Produção de cilindros em compósito reforçados localmente pela combinação de filament winding e tailored fiber placement

Abstract

O filament winding (FW) é uma das principais técnicas para fabricação de estruturas cilíndricas em compósitos. Contudo, apresenta algumas limitações, como a restrição na disposição das fibras em certas condições, como em ângulos próximos à direção axial do cilindro, e na aplicação de fibras para reforçar localmente apenas as regiões mais solicitadas da estrutura. Uma estratégia inovadora para superar estas limitações seria combinar o FW com processos que permitam aplicar fibras com maior liberdade de ângulos e posições, como o tailored fiber placement (TFP). Assim, o foco desta tese é desenvolver um processo para produzir cilindros por dry-FW localmente reforçados com preformas TFP, impregnadas de resina pelo método VAP (vacuum assisted process) entre duas camadas FW durante o processo de enrolamento. A primeira etapa do estudo consistiu em testes preliminares qualitativos para avaliar possíveis limitações do processo, aplicando insertos de diferentes espessuras e formatos entre duas camadas FW. Observou-se que insertos com formato senoidal, ou seja, com espessura mínima nas bordas e máxima no centro, minimizam regiões ricas em resina. Na segunda etapa, preformas com fibras unidirecionais impregnadas com resina foram posicionadas na direção axial de cilindros, permitindo posicionar fibras em um ângulo que não é possível no processo FW convencional. O processo de impregnação das preformas por VAP foi bemsucedido, resultando em boa homogeneidade e baixos teores de vazios. No entanto, alguns defeitos foram identificados em preformas mais espessas devido às características intrínsecas do VAP. Após a cura, observou-se a polimerização completa, tanto na região das camadas FW como nas regiões das preformas, embora o sistema seja composto por duas resinas diferentes (do towpreg e da impregnação das preformas). Na terceira etapa da tese, preformas circulares foram empregadas para reforçar a região em torno de um furo usinado no cilindro, onde ocorre interrupção da continuidade das fibras nas regiões adjacentes. Os resultados indicaram a redução das concentrações de tensão nas áreas próximas ao furo, prevenindo a ocorrência de falha nesta região, evidenciando que a aplicação de preformas pode contribuir para a redução das concentrações de tensão nas regiões reforçadas, reduzindo o efeito negativo da presença do furo. A carga máxima de compressão nos cilindros com furos reforçados com preformas se aproximou daquela obtida nos cilindros sem furo. Portanto, a combinação dos processos FW e TFP mostrou-se viável, permitindo um aumento significativo na resistência mecânica dos cilindros pela colocação de preformas com fibras em posições e ângulos inviáveis com o processo FW isolado.

Filament winding (FW) is one of the main techniques for manufacturing cylindrical composite structures. However, it has some limitations, such as restrictions on fiber placement in certain conditions, such as angles close to the axial direction of the cylinder, and the application of fibers to locally reinforce only the most stressed regions of the structure. An innovative strategy to overcome these limitations would be to combine FW with processes that allow fibers to be applied with greater freedom in angles and positions, such as tailored fiber placement (TFP). Thus, the focus of this thesis is to develop a process to produce cylinders by FW locally reinforced with TFP preforms, impregnated with resin using the VAP (vacuum assisted process) method between two FW layers during the winding process. The first stage of the study consisted of preliminary qualitative tests to evaluate possible process limitations by applying inserts of different thicknesses and shapes between two FW layers. It was observed that inserts with a sinusoidal shape, i.e., with minimum thickness at the edges and maximum thickness at the center, minimize resin-rich regions. In the second stage, preforms with unidirectional fibers impregnated with resin were positioned in the axial direction of cylinders, allowing fibers to be placed at an angle not possible with the conventional FW process. The impregnation process of the preforms by VAP was successful, resulting in good homogeneity and low void content. However, some defects were identified in thicker preforms due to the intrinsic characteristics of VAP. After curing, complete polymerization was observed both in the FW layer regions and in the preform regions, although the system is composed of two different resins (towpreg resin and preform impregnation resin). Axial compression tests were conducted with different number and thicknesses of unidirectional preforms. The results showed low void content and good cross-sectional quality, demonstrating the feasibility of the process. Maximum compression loads (normalized by mass) were obtained up to 394% compared to the reference cylinder (without preforms). In the third stage of the thesis, circular preforms were used to reinforce the region around a machined hole in the cylinder, where fiber continuity is interrupted in the adjacent regions. The results indicated a reduction in stress concentrations in areas near the hole, preventing failure in this region, demonstrating that the application of preforms can contribute to reducing stress concentrations in the reinforced regions, mitigating the negative effect of the hole presence. The maximum compression load in the cylinders with holes reinforced with preforms approached that obtained in cylinders without holes. Therefore, the combination of FW and TFP processes proved viable, allowing for a significant increase in the mechanical strength of the cylinders by placing fiber preforms in positions and angles unachievable with the FW process alone.