermosetting has motivated their application in products with high damage-tolerance requirements. However the lack of efficient production processes for thermoplastic matrix composites has conditioned their application, being the heating cycle a critical factor in the thermoplastic composites processing. The present work aims to develop a heating system by infrared radiation that can be adapted to an industrial equipment of composite structures production. To that goal, had been elaborated an computational model capable of predicting the temperature evolution on the prepreg tape over the heating stage. The computational model developed is one-dimensional and transient, considering as main parameters the tape speed and the distance between the infrared lamps and the prepreg tape surface. The equation of energy was discretized by the finite-volume technique and implemented in Fortran programming language. To future validation of the computational model was projected an experimental set-up that is equipped with heating system by infrared lamps and a winding. The results of the computational model shows that the infrared heating system designed could be implemented in thermoplastic composite matrix processing.