Efeito dos parâmetros do processo de perfuração na resistência ao rolamento de compósitos epóxi reforçados com fibra de vidro/malha de alumínio

Jun 27, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12143 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O presente estudo tentou avaliar o impacto dos parâmetros de perfuração e delaminação na resistência ao rolamento de malhas de arame de GFRP puro (NG) e híbridas de GFRP/alumínio (Al) com duas configurações diferentes, primeiro com malha Al na superfície externa de corpo de prova (AG) e outro com malha Al no núcleo do corpo de prova (GA). O procedimento de perfuração é realizado usando uma broca helicoidal de metal duro de 6 mm com três ângulos de ponta diferentes (90°, 120° e 135°), bem como três velocidades e avanços diferentes (1000, 2000 e 3000 rpm) e (20, 40 e 60 mm/min), respectivamente. As análises de Taguchi e ANOVA são utilizadas para analisar a influência dos parâmetros de processamento. Os resultados mostraram que a amostra AG sofreu menos danos de delaminação. A resistência máxima do rolamento refere-se à amostra NG, que é 9,6% e 8,7% maior que as amostras AG e GA, respectivamente. O ângulo da ponta de perfuração tem o principal efeito na resistência do rolamento para amostras AG e GA, enquanto para NG a taxa de avanço é o principal efeito. O modelo de regressão desenvolvido apresentou um alto nível de aptidão com um erro médio de predição inferior a 3%.

Nos últimos anos assistimos a um enorme crescimento na utilização de materiais compósitos, particularmente nas indústrias aeroespacial e de aviação. Esta aplicação focou na necessidade de materiais substitutos para ligas de aço e alumínio que possam aliviar o peso da estrutura1. Desta forma, um compósito híbrido foi produzido, combinando os benefícios dos compósitos reforçados com metal e fibra para criar um compósito híbrido superior conhecido como laminados de fibra metálica (FML). O metal mais utilizado neste tipo de compósito é o alumínio2. As famílias FML podem ser divididas em muitos grupos com base na fibra de reforço usada, como ARALL, CARALL e GLARE são abreviações para aramida, fibra de carbono e fibra de vidro, respectivamente3. O principal benefício dos FMLs em relação às ligas metálicas é uma melhor resistência ao crescimento de trincas durante fadiga porque as fibras e os polímeros ao redor do laminado metálico funcionam como um mecanismo de compressão de força que evita o início de trincas no metal4. Recursos adicionais incluem a capacidade de fabricar formas complicadas utilizando vários processos de produção de compósitos, possível redução de peso e economia de custos de manutenção devido à forte resistência à corrosão dos compósitos FMLs5,6. Quando malhas de arame metálico são empregadas em vez de folhas, torna-se possível construir estruturas mais complicadas usando os mesmos processos de fabricação dos compósitos reforçados com fibras. A capacidade da malha metálica de flexionar plasticamente pode ser desejável em caso de impacto, pois pode adiar o início da fratura e atuar como um absorvedor de energia adicional7, além de melhorar a ligação e limitar as desvantagens da descolagem, pois melhora a interação interfacial entre a resina e malha metálica que dificulta a destruição da ligação entre as camadas compostas8. A adição de tela de arame de Al aumenta as taxas de alongamento de tração e flexão em até 54% e 117%, respectivamente, e melhora a absorção de energia9. Esses compósitos híbridos combinam as melhores qualidades de metal e FRPs, proporcionando desempenho mecânico superior aos laminados tradicionais. Assim, eles podem ser empregados em uma variedade de aplicações práticas e cruciais, incluindo militares, transporte, aeroespacial, peças de submarinos e outras aplicações de barreiras9,10. Essas estruturas são interligadas por meio de conexões mecânicas, como rebites ou parafusos, juntamente com outros métodos. Para montar as estruturas, essas juntas exigiam a realização de furos. A qualidade do furo, a tolerância geométrica e a espessura do material têm um impacto significativo na resistência da junta. No entanto, o fator mais importante é o processo de criação do furo ou a qualidade do furo, que resulta em tensões residuais significativas ao redor do limite do furo e reduz a resistência estrutural. Além disso, a má qualidade dos furos é responsável por 60% das peças recusadas durante a fabricação11. A perfuração do compósito FML é uma operação difícil, pois a broca penetra em estruturas não uniformes que contêm fibras duras e abrasivas, bem como na matriz que é sensível ao calor, tornando o processo de perfuração extremamente problemático. Além disso, as despesas de perfuração são elevadas devido à frequente reafiação da broca devido à erosão significativa12. Embora numerosos estudos tenham sido realizados sobre a perfuração de materiais compósitos com uma variedade de métodos, incluindo furos moldados e perfurados e técnicas inovadoras não tradicionais, incluindo laser e jato de água abrasivo, a perfuração ainda é o método mais comum e mais simples para produzir furos em compósitos laminados13. A furação convencional resulta em uma variedade de problemas, incluindo rachaduras internas e delaminação entre laminados, bem como danos causados ​​pelo calor, desgaste da ferramenta e erros nas dimensões do furo. Essas falhas comprometem a qualidade do furo perfurado, o que reduz a capacidade da conexão aparafusada de suportar cargas. Várias pesquisas foram feitas para examinar como os fixadores mecânicos afetam a resistência de suporte de compósitos laminados. O início da falha que freqüentemente ocorre em juntas estruturais como resultado de tensões residuais, fadiga e degradação das fibras provocadas pelas operações de perfuração serve de inspiração para esses estudos14. A delaminação, que é definida como a dissociação de camadas laminadas que surge quando a força que atua entre os laminados é maior que a resistência interlaminar do material, causa ruptura entre camadas, é geralmente considerada o principal dano à perfuração de compósitos . A delaminação é intrínseca às peças de montagem ou conexões aparafusadas porque reduz a resistência do material para suportar carregamento excessivo16. A delaminação peel-up e push-out, que são delaminação induzida pela broca, são apresentadas na entrada e na saída dos furos17. Segundo Khashaba et al.18, a delaminação push-out é mais grave que a delaminação peel-up. Controlar alguns aspectos significativos, como material e geometria da ferramenta de perfuração, velocidade de corte, taxa de avanço e mecanismos de backup é a chave para minimizar a delaminação durante a perfuração de laminados compósitos. Esses parâmetros impactam a qualidade do furo perfurado e o processo de perfuração. Segundo pesquisa by19, a delaminação está diretamente ligada à taxa de alimentação. Os resultados demonstrados por Sakthivel et al.20 afirmam que a taxa de avanço é a variável mais significativa na furação de compósitos de polímero de malha de aço inoxidável reforçado com fibra de vidro. Esses achados concordam com a pesquisa de Jenarthanan et al.21. Baixas velocidades do fuso resultam em menos danos, no entanto, usar uma alta velocidade com baixa taxa de avanço pode mitigar a delaminação22. O impacto da escolha da geometria da ferramenta e das condições de operação nos danos induzidos pela furação foi comprovado pelo autor, ele indica que um menor ângulo de ponta23 e uma menor taxa de avanço foram associados a furos que tiveram menos delaminação com base em sua pesquisa. Onde 24,25 esclarece, com um ângulo de ponta menor a força de impulso é reduzida, o que é responsável pelo menor dano. A broca de metal duro é considerada a melhor alternativa para furar compósitos do que a broca HSS porque cria menos delaminação e desgaste26. Uma perfuração deficiente resulta na redução da resistência do rolamento e vice-versa. De acordo com19, a taxa de avanço tem um grande impacto no rolamento, pois a baixa taxa de avanço e a alta velocidade aumentam a resistência do rolamento. Diferentes tipos de modos de falha são gerados por juntas fixadas mecanicamente, incluindo tensão líquida, cisalhamento, clivagem e rolamento27. Esses mecanismos de fratura são bastante complexos e são influenciados por vários fatores, incluindo dimensão da arruela e força de fixação lateral. O método estatístico de Taguchi é adequado para problemas de otimização de engenharia que exigem a medição de características de qualidade de resposta que se desviam dos padrões declarados usando a relação S/R28,29.