Modelo de viscoelasticidade ortotrópica: estudo de caso de uma peça termoplástica injetada com reforço de fibra de vidro

Abstract

Com o surgimento de novos materiais para aplicação em produtos inovadores, a engenharia se vê diante de questões a serem solucionadas em praticamente todas as etapas do seu desenvolvimento. Nas etapas de projeto conceitual, preliminar e detalhado do produto, aspectos como processo produtivo e simulação de desempenho mecânico devem ser avaliados com muita atenção de forma que os requisitos técnicos e econômicos sejam atendidos concomitantemente. Neste sentido, os materiais compostos, que estão constantemente em evolução para serem adaptados às novas demandas da engenharia, necessitam de modelos matemáticos aperfeiçoados, de forma que seu comportamento seja compreendido e o desempenho mecânico de produtos fabricados com estes materiais seja previsto. Sendo a injeção um processo produtivo comumente utilizado para fabricar peças em material polimérico, é importante simular não somente seu desempemho mecânico, mas também o processo de injeção. Parâmetros como ponto de injeção, temperatura e pressão de injeção, tensões residuais, são aspectos importantes a serem avaliados nesse momento. Se ao material polimérico forem adicionadas fibras curtas ainda no processo de injeção, de forma a reforçar mecanicamente essa peça, o parâmetro orientação das fibras passa a ter um papel importante nessa avaliação de desempenho, além do fato do material se tornar ortotrópico, tendo propriedades mecânicas diferentes em três eixos ortogonais. Em razão do exposto acima, este trabalho tem como objetivo, desenvolver um modelo matemático para a viscoelasticidade linear ortotrópica para empregá-lo em materiais compostos feitos com uma matriz polimérica com insertos em fibra de vidro curta. Para aplicar este modelo matemático, propôe-se realizar um estudo de caso de uma peça automotiva produzida pela empresa Schaeffler e analisá-la desde o seu processo de injeção até a avaliação do seu desempenho mecânico. Estas duas etapas serão analisadas numericamente fazendo uso de dois softwares que se integram e posteriormente por meio de microscopia eletrônica e ensaio mecânico. Ensaios mecânicos de tração e de fluência em corpos de prova serão realizados de forma a alimentar o modelo matemático com as propriedades mecânicas do material empregado para a fabricação da referida peça.

With the development of new materials for aplication in innovative produts, engineering is in front of questions to be solved in some steps of its design. At the conceitual project, preliminary project and the detailed project of the product, aspects as production process and simulation of the mechanical performance would be analysed in order to technicals and economics requests be met together. So, composites materials which are in constant evolution need advanced mathematical models in order to prevent the mechanical behaviour of components produced with this material. As the injection process is commonly used to produce components in polymeric materials is important to simulate not only the mechanical behavior but also the injection process. Parameters like injection point, temperature and pressure injection and residuals stress are important variables to be analysed. If adicionally short fibers are introduced in the injection process, as a mechanical strengthening to improve the performance of the component, the fiber orientation and the orthotropic properties have to be determined. So, the objectif of this work is to develop a mathematical model for a linear viscoelasticity in composite materials made with polymeric matrix and short fiber. In order to apply this model, it is proposed a case study in an automotive component produced by Schaeffler Company and investigate its injection process and its mechanical behavior. These two steps will be investigated numerically using two softwares that are integrated. After that, electronic microscopy and mechanical tests will be made. Tensile tests and creep tests will be made in specimes in order to determine elastics constants and time variable data for the mathematical model.