A prototipagem é uma parte vital do desenvolvimento de produtos que permite a avaliação do projeto, os primeiros testes, o aperfeiçoamento e a validação de ideias antes de estas passarem à produção em grande escala. Existe uma investigação crescente sobre materiais que oferecem melhores propriedades com um peso reduzido em comparação com os materiais tradicionais.
A elevada relação resistência/peso e a rigidez da fibra de carbono são as principais razões pelas quais se tornou a escolha preferida em vários sectores. Estas propriedades dão-lhe uma vantagem sobre o aço, o alumínio e outros materiais para protótipos leves. Em comparação com outros materiais, oferece uma combinação de eficiência, velocidade e resultados de alta qualidade.
A prototipagem em fibra de carbono é utilizada nas indústrias aeroespacial, de artigos desportivos e automóvel. No entanto, a fibra de carbono não é utilizada apenas para prototipagem, mas para a criação de várias peças totalmente funcionais. A utilização deste material em aeronaves ajudou a obter uma redução de peso de 20 a 30%, bem como uma diminuição dos custos de conceção estrutural de 15 a 30%, de acordo com uma publicação recente no volume 209 da Elsevier's Thin-Walled Structures [1].
A visão 2035+ da Airbus pretende reduzir o peso da cabina até 40% utilizando elementos biónicos mais leves, o que melhorará ainda mais a autonomia, a eficiência do combustível e o desempenho geral. A fibra de carbono será provavelmente um dos materiais que será utilizado para atingir esse objetivo. O quadro abaixo mostra como a fibra de carbono se compara a outros materiais
| Material | Fibra de carbono | Alumínio | Plástico |
|---|---|---|---|
| Força específica | 2,457 a 3,766 kN.m/kg [2] | 100 a 250 kN.m/kg [3] | 25 a 85 MPa [4] |
| Densidade | 1600g/m3 | 2.700kg/m3 | 900 a 1480kg/m3,consoante o tipo |
| Rigidez | 5 a 10 vezes mais rígido do que o alumínio | Moderadamente rígido | Dobra-se facilmente |
| Aplicação | Ideal para os casos em que a redução de peso é importante | Ideal quando a relação custo-eficácia e a durabilidade são vitais | Económica e versátil |
| Custo | Caro | Moderadamente caro | Acessível |
A fibra de carbono pode ser 5 vezes mais forte do que o aço e 2 vezes mais forte do que o alumínio com o mesmo peso. As propriedades específicas da fibra de carbono dependerão do tipo, do fabrico e da matriz de resina.
Passos para fazer um protótipo de fibra de carbono
A moldagem por transferência de resina, a laminação de pré-impregnados e a colocação húmida são as técnicas mais comuns utilizadas na criação de protótipos com fibra de carbono. A escolha do método dependerá normalmente das capacidades de ferramentas da empresa, do orçamento, das propriedades pretendidas ou da complexidade. Antes de proceder à criação de protótipos, cada fabricante deve ter em conta os seguintes factores na criação de um protótipo em fibra de carbono.
- Orientação das fibras: A orientação da fibra afectará as propriedades mecânicas do produto. Por conseguinte, é necessário garantir uma orientação correta.
- Compatibilidade da resina: O endurecedor e a resina devem ser compatíveis com o método de fabrico preferido e com a fibra de carbono.
- Ensacamento a vácuo: Este é um passo importante na prototipagem de fibra de carbono, especialmente quando se utiliza o método dos pré-impregnados. Ajuda a remover as bolsas de ar e a consolidar as camadas.
Os principais materiais necessários para a criação de protótipos incluem resina, tecido de fibra de carbono, agente de libertação, endurecedor, pincéis e copos de mistura. É extremamente importante garantir que o seu corpo está devidamente coberto com o equipamento de proteção adequado quando trabalha com fibra de carbono e resinas. Eis as etapas envolvidas no fabrico de um protótipo de fibra de carbono.
1. Seleção da conceção e do método
O processo de criação de um protótipo utilizando fibra de carbono começa com a criação de um modelo 3D da peça ou produto pretendido utilizando software CAD. De seguida, decida o método que irá utilizar para dar vida ao modelo 3D. O fabricante pode imprimir o molde em 3D ou utilizar o método tradicional de fabrico de moldes. Quando tiver o molde, cubra-o com epóxi para criar uma superfície lisa e polida.
2. Estratificação ou moldagem
O molde é revestido com um agente de libertação para evitar que o protótipo de fibra de carbono se cole a ele. O objetivo é facilitar a separação da peça acabada do molde. Após a aplicação, utilize uma técnica de colocação ou de moldagem para criar o seu protótipo:
- Colocação húmida: Aplique a resina diretamente no molde e aplique-lhe uma camada de fibra de carbono. Este método é ideal para a produção económica e de baixo volume de protótipos.
- Laminação de pré-impregnados: As camadas de fibra de carbono pré-impregnadas com resinas parcialmente curadas são colocadas no molde sob temperatura e pressão controladas. Isto permite ao fabricante controlar com precisão a orientação da fibra de carbono e o teor de resina.
- Moldagem por transferência de resina: A fibra de carbono seca é colocada numa cavidade do molde e a resina líquida é injectada na cavidade do molde, onde impregna as fibras. É frequentemente a escolha preferida para a criação de peças com formas complexas ou tolerâncias dimensionais apertadas.
3. Cura e acabamento
O compósito é deixado a endurecer. Se tiver sido utilizada a laminação de pré-impregnados ou a moldagem por transferência de resina, a cura ocorrerá normalmente sob temperatura e pressão controladas. Após a cura, remover ou separar cuidadosamente o protótipo de fibra de carbono curado do molde (desmoldagem).
O acabamento envolve normalmente o corte do material em excesso e a aplicação de um revestimento. O processamento adicional, como o detalhe ou a modelação de precisão, pode ser conseguido utilizando maquinagem CNC (Controlo Numérico Computadorizado). O processo de maquinagem da fibra de carbono pode ser um desafio. Para obter os melhores resultados, trabalhe sempre com um fabricante experiente, como a First Mold.
Erros comuns de prototipagem em fibra de carbono para principiantes
O processo de criação de protótipos em fibra de carbono apresenta desafios únicos devido ao complexo processo de fabrico e ao seu elevado custo. Um pequeno passo em falso pode ter um enorme impacto na integridade do produto ou no orçamento de produção. Aqui estão alguns dos erros comuns que todos os principiantes devem evitar.
1. Análise de custos incorrecta
O custo da fibra de carbono é significativamente mais elevado do que o de outros materiais tradicionais, como o plástico e o alumínio. A procura excessiva de fibras de alto módulo pode fazer subir ainda mais o preço, o que pode levar ao esgotamento prematuro do orçamento de produção. Além disso, o processo de produção de fibra de carbono de alto módulo consome muita energia. A menos que seja necessário, escolha fibras de módulo intermédio para reduzir o custo.
Embora as fibras de carbono de alto módulo ofereçam uma excelente rigidez, têm uma resistência à compressão inferior quando colocadas lado a lado com fibras de módulo intermédio, o que pode limitar a sua competência estrutural para aplicações em que é necessária uma tolerância significativa à carga de compressão.
2. Erros de processamento
Os erros de processamento mais comuns na prototipagem de fibra de carbono surgem quando o técnico não possui competências adequadas ou equipamento especializado no manuseamento correto de qualquer uma das etapas envolvidas. Por exemplo, a cura das resinas utilizadas para ligar as fibras de carbono deve ser feita a uma temperatura, pressão e humidade específicas. Se tal não for feito, pode levar a uma ligação incorrecta e a uma delaminação prematura ou falha do protótipo.
3. Armadilha da especificação do projeto
O erro de conceção comum que os recém-chegados à prototipagem de fibra de carbono cometem frequentemente é escolher a sequência de laminados errada, o que pode afetar a rigidez e a resistência do compósito. A incapacidade de equilibrar e simetrizar corretamente a estratificação pode ter o mesmo impacto. Outros erros relacionados com a conceção que ocorrem normalmente durante a produção incluem:
- Os fabricantes escolhem um método para uma peça específica com base na conveniência e não na aplicação pretendida e na sustentabilidade
- Não ter em conta a resistência do material à corrosão, o que pode levar a uma falha prematura
- A conceção incorrecta das ferramentas pode levar a inadequações da superfície, como não ter em conta o mecanismo de fixação e a tolerância
- Fragmentação ou fissuração durante a maquinagem devido à natureza frágil da fibra de carbono e a parâmetros de maquinagem inadequados
Escolher serviços de prototipagem em fibra de carbono para o seu projeto
Há áreas em que nunca se deve comprometer ao escolher um parceiro para as suas necessidades de prototipagem em fibra de carbono, incluindo a experiência do fornecedor, a garantia de qualidade e as capacidades tecnológicas. Estes factores determinarão a sua capacidade de satisfazer as necessidades exclusivas do seu projeto.
Tabela de avaliação de fornecedores
| Factores | O que deve ser observado |
|---|---|
| Conhecimentos especializados e experiência | Peça ao fornecedor que lhe mostre o seu historial de prototipagem em fibra de carbono, incluindo projectos concluídos. |
| Certificação | Se o seu projeto se insere numa indústria regulamentada, certifique-se de que o fornecedor possui a certificação necessária. |
| Conhecimentos tecnológicos | Se possível, visite as suas instalações e avalie as suas tecnologias de produção. |
| Seleção de materiais | O fabricante certo deve utilizar material de fibra de carbono que corresponda aos requisitos do seu projeto. |
| Garantia de qualidade | Devem dispor de um processo sólido de garantia da qualidade, desde o ensaio do material até ao produto acabado. |
| Velocidade de entrega | O tempo de resposta deve ser suficientemente rápido para cumprir o prazo do seu projeto |
| Custo | Escolha um fornecedor que ofereça a melhor relação qualidade/preço, o que pode incluir apoio à pós-produção. |
Preste atenção extra à transparência de custos do fornecedor, que deve indicar claramente os custos de mão de obra, material e tempo de máquina. Por exemplo, a taxa de modificação do molde é normalmente $200 ou mais por vez. A mão de obra, o material e o tempo de máquina necessários para concluir a alteração da geometria ou da caraterística determinarão o custo real. O tipo de material do molde e a complexidade da modificação aumentarão o custo. Por outras palavras, só saberá o custo total no final da produção.
Com este método de avaliação de custos, será mais difícil estimar corretamente o custo total da prototipagem em fibra de carbono. Em vez disso, recomendamos a escolha de um fornecedor que ofereça contratos de preço total fixo. Neste caso, o fornecedor concordará em concluir o projeto por um preço fixo. A First Mold tem estado no processo de fabrico de protótipos através de maquinagem CNC há mais de uma década e oferece os contratos de preço fixo mais competitivos do sector. Pode marcar um orçamento gratuito aqui.
FAQ
A fibra de carbono tem uma relação resistência/peso superior à do alumínio, do aço e do plástico, sendo ao mesmo tempo leve, o que a torna ideal para peças que requerem elevada resistência.
A fibra de carbono é leve e possui uma elevada resistência, pelo que podem ser facilmente criadas peças com geometrias complexas. Além disso, os fabricantes podem obter protótipos mais rápidos quando utilizam a impressão 3D.
Os filamentos de fibra de carbono são compatíveis com a maioria das impressoras 3D FDM/FFF disponíveis no mercado. No entanto, o bocal tem de ser atualizado para aço endurecido devido à natureza abrasiva da fibra.
Referências
[1] Xu, X., Peng, G., Zhang, B., Shi, F., Gao, L., & Gao, J. (2024). Desempenho dos materiais, métodos de fabrico e aplicações de engenharia na aviação de polímeros reforçados com fibras de carbono: Uma revisão exaustiva. Thin-Walled Structures, 209, 112899. https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112899
[2] DeMerchant, C. (n.d.). Caraterísticas da fibra de carbono. ChristineDeMerchant. https://www.christinedemerchant.com/carboncharacteristics.html
[3] ChemEurope. (n.d.). Força específica. Enciclopédia Chemeurope. https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Specific_strength.html
[4] MatWeb. (n.d.). Ensaio de propriedades de tração de plásticos. Referência MatWeb. https://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
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