Estudo e desenvolvimento de reservatório para armazenamento de hidrogénio

Universidade do Minho Escola de Engenharia Carlos Xavier Azevedo Soares Estudo e desenvolvimento de reservatório para armazenamento de hidrogénio Outubro de 2021 Estudo e desenvolvimento de reservatório para armazenamento de hidrogénio Nome do Aut Carlos Xavier Azevedo Soares UMinho | 2021 Carlos Xavier Azevedo Soares Estudo e Desenvolvimento de Reservatório para Armazenamento de Hidrogénio Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia de Polímeros Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor João Pedro Lourenço Gil Nunes Engenheiro Miguel Vasconcelos Outubro de 2021 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho [Caso o autor pretenda usar uma das licenças Creative Commons, deve escolher e deixar apenas um dos seguintes ícones e respetivo lettering e URL, eliminando o texto em itálico que se lhe segue. Contudo, é possível optar por outro tipo de licença, devendo, nesse caso, ser incluída a informação necessária adaptando devidamente esta minuta] Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ [Esta licença permite que outros distribuam, remixem, adaptem e criem a partir do seu trabalho, mesmo para fins comerciais, desde que lhe atribuam o devido crédito pela criação original. É a licença mais flexível de todas as licenças disponíveis. É recomendada para maximizar a disseminação e uso dos materiais licenciados.] iii AGRADECIMENTOS Reservo este espaço para agradecer a todos aqueles que, de maneira direta ou indireta, contribuíram para a realização do meu curso desde o primeiro até ao último dia, nomeadamente: À minha família, Mãe, Padrasto e Irmão, principalmente, por todo o apoio e dedicação desde o primeiro momento em que me viram crescer e me ajudaram a ser a pessoa que sou hoje, mas mais importante ainda por me darem as condições necessárias para concluir com sucesso a minha formação - sem eles nada disto seria possível. Em seguida, ao Rui Gomes, Rui Ribeiro, Ricardo Machado e Vítor Malheiro por todos os momentos que passamos, quer seja a estudar, ou a divertir-nos. Foram pessoas que nunca irei esquecer e que levarei para a vida toda. À minha namorada, Mariana Lourenço, pelo incentivo que precisava nesta fase final em que, tendo em conta o contexto pandémico que passamos, sem ela poderia não ter a força mental necessária para o superar e concluir a minha dissertação. Queria também agradecer aos amigos de infância, Abigail Baptista, Inês Tavares e Daniel Pinto da Costa pelo apoio e por estarem sempre disponíveis para tudo. Ao Engenheiro Mário Silva e Guillaume Barros por todo o apoio e ajuda em termos de dificuldades encontradas ao longo da dissertação. Gostaria finalmente de agradecer: Ao Professor Doutor João Pedro Nunes, orientador da dissertação, pelo acompanhamento e ajuda dada na resolução de problemas ao longo do trabalho. Ao engenheiro Miguel Vasconcelos, coorientador desta dissertação, pela disponibilidade sempre apresentada e pelo apoio em dúvidas e noutros obstáculos no decorrer do trabalho. A todo o departamento de compósitos, em especial à Helena Rocha e ao Rafael Alves pela ajuda essencial durante o trabalho experimental e pelo bom ambiente que sempre causaram, mas acima de tudo pelo conhecimento que me passaram ao longo deste tempo. Ao PIEP pela possibilidade de realização da dissertação. À diretora de curso, Carla Martins por estar sempre presente para qualquer problema e por ter sempre uma palavra amiga nos momentos mais difíceis. Por último, agradecer à Universidade do Minho e à cidade de Guimarães por me acolherem nos últimos 6 anos. Muito obrigado a todos! iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. v RESUMO Neste projeto, realizado no PIEPPolo de Inovação em Engenharia de Polímeros, no âmbito de um projeto de parceria com a indústria, desenvolveu-se um depósito em material compósito para armazenamento de hidrogénio. No projeto, para além de se ter tido em consideração as dificuldades levantadas pelo acondicionamento do Hidrogénio, estudaram-se o método de produção do reservatório, as suas dimensões e os materiais a serem utilizados na sua construção. A produção do reservatório será efetuada por enrolamento filamentar sobre um liner em alumínio adquirido externamente. O alumínio foi escolhido como liner para evitar a permeabilidade do reservatório hidrogénio. No enrolamento filamentar, que é um processo usado no fabrico de peças de revolução em compósito, enrolam-se mechas de fibras contínuas impregnadas com resina em torno de um mandril rotativo. Neste trabalho optou-se por fabricar reservatórios em compósito para hidrogénio com dois tipos de parede resistente: uma em termoendurecível (epóxido) reforçado com fibras de carbono e, alternativamente, outra em termoplástico (Poliamida 12) reforçado com o mesmo tipo de fibras. No presente caso, o próprio liner em alumínio é que foi colocado entre o cabeçote fixo e o móvel da máquina de enrolamento para que pudesse ser simultaneamente usado como mandril. Durante o enrolamento, fizeram-se passar mechas contínuas de fibra de carbono sendo depositadas com as orientações desejadas sobre o mandril (liner) através do olhal para posteriormente ser feita a infusão de resina no mesmo. Alternativamente, também foi utilizada como matéria-prima uma fita termoplástica de resina de poliamida 12 (PA 12) reforçada com fibras contínuas de carbono. A utilização de um termoplástico como matriz permitirá que os reservatórios fabricados se tornem bastante mais sustentáveis por, contrariamente do que acontece com os termoendurecíveis, os termoplásticos poderem ser reprocessados e mais facilmente reciclados. Para concluir foi desenvolvido um reservatório de aproximadamente 1L de volume para armazenar Hidrogénio a 300bar de pressão. Após conclusão dos ensaios é possível observar que o material termoendurecível é o mais resistente em termos de Tração e Compressão sendo o material escolhido para o reservatório final. PALAVRAS-CHAVE Hidrogénio; Pressão; Reservatório; Termoendurecível; Volume. vii ABSTRACT In this project, carried out at the PIEP - Polymer Engineering Innovation Pole, as part of a partnership project with the industry, a pressure vessel in composite material for hydrogen storage was developed. In the project, in addition to considering the difficulties raised by the conditioning of hydrogen, the method of production of the pressure vessel, its dimensions and the materials to be used in its construction were studied. The production of the pressurized vessel will be made by filament winding on an aluminium liner acquired externally. Aluminium was chosen as the liner to avoid permeability of the hydrogen through the aluminium walls. In filament winding, which is a process used in the manufacture of composite revolved parts, slivers of continuous fibres impregnated with resin are wound around a rotating mandrel. In this case, it was decided to manufacture hydrogen composite tanks with two types of resistant wall: one in thermosetting (epoxide) reinforced with carbon fibres and, alternatively, another in thermoplastic (Polyamide 12) reinforced with the same type of fibres. In the present case, the aluminium liner itself was placed between the fixed and mobile head of the winding machine so that it could be used simultaneously as a mandrel. During winding, continuous strands of carbon fibre were deposited in the desired orientations on the mandrel (liner) through the eyelet and after that an infusion of resin was made. Alternatively, a thermoplastic tape made of polyamide 12 (PA 12) resin reinforced with continuous carbon fibres was also used as raw material. The use of a thermoplastic as a matrix will allow the manufactured reservoirs to become much more sustainable because, contrary to what happens with thermosets, thermoplastics can be reprocessed and more easily recycled. To conclude, a pressure vessel of approximately 1L volume was developed to store hydrogen at 300bar pressure. After completion of the tests, it is possible to observe that the thermosetting material is the most resistant in terms of traction and compression, being the material chosen for the final pressure vessel. KEYWORDS Hydrogen; Pressure; Pressure Vessel; Thermosetting; Volume; xv ÍNDICE DE TABELA Tabela 1Propriedades Típicas das Fibras......................................................................................... 10 Tabela 2Geometria dos Provetes para Ensaios de Tração ................................................................ 28 Tabela 3Dados Recolhidos da Análise das Curvas Tensão-Deformação ............................................ 34 Tabela 4Dados obtidos dos ensaios de tração nos provetes de PA 12 reforçada com fibras de carbono a 0º .................................................................................................................................................. 35 Tabela 5Dados obtidos dos ensaios de tração nos provetes de PA 12 reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º ............................................................................................................................... 36 Tabela 6Características mecânicas em tração obtidas nos provetes epóxido reforçado com fibras de carbono a 0º .................................................................................................................................... 37 Tabela 7Características mecânicas em tração dos provetes em epóxido reforçado com fibras de carbono orientadas a 90º ............................................................................................................................... 38 Tabela 8-Caracteristicas mecânicas em compressão para os compósitos de matriz termoendurecível e termoplástico na direção das fibras de reforço, determinadas a partir das curvas força-deslocamento registadas nos ensaios ..................................................................................................................... 41 Tabela 9-Dados Recolhidos da Análise das Curvas Força Deslocamento de Material com Matriz Termoendurecível e Termoplástico Enrolado a 90º ............................................................................ 43 Tabela 10Tipos de falha verificados nos provetes ensaiados e respetiva validação ........................... 44 Tabela 11Dados de Tensões para Validação de Dimensionamento .................................................. 50 Tabela 12Dados de Deformação para Validação de Dimensionamento ............................................ 50 Tabela 13Dados de Deformação para Validação de Materiais .......................................................... 51 xvi LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÓNIMOS 𝐵𝑆Área de secção da fibra 𝜀𝑐Deformação no enrolamento circunferencial 𝜀ℎDeformação no enrolamento helicoidal 𝜀𝑚á𝑥Deformação máxima admissível 𝜀𝑙𝑖𝑚Deformação máxima do liner 𝜌𝑓Densidade da fibra ρ - Densidade do laminado 𝜌𝑟Densidade da resina 𝐷𝑖Diâmetro interno 𝑡𝑐Espessura de enrolamento circunferencial 𝑡ℎEspessura de enrolamento helicoidal WEspessura do roving KFator de design [A1, A5] - Fatores parciais de design SFator de Segurança 𝑚𝑓Fração mássica de fibra 𝑚𝑚Fração mássica de resina 𝑣𝑓Fração volúmica de fibra 𝑣𝑚 - Fração volúmica de resina HDTHeat deflection temperature (resin) bLargura da camada E1Módulo de Elasticidade no sentido longitudinal E2Módulo de Elasticidade no sentido transversal 𝑛𝑐Número de enrolamentos circunferenciais 𝑛𝑤Número de enrolamentos longitudinais 𝑁𝑟Número de rovings PSPressão de serviço 𝑋𝑡Resistência máxima à tração longitudinal 𝑌 𝑡Resistência máxima à tração transversal TSTemperatura de Serviço xvii 𝜎𝑐Tensão no enrolamento circunferencial 𝜎ℎTensão no enrolamento helicoidal 𝜎𝑈𝑇𝑆 = 𝑋𝑡 𝐾 - Tensão máxima admissível 𝑁∅- Tensão nominal longitudinal 𝑁𝜃Tensão nominal transversal 1 1. INTRODUÇÃO Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do mestrado em Engenharia de Polímeros, orientado pelo Professor João Pedro Lourenço Gil Nunes, do plano de estudos do último ano do Mestrado Integrado em Engenharia de Polímeros e foi realizado no PIEPPolo de Inovação em Engenharia de Polímeros, com orientação do Engenheiro Miguel Vasconcelos. A motivação que me levou a selecionar este projeto foi poder trabalhar na área dos compósitos e, simultaneamente, também contatar com a indústria de modo a conseguir ter uma visão mais exata destes ambientes e das problemáticas que diariamente é necessário resolver. O enrolamento filamentar é um método contínuo e de baixo custo usado no fabrico de peças em compósito com geometria cilíndrica e/ou de revolução. Embora inicialmente as máquinas de enrolamento fossem comandadas mecanicamente e apenas conseguissem produzir formas simples, elas sofreram uma forte evolução nos últimos anos, tornando-se cada vez mais versáteis com a introdução de tecnologias de comando numérico (CNC), permitindo o fabrico em termos económicos de peças com geometrias mais complexas e assimétricas. A tecnologia é usada para a produção de componentes para uma ampla área de mercados, tais como: as indústrias automóvel, aeronáutica, desportiva e militar. Reservatórios pressurizados, tanques, eixos, mancais, secções de fuselagem, raquetes de ténis, mastros, entre outros, são hoje exemplos de peças produzidas através da tecnologia de enrolamento filamentar [1]. O comportamento mecânico das estruturas produzidas por enrolamento filamentar é sobretudo influenciado pela orientação da deposição das fibras. Essa orientação (ângulo de enrolamento) é determinada pela combinação entre a velocidade de rotação do mandril e a velocidade de deslocamento transversal do carrinho de deposição da fita ou das mechas de fibra (rovings). Uma determinada estrutura pode ter as suas diversas camadas depositadas com diferentes ângulos de enrolamento, obtendo-se assim laminados com comportamentos mecanicamente distintos. O ângulo ideal de enrolamento depende da grandeza e da natureza da(s) carga(s) aplicada(s) [2]. Nesta dissertação efetuar-se-á uma seleção de materiais, tais como, material a usar como liner , tipos de fibras de reforço e matriz polímera a utilizar. Irá ser efetuada uma simulação de enrolamento filamentar no programa CADWIND, de maneira a gerar um código de comando para o equipamento de enrolamento presente nas instalações do PIEP e proceder-se-á à deposição das fibras no reservatório. 2 Efetuar-se-á também um levantamento de normas para o cálculo do estratificado e para a realização de ensaios mecânicos necessários para a solução encontrada. Após enrolamento do reservatório, será efetuado um estudo para as possibilidades em que o reservatório possa vir a ser utilizado. 1.1. Objetivos Esta dissertação tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de um reservatório capaz de armazenar hidrogénio a elevadas pressões (±30MPa) produzido em material compósito fabricado por enrolamento filamentar na máquina instalada no PIEP. Este método de fabrico é um método que permite deposição com elevada precisão e com a orientação desejada. Esta ideia de produção tem em vista dar continuidade ao projeto já realizado na UC “Projeto Individual“ e visa passar da teoria à prática no que toca ao desenvolvimento do reservatório e para isso é necessário fazer algumas alterações quanto a certos conceitos estudados anteriormente, tais como, alteração das calotas do reservatório, novo cálculo para estratificado mediante norma adequada ao pretendido e uma melhor compreensão do software CADWIND. Posto isto, antes de se passar à prática procedeu-se a um estudo mais aprofundado de alguns pontos, tais como: • Como evitar eventuais fugas do hidrogénio num reservatório construído em material compósito; • Como diminuir o peso final do reservatório; • Quais as vantagens e desvantagens em usar um liner em alumínio; • Definição das dimensões finais do reservatório; • Definição de ciclos de vida a considerar; • Realização dum desenho CAD do reservatório para posterior fabrico de protótipos; • Estudo do comportamento a impacto do reservatório em caso de queda; • Fabrico de protótipos do reservatório por enrolamento filamentar. 3 1.2. PIEP O PIEPPolo de Inovação em Engenharia de Polímeros, é uma associação privada sem fins lucrativos situada em Guimarães, no Campus de Azurém da Universidade do Minho. Foi criado a 18 de abril de 2001 por iniciativa do setor de plástico e moldes e numa colaboração entre a Universidade do Minho, através do Departamento de Engenharia de Polímeros (DEP), e o IAPMEI. O PIEP tem como missão ser uma referência na inovação na engenharia de polímeros, assegurando uma resposta em tempo oportuno às necessidades de I&DT dos seus associados e clientes, com base num conhecimento diferenciado nos diversos domínios tecnológicos estratégicos, e com vocação para converter ideias em produtos. Sendo uma instituição vocacionada para ‘‘Converter Ideias em Produtos’’, fazem parte do portfólio de I&DT do PIEP inúmeras soluções por ele desenvolvidas em colaboração com o setor industrial. São ainda principais objetivos da atividade do PIEP: • Contribuir para o reforço da competitividade da indústria de plásticos e moldes, através do desenvolvimento de tecnologias próprias e conceção das mesmas; • Potenciar uma cultura e uma prática efetiva de I&DT no setor através da disponibilização dos seus recursos humanos, infraestrutura física e informação técnica necessárias; • Responder, em tempo oportuno às necessidades I&DT das empresas; • Formalizar a ligação entre a indústria do setor, a Universidade do Minho e a sua rede de contactos internacionais; • Promover a participação das empresas nacionais em projetos de I&DT europeus; • Evidenciar a capacidade endógena nacional de responder, em tempo útil, a desafios específicos de inovação; • Fomentar o desenvolvimento de produtos próprios ou participar em consórcios de empresas nacionais com esse produto; • Melhorar a qualidade dos recursos humanos em engenharia de polímeros, sobretudo na atividade I&DT aplicada. Por fim, o PIEP constitui-se como um parceiro de referência para a inovação no seio do tecido produtivo nacional e internacional do setor de plástico e afins, permitindo-lhe materializar novas ideias, base do desenvolvimento económico e sustentável e da competitividade industrial [3], [4]. 4 1.3. Estrutura da Dissertação Esta dissertação está dividida em 7 capítulos. O presente capítulo é constituído por uma introdução, objetivos do trabalho a executar, apresentação da entidade onde o mesmo será efetuado e, por fim, este pequeno resumo da estrutura da dissertação. No capítulo 2 descreve-se o estado de arte relativamente a materiais, produtos e tecnologias existentes e que podem ser aplicadas no trabalho a desenvolver. O capítulo 3 inclui o procedimento experimental usado durante os trabalhos realizados, nomeadamente, no que se refere à seleção de matérias primas aplicadas e metodologia, normas, e equipamentos empregues nos ensaios experimentais. No capítulo 4 descrevem-se mais aprofundadamente o equipamento de enrolamento filamentar, o software e o procedimento de geração de trajetórias de enrolamento das camadas do estratificado utilizados neste trabalho, bem como, as técnicas de preparação de matérias-primas empregues na construção de protótipos. No capítulo 5 apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos nos ensaios a que foram submetidos os reservatórios, nomeadamente, inflamabilidade, calcinação, permeabilidade e resistência ao impacto. As conclusões deste trabalho são apresentas no capítulo 6 e por último no capítulo 7 estão apresentadas recomendações para trabalhos futuros. 5 2. ESTADO DE ARTE Materiais compósitos são todos os formados por dois ou mais materiais distintos a nível macroscópico. Embora uma grande variedade de materiais correspondam a esta definição, este trabalho restringe-se apenas e só aos materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras longas que pudessem ser usados a construção de reservatórios para armazenamento de gases sob pressão [5]. Normalmente são constituídos por duas fases, a matriz, que tem como função a manutenção das fibras nas orientações desejadas e garantir a sua proteção contra abrasão e efeitos ambientais, bem como a transferência e distribuição das tensões entre elas. As fibras constituem, por sua vez, o chamado reforço, que como o próprio nome indica suporta a maioria dos esforços a que o compósito estará exposto e lhe confere maior dureza, resistência mecânica, tenacidade e rigidez. Os compósitos, têm vindo a ser cada vez mais utilizados na engenharia como consequência das suas excelentes propriedades mecânicas, reduzido peso, isolamento térmico, etc. Tendo em conta os processos de fabrico a utilizar na construção dos reservatórios, torna-se necessário fazer uma seleção rigorosa e criteriosa de materiais e de todas as outras variáveis de processamento, tais como, conteúdo relativo dos constituintes, direções de orientação das fibras que se deverão vir a usar. Nas seções seguintes abordam as matérias primas e tecnologias disponíveis e mais adequadas a poderem vir a ser utilizadas no fabrico dos reservatórios que se pretendem desenvolver neste trabalho [6]. 2.1. Reservatórios Pressurizados Um reservatório pressurizado é uma casca fechada, que contém um material líquido ou gasoso no seu interior sujeito a pressão interna/externa. Tradicionalmente usam-se mais no seu fabrico materiais metálicos, tais como, o aço, ligas de alumínio, ligas de titânio ou, em casos mais específicos, o vidro ou o plástico. O seu projeto envolve normalmente o estudo dos requisitos que terão de suportar ao longo do tempo, a escolha dos materiais que apresentem as características mais adequadas a corresponder a essas exigências e a validação ou comprovação do seu comportamento por meio de ensaios [7]. Os testes efetuados seguem normalmente um conjunto de normas internacionais estabelecidas para o propósito do reservatório. O reservatório final, sobretudo se sujeito a pressão, deve ser uma estrutura extremamente fiável e capaz de garantir a maior segurança possível. Estas exigências e a forte concorrência que atualmente caracteriza o mercado exigem que o projetista tenha, para além de uma 6 importante experiência das tecnologias e regras básicas a utilizar no fabrico, um rigoroso conhecimento dos esforços instalados na parede dos reservatórios e do comportamento dos materiais utilizados. Só assim será efetivamente possível garantir o cumprimento de todos requisitos exigidos e, simultaneamente, minimizar riscos e os custos em matéria-prima e de fabrico. A geometria a utilizar é um dos fatores mais importantes a ter em consideração no projeto de um reservatório. Habitualmente opta-se por usar formas de revolução e raios de concordância generosos, o que contribui para uma redução bastante significativa das tensões e da concentração das mesmas em zonas indesejáveis das paredes dos reservatórios e, consequentemente, para a minimização da espessura e do peso do reservatório. Durante a segunda metade do séc. XX, abriram-se novas possibilidades de melhoramento do desempenho dos reservatórios com o advento da aplicação de materiais compósitos na sua construção e aparecimento do enrolamento filamentar como tecnologia de transformação. A aplicação destes novos materiais compósitos e métodos de fabrico permitiram reduzir acentuadamente o peso e custo de fabrico dos reservatórios sob pressão, ao mesmo se aumentava significativamente as suas propriedades mecânicas. A imaginação e experiência dos projetistas aliada à utilização das novas técnicas avançadas de cálculo por computador, como sejam, a análise por diferenças finitas e/ou por elementos finitas, permitiram também encontrar rapidamente soluções cada vez mais económicas e apropriadas para reservatórios mais adequados a diferentes aplicações [8]. Finalmente, importa ainda referir, que o projeto dum reservatório implica uma análise muito cuidada dum conjunto amplo e complexo de fatores, muitos dos quais estabelecidos por normas existentes, onde se destacam, pelo menos, os seguintes: i. Tempo de vida do reservatório; ii. Tecnologia de fabrico a usar; iii. Materiais a aplicar; iv. Pressão interior/exterior de armazenamento v. Ciclos de pressão durante a vida vi. Temperatura de armazenamento vii. Dimensionamento; viii. Condições de utilização; ix. Acessórios a utilizar; x. Manutenção; xi. Normas a cumprir. 7 Na figura 1 estão ilustrados os diferentes tipos de calotes tipicamente usadas em reservatórios para armazenamento de produtos líquidos e ou gasosos. Figura 1Diferentes tipos de calotes usadas em reservatórios para armazenamento de líquidos e/ou gases [9] 2.2. Materiais Compósitos Os materiais compósitos são formados por dois ou mais materiais distinguíveis a nível macroscópico. De entre a diversidade de materiais possíveis, este trabalho apenas abordará os materiais poliméricos reforçados com fibras. Trata-se de materiais que apresentam normalmente excelentes valores de resistência, rigidez mecânica e de resistência à corrosão e densidade inferior à maioria dos materiais tradicionais. Por apresentarem excelentes propriedades mecânicas e menor peso, os materiais compósitos têm vindo a demonstrar serem mais capazes de satisfazer os requisitos mais exigentes das aplicações avançadas nos mercados aeronáutico, aeroespacial e militar [10]. Embora reforço e matriz determinem diferentes propriedades ao compósito final, as características deste último resultam da combinação dos seus constituintes desde que haja uma boa interação entre a matriz e as fibras. A transferência de cargas da matriz para as fibras faz com que o compósito final se comporte mecanicamente muito melhor do que a matriz individualmente. Nesta dissertação far-se-á uma ligeira abordagem às matérias primas e às tecnologias mais utilizadas na produção de reservatórios em materiais compósitos, tais como o enrolamento filamentar. 14 Neste tipo de enrolamento, antes da sua passagem pelo banho de resina, as mechas de fibras são alimentadas a partir de rolos pré-tensionados que asseguram a sua boa impregnação e compactação na deposição durante a deposição sobre o mandril de enrolamento.[16] Embora este processo apresente um custo baixo e garanta uma fácil manutenção, conduz a algum desperdício de resina e a uma maior exigência no controlo da pré-tensão a aplicar. A impregnação por via húmida usa habitualmente dois sistemas principais que se encontram descritos a seguir: os sistemas fechados e abertos. Sistemas Fechados O funcionamento do sistema fechado (ver Fig. 2) consiste em sifão onde são inseridas na extremidade, as fibras e a resina, havendo posteriormente a sua impregnação, por pressão, na passagem pela curva inferior do sifão. Uma das vantagens deste sistema é ocorrer uma impregnação limpa, assim como um projeto mais compacto podendo o mesmo ser montado junto ao olho de deposição, impedindo assim grande perda de resina. É uma técnica em constante desenvolvimento ao longo dos anos permitindo assim aumento de pressão da resina e garantindo uma melhor impregnação. A Figura 2 apresenta um sistema de impregnação fechado. Figura 2Sistema de Impregnação Fechado Sistemas Abertos Os sistemas de impregnação abertos podem ser divididos em dois tipos: drum-type e dip-type (ver Fig. 3). O sistema drum-type consiste na compactação do roving contra um rolo, onde é criado um filme por um sistema calibrador que remove os excessos de resina. O sistema dip-type consiste no mergulho do roving na resina e a passagem por uma série de alfinetes para completar a impregnação. As principais diferenças entre os dois é a velocidade e a qualidade de impregnação sendo a impregnação mais lenta, mas com maior qualidade no sistema drum-type . Os sistemas abertos são atualmente mais utilizados na indústria por serem mais facilmente e rapidamente reparáveis e permitirem uma operação mais simplificada. Na Figura 3 apresenta os dois tipos de sistemas abertos acima referidos. 15 Figura 3Dois tipos de sistemas abertos; à esquerda Drum-type, à direita Dip-type Enrolamento por via-seca No enrolamento por via seca, pelo contrário, deposita-se no mandril uma pré-mistura de fibras de reforço já totalmente ou parcialmente impregnadas pela matriz, que pode ser do tipo termoendurecível ou termoplástico. Se a matriz for do tipo termoplástico, a banda passa, antes da sua deposição, por um forno (muitas vezes de UV) que permite fundir a matriz termoplástica que, depois, tem de impregnar as fibras de reforço ou de garantir a consolidação final do laminado. De facto, nalguns casos de os reforços ainda não se encontra totalmente impregnados ( towpregs ou commingled fibers , por exemplo) e noutros ( tapes e prepregs de matriz termoplástica, por exemplo) eles já se encontram totalmente impregnados. A utilização de matrizes termoplásticas permite um enrolamento mais limpo do que as termoendurecíveis por não existir a fase de impregnação da resina. É também um processo mais dispendioso que o anterior pelo facto de a matéria prima ter um preço mais elevado e o material ter de ser aquecido. No enrolamento por via seca também se poderão utilizar pré-impregnados de matriz termoendurecível, normalmente designados por prepregs ou tapes de matriz termoendurecível, nomeadamente no fabrico de peças para aplicações de elevado desempenho, onde propriedades mecânicas são um requisito essencial. Neste tipo de enrolamento, são utilizados reforços impregnados com resinas termoendurecíveis. Estes prepregs têm de ser armazenados a baixa temperatura para não sofrerem o processo de cura da matriz. A cura só se inicia após enrolamento através do uso de aquecimento direto no mandril, posterior num forno ou a utilização de ambos. 16 2.7. Ângulos de Enrolamento Como atrás se referiu, o tipo de enrolamento filamentar é ainda, muitas vezes, classificado de acordo com ângulo de deposição nos seguintes três tipos: • Enrolamento helicoidal; • Enrolamento circunferencial; • Enrolamento polar; No enrolamento helicoidal as bandas são depositadas alternadamente com ângulos predeterminados até que a superfície do mandril seja totalmente preenchida (ver Figura 4a). No enrolamento circunferencial as bandas são depositadas com um ângulo muito perto de 90º relativamente ao eixo do mandril (Figura 4c), sendo as bandas sucessivamente depositadas com um avanço igual à sua largura. Estes dois tipos anteriores de enrolamento exigem normalmente a utilização das máquinas de enrolamento mais simples, habitualmente designadas por máquinas de enrolamento helicoidal, que apenas apresentam dois movimentos coordenados, a rotação do mandril e a translação do carro de deposição da fibra paralelamente ao eixo do mandril Já no enrolamento polar, as fibras podem ser colocadas segundo uma grande variedade de ângulos e mesmo variar o ângulo de deposição ao longo do mandril por forma a produzir reservatórios completos munidos de fundos (Figura 4b). Este tipo de enrolamento exige a utilização de máquinas de enrolamento de comando numérico (CNC), muito mais complexas e com diversos eixos independentes. Algumas delas garantem mesmo o movimento rotacional do mandril em várias direções.[17][18] Figura 4Tipos de Enrolamento Filamentar[18] Neste trabalho será utilizada uma máquina de enrolamento polar com seis eixos independentes existente no PIEP, que foi projetada e construída em Portugal no âmbito de um projeto de colaborativo entre o PIEP e duas empresas industriais. 17 2.8. Tipos de Mandril Os mandris usados no enrolamento filamentar podem ser bastante simples, complexos e serem construídos em diversos materiais. Referem-se a seguir alguns dos principais aspetos que devem ser tidos em conta na escolha do mandril a utilizar no enrolamento: • Durabilidade; • Condutividade e expansão térmica; • Tolerâncias geométricas; • Peso; • Resistência ao calor; • Deflexão; • Preço. Os mandris usados no enrolamento filamentar são normalmente de quatro tipos: • Mandris perdidos; • Mandris solúveis ou insufláveis; • Mandris retráteis; • Mandris com saída. Os mandris perdidos fazem parte do produto final a fabricar, como liner interior. Usam-se quando as cadências de produção são elevadas e o custo de remoção do liner ser mais elevado do que o manter ao produto final. [19] Os mandris solúveis, como o seu nome indica, podem ser dissolvidos após o fabrico da peça final. São normalmente fabricados em areia ou outro material semelhante que possa ser aglutinado por uma substância solúvel. Eles são removidos através de pequenos orifícios concebidos para o efeito, sendo apenas necessário água ou outro líquido adequado à dissolução do aglutinante usado. Os mandris insufláveis, com funcionamento muito semelhantes aos anteriores, são fabricados em elastómero que pode ser insuflado por ar ou outro gás sob pressão. Uma vez produzida a peça final, o ar/gás é retirado do interior do elastómero que é então removido através de um pequeno orifício concebido para esse efeito. Por sua vez, os mandris retráteis têm uma estrutura que pode ser reduzida ou desmontada por ação mecânica após a peça final ter sido produzida por enrolamento filamentar. Finalmente, os mandris com saída permitem a desmoldagem da peça sob aplicação de uma força de desmoldagem. São tipicamente usados para produção de tubos com pequeno a médio diâmetro interior 18 (tipicamente tubos de diâmetro interior inferior a 600 mm) e apresentam conicidade (diâmetro de uma das extremidades superior ao da oposta). Nestes mandris é normalmente necessário usar uma substância o material desmoldante sobre o mandril para que a remoção da peça final seja fácil. 2.9. Tipos de Máquinas de Enrolamento Filamentar Nas máquinas de enrolamento, nomeadamente as de enrolamento polar, o mandril pode ainda estar montado sobre um eixo de rotação horizontal ou vertical. As máquinas de eixo horizontal estão especialmente adaptadas para a realização dos enrolamentos circunferencial e helicoidal. São muito versáteis e encontram-se bem difundidas na indústria, podendo ser bastante sofisticadas relativamente aos graus de liberdade de movimentos, sobretudo para permitirem realizar enrolamentos polares. A máquina usada no presente trabalho permite, por exemplo, seis graus de movimento (rotação do mandril, três movimentos de translação e duas rotações do mecanismo de deposição). Usando este tipo de técnica, se empregarem dois carros de deposição o sistema fica com onze graus de liberdade. As máquinas que têm o mandril montado sobre um eixo vertical servem, sobretudo, para realizar enrolamentos polares. Enquanto o mandril roda em torno de dois eixos, o braço de deposição das mechas de fibra de reforço, realiza uma trajetória circular em torno do eixo do mandril.[1], [14] 2.9.1. Eixo Horizontal Adaptados para realizar preferencialmente enrolamento circunferencial e helicoidal. É uma técnica muito versátil e difunda na indústria. A mais sofisticada poderá ter até seis graus de liberdade (rotação do mandril, três movimentos de translação e duas rotações do mecanismo de deposição) e pode ser utilizada para realizar peças de grandes dimensões, possuindo um elevado índice de produtividade. Se este tipo de técnica utilizar dois carros de deposição, fica com onze graus de liberdade. 2.9.2. Eixo Vertical Servem para realizar enrolamento polar e helicoidal. O mandril pode rodar em torno do seu eixo enquanto o braço de deposição se move com trajetória circular em torno de um eixo perpendicular ao eixo do mandril. 19 2.10. Infusão de Resina por Vácuo A infusão de resina oferece a vantagem de se usarem fibras padrão e sistemas de resina levemente modificados para criar componentes com muito poucas imperfeições, conteúdo de fibra bastante elevado e homogéneo e custo inferior a outros sistemas semelhantes. É um processo de fabrico relativamente rápido podendo até a cura do laminado ser efetuada à temperatura ambiente ou a baixas temperaturas dependendo da escolha da resina. Requer alguma atenção, principalmente no que diz respeitos ao escoamento da resina devido à complexidade das linhas de alimentação e vácuo e por poderem ocorrer falhas no sistema de criação de vácuo. A teoria básica da infusão de resina consiste no princípio de que ao se colocar um volume sob vácuo qualquer fluído terá a preencher o espaço sob vácuo rapidamente. No caso dos compósitos, os espaços sob vácuo criados entre as fibras secas tenderão a ser preenchidos pela resina que é ‘‘sugada’’ pelo sistema de vácuo[20],[21]. Uma boa infusão terá de ter em conta diversos aspetos na montagem do sistema e uma sequência lógica desses mesmo projetos. A infusão de resina pode realizar laminados com diversas espessuras, mas é necessária atenção redobrada em peças demasiado espessas pois requerem maior cuidado na montagem do processo. Os meios de fluxo têm como função direcionar a resina a partir dos recipientes de alimentação. No cimo da peça, é colocado um peel ply , em seguida uma rede de distribuição que seja permeável para facilitar a distribuição da resina por toda a peça. Posteriormente liga-se o tubo de alimentação da resina (Feed Pipe), que faz a ligação entre o recipiente da mesma e um tubo de distribuição da resina (Feed Distribution Pipe). É ainda utilizado outro componente importante que consiste no escape da resina (Resin Trap) , que impede que o excesso de resina se escape para a bomba de vácuo. Para finalizar a bomba de vácuo, que é um dos suportes principais do sistema, é então acionada e o sistema deverá garantir a existência de vácuo no laminado até que a infusão esteja totalmente finalizada. É aconselhada a utilização de bombas de vácuo especialmente projetadas para este propósito. Para manter o laminado sob vácuo, ele deve ser cuidadosamente envolvido por um saco de vácuo apropriado [20], [22]. A infusão requer cuidados especiais de preparação devido à diversidade de escoamentos e direções possíveis para o mesmo. Um bom planeamento, simulações/testes pode ser feito para minimizar os riscos, e assegurar a inexistência de problemas. 20 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1. Matérias Primas Tendo-se decidido usar um molde não recuperável (e, portanto, um liner) na execução do reservatório, foi necessário selecionar o material e o método de obtenção (compra/fabrico) para liner e, depois, as matérias primas a usar no fabrico da parede estrutural. De seguida serão descritas as soluções encontradas e utilizadas para o desenvolvimento do projeto. De sublinhar, que serão também realizados reservatórios com matriz termoplástica e termoendurecível. 3.1.1. Liner em Alumínio Tendo em conta a extremamente pequena molécula do hidrogénio e evitar fugas de permeabilidade, escolheu-se usar uma camada de alumínio no liner . Decidiu-se, por isso, avaliar a possibilidade de usar um liner totalmente em alumínio. O alumínio é um material relativamente leve, capaz de evitar a passagem de hidrogénio através dele e de fabrico relativamente barato. Não existindo no PIEP capacidade para produzir peças em alumínio, optou-se por contatar então uma empresa norte-americana para efetuar uma encomenda uma de 80 liners de alumínio. Esta solução foi adotada devido à pouca oferta a nível nacional e também porque o custo de fabrico a nível seria mais elevado. 3.2. Prepregs de Matriz Termoplástica Neste trabalho, como já referido anteriormente será utilizado um pré-impregnado de matriz termoplástica reforçada com fibras de carbono na produção de reservatórios. O material selecionado foi a fita termoplástica Suprem™ T 62% C10051 / PA10033 0.14 x 5, presente na figura 5 que é uma fita composta por Poliamida 12 (PA12-2159) reforçada com fibras de carbono T700SC-60E capaz de garantir as propriedades consideradas adequadas para os reservatórios que se pretendem fabricar. A ficha técnica da fibra encontra-se no Anexo I. 21 Figura 5Fita Termoplástica utilizada para enrolamento de reservatórios e provetes 3.3. Material com Matriz Termoendurecível Foi também utilizada uma matriz termoendurecível na execução do reservatório. Neste caso, a matriz selecionada foi uma resina epóxida, Biresin® CR83 da Sika, com boas características mecânicas e resistência à temperatura. As características desta resina podem ser consultadas no Anexo III. Para fibras de reforço usar neste caso, foram selecionadas fibras de carbono tipo PAN, Torayca®T700S12000, da Toray®, de alta resistência (HR). Estas fibras caracterizam-se por terem uma percentagem de carbono de 97-98%, densidade de 1.75-1.9 kg/m3 e mechas de 800 Tex. Outras características destas fibras podem ser consultadas no Anexo II. 3.4. Dimensionamento do laminado Para dimensionamento do laminado foi seguida a norma EN13923:2005, Filament wound FRP pressure vessels - Materials, design, manufacturing and testing , que especifica dois tipos de métodos a usar no enrolamento filamentar de reservatórios pressurizados. De acordo com a norma, apenas o material depositado por enrolamento filamentar (parede estrutural) deve ser levado em conta no cálculo da resistência e da rigidez do reservatório. Um método A, pode ser usado para cálculo casca cilíndrica e das calotes com base em resultados obtidos em protótipos. Um método B, onde a casca cilíndrica e as calotes são calculadas com base na teoria dos laminados. O projeto e produção de reservatórios pressurizados por enrolamento filamentar, de acordo com a norma acima descrita, envolve a utilização das equações presentes na norma anexada no Anexo V. Introduzidos os fatores de segurança e as propriedades do reforço calcularam-se os esforços nominais na direção helicoidal, 𝑁𝜃, e longitudinal, 𝑁∅, a espessura das camadas de enrolamento helicoidais, e circunferenciais, 𝑡w e 𝑡c, respetivamente, e o número de camadas a considerar 𝑛w e 𝑛c. 22 Para usar os critérios de validação especificados pela norma, calcularam-se as tensões helicoidais e circunferenciais, respetivamente, 𝜎h e 𝜎c que não podem ser superiores à tensão máxima admissível, 𝜎uts, também calculada por 𝑋𝑡 𝐾, onde K é o fator de segurança global. As deformações a que o estratificado fica sujeito na direção helicoidal, 𝜀h, e circunferencial, 𝜀c, também não poderão exceder a deformação máxima admissível a considerar, 𝜀max. 3.5. Simulação de Enrolamento Filamentar Cadwind Para a realização do código a fornecer à máquina de enrolamento filamentar foi utilizado o software CADWIND existente no PIEP. Inicialmente, após definição dos parâmetros a utilizar estudou-se o enrolamento de uma placa plana com fibras aproximadamente enroladas de modo circunferencial (90º) de onde foram, posteriormente, cortados provetes 0º, 45º e 90º para ensaio. Para esse efeito, simulouse o seu enrolamento no CADWIND e, posteriormente, gerou-se o respetivo código para inserção na máquina de enrolamento. Foi também efetuada a simulação do enrolamento filamentar do reservatório com o intuito de gerar o código para enrolar o mesmo, usando neste caso o laminado que já tinha sido previamente calculado em Excel. Na figura 6, é possível observar os parâmetros colocados no software para gerar o código inserido na máquina de enrolamento. Figura 6Simulação de CADWIND para Enrolamento de Placa Plana 23 3.6. Enrolamento Filamentar O equipamento a ser utilizado nesta dissertação encontra-se instalado no laboratório de processamento do PIEP e é uma máquina de enrolamento polar com seis eixos independentes desenvolvido no âmbito de um projeto de I&DT, em parceria do PIEP, Gilótica e Vidropol. Nos seguintes tópicos será efetuada uma sucinta explicação do funcionamento do equipamento, e serão apresentados os trabalhos a utilizar na produção dos laminados. 3.6.1. Descrição do equipamento Como já mencionado anteriormente, é uma máquina de controlo numérico com 6 eixos independentes, capaz de enrolar diversas estruturas compósitas. O equipamento tem os seguintes sistemas: I. Sistema de alimentação dos Tows ; II. Sistema de impregnação; III. Quadro de controlo dos movimentos dos eixos; IV. Controlo do movimento do olhal de deposição das fibras. Quanto aos seis eixos de movimentação, cada um tem a sua função específica, sendo eles a rotação do mandril da máquina e os 5 eixos de movimento do olhal de deposição dos tows : • Eixo X, deslocamento longitudinal da carruagem; • Eixo Y, movimento transversal do braço que suporta o olhal de deposição; • Eixo Z, movimento da carruagem na vertical; • A, movimento de rotação do mandril; • B e C, rotação do olhal em torno do eixo Y e Z. É possível observar na figura 7 a máquina utilizada neste projeto. 30 4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS Neste capítulo serão apresentados todos os resultados obtidos ao longo deste projeto de maneira a retirar as devidas conclusões para finalizar este projeto. 4.1. Conceção do Reservatório O volume do reservatório foi sendo alterada pela empresa a quem ele se destinava ao longo do projeto, acabando as suas características finais por ser as seguintes (ver figura 19): - Volume de hidrogénio a armazenar: 1×10-3 m3 (1L) - Pressão interna de serviço: 30 MPa (300 bar) - Diâmetro interno do reservatório: ≈75mm (variável de acordo com figura 19); - Comprimento Total do reservatório com gargalo: 287mm - Espessura do Reservatório: ≈3.5mm Começou por se projetar o reservatório com volume superior ao final, de 1L Na Figura 17 apresenta-se um desenho do reservatório inicial e do que foi projetado no final. Figura 17-Reservatório Desenhado Inicial (esquerda) e Reservatório Final (direita) Como é possível observar na figura 17, o reservatório inicial, que se encontra à esquerda, apresentava diversos defeitos, entre os quais a utilização de calotes semiesféricas que originariam demasiados escorregamentos das fibras durante a sua deposição por enrolamento filamentar e, além disso, não tinha ainda definidos os insertos indispensáveis para o enchimento/saída do hidrogénio. Na imagem à direita, já é possível observar o reservatório final projetado com forma bastante mais adequada para ser executada por enrolamento filamentar e contendo as condições indispensáveis à montagem dos acessórios para enchimento/saída do hidrogénio. Esta foi a forma final adotada para construção dos 31 liners do reservatório, como é possível observar na figura 18. E na figura 19 é possível observarem-se todas as dimensões do mesmo. Figura 18Reservatório Final em Alumínio para Enrolamento Filamentar Figura 19Ficha técnica do reservatório comprado par utilização ao longo do projeto 32 4.2. Enrolamento Filamentar de Placas Como referido no capítulo 3, usou-se inicialmente o enrolamento filamentar para fabricar os provetes a serem testados mecanicamente e, posteriormente, no enrolamento dos reservatórios. A figuras seguintes apresentam aspetos do fabrico dos provetes por enrolamento sobre placas (ver ponto 3.6.2). A Figura 20 apresenta o enrolamento placas usadas para obtenção dos provetes de matriz termoplástica (PA 12 reforçada com fibras de carbono). Figura 20Placa Enrolada para Corte de Provetes de PA 12 reforçada com fibras de carbono A figura 21 (a) apresenta a placa enrolada, a seco, apenas com fibras de carbono, devido aos escorregamentos constantes que ocorreram durante o seu enrolamento em húmido, e que, posteriormente, foi usada para impregnação das fibras com resina epóxida por infusão a vácuo. A preparação da placa para a posterior infusão a vácuo é também mostrada na figura 21 (b). 33 Figura 21- (a) Placa com fibras de carbono enroladas a seco (b) Placa preparada para a Infusão de resina a vácuo 4.3. Ensaios Mecânicos Com já referido na seção 3.7, para realização dos ensaios mecânicos usou-se uma máquina SHIMADZU AGX-50KN, equipada com uma célula de carga de 50 KN, que se encontra instalada nos laboratórios do PIEP. 4.3.1. Ensaios de Tração Os resultados obtidos nos ensaios de tração dos provetes de alumínio, realizados a uma velocidade de 5 mm/min, podem ser observados na Figura 22. Figura 22-Curvas Tensão-Deformação do liner em Alumínio 34 Como é possível observar, os provetes apresentaram um comportamento bastante semelhante em todos os ensaios realizados. A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos nos diferentes ensaios. Tabela 3Dados Recolhidos da Análise das Curvas Tensão-Deformação Provete Tensão de Cedência (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Al1 299.71 98.33 Al2 323.51 101.53 Al3 313.26 88.12 Al4* - Al5* - Al6 315.80 92.04 Média 313.07 95.0 Nota: * valores desprezados devido à não colocação de extensómetros no provete inicial Como é possível observar pela tabela 3 a tensão de cedência média para o liner é de 313.07MPa tendo sido efetuado o cálculo da tensão admissível mediante um coeficiente de segurança de 1.5, sendo a mesma de 208.71MPa. É também possível obter um valor médio do módulo de elasticidade para o alumínio de 95.0 GPa. Através da análise das tensões obtidas nas amostras, é possível observar que não há grande discrepância nos valores, sendo isso um resultado positivo que mostra uma certa homogeneidade do alumínio. Em seguida, apresentam-se os resultados obtidos nos provetes fabricados com matriz termoendurecível (epóxida) e termoplástica (PA 12), ambas reforçadas com fibras de carbono. Os ensaios efetuados com estes dois materiais foram realizados a uma velocidade de ensaio de 2mm/min. No anexo X apresentam-se fotografias com o aspeto dos provetes após ensaio. A Figura 23 apresenta as curvas tensão-deformação obtidas durante o ensaio dos provetes fabricados com matriz termoplástica PA 12 reforçada com fibras de carbono enroladas a 0º. 35 Figura 23Curvas tensão-deformação dos provetes de PA12 reforçada com fibras de carbono a 0º A Tabela 4 resume os resultados obtidos a partir das curvas dos ensaios realizados. Tabela 4Dados obtidos dos ensaios de tração nos provetes de PA 12 reforçada com fibras de carbono a 0º Provete Tensão de Rotura (MPa) Módulo de Elasticidade (MPa) TP0_1 452.73 - TP0_2 938.54 - TP0_3 682.84 - TP0_4 730.70 - TP0_5 647.82 - Média 690.52 - É possível observar que a tensão média de rotura obtida nos provetes de matriz termoplástica (PA12) reforçada com fibras de carbono enroladas a 0º foi de 690,52MPa, sendo calculada para os mesmos com o coeficiente de segurança de 4.356, uma tensão admissível de 158.52MPa. Uma vez que não foi possível colocar extensómetros nos provetes não é possível calcular o módulo de elasticidade para os mesmos. Na figura 24 apresentam-se também as curvas tensão-deformação obtidas em 3 provetes do mesmo material (PA12 reforçada com fibras de carbono) em ensaios de tração realizados na direção transversal às fibras (fibras a 90º). 36 Figura 24Curvas tensão-deformação nos provetes de PA12 reforçada com fibras de carbono a 90º Como se pode na Figura 24, registaram-se resultados completamente dispares das duas outras amostras nos provetes TP90_3, que se detetou ser devido a uma fratura ocorrida durante a preparação do provete. Por esse motivo, os resultados obtidos no provete TP90_3 acabaram por ser descartados A Tabela 5 resume os valores das características mecânicas calculadas para os provetes de PA12 reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º considerando os ensaios de tração apresentados na Figura 24. Tabela 5Dados obtidos dos ensaios de tração nos provetes de PA 12 reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º Provete Tensão de Rotura (MPa) Módulo de Elasticidade (MPa) TP90_1 8.24 1139.4 TP90_2 8.07 1186.3 TP90_3* - - Média 8.16 1162.9 Nota: * valores desprezados devido a problemas detetados no provete inicial É possível observar que a tensão de cedência média do material em matriz termoplástica com fibras orientadas a 90º é de 8.16 MPa, a que corresponde uma tensão admissível, calculada com um 37 coeficiente de segurança de 4.356, de 1.87 MPa. Quanto ao módulo de elasticidade foi obtido um valor de 1162.9 MPa. Para finalizar a análise dos dados dos ensaios de tração, apresentam-se a seguir os dados registados nos ensaios dos provetes fabricados com a resina epóxida termoendurecível, Biresin® CR83, reforçada com fibras de carbono. Na Figura 25 apresentam-se as curvas tensão-deformação obtidas a partir dos ensaios realizados com os provetes fabricados em resina epóxida reforçada com fibras de carbono a 0º. Figura 25-Curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios dos provetes em epóxido reforçado com fibras de carbono a 0º A Tabela 6 resume as características mecânicas em tração determinadas para o material a partir dos dados obtidos nos ensaios e apresentados na figura anterior. Tabela 6Características mecânicas em tração obtidas nos provetes epóxido reforçado com fibras de carbono a 0º Provete Tensão de Rotura (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) TE0_1 1742.13 225.89 TE0_2 1791.92 238.45 TE0_3 1471.86 198.76 TE0_4* - - TE0_5 1530.49 207.65 Média 1619.10 217.69 Nota: * valores desprezados devido a problemas detetados no provete inicial 38 É possível observar que a tensão média de rotura obtida nos provetes de resina epóxida reforçada com fibras de carbono orientadas a 0º foi de 1619.10MPa, sendo a tensão admissível calculada com o coeficiente de segurança de 4.356 de 375,14 MPa. Quanto ao valor obtido para o módulo de elasticidade este é 217.69 GPa. Por último, apresentam-se na Figura 26 as curvas obtidas nos ensaios de tração a que foram submetidos os provetes em resina epóxida reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º. Figura 26-Curvas tensão-deformação nos provetes em resina epóxida reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º Os resultados obtidos para as características mecânicas do material, calculados a partir dos dados mostrados na Figura 26, encontram-se apresentados na Tabela 7. Tabela 7Características mecânicas em tração dos provetes em epóxido reforçado com fibras de carbono orientadas a 90º Provete Tensão de Rotura (MPa) Módulo de Elasticidade (MPa) TE90_1 - - TE90_2 42.55 1269.4 TE90_3 19.73 1286.3 Média 22.78 1267.9 Nota: * valores desprezados devido a problemas detetados no provete inicial 39 É possível observar que se obteve uma tensão média de rotura para os provetes em resina epóxida reforçada com fibras de carbono orientadas a 90º de 22,78 MPa, resultando numa tensão admissível para o material, calculada com o coeficiente de segurança de 4.356, de 7.15 MPa. Quanto ao valor do módulo de elasticidade foi obtido um valor de 1267.9 MPa. Comparando os resultados obtidos nos ensaios de tração dos provetes reforçados com fibras de carbono unidirecionais fabricados em PA 12 (matriz termoplástica) com os fabricados em epóxido (matriz termoendurecível), pode-se concluir que os compósitos de matriz termoendurecível apresentaram quase todas as características mecânicas significativamente mais elevadas que os de matriz termoplástica. Em termos de tensão de admissível, o compósito de matriz termoendurecível apresentou valores cerca de 2,4 vezes superiores (375.14 MPa contra 158.52 MPa) e 3,8 vezes mais elevado (7.15 MPa versus 1.87 MPa), respetivamente, na direção das fibras de carbono e na direção transversal a elas. No entanto, no respeitante ao módulo de elasticidade, enquanto o compósito de matriz termoendurecível apresentou um valor de rigidez de 217.69 GPa na direção das fibras de carbono (não foi possível calcular para o compósito de matriz termoplástica, uma vez que não foi possível aplicar extensómetros nos provetes), obteve-se um valor de rigidez bastante semelhante em ambos os compósitos na direção transversal às fibras (126.79 GPa para o compósito de matriz termoendurecível contra 116.29 GPa no caso do de matriz termoplástica). 4.3.2. Ensaios de Compressão Neste capítulo são apresentados e discutidos as curva força/deslocamento, as características mais relevantes e o tipo de falhas obtidos a partir dos ensaios de compressão realizados em conformidade com o procedimento descrito na seção 3.7.1. As Figuras 27 e 28, apresentam as curvas força-deslocamento obtidas nos provetes reforçados com as fibras de carbono orientadas 0º, respetivamente, nos compósitos fabricados em resina termoendurecível epóxida, Biresin® CR83, e nos compósitos de matriz termoplástica (PA12). 46 Figura 32-Cabeça de deposição usada com o prepregs de matriz termoplástica Neste trabalho, tentou-se fabricar, sobre o mandril/ liner em alumínio, a parte estrutural em compósito de matriz epóxida termoendurecível reforçada com fibras de carbono unidirecionais por duas vias: via húmida e via seca, fazendo-se neste último caso, primeiramente a deposição das fibras secas sobre o mandril/ line r e. posteriormente, a sua impregnação por infusão a vácuo. Face a estes 2 diferentes tipos de fabrico usados, foi necessário desenvolver uma nova cabeça de deposição para o caso do compósito de matriz epóxida reforçada com fibras de carbono. Este processo implicou ensaios nos três tipos de cabeça de deposição mostradas nas Figuras 33, 34 e 35. De facto, no caso do enrolamento de fibras secas, qualquer rugosidade na cabeça de deposição do enrolamento originava o desfiar das fibras e, consequentemente, o aparecimento de defeitos indevidos na estrutura compósita. A Figuras 33 e 34 apresentam os dois primeiros tipos de cabeça de deposição ensaiadas, tendo-se finalmente adotado a geometria final apresentada na Figura 35. 47 Figura 33Primeira cabeça de deposição usada Figura 34Segunda cabeça de deposição usada Figura 35-Cabeça de deposição final 48 A cabeça de deposição final, apresentada na Figura 35, foi projetada por forma a possuir uma geometria que permitisse que ela acompanhasse mais adequadamente o seu movimento relativamente ao do liner de modo a evitar que a fibra se desfiasse, tendo em conta o código gerado no CADWIND. Após definição da cabeças de deposição a utilizar, tanto no caso da utilização do compósito com matriz termoplástica como o de matriz termoendurecível, procedeu-se ao enrolamento das partes estruturais dos reservatórios de maneira a obter protótipos finais para ensaio. Na Figura 36 é possível observar um protótipo do reservatório final com a parte estrutural construída em matriz termoplástica (PA12) reforçada com fibras de carbono. Figura 36Reservatório Completo com Material de Matriz Termoplástica Por outro lado, na Figura 37 mostra-se um protótipo final dum reservatório com parte estrutural constituída por um compósito em resina epóxida reforçada com fibras de carbono. Trata-se dum reservatório inicialmente fabricado por enrolamento a seco das fibras (processamento por via seca) sobre o mandril/ liner após o que se procedeu à sua impregnação por infusão a vácuo da resina epóxida. Na figura 38 apresenta-se fotografia dum destes últimos reservatórios que se cortou a meio para verificação de inexistência de vazios. Como é possível observar, a olho nu não se detetam vazios na sua parede estrutural e verifica-se que a resina impregnou completamente toda a estrutura fibrosa, sendo necessário recorrer à microscopia para verificar a inexistência total de vazios. 49 Figura 37Reservatório Completo com Material de Matriz Termoendurecível Figura 38Corte Feito no Reservatório para Verificar Preenchimento da Resina 50 4.5. Validação do Dimensionamento do Estratificado Foi efetuado no início do projeto um dimensionamento do estratificado mediante a norma EN13923:2005 sendo efetuada a folha de cálculo presente no Anexo IX que indica as tensões instaladas na direção das fibras, no Anexo X está indicado as tensões a que o reservatório está sujeito mediante os valores obtidos nos ensaios mecânicos, sendo apresentados na tabela 11. Tabela 11Dados de Tensões para Validação de Dimensionamento Tensão de Instalada na direção das fibras pela norma EN13293:2005 (MPa) Tensão de Rotura Testada na direção das fibras (MPa) Tensão Admissível (MPa) Matriz Termoplástica 734.62 690.52 158.52 Matriz Termoendurecível 1619.10 375.14 Após análise da tabela 11 é possível observar que a tensão de rotura testada no compósito com matriz termoplástica é inferior à tensão instalada o que indica que o material não aguenta a pressão e rebentará. Quanto ao material compósito com matriz termoendurecível, a tensão de rotura é 2.15 vezes superior à tensão instala, indicando que o reservatório pode não rebentar, mas com algum risco uma vez que é necessário baixar o coeficiente de segurança para metade. É então necessário repensar no material a utilizar. Tabela 12Dados de Deformação para Validação de Dimensionamento Deformação Máxima na direção das fibras pela norma EN13293:2005 (%) Deformação calculada na direção das fibras pela norma EN13293:2005 (%) Deformação Testada calculada na direção das fibras (%) Enrolamento Helicoidal 0.91 0.076 0.081 Enrolamento Circunferencial 0.140 0.148 51 Analisando a tabela 12 é possível observar que a deformação calculada no começo do projeto é inferior à deformação calculada após a realização dos ensaios mecânicos, mas ambos os valores são bastante inferiores à deformação máxima calculada. Na tabela 13 estão presentes as deformações de rotura dos materiais para efeitos de conclusão dos materiais a utilizar. Tabela 13Dados de Deformação para Validação de Materiais Matriz Orientação das Fibras (º) Deformação Máxima pela norma EN13293:2005 (%) Deformação de Rotura (%) Termoplástica 0 0.91 1.33 90 1.13 Termoendurecível 0 1.96 90 1.1 Após análise da tabela 13 é possível observar que ambos os materiais ultrapassam a deformação máxima permitida, sendo necessário repensar num reforço do material. 53 5. CONCLUSÕES De acordo com os objetivos propostos, neste trabalho de dissertação efetuou-se o desenvolvimento e fabrico dum reservatório em material compósito para armazenamento de hidrogénio sob pressão. Começou por se efetuar um levantamento de todas as normas necessárias para dimensionamento do estratificado, condicionamento do hidrogénio e realização de ensaios, entre outras. Posteriormente, decidiu-se estudar a hipótese de realização do reservatório em compósito utilizando, tanto uma resina termoendurecível como um termoplástico como matriz. Tendo-se selecionado o enrolamento filamentar como método produtivo a utilizar na construção do reservatório, verificou-se a necessidade de ele possuir um liner que para além de resistir à corrosão do hidrogénio impedisse que a pequeníssima molécula do gás se pudesse escapar do seu interior por permeabilidade. De entre os materiais que melhor podiam garantir tais requisitos, selecionou-se o alumínio para liner já que este material também seria adequado a ser, simultaneamente, usado como mandril no enrolamento filamentar. Após aquisição de liners em alumínio com capacidade de cerca de 1x10-3 m3 (1 L), submeteram-se provetes do mesmo material a ensaios de tração que permitiram determinar que o material apresentava uma tensão admissível de 208.71 MPa. No que diz respeito ao material compósito, decidiu-se usar na parte estrutural dos reservatórios de matriz termoendurecível a resina epóxido, BiresinCr83 da Sika, reforçada com fibras unidirecionais de carbono, T700S da Torayca. Por outro lado, os reservatórios de matriz termoplástico teriam a sua parte estrutural construída numa fita (tape) prepreg de matriz termoplástica em Poliamida 12 (PA12) reforçada com fibras unidirecionais de carbono fornecida pela Suprem™, com referência T62% C10051/PA10033 0.14 x 5. Provetes com fibras unidirecionais de ambos os compósitos (de matriz termoendurecível e termoplástica) foram submetidos a ensaios de tração e de compressão na direção das fibras e transversalmente a estas. Constatou-se que o compósito de matriz termoendurecível apresentava melhores propriedades mecânicas, tanto em tração como em compressão, do que o seu congénere de matriz termoplástica. Enquanto que compósito em epóxido reforçado com fibras de carbono apresentou valores de tensão de rotura na direção das fibras e transversalmente a elas, respetivamente, de 1619.10 MPa e de 22.78 MPa, para as mesmas direções e também em tração o compósito de PA12 reforçado com fibras de carbono apresentou valores, respetivamente, de 690.52 MPa e 8.16 MPa. Do mesmo modo, nos ensaios 54 em compressão foram obtidos valores de resistência mecânica na direção das fibras e transversalmente a estas nos compósitos de matriz termoendurecível, respetivamente, de 248,4 MPa e 100,8 MPa, enquanto que nas mesmas direções dos de matriz termoplástica se obtiveram apenas valores, respetivamente, de 107,9 MPa e 52,4MPa. Apesar das vantagens resultantes da utilização da matriz termoplástica em termos de facilidade de fabrico e sustentabilidade, nomeadamente devido às possibilidades de reutilização, face aos resultados obtidos poder-se-á, no entanto, concluir que a utilização do compósito com matriz termoendurecível no fabrico do reservatório deverá atualmente ainda ser considerada mais vantajosa em termos de peso e custo. Neste estudo, foi ainda possível fabricar reservatórios-protótipo, tanto em matriz termoendurecível como termoplástica, destinados a serem sujeitos a ensaios de rebentamento para validação, que não foi infelizmente possível realizar dentro do período temporal destinado à conclusão da presente tese. Pensase que estes testes possam vir a ser realizados muito proximamente. 55 6. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Para que se possam aprofundar melhor alguns dos resultados obtidos nesta dissertação, sugere-se a realização dos seguintes trabalhos em estudos futuros: • Realizar os ensaios de rebentamento dos reservatórios-protótipo que não foram possíveis efetuar durante o período desta tese, de modo a validar a sua resistência à pressão. • Repetição dos trabalhos de enrolamento de placas com o processo totalmente otimizado de maneira a obter provetes mais uniformizados; • Estudo mais profundo da influência das condições de processamento, características da resina e fibras de reforço usados no enrolamento filamentar no teor de reforço obtido nos laminados de revestimento; • Comparar os resultados, nomeadamente mecânicos, de provetes preparados de forma mais adequada e também sujeitar a ensaio de impacto o laminado final; • Aplicar pacotes mais avançados do software CADWIND® que permitam fabricar produtos em compósito com formas mais complexas e que garantam um maior rigor na deposição das trajetórias das fibras de reforço; 62 Figura 40Ficha Técnica Fibra T700S da Torayca 63 ANEXO IIIFICHA TÉCNICA DA RESINA BIRESIN CR83 DA SIKA 64 Figura 41Ficha Técnica da Resina Biresin CR83 da Sika 65 ANEXO IVFICHA TÉCNICA DO DESMOLDANTE MIKON W-64+ DA MUNCH CHEMIE INTERNATIONAL 66 Figura 42Ficha Técnica do Desmoldante Mikon W-64+ da Munch Chemie International 67 ANEXO VNORMA EN13923:2005 ‘‘FILAMENT WOUND FRP PRESSURE VESSELS’’ 68 Figura 43Norma para Dimensionamento de Estratificado 69 ANEXO VINORMA ASTM D3039 D3039M ‘‘TEST METHOD FOR TENSILE PROPERTIES’’ 70 Figura 44Norma para Realização de Ensaios de Tração 71 ANEXO VIINORMA ASTM D695-02A ‘‘STANDARD TEST METHOD FOR COMPRESSIVE PROPERTIES OF RIGID PLASTICS’’ 78 Figura 48Cálculo do Estratificado utilizando valores obtidos em ensaios mecânicos segundo Norma EN13923:2005 79 ANEXO XIPROVETES DE TRAÇÃO APÓS ENSAIOS 80 Figura 49Provetes TP90 com Quebras após Ensaio Figura 50-Provetes TE90 com Quebras após Ensaio Figura 51Provetes TE0 após ensaio Figura 52Provetes TP0 após Ensaio 81 ANEXO XIIMÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAIOS MECÂNICOS SHIMADZU AGX50KN 82 Figura 53Máquina de Testes Universal Presente nas Instalações do PIEP