adriana sanchez ramos ciarlo correlação entre a

1
INSTITUTOS LACTEC
ADRIANA SANCHEZ RAMOS CIARLO
CORRELAÇÃO ENTRE A TENSÃO DE RUPTURA MECÂNICA E A
GEOMETRIA DE DEFEITOS ANALISADOS ATRAVÉS DE
RADIOGRAFIA DIGITAL EM ESPAÇADORES POLIMÉRICOS
CURITIBA
2015
2
ADRIANA SANCHEZ RAMOS CIARLO
CORRELAÇÃO ENTRE A TENSÃO DE RUPTURA MECÂNICA E A
GEOMETRIA DE DEFEITOS ANALISADOS ATRAVÉS DE
RADIOGRAFIA DIGITAL EM ESPAÇADORES POLIMÉRICOS
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação
em
Desenvolvimento
de
Tecnologia, Área de Concentração Tecnologia de
Materiais, dos Institutos Lactec, em parceria com
o Instituto de Engenharia do Paraná, como parte
das exigências para a obtenção do título de Mestre
em Desenvolvimento de Tecnologia.
Orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho
CURITIBA
2015
3
4
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho ao meu filho João Pedro e ao meu marido Fernando
que entenderam minhas ausências me incentivando sempre.
5
AGRADECIMENTOS
À Deus, minha família e meus amigos.
Ao meu orientador Prof. Dr.Vitoldo Swinka Filho pela orientação, paciência,
sugestões e por acreditar em mim.
Ao Prof. Dr. Walmor Godoi pelas palavras de incentivo.
À todos os Mestres e Doutores que estiveram em minha vida incentivando
para seguir por esta profissão.
Ao Institutos Lactec principalmente ao laboratório de tomografia do pela
acolhida e colaboração.
Aos colegas de mestrado pelo auxílio sempre.
Ao meu marido Fernando pelo carinho, amor e pelo incentivo todas as
vezes que pensei em desistir.
Aos meus alunos também agradeço a compreensão pela minha ausência.
Aos meus colegas Cyntia, Evandinei, Andressa e Roberto pelo carinho e
colaboração.
E todos que de alguma forma contribuíram para a realização deste
trabalho.
6
“Nas grandes batalhas da vida, o primeiro passo para a vitória é o desejo de
vencer.”
Mahatama Ganghi (1869- 1948)
7
RESUMO
Redes aéreas compactas têm sido amplamente utilizadas pelas concessionárias
de energia brasileiras. Esta tecnologia apresenta várias vantagens, entre as
quais: redução da área de poda de árvores, melhoria da segurança, menores
custos de manutenção e fácil instalação e operação. A utilização de acessórios e
isoladores poliméricos contribui para a redução do custo e do peso, mas em
alguns casos tem sido observado em campo a ocorrência da ruptura mecânica
dos espaçadores poliméricos fabricados com polietileno de alta densidade.
Este trabalho apresenta uma análise do comportamento mecânico dos
espaçadores poliméricos com o objetivo de mostrar a relação existente entre a
presença de vazios na estrutura com sua ruptura mecânica. Foram realizadas
radiografias digitais e tomografias para a identificação da presença de vazios.
Foram realizadas simulações numéricas no software Comsol Multiphysics® para
verificar as distribuições de tensões mecânicas e identificar as regiões de maior
concentração de tensões, bem como realizados ensaios destrutivos na máquina
de tração nos espaçadores identificados com vazios pela radiografia.
Os resultados mostraram que a ruptura mecânica nos espaçadores ocorreu nas
áreas de maior tensão, como comprovado pela simulação numérica e, ainda, que
a ruptura mecânica apresenta comportamentos distintos relacionados com a
presença dos vazios e ao processamento do material.
Palavras-chave: espaçador polimérico, ensaio de tração, radiografia
8
ABSTRACT
Spacer cable systems has been widely used by utilities in Brazil. This technology
has several advantages, which include reduced tree clearing, improvement on
personal safety, lower maintenance costs, easy installation and operation. The use
of polymeric accessories and insulators contribute to reduce cost and weight, but
in some cases, it has been observed in the field the occurrence of mechanical
rupture of polymeric spacers made of high-density polyethylene.
This work presents an analysis of the mechanical behavior of polymeric spacers in
order to show the relationship between the presence of voids in the material
structure with its mechanical breakdown. Digital radiography and tomography were
performed to identify the presence of voids. Numerical simulations in Comsol
Multiphysics® software were performed to verify the mechanical stress
distributions and identify regions of greatest stress concentration and destructive
tests were performed on tensile machine on the spacers with voids identified by
radiography.
The results showed that spacer mechanical breakdown occurred in the areas of
greatest tension as evidenced by the numerical simulation and that mechanical
breakdown have different behavior related to the presence of voids and the
material processing.
Keywords: Polymeric spacer, tensile testing, radiography
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Transmissão de energia elétrica .......................................................... 17
Figura 2 - Distribuição aérea ................................................................................ 18
Figura 3 - Distribuição subterrânea ...................................................................... 18
Figura 4 - Distribuição aérea convencional .......................................................... 19
Figura 5 - Rede compacta .................................................................................... 20
Figura 6 - Espaçador ............................................................................................ 21
Figura 7 - Espaçador losangular .......................................................................... 21
Figura 8 - Processo de injeção ............................................................................. 23
Figura 9 - Efeitos do grau de cristalinidade no comportamento tensão deformação
............................................................................................................................. 25
Figura 10 - Fotomicrografia mostrando a estrutura esferulítica do polietileno ...... 25
Figura 11 - Estrutura química do polietileno ......................................................... 26
Figura 12 - Ensaio de tração ................................................................................ 27
Figura 13 - Conceito tensão deformação ............................................................. 28
Figura 14 - Representação esquemática de comportamento elástico e plástico.. 29
Figura 15 - Diferença do comportamento tensão deformação de materiais frágeis
e dúcteis ............................................................................................................... 30
Figura 16 - Desenho esquemático da lei de Lambert Beer .................................. 32
Figura 17 - Painel de Controle e Fonte de raio X ................................................. 36
Figura 18 - Espaçador no Suporte ....................................................................... 37
Figura 19 - Pagina Inicial – Sotware CT 2.0.0.42 ................................................ 37
Figura 20 - Ensaio de Tração ............................................................................... 38
Figura 21 - Radiografia com Vazios ..................................................................... 39
Figura 22 - Espaçador nas diferentes posições para tomografia ......................... 39
Figura 23 - Softwar Mesh lab ............................................................................... 40
Figura 24 - Comsol Multiphysics® com a imagem de tomografia......................... 42
Figura 25 - Comsol Multiphysics® com desenho ................................................. 42
Figura 26 - Inserção do vazio ............................................................................... 43
Figura 27 - Radiografia sem vazio fabricante A.................................................... 44
Figura 28 - Radiografia com vazios: E1 ............................................................... 44
Figura 29 - Radiografia com vazios: E2 ............................................................... 45
Figura 30 - Radiografia com vazios:E3 ................................................................ 45
10
Figura 31 - Radiografia com vazios: E4 ............................................................... 46
Figura 32 - Radiografia com vazios: E5 ............................................................... 46
Figura 33 - Radiografia com vazios: E6 ............................................................... 47
Figura 34 - Radiografia com vazios: E7 ............................................................... 47
Figura 35 - Reconstrução 3D espaçador .............................................................. 48
Figura 36 - Vazia no Espaçador ........................................................................... 48
Figura 37 - Espaçador sem defeito ...................................................................... 49
Figura 38 - Espaçador com defeito ...................................................................... 50
Figura 39 - Tensão em corte transversal sem vazio ............................................. 51
Figura 40 - Tensão em corte transversal com vazio ............................................. 51
Figura 41 - Espaçador sem vazio após ensaio de tração ..................................... 52
Figura 42 - Gráfico ruptura dos espaçadores sem vazios .................................... 52
Figura 43 - Gráfico Espaçador E1 ........................................................................ 53
Figura 44 - Fotografia Espaçador E1 após teste de tração .................................. 53
Figura 45 - Fotografia do detalhe espaçador E1 .................................................. 54
Figura 46 - Gráfico Espaçador E2 ........................................................................ 54
Figura 47 - Fotografia Espaçador E2 após teste de tração .................................. 55
Figura 48 - Fotografia do detalhe Espaçador E2 .................................................. 55
Figura 49 - Gráfico Espaçador E3 ........................................................................ 56
Figura 50 - Fotografia Espaçador E3 após teste de tração .................................. 56
Figura 51 - Gráfico Espaçador E4 ........................................................................ 57
Figura 52 - Fotografia Espaçador E4 após teste de tração .................................. 57
Figura 53 - Gráfico Espaçador E5 ........................................................................ 58
Figura 54 - Fotografia Espaçador E5 após teste de tração .................................. 58
Figura 55 - Fotografia do detalhe Espaçador E5 .................................................. 58
Figura 56 - Gráfico Espaçador E6 ........................................................................ 59
Figura 57 - Fotografia Espaçador E6 após teste de tração .................................. 59
Figura 58 - Fotografia do detalhe espaçador E6 .................................................. 60
Figura 59 - Gráfico Espaçador E7 ........................................................................ 60
Figura 60 - Fotografia Espaçador E7 após teste de tração .................................. 61
Figura 61 - Gráfico ruptura dos espaçadores com vazios .................................... 61
Figura 62 - Comparação Diâmetros de vazio E4 e E2 ......................................... 62
Figura 63 - Comparação diâmetros de vazio E3 e E5 .......................................... 63
Figura 64 - Fratura E6 sem vazio ......................................................................... 63
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Principais propriedades HDPE ............................................................ 26
Tabela 2 - Propriedade mecânica do polietileno com vários graus de cristalinidade
............................................................................................................................. 31
12
LISTA DE SIGLAS
ABRADEE
Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
CELPE
Companhia Energética de Pernambuco
COPEL
Companhia Paranaense de Energia Elétrica
ELETROBRAS
Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
HDPE
Polietileno de Alta Densidade
IPT
Instituto de Pesquisa de São Paulo
TC
Tomografia Computadorizada
USP
Universidade de São Paulo
13
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 14
1.1 Contexto ..................................................................................................... 14
1.2 Objetivos ..................................................................................................... 15
1.2.1
Objetivo Geral ................................................................................... 15
1.2.2
Objetivos Específicos ....................................................................... 15
1.3 Justificativa ................................................................................................. 15
1.4 Estrutura da Dissertação ............................................................................ 16
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................... 17
2.1 Redes de Energia Elétrica .......................................................................... 17
2.2 Espaçadores Poliméricos ........................................................................... 20
2.4 Polietileno ................................................................................................... 26
2.5 Propriedades Mecânicas dos Materiais ...................................................... 27
2.5.1 Propriedades mecânicas dos polímeros ............................................. 30
2.6.Radiografia Industrial .................................................................................. 32
2.7 Estado da Arte ............................................................................................ 33
3
MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MÉTODOS ............................................. 36
3.1 Materiais e Equipamentos .......................................................................... 36
3.2 Métodos ...................................................................................................... 38
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................... 44
4.1 Radiografias dos espaçadores ................................................................... 44
4.2 Tomografia.................................................................................................. 47
4.3 Simulação Mecânica ................................................................................... 48
4.4 Ensaios de Tração ...................................................................................... 52
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS .................................................... 65
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 66
14
1 INTRODUÇÃO
1.1 Contexto
O setor de distribuição de energia elétrica está apresentando grandes
mudanças: os sistemas isolantes convencionais estão sendo substituídos por
sistemas modernos, constituídos de material polimérico.
Os materiais isolantes poliméricos conferem ao sistema de distribuição
vantagens comparadas com os utilizados nas demais redes, que são fabricados
em vidro e porcelana, como: maior resistência mecânica, baixo peso, melhor
desempenho elétrico, entre outros. Apesar de apresentarem vantagens estes
materiais estão em constante evolução e por isso precisam ser investigados.
Callister (2008) ressalta que muitos materiais, quando em serviço, estão
sujeitos a forças ou cargas, mesmo em condições normais de uso. Nestas
situações conhecer as características destes materiais torna-se necessário. Estas
características são verificadas através de experimentos realizados em laboratório,
que são cuidadosamente projetados para reproduzir o mais fielmente as
condições de serviço. Ensaios de tração, compressão e de torção para serem
realizados causam deformidade permanente até mesmo fraturas nestas amostras.
Ensaios para verificar determinados materiais sem destruí-los são
chamados de ensaios não destrutivos. Eles investigam a qualidade dos materiais
sem a destruição ou introdução de quaisquer alterações nas suas características
(ANDREUCCI, 2008). A radiologia industrial é um ensaio não destrutivo, este
ensaio fornece informações sobre a natureza, assim como detalhes a respeito do
tamanho do defeito.
Quando se consegue comparar o resultado de dois ensaios no mesmo
material, aprimora-se a busca pela obtenção de níveis de excelência de
confiabilidade deste material.
A habilidade em analisar o resultado de um ensaio depende não somente
do grau de conhecimento a respeito do material, mas também das características
dos ensaios.
Hoje existe um aumento na utilização de espaçadores losangulares devido
ao aumento do número de redes compactas, pois as distribuidoras de energia
15
padronizaram este tipo de rede. Com isto tem-se observado em muitos casos a
fratura prematura destes espaçadores.
1.2 Objetivos
1.2.1
Objetivo Geral
O objetivo geral do trabalho é correlacionar falhas em espaçadores
poliméricos losangulares, observadas em teste de tração com as dimensões dos
defeitos mecânicos apresentados na radiografia digital.
1.2.2
Objetivos Específicos
Os objetivos específicos do trabalho são:

Conhecer as propriedades dos materiais poliméricos, em especial o
material utilizado na fabricação do espaçador;

Utilizar a radiografia digital para identificar espaçadores com vazios;

Reconstruir as imagens das peças em 3D através da tomografia a fim de
utilizar as imagens no software Comsol Multiphysics ®;

Simular o comportamento mecânico do espaçador com vazio e sem vazio
para verificar se a presença do vazio interfere na resposta mecânica;

Avaliar as diferentes respostas dos espaçadores no ensaio mecânico de
tração;

Estabelecer a correlação entre o teste de tração e o tamanho dos defeitos.
1.3 Justificativa
As redes de distribuição de energia elétrica utilizadas hoje estão em
constante evolução. Entre os avanços observados estão o uso de espaçadores
poliméricos, que são colocados em um cabo mensageiro e usado como suporte
para manter o espaçamento dos cabos condutores.
16
Com a demanda crescente de materiais poliméricos nas redes de
distribuição surge a necessidade de desenvolvimento de testes que comprovem a
qualidade destes materiais.
1.4 Estrutura da Dissertação
Com a intenção de atingir os objetivos propostos, o trabalho está
organizado da seguinte forma:
No capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica relativa ao tema do
trabalho. Conceitos básicos sobre redes aéreas de distribuição de energia,
materiais poliméricos e suas características e espaçadores poliméricos, processo
de formação e possíveis falhas, vantagens e desvantagens.
No capítulo 3 são apresentados os materiais e métodos utilizados nos
experimentos.
No capítulo 4 são apresentados os resultados e suas respectivas análises
dos experimentos realizados em laboratório e no capítulo 5 as conclusões e
sugestões para trabalhos futuros.
17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Redes de Energia Elétrica
A energia elétrica produzida pelas usinas hidroelétricas, térmicas, eólicas,
solares, termo nucleares, entre outras, precisa ser transmitida de uma forma
economicamente viável até a fonte consumidora final. Devido a esta necessidade,
construíram as linhas de transmissão de energia elétrica (ABRADEE, 2014).
A linha de transmissão é composta de um conjunto de cabos e torres. Fios
condutores metálicos suspensos em torres com isoladores cerâmicos ou outros
materiais isolantes são a característica das linhas de transmissão que percorrem
grandes distâncias. Essa energia chega aos consumidores depois de passar por
subestações abaixadoras de tensão que transformam a energia de alta tensão em
energia de média tensão. Para chegar aos consumidores de médio porte é
utilizada uma linha de distribuição primária. Para chegar a grupos residenciais e
indústrias de pequeno porte essa energia é conduzida pelas redes de distribuição
secundárias (ELETROBRAS, 2014). A Figura 1 apresenta um esquema de
distribuição de energia desde a sua produção até chegar ao distribuidor final.
Figura 1 - Transmissão de energia elétrica
Fonte: GSI engenharia (2014)
Segundo a ANEEL (2014) o setor que se dedica a entregar a energia ao
consumidor final é o segmento de distribuição e este geralmente trabalha com
tensão inferior a 230 kV. As redes que operam com média e baixa tensão são
também chamadas de redes primárias e secundárias, respectivamente.
18
Existem dois tipos de redes de distribuição de energia: a subterrânea e a
aérea. No Brasil, a rede aérea é a forma predominante, visualizada na Figura 2,
apesar de a rede subterrânea proporcionar uma confiabilidade e estética
melhores, visualizada na Figura 3. Porém, o custo destas redes é muito alto,
sendo usadas apenas onde as redes aéreas não são possíveis (ABRADEE,
2014).
Figura 2 - Distribuição aérea
Fonte: HCC Engenharia (2014)
Figura 3 - Distribuição subterrânea
Fonte: Jornal da Energia (2014)
As redes aéreas podem ser de três tipos: a rede aérea convencional, a
rede aérea compacta e a rede aérea isolada. A rede aérea convencional, por
definição da ABRADEE (2014), é o tipo de rede onde os condutores são nus (não
19
tem isolamento) observada na Figura 4. E esta característica é a responsável pela
incidência de defeitos como curto circuitos, principalmente quando galhos de
árvores encostam nos cabos. Este tipo de incidência leva a necessidade de um
aumento na poda das árvores. Estes condutores nus estão apoiados sobre
isoladores e fixados em cruzetas de madeira. Este é o tipo de rede utilizada no
Brasil.
Figura 4 - Distribuição aérea convencional
Fonte: Portal Amazônia (2014)
A rede de distribuição aérea isolada possui condutores encapados com
isolação suficiente para serem trançados. São utilizadas apenas em condições
especiais, pois seu custo é elevado (ABRADEE, 2014).
A ANEEL define como rede de distribuição compacta aquelas compostas
por cabos condutores com uma camada de proteção que foram utilizados no
Brasil na década de 90. Esta rede é constituída de três condutores e um cabo
mensageiro de aço (onde não passa corrente elétrica, sendo também chamado
de cabo de sustentação), e fixada aos postes através de suporte tipo L
(SARDETO, 1999).
Estes cabos são separados por espaçadores poliméricos (confeccionados
com polietileno de alta densidade) que são colocados em intervalos de 8 a 10
metros, onde os cabos são arranjados em uma forma triangular e o mensageiro
fica superior aos demais cabos, visualizada na Figura 5.
20
Figura 5 - Rede compacta
Fonte: Grupo ATS (2014)
A ANEEL estabelece o padrão de qualidade da energia que chega ao
cliente final. Esta qualidade está intimamente ligada ao fornecimento ininterrupto
de energia.
Buscando cada vez um nível de qualidade maior, as distribuidoras de
energia procuram alternativas para que o fornecimento de energia seja cada vez
mais confiável. Ainda neste contexto de qualidade, a redução de custos com
equipamentos elétricos passa também pela redução na manutenção destes
materiais. Para isto, precisa-se aumentar a vida útil dos materiais em uso.
2.2 Espaçadores Poliméricos
No setor de eletricidade, a maneira mais econômica de distribuição é
apresentada pelas redes aéreas. Novas exigências de segurança pedem a
utilização de materiais com algum tipo de isolamento (ABRADEE, 2014). Estes
materiais são confeccionados de maneira a não perderem suas características de
desempenho por um determinado tempo e ainda tem de ser economicamente
viáveis (MENDONÇA, SHINOHARA 2006).
Todavia, uma desvantagem ao uso do polietileno é a perda das
propriedades elétricas com o tempo de uso (RAMIREZ, 1998) e a apresentação
de defeitos em seu interior, devido ao processo de fabricação (GODOI, 2009).
O objeto de estudo deste trabalho é o espaçador polimérico losangular,
classe de tensão 15 kV, visualizado na Figura 6. Sua utilização se restringe as
redes aéreas compactas. Suas dimensões são de 400 mm de altura, 300 mm de
largura e 60 mm de espessura.
21
Figura 6 - Espaçador
Fonte: o Autor
Segundo a norma ABNT NBR 16094 (2012) a definição de espaçador é:
acessório de material polimérico, polietileno, cuja função é de sustentação e
separação dos cabos cobertos na rede compacta ao longo do vão, mantendo o
nível de isolação elétrica da rede, conforme mostrado na Figura 7.
O espaçador é colocado em um cabo mensageiro que é utilizado para
sustentação dos espaçadores. O espaçador é também usado como suporte para
manter o distanciamento entre os cabos em um sistema trifásico, é cabo que fica
superior aos demais cabos.
Figura 7 - Espaçador losangular
Fonte: Divulgação COPEL agência de notícias do Paraná (2014)
22
O espaçador é uma peça produzida pelo processo de injeção. Este
processo apresenta como vantagem um custo baixo com qualidade elevada das
peças e bom acabamento até mesmo em formas complexas.
Apesar da constante evolução tecnológica nesta área, todos os princípios
deste processo de transformação precisam ser entendidos para que se
acompanhe tamanha evolução. Com a existência de inúmeros tipos de processos
por injeção, este trabalho abordará apenas os conceitos básicos.
Fazem parte do processo: a bomba injetora que é responsável pelo
aquecimento e homogeneização do polímero para que possa ser injetado no
molde. Este, por sua vez, tem a função de dar forma ao polímero sob alta pressão
e velocidade controlada, sendo também capaz de resfriar a peça. Ou seja, o
polímero passa de sólido para fundido e por fim é finalizado dentro do molde,
como mostra a Figura 8. Deve-se salientar que na fabricação de uma peça
polimérica muitas variáveis estão envolvidas, como: o material de escolha e suas
propriedades inerentes, o tipo de molde e máquina envolvidos neste processo
(MANRICH 2005).
De forma simplificada o processo de injeção pode ser dividido em seis
etapas distintas e consecutivas (MANRICH, 2005):

Fechamento do molde: é o início do ciclo, este molde precisa ser fechado
para aguentar altas pressões;

Dosagem: consiste na homogeneização do composto polimérico; através
do calor;

Preenchimento: é a colocação do polímero já fundido no molde. Quando
este material entra em contato com o molde ele já resfria iniciando a
solidificação;

Recalque: é a manutenção da pressão de injeção mesmo após todo o
molde já estar preenchido. Isto é necessário para que não ocorram defeitos
de moldagem;

Resfriamento: é quando a peça é mantida dentro do molde ainda fechado
para resfriar e solidificar;

Extração: o molde então é aberto e a peça é retirada.
23
Figura 8 - Processo de injeção
Fonte: Eletro plásticos Caramuru (2014)
As inovações tecnológicas estão cada vez mais presentes nos
equipamentos para processamento de polímeros termoplásticos. Na moldagem
por injeção variáveis como tempo de injeção, temperatura do molde, material
injetado, pressão de injeção e tempo de resfriamento interferem no bom
desempenho do produto final. Quando alguma destas variáveis interfere, alguns
defeitos são observados. Dentre eles o aprisionamento de gás ou bolhas, que é o
objeto de estudo deste trabalho em espaçadores poliméricos (MANRICH, 2005).
A bolha é uma falha na peça que consiste no aprisionamento de gás onde
ela deveria ser maciça, podendo causar assim diminuição da resistência
mecânica do produto final (OLIVEIRA, 2014), que é fundamental para vida útil dos
espaçadores. Devido ao fato dos espaçadores serem confeccionados utilizando
se aditivos de cor, estas falhas internas não podem ser vistas a olho nu,
dificultando ainda mais o controle de qualidades destas peças.
Sabe-se que a caracterização das falhas é muito útil na melhoria do
processo de fabricação ou até mesmo como controle de qualidade (CHINAGLIA,
1997).
2.3 Polímeros
Polímeros são compostos por macromoléculas constituídas por muitas
unidades de repetição denominados meros, unidas por ligação covalente. Por ser
composto de material orgânico, possui alta massa molar (massa de mol por
cadeia) (CANEVAROLO, 2006).
24
O polímero pode ser classificado quanto a sua ocorrência: natural,
encontrado na natureza ou sintético, obtido industrialmente. Pode também ser
classificado quanto a sua forma molecular, podendo ser: linear, formada por
ligações dos monômeros em um comprimento continuo; ramificada, que podem
ser curtas ou longas e reticulada, onde as cadeias poliméricas estão ligadas entre
si (LUCAS, 2001). Ainda, pode ser classificado quanto ao modo de preparação
que pode ser adição, onde não há perda de massa na sua formação e por
condensação sendo originados da reação de dois tipos de grupos funcionais
(CANEVAROLO, 2006).
Quanto
ao
comportamento
mecânico
eles
podem
ser:
plásticos,
elastômeros e fibras. Os plásticos se subdividem em termoplásticos, termorrígidos
e baroplásticos. Termoplásticos são aqueles que submetidos a uma alta
temperatura amolecem e fluem, podendo assim ser moldados, são chamados
também de recicláveis. Os termorrígidos também fluem ao aumento de
temperatura, porém reagem quimicamente formando ligações cruzadas entre as
cadeias e se solidificam, eles são moldados quando estão na forma de prépolímero. E os baroplásticos tornam-se borrachosos quando submetidos a um
aumento de temperatura (CANEVAROLO, 2006).
Em relação a sua morfologia, os polímeros podem ser classificados em
amorfos e semicristalinos. Amorfos são aqueles que não possuem capacidade de
cristalização. Nestes polímeros as moléculas estão desordenadas aleatoriamente
e estão entrelaçadas. Os semicristalinos são formados por regiões amorfas e
regiões cristalinas. Nas regiões cristalinas as cadeias estão ordenadas de forma
regular e repetitiva pelo alinhamento de segmentos e cadeias. Neste as moléculas
exibem um comportamento ordenado e devido as fortes ligações intermoleculares
são mais rígidos, resistentes e geralmente opacos (CANEVAROLO, 2006).
A cristalinidade de um material implica na organização repetitiva ao longo
de grandes distâncias atômicas dos átomos. Quanto maior o grau de
cristalinidade dos polímeros mais frágil ele se torna. Este comportamento é
demonstrado pelas curvas de tensão em função da deformação ver Figura 9,
onde o material 1 com alta cristalinidade possui característica frágil, materiais 2 e
3 com menor cristalinidade possuem características dúcteis e o material 4 com
baixa cristalinidade, possui característica elástica ( AKCELRUD, 2007).
25
Figura 9 - Efeitos do grau de cristalinidade no comportamento tensão deformação
Fonte: AKCELRUD 2007
Como modelo de morfologia de polímeros semicristalinos se tem a
estrutura esferulítica, que ocorre pelo resfriamento do polímero fundido e é
composta por lamelas na forma de feixes que crescem radialmente a partir de um
núcleo central interligado pela fase amorfa. Estes esferulitos possuem diferentes
graus de perfeição e tamanhos. Imagem conhecida por cruz de malta, visualizada
na Figura 10 (CANEVAROLO, 2006).
Figura 10 - Fotomicrografia mostrando a estrutura esferulítica do polietileno
Fonte: Callister( 2008)
26
2.4 Polietileno
Dos polímeros existentes o polietileno é o que possui uma das estruturas
mais simples, representada pela fórmula estrutural da Figura 11.
Figura 11 – Estrutura química do polietileno
Fonte Callister (2008)
Na atualidade quatro tipos de polietileno são comercializados: o polietileno
de baixa densidade, polietileno linear de baixa densidade, polietileno de média
densidade e o polietileno de alta densidade (HDPE) (GUIMARÃES, 20002).
O HDPE foi o material escolhido para fabricação do espaçador por
apresentar elevada rigidez dielétrica (UEKI e ZANIN, 1997), elevada resistência
mecânica (CANDIAN, 2007), resistência química e pela sua resistividade elétrica
superficial (GUIMARÃES, 2002).
O HDPE apresenta boas propriedades de resistência à tração e ductilidade
em temperatura ambiente, é altamente cristalino porque, sua linearidade e sua
alta densidade (entre 0,94 e 0,97 g/cm³) fazem com que apresente alto fator de
empacotamento das cadeias, sendo assim apresenta baixo grau de ramificação
com isto apresenta temperatura de fusão cristalina de aproximadamente 132 ºC.
Estas propriedades são apresentadas na Tabela 1 (COUTINHO 2003).
Tabela 1 - Principais propriedades HDPE
Fonte: COUTINHO (2003)
27
O HDPE de baixo peso molecular é frágil e fratura sem desenvolver
pescoço no ensaio de tração. Já o HDPE comercial, com peso molecular maior,
sempre ocorre formação de pescoço no ensaio de tração (CANEVAROLO, 2006).
Um aumento do teor de ramificações reduz a cristalinidade causando
variação das características mecânicas como: o aumento da resistência
mecânica, o aumento da tensão de ruptura e o aumento da deformação
(GUIMARÃES, 2002).
2.5 Propriedades Mecânicas dos Materiais
As propriedades dos materiais são verificadas através de testes realizados
em laboratórios que procuram reproduzir as condições reais de serviço. São
conceitos gerais importantes para realização dos ensaios: resistência mecânica
(nível máximo de tensão que o material pode suportar sem que ocorram falhas),
módulo de elasticidade (medida de resistência de um material a deformação),
ductilidade (medida da habilidade de um material em ser submetido à uma
deformação plástica antes da fratura) e a rigidez (resistência de um material à
deformação por uma força aplicada) (CALLISTER, 2008).
Para verificar estas propriedades, em ensaios mecânicos, existem quatro
maneiras de aplicação de força: tração, compressão, torção e cisalhamento. O
teste de interesse para este trabalho é o ensaio de resistência à tração, que é um
dos ensaios mecânicos mais comumente realizados, ilustrado pela Figura 12
(CALLISTER, 2008).
Figura 12 - Ensaio de tração
Fonte: Callister (2008)
28
Neste ensaio uma força de tração produz um alongamento até a
deformação ou ruptura da peça. O grau de deformidade que a peça irá assumir
depende da carga aplicada a ela como visualizado na Figura 13.
Figura 13 - Conceito tensão deformação
Fonte Callister (2008)
Como as características de carga e deformação são dependentes dasɛ
dimensões da peça analisada utilizam-se parâmetros como a tensão de
engenharia, demonstrada pela equação (1) e deformação de engenharia,
demonstrada pela equação (2)
̥
(1)
ɛ = [(l - lo) / lo] == l / lo
(2)
σ=F/ A
Onde:
F = força [N]
A ̥ = área [m²]
l ̥ = comprimento inicial [m]
l = comprimento final [m]
Módulo de elasticidade é a razão entre a tensão e a deformação do
material na direção da carga aplicada. Na deformação elástica o grau até onde
uma estrutura se deforma depende da magnitude da tensão imposta. Isto é
chamado de módulo de elasticidade ou módulo de Young E.
29
Obedecendo inicialmente a relação conhecida como lei de Hooke na
equação (3) (CALLISTER, 2008).
σ=E ɛ
(3)
Onde: σ = tensão [Pa]
ɛ = deformação [m/m]
A razão entre as deformações laterais e axiais em materiais isotrópicos,que
possuem as mesmas propriedades físicas independente da força aplicada é
chamada de coeficiente de Poisson (CALLISTER, 2008).
O módulo de elasticidade pode ser inicialmente associado ao quão o
material é deformável, ou seja, quanto maior for o valor do módulo de elasticidade
menos deformável será o material. A deformação elástica não é permanente, já a
deformação plástica é permanente e não recuperável. Conforme a tensão de
tração é aumentada o material passa por um ponto onde não responde mais com
deformidade elástica e é deformado além deste ponto, como visualizado na
Figura 14.
Figura 14 - Representação esquemática de comportamento elástico e plástico
Fonte: Callister (2008)
Após a aplicação de uma força que deforma o material permanentemente
diz se que o material possui uma deformidade plástica. A passagem do
30
comportamento elástico para o plástico é uma passagem gradativa (CALLISTER,
2008).
O limite de escoamento é o nome dado pela tensão que limita as
deformações plástica e elástica.
Após o escoamento, a tensão necessária para dar continuidade à
deformação plástica cresce até um máximo e depois decresce até a fratura. O
limite de resistência à tração é o valor máximo que pode ser atingido pelo material
(CALLISTER, 2008), indicado na Figura 15 pelos pontos B e B’.
Figura 15 - Diferença do comportamento tensão deformação de materiais frágeis e dúcteis
Fonte: Callister (2008)
2.5.1 Propriedades mecânicas dos polímeros
As propriedades mecânicas dos polímeros podem ser caracterizadas por
vários tipos de ensaios: destrutivos e não destrutivos, estáticos e dinâmicos e de
curta e longa direção. A resposta dos polímeros às solicitações mecânicas é
dependente de fatores estruturais como peso molecular, cristalinidade e
orientação molecular e também outras variáveis como condições de fabricação da
amostra, temperatura e tipo de solicitação (LUCAS, 2001).
A forma como os polímeros respondem as solicitações demonstram suas
propriedades mecânicas. Os mecanismos de deformação em polímeros podem
ser de dois tipos: deformação elástica, que é proporcional a força aplicada (Lei de
Hooke) e deformação plástica, que é um processo irreversível que ocorre após a
aplicação de uma força sobre o material em um determinado tempo
(CANEVAROLO, 2006).
31
Alguns parâmetros estruturais interferem no desempenho de polímeros sob
solicitações mecânicas. São eles: cristalinidade, massa molar, copolimerização,
ligações cruzadas, entre outras.
Com relação à cristalinidade à medida que aumenta o módulo elástico, a
resistência ao escoamento e a dureza também aumentam. A massa molar
elevada diminui a densidade e a cristalinidade e, como consequência a elongação
aumenta (CANEVAROLO, 2006). Na Tabela 2 são apresentadas algumas
propriedades do polietileno com vários graus de cristalinidade, onde o tipo 1 é o
menos cristalino e o tipo 3 é o mais cristalino. Neste quadro observa-se que
quanto mais cristalino é o polímero maior é sua densidade e maior sua resistência
mecânica.
Tabela 2 - Propriedade mecânica do polietileno com vários graus de cristalinidade
Fonte: Canevarolo (2006)
Segundo Canevarolo (2006) os materiais poliméricos possuem uma
característica peculiar: suas propriedades mecânicas dependem muito do tempo
que são aplicadas as forças. Dentre as fraturas que podem ocorrer nos polímeros
estão à fratura frágil e a fratura dúctil.
A fratura dúctil é aquela em que o material deforma-se antes de ocorrer à
fratura e na fratura frágil o material rompe antes de deformar (deformação
plástica). Os mecanismos de fraturas ocorrem em estágios distintos. O estágio
final da fratura é, na maioria das vezes, precedido pelo fenômeno de
empescoçamento num ensaio de tração (CANEVAROLO, 2006).
Na fratura frágil o material se deforma pouco antes de fraturar. O processo
de propagação de trinca pode ser rápido, gerando uma deformação plástica muito
pequena no material adjacente à fratura (CANEVAROLO, 2006).
Enquanto as propriedades elétricas são pouco influenciadas pelo peso
molecular e a densidade, as propriedades mecânicas são afetadas pelo teor de
32
ramificação, estrutura morfológica e orientação, deixando o polímero com
características mais frágeis ou mais dúcteis (CANDIAN, 2009).
2.6.Radiografia Industrial
Após sua descoberta, os raios X foram largamente utilizados na medicina e
na indústria e muitas pesquisas foram realizadas a seu respeito e ainda são
utilizadas até hoje (BONTRAGER, 2003).
Na produção dos raios X, quando há um choque dos elétrons do catodo
com o alvo, boa parte da energia é perdida em forma de calor (99%) e apenas
uma pequena parte (1%) é utilizada na conversão em raios X (LEAL, 2004).
A interação dos raios X com a matéria depende exclusivamente da energia
do fóton, ou seja: a qualidade do feixe é caracterizada pela energia dos fótons
produzidos no tubo. No processo de formação da imagem por radiografia ocorre a
interação da radiação com o material estudado (ANDREUCCI, 2008).
Quando um feixe de raios X atravessa a matéria sua intensidade é
atenuada. Esta redução ocorre devido às características físicas do feixe e do
objeto. A absorção do feixe depende principalmente da densidade do objeto e da
energia do feixe. Quando se aumenta a energia do feixe aumenta também seu
poder de penetração (SOARES 2003). A Lei de Lambert Beer diz que:
"A intensidade do raio x emitida decresce exponencialmente à medida que
a espessura do meio absorvente aumenta aritmeticamente". A Figura 16
representa um diagrama de como ocorre a absorção citada pela lei de Lambert
Beer e pode ser expressa pela equação 4.
Figura 16 - Desenho esquemático da lei de Lambert Beer
Fonte: o Autor
33
I = Io .e-µx
(4)
Onde I = intensidade do feixe que atinge o detector
I ̥ = intensidade do feixe que atinge o objeto
µ = coeficiente de atenuação do material
x = espessura do material
A radiografia industrial é um método de ensaio não destrutivo, com grande
eficácia na avaliação da qualidade de materiais, utilizada com a finalidade de
investigar defeitos internos. Ela baseia-se na absorção diferenciada da radiação
penetrante na peça inspecionada.
As peças avaliadas através da radiografia possuem diferentes densidades
o que resulta em uma variação de absorção de raios X. E é através da
observação destas diferenças que poderá ser observada a existência ou não de
um defeito no material (ANDREUCCI, 2008).
2.7 Estado da Arte
Nos últimos anos a imagem digital industrial e o ensaio de tração tem sido
de grande valia para a indústria. Alguns pesquisadores, que serão descritos a
seguir, usaram estes métodos para avaliar materiais dos mais diferentes tipos.
LUGGAR (2001) utilizou a tomografia como ensaio não destrutivo para
analisar volume de defeitos, tanto microscópicos, para caracterizar e quantificar
célula unitária, quanto macroscópico para medição de fluxo multifásico em tempo
real na indústria.
BORD (2002 e 2004) publicou artigos em que se utilizou da tomografia por
raios X para analisar placas de circuitos, onde se observou com precisão e em
diversos ângulos defeitos muito pequenos.
QUORIN (2004) utilizou a tomografia para diagnosticar defeitos na
madeira. Foram utilizadas neste estudo amostras de Pinus e Eucalipto de formato
cilíndrico. Nestas amostras foram realizadas tomografias com retroprojeção
filtrada, chegando-se a conclusão que a tomografia computadorizada é um
método eficiente para visualizar o interior da madeira.
34
BRUNETI (2004) também pesquisou pedras porosas utilizando imagens por
tomografia de raios-X.
GODOI (2005) utilizou a radiografia digital para detectar defeitos em
isoladores poliméricos de diversos fabricantes, onde as amostras foram
radiografadas em ângulos diferentes. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema
de radiografia digital portátil que possibilita a detecção de defeitos em isoladores
tanto no campo de atuação como na linha de produção.
FINKLER (2005) mostrou que com a adição de um agente estabilizante o p
HDPE aumenta resistência a flexão ao impacto, mas sua resistência a tração não
sofre alterações, em relação ao polímero puro.
CUNHA (2006) realizou ensaios de tração, em compósitos de fita de
carbono impregnadas com resina epóxi, em diversas condições ambientais.
Concluiu que os compósitos ensaiados em temperatura ambiente não perderam
sua resistência. Os compósitos apresentaram redução da sua resistência quando
os ensaios eram realizados em uma temperatura elevada, devido a degradação
da matriz polimérica.
TETZENER (2008) na USP, juntamente com o Instituto de Pesquisas
Energéticas
e
Nucleares,
utilizou
um
equipamento
de
tomografia
computadorizada desenvolvido pelos pesquisadores, com recursos e tecnologia
nacional, para realizar um estudo em rochas e comparar com os resultados
apresentados por outros dois equipamentos.
Os pesquisadores do LACTEC, juntamente com a COPEL e o SENAI,
publicaram na Revista Espaço Energia (2009) um artigo sobre a detecção
automática de vazios em isoladores poliméricos. Neste estudo foi utilizado um
phanton de acrílico para que a comparação com o defeito real pudesse ser
realizado. Após a extração das características 3D foram realizados testes com
uma rede neural com intenção de detectar automaticamente os defeitos em
isoladores e concluiu-se que é possível atingir bons índices de acertos usando as
características extraídas das imagens tomográficas.
MACHADO (2010) comprovou que o compósito estudado adicionado de
pó de madeira apresenta maior rigidez e pequena redução da resistência à tração
comparado ao material puro, pois aumenta seu grau de cristalinidade.
MENDES (2011) pesquisou concreto no estado endurecido. Foram
realizadas as tomografias e depois aplicado um algoritmo para visualização
35
volumétrica das amostras. Para o estudo da qualidade das imagens desenvolveuse uma avaliação de baixo contraste. Depois foram fabricados 2 phantons para
testar o sistema de medida de volume nas amostras.
Na cidade de Praga na Republica Checa, para preservação dos
monumentos, foram também utilizadas técnicas não destrutivas para análise das
pedras e para monitoramento das profundidades que precisam ser preenchidas
(SLAVICOVÀ, 2012).
Em 2013, no Congresso de Qualidade em Metrologia, foi apresentado um
trabalho por pesquisadores do Instituto de Pesquisa de São Paulo. Este trabalho
relatou a análise de materiais e dimensionamento de peças metálicas utilizando
tomografia computadorizada. Neste trabalho foram analisadas bielas automotivas
que são compostas por ligas de aço e que durante seu processo de formação
podem apresentar defeitos que prejudicarão a vida útil da peça. É discutida neste
artigo a seleção adequada dos parâmetros de uma medição e a interpretação
adequada dos resultados.
36
3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MÉTODOS
3.1 Materiais e Equipamentos
Para desenvolvimento do presente trabalho foram utilizados os seguintes
materiais e equipamentos:
Espaçador: Foram utilizados 49 espaçadores do fabricante “A” e 7
espaçadores do fabricante “B”.
Sistema de radiografia: com o objetivo de quantificar os defeitos em
espaçadores sem destruí-los utilizou-se a radiografia digital. Foi utilizado um
gerador de raios X do sistema JV 225, fornecido pela empresa Julio Verne que é
composto por um gerador de alta tensão, tubo de raio X (Comet modelo MXR 225
HP-11) e painel de controle (Gulmay, modelo MP-1),representados pela Figura
17, e também por um sistema de resfriamento do tubo (Comet modelo XRC3000WA). O detector plano de raio x de silício amorfo do fabricante YXLON, modelo
XRD 01620 com 2000x2000 pixels ativos, com área útil de 400x400 mm²,tamanho
do pixel 200 µm e faixa de energia de 40 keV à 15 MeV. O sistema de radiografia
opera dentro de uma cabine blindada visando à proteção radiológica.
Figura 17 - Painel de Controle e Fonte de raio X
Fonte: o Autor
Suporte de isopor: foi confeccionado um suporte em placa de isopor com
40 cm de comprimento, 15 cm de largura e 4,5 cm de altura com uma abertura
37
central de 7 cm de diâmetro, para que fosse realizada a radiografia do espaçador
por inteiro, como mostrado na Figura 18.
Figura 18 - Espaçador no Suporte
Fonte: o Autor
Software de reconstrução de imagens tomográficas: a reconstrução
tomográfica 2D e 3D foi realizado por meio do software CT 2.0.0.42. Este software
foi desenvolvido pelo laboratório de tomografia industrial dos Institutos LACTEC.
Figura 19 - Pagina Inicial – Sotware CT 2.0.0.42
Fonte: Manual de Reconstrução em Tomografia dos Institutos LACTEC
Software Comsol Multiphysics ®: é um software sueco que atua na
resolução de equações diferenciais baseado no método de elementos finitos.
Neste trabalho a utilização do software tem como objetivo a determinação do
38
estado de tensão e deformação de um sólido de certa geometria sujeito a ações
exteriores. Através de uma interface gráfica define-se a geometria do domínio,
selecionam-se as equações, malha e a solução a ser utilizada na simulação do
problema. Este software ainda possui uma grande capacidade de pósprocessamento para análise e validação dos resultados.
Software MESHLAB: é um software destinado ao processamento e edição
de malhas triangulares não estruturadas 3D. O software ajuda modelos não
estruturados que surgem em digitalização 3D, assim como a imagem tomográfica,
fornecendo um conjunto de ferramentas para edição de malhas.
Máquina universal de ensaio de tração: Para realização dos ensaios de
tração foi utilizada a máquina de tração marca INSTRON modelo 33R4467,
visualizada na Figura 20.
Figura 20 - Ensaio de Tração
Fonte: o Autor
3.2 Métodos
Inicialmente foram realizadas radiografias de 49 espaçadores de um
fabricante “A”, foram nomeados de A1 até A49. Estes espaçadores foram
colocados na diagonal, encaixados no suporte de isopor a fim de que coubessem
em toda sua extensão no detector, como demonstra a Figura 18. Os parâmetros
utilizados foram: 40 kV, 2mA e 1s.
39
Foram realizadas estas radiografias a fim de localizar possíveis vazios. Neste lote
não foram encontrados vazios.
Em um segundo lote, este do fabricante “B”, foram radiografados 7
espaçadores nomeados de E1 até E7 que apresentaram vazios em diferentes
locais, visualizado na imagem como a parte mais clara, em destaque na Figura
21.
Figura 21 - Radiografia com Vazios
Fonte: o Autor
Identificados os defeitos pela radiografia digital o passo seguinte foi realizar
a tomografia, em um espaçador com vazio, objetivando a reconstrução digital em
3D das peças no software.
Para conseguir este objetivo foi usada a técnica de tomografia por
retroprojeção filtrada. O espaçador foi colocado na posição vertical e preso entre
dois quadrados de isopor com o auxilio de fita crepe como mostra a Figura 22.
Figura 22 - Espaçador nas diferentes posições para tomografia
Fonte: o Autor
40
Foram realizadas 180 radiografias, uma a cada grau de rotação. Após
terem sido feitas as imagens na direção longitudinal a aquisição das fatias foi
realizada por meio do software, onde o espaçador foi recortado em 2046 fatias.
Depois de aquisitadas as fatias foi realizada a reconstrução em 2D e 3D.
Este processo de reconstrução da imagem segue uma sequência:
1º aquisição de fatias: foi selecionada a primeira imagem da sequência de
projeção;
2º configuração de parâmetros, entre os quais:
Limite de cores: utilizado para aumentar o contraste de objetos com pouco
contraste;
Fator de centralização: corrige a posição do senograma no centro de
rotação da mesa tomográfica;
Faixa de equalização: é utilizada para não perder a equalização entre as
tomografias (é possível variar a faixa de tons de cinza);
Filtros no senograma (obtém quando se alinha todas as projeções ao longo
de uma matriz). Servem para eliminar ruídos provenientes do detector de raios-X
que provocam distorções nas imagens.
Todos estes parâmetros são ajustados com o único objetivo de melhorar a
qualidade da imagem.
Após a reconstrução da imagem, esta foi salva no padrão STL para poder
ser carregada no software Comsol Multiphysics ®. Usou-se o software MESHLAB
para corrigir os defeitos na imagem de tomografia para que a mesma pudesse ser
carregada no Comsol Multiphysics ®. Este passo está demonstrado na Figura 23.
Figura 23 - Softwar Mesh lab
Fonte: o Autor
41
Após serem corrigidos todos os defeitos na imagem, esta foi carregada no
software Comsol Multiphysics ®.
Para a simulação neste software algumas etapas foram seguidas, as quais
são descritas a seguir:
Iniciando-se o software o primeiro passo é selecionar as características do estudo
como: a) dimensão 3D, b) física estrutural, c) mecânica dos sólidos e d) estudo
estacionário. Este estudo foi selecionado porque no espaçador não existem
cargas que variam com o tempo.
Concluída esta parte inicial o próximo passo foi importar a geometria, que
já estava definida pela tomografia. Verificou-se se as grandezas estavam corretas
ajustando-as para mm.
A definição do material foi o passo seguinte. Selecionou-se o HDPE para o
espaçador e alumínio e aço para os cabos constituintes da rede compacta.
Confirmam-se na janela de propriedades do material as propriedades utilizadas
na simulação. Para a simulação com o HDPE foram utilizadas as seguintes
propriedades: a) densidade 0,965 g/cm³, b) módulo de elasticidade: 290 MPa e c)
razão de Poisson 0,45.
Os parâmetros foram definidos na chave de definições globais onde F=
6000 N. Esta força está determinada pela NBR 16.095 (2012).
Após determinar as características do estudo, importar a geometria,
acrescentar o material e definir o parâmetro foram definidas as condições de
contorno. Na parte superior do espaçador, o cabo foi marcado como fixo,
condição esta que restringe os movimentos em todos os sentidos. Outros três
pontos de carga foram selecionados, pontos estes onde foram aplicadas as
forças. Estes pontos correspondem aos cabos. Estes foram marcados no eixo z
como – F, pois a direção desta carga é negativa.
A malha utilizada no método de elementos finitos divide o módulo em
pequenos elementos. Após alguns segundos a malha é criada.
O passo final foi rodar o estudo e em alguns minutos o software apresentou
o resultado.
Devido a uma incompatibilidade de softwares a imagem de tomografia não
pode ser utilizada no software Comsol Multiphysics ®, pois devido a
irregularidades no contorno da imagem o software não conseguiu fechar a malha
(Figura 24).
42
Figura 24 - Comsol Multiphysics® com a imagem de tomografia
Fonte: o Autor
A solução encontrada foi realizar as simulações no Comsol Multiphysics ®
utilizando desenhos, representada na Figura 25. Estas simulações seguiram
todos os passos citados anteriormente.
Figura 25 - Comsol Multiphysics® com desenho
Fonte: o autor
Após esta simulação foi inserido no desenho um cilindro, representando um
vazio no espaçador indicado pela seta na Figura 26.
43
Figura 26 - Inserção do vazio
Fonte: o Auto
Foram realizados cortes transversais a fim de verificar a tensão na seção
transversal do espaçador sem o vazio e com o vazio. Esta foi à região escolhida
para fazer o corte porque na simulação do espaçador foi a que apresentou maior
tensão.
Depois de terminadas as simulações no software Comsol Multiphysics ®
realizou-se o ensaio destrutivo na máquina de tração. Este ensaio foi realizado
conforme as normas técnicas ABNT NBR 16094 e ABNT NBR 16095(2012).
Os espaçadores foram colocados na máquina de tração (vide Figura 20) e foi
utilizada uma célula de carga de 30 kN. Foi retirada uma amostra de 6 unidades
do fabricante “A”, escolhidos aleatoriamente, e sete amostras do fabricante “B”
que apresentaram vazio e realizados testes de tração.
44
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Radiografias dos espaçadores
Nas radiografias dos espaçadores do fabricante “A” não foram encontrados
vazios como visualizado na Figura 27.
Figura 27 - Radiografia sem vazio fabricante A
Fonte: o Autor
As imagens radiográficas dos espaçadores que apresentaram vazios
podem ser visualizadas da Figura 28 até a Figura 34, onde os vazios aparecem
em tonalidade mais clara, indicados através de setas vermelhas.
Figura 28 - Radiografia com vazios: E1
Fonte: o Autor
45
Figura 29 - Radiografia com vazios: E2
Fonte: o Autor
Figura 30 - Radiografia com vazios:E3
Fonte: o Autor
46
Figura 31 - Radiografia com vazios: E4
Fonte: o Autor
Figura 32 - Radiografia com vazios: E5
Fonte: o Autor
47
Figura 33 - Radiografia com vazios: E6
Fonte: o Autor
Figura 34 - Radiografia com vazios: E7
Fonte: o Autor
4.2 Tomografia
A reconstrução em 3D realizada pela tomografia computadorizada pode ser
vista na Figura 35. A Figura 36 mostra o vazio na peça reconstruída, indicado por
setas vermelhas.
48
Figura 35 - Reconstrução 3D espaçador
Fonte: o Autor
Figura 36 - Vazia no Espaçador
Fonte: o Autor
4.3 Simulação Mecânica
A simulação no software Comsol Multiphysics® mostrou que as áreas com
maior tensão na peça são aquelas mostradas em vermelho na Figura 37.
49
MPa
Figura 37 - Espaçador sem defeito
Fonte: o Autor
Novamente foi realizado o teste para verificar o comportamento frente à
tração com um vazio inserido. A simulação mostrou que a tensão aumenta na
região da inserção do vazio, conforme mostrado na Figura 38.
50
MPa
Figura 38 - Espaçador com defeito
Fonte: o Autor
Na Figura 39 é apresentado um corte a fim de verificar a tensão na seção
transversal do espaçador sem o vazio e na Figura 38 o corte do espaçador com o
vazio. Esta foi à região escolhida para fazer o corte porque na simulação do
espaçador por inteiro esta região foi a que apresentou maior tensão. Verificou-se
que no espaçador com inserção de vazio a tensão no local chega aumentar até
20 MPa em relação ao espaçador sem vazio, visualizado na Figura 40 na cor
vermelha próxima ao vazio.
51
MPa
Figura 39 - Tensão em corte transversal sem vazio
Fonte: o Autor
MPa
Figura 40 - Tensão em corte transversal com vazio
Fonte: o Autor
52
4.4 Ensaios de Tração
Após as simulações no software foram realizados os ensaios destrutivos
na máquina de tração:
Os espaçadores que não tinham vazios no seu interior foram tracionados e
todos escaparam da máquina, sem apresentar deformidades permanentes
aparentes, como visualizado na Figura 41.
Figura 41 - Espaçador sem vazio após ensaio de tração
Fonte: o Autor
A Figura 42 apresenta um resumo de todos os ensaios mecânicos
realizados nos espaçadores que não apresentaram vazios, do fabricante “A”,
nomeados de A 01 até A 06
Figura 42 - Gráfico ruptura dos espaçadores sem vazios
Fonte: o Autor
53
Todos os espaçadores suportaram uma força de tração maior que 6 kN
escapando da máquina de tração com pequena diferença na elongação.
Os espaçadores que apresentaram vazios apresentaram respostas
distintas ao ensaio.
Espaçador E1 apresentou vazios na parte superior e inferior como mostra o
detalhe de figura 28. Depois de diagnosticado o vazio realizou-se o teste de
tração representado na figura 43.
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
3,234
6,467
9,701
12,934
16,167
19,401
22,634
25,867
29,101
32,334
35,567
38,801
42,034
45,267
48,501
51,734
54,967
58,201
61,434
64,667
67,901
71,134
74,367
77,601
80,834
Força (N)
Espaçador 1
Elongação (mm)
Figura 43 - Gráfico Espaçador E1
Fonte: o Autor
Este espaçador, após apresentar uma elongação de 81 mm, escapou da
máquina de tração, apresentado deformidade na parte superior, conforme pode
ser visto nas Figuras 44 e 45.
Figura 44 - Fotografia Espaçador E1 após teste de tração
Fonte: o Autor
54
Figura 45 - Fotografia do detalhe espaçador E1
Fonte: o Autor
Espaçador E2 apresentou um vazio na parte superior, como mostrado no
detalhe da radiografia apresentada na Figura 29.
Após a radiografia foi realizado o teste de tração, representado na Figura
46. Este espaçador teve uma elongação de 31 mm e rompeu na região do vazio,
como visualizado nas Figuras 46, 47 e 48. Isto aconteceu quando a força aplicada
ultrapassou 5 kN.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
1,434
2,867
4,301
5,734
7,167
8,601
10,034
11,467
12,901
14,334
15,767
17,201
18,634
20,067
21,501
22,934
24,367
25,801
27,234
28,667
30,101
31,534
32,967
Força (N)
Espaçador 2
Elongação (mm)
Figura 46 - Gráfico Espaçador E2
Fonte: o Autor
55
Figura 47 - Fotografia Espaçador E2 após teste de tração
Fonte: o Autor
Figura 48 - Fotografia do detalhe Espaçador E2
Fonte: o Autor
Espaçador E3 apresentou na sua radiografia um vazio na parte superior
como visualizada na figura 30.
No teste de tração o espaçador apresentou uma elongação de 220 mm.
Quando a força chegou em 6 kN este fraturou, porém não rompeu, chegando a
uma elongação final de 247 mm ao final do teste. Estes dados podem ser
observados nas Figuras 49 e 50.
56
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
174,948
178,115
181,282
184,448
187,615
190,782
193,948
197,115
200,282
203,448
206,615
209,782
212,948
216,115
219,282
222,448
225,615
228,782
231,948
235,115
238,282
241,448
244,615
247,782
Força (N)
Espaçador 3
Elongação (mm)
Figura 49 - Gráfico Espaçador E3
Fonte: o Autor
Figura 50 - Fotografia Espaçador E3 após teste de tração
Fonte: o Autor
Espaçador E4 apresentou vazios na parte superior, lateral e inferior como
detalhado na figura 31.
Após o teste de tração foi observado que quando a força chegou em 5 kN o
espaçador teve uma elongação de 32 mm e rompeu como visualizado nas
Figuras 51 e 52.
57
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
0
1,534
3,067
4,601
6,134
7,667
9,201
10,734
12,267
13,801
15,334
16,867
18,401
19,934
21,467
23,001
24,534
26,067
27,601
29,134
30,667
32,201
Força (N)
Espaçador 4
Elongação (mm)
Figura 51 - Gráfico Espaçador E4
Fonte: o Autor
Figura 52 - Fotografia Espaçador E4 após teste de tração
Fonte: o Autor
Na radiografia do espaçador E5 os vazios foram observados na parte
superior e na parte lateral como visualizado na Figura 32.
O teste de tração mostrou que com uma força de 6 kN ele elongou-se 48
mm fraturou, mas não rompeu (Figuras 53 e 55), chegando a uma elongação ao
final do teste de 83 mm, como visualizado na Figura 55.
58
8000
6000
4000
2000
0
-2000
0
4,301
8,601
12,901
17,201
21,501
25,801
30,101
34,401
38,701
43,001
47,301
51,601
55,901
60,201
64,501
68,801
73,101
77,401
81,701
Força (N)
Espaçador 5
Elongação (mm)
Figura 53 - Gráfico Espaçador E5
Fonte: o Autor
Figura 54 - Fotografia Espaçador E5 após teste de tração
Fonte: o Autor
Figura 55 - Fotografia do detalhe Espaçador E5
Fonte: o autor
59
Na visualização da radiografia do espaçador E6 verifica-se a presença de
vazios também na parte superior e inferior, como destacado na Figura 33.
O teste de tração mostrou que antes que a força chegasse em 6 kN, com
uma elongação de 45 mm, o espaçador fraturou, mas não rompeu, até chegar a
uma elongação de 63 mm e rompeu como visualizado nas Figuras 56 e 57.
8000
6000
4000
2000
0
-2000
0
2,867
5,734
8,601
11,467
14,334
17,201
20,067
22,934
25,801
28,667
31,534
34,401
37,267
40,134
43,001
45,867
48,734
51,601
54,467
57,334
60,201
63,067
Força (N)
Espaçador 6
Elongação (mm)
Figura 56 - Gráfico Espaçador E6
Fonte: o Autor
Figura 57 - Fotografia Espaçador E6 após teste de tração
Fonte: o Autor
60
Figura 58 - Fotografia do detalhe espaçador E6
Fonte: o Autor
A radiografia do espaçador E7 mostra a presença de vazios na parte
superior e na lateral destacados na Figura 34.
O teste de tração mostrou que passando 6 kN de força e com apenas 38
mm de elongação a peça escapou da máquina de tração, não apresentando
deformidades na peça, como visto nas Figuras 59 e 60.
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
-1000
0
1,701
3,401
5,101
6,801
8,501
10,201
11,901
13,601
15,301
17,001
18,701
20,401
22,101
23,801
25,501
27,201
28,901
30,601
32,301
34,001
35,701
37,401
39,101
Força (N)
Espaçador 7
Elongação (mm)
Figura 59 - Gráfico Espaçador E7
Fonte: o Autor
61
Figura 60 - Fotografia Espaçador E7 após teste de tração
Fonte: o Autor
Segundo as normas NBR 16.094(2012) e NBR 16.095 (2012) o espaçador
polimérico em um teste de tração deve suportar uma força de tração de 6 kN sem
que haja escorregamento do cabo ou ruptura. Seis espaçadores analisados neste
trabalho não atenderam o critério normativo e ainda apresentaram duas formas
distintas de ruptura.
A Figura 61 apresenta um resumo de todos os ensaios mecânicos
realizados nos espaçadores com vazios.
Figura 61 - Gráfico ruptura dos espaçadores com vazios
Fonte: o Autor
62
A análise dos dados obtidos demonstrou os seguintes resultados:
O espaçador E1 não rompeu, apenas deformou visualizada na Figura 43.
Os espaçadores E2 e E4 romperam de maneira frágil, com uma força
menor, não chegaram a 6 kN, pois estes dois espaçadores possuíam vazios na
área
de
maior tensão.
O E4 possuía
um
vazio
de
diâmetro maior
(aproximadamente 11 mm) comparado com o diâmetro do vazio de E2
(aproximadamente 5 mm), ver Figura 62. Devido a isto o espaçador E4 rompeu
com uma tensão de ruptura menor (˂ 5,5 kN) e o espaçador E2 ,que tinha
diâmetro de vazio menor, rompeu com maior tensão de ruptura (=5,5 kN).
Provavelmente estes espaçadores apresentavam uma alta cristalinidade nas
bordas, esta característica possibilita a fratura frágil.
E4
E2
Figura 62 - Comparação Diâmetros de vazio E4 e E2
Fonte: O Autor
Os espaçadores E3 e E5 romperam com fluência do material, estes dois
espaçadores possuíam vazios na região de maior tensão. O espaçador E3
possuía um vazio de diâmetro menor (aproximadamente 5 mm) comparado ao
diâmetro do vazio do espaçador E5 (aproximadamente 7mm) (Figura 62), devido
a isto rompeu com uma tensão maior ( ˃ 6 kN). O espaçador E5 que possuía o
vazio de diâmetro maior, rompeu com tensão menor ( 6 kN). Provavelmente estes
espaçadores apresentavam uma baixa cristalinidade nas bordas, pois no
momento da fratura o material apresentou fluência.
63
E3
E5
Figura 63 - Comparação diâmetros de vazio E3 e E5
Fonte: O Autor
O E6 rompeu com fluência, com uma tensão maior (5,9 kN) comparada aos
espaçadores E2 e E4 (que romperam de forma frágil ) e com tensão menor
comparada aos espaçadores
E3 e E5 ( que romperam com fluência). Este
espaçador possuía vazios na parte superior, porém não na área de maior tensão
(Figura 63). Provavelmente este espaçador possuía baixa cristalinidade nas
bordas, pois fluiu antes de fraturar.
Esta diferença na cristalinidade das bordas acontece no momento da
injeção devido a uma diferença na temperatura de resfriamento da peça.
E6
Figura 64 - Fratura E6 sem vazio
Fonte: o Autor
64
E o espaçador E7 escapou da máquina de tração sem deformidade
permanente do material, pois o vazio que apresentou não estava na área de
maior tensão.
65
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Pela análise das formas de defeitos apresentadas nas radiografias e pela
comparação e pelas respostas dos ensaios de tração pode-se concluir que:
Os espaçadores que tiveram processamento adequado não romperam durante o
ensaio de tração e escaparam da máquina de tração no final do ensaio;
As simulações no software Comsol Multiphisics® indicaram as regiões com
maior concentração de tensões mecânicas, comprovadas posteriormente pelo
local das rupturas durante os ensaios mecânicos;
A presença de vazios na área de maior tensão eleva a tensão no local e,
como consequência, ocorre à fratura com menor tensão de ruptura;
A ruptura ocorreu de duas formas distintas nos espaçadores com vazios na
área de maior tensão: de forma frágil e com fluência do material devido à
diferença na cristalinidade no local. A presença de vazios e diferenças de
cristalinidade são consequências do processamento inadequado.
Como sugestão para trabalhos futuros: resolver a interface entre as
imagens de tomografia e o software Comsol Multiphysics ® para que estas sejam
usadas nas simulações. E realizar teste de cristalinidade nos pontos de ruptura
dos espaçadores.
66
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