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CATEGORIA 1MELHOR MONOGRAFIA
ESAFEscola de Administração Fazendária
032M
SÃO CARLOS - SP
21 Anos
JAQUELINE NACCARATO PIFFER
Termografia Aplicada como Teste não Destrutivo em Análise Estrutural de Compósitos
Menção Honrosa
PRÊMIO DE DESENVOLVIMENTO E INOVAÇÃO DA AVIAÇÃO CIVIL
TERMOGRAFIA APLICADA COMO TESTE NÃO DESTRUTIVO EM ANÁLISE ESTRUTURAL DE COMPÓSITOS
Categoria Melhor Monografia Tema Novas Tecnologias na Aviação Civil.
2016
RESUMO
O presente trabalho tem por objetivo iniciar um estudo acerca da termografia aplicada como um tipo de ensaio não destrutivo (NDT) em materiais compósitos. Considerando o crescente uso desses materiais na indústria aeronáutica e a constante necessidade de inspeção na estrutura de um avião, as empresas buscam métodos mais eficientes e eficazes. Para tanto, optou-se por realizar um projeto de caráter experimental, visando, primeiramente, entender o funcionamento do ensaio termográfico e testar algumas novas opções para composição e realização dos testes. Em segundo plano, objetivou-se colher os resultados obtidos e analisar as possibilidades futuras de criar cartas de danos que pudessem auxiliar nas tarefas de manutenção já existentes, ou em procedimentos de inspeção. Sendo assim, projetou-se uma fonte de calor, operada por quatro Peltiers; uma câmara térmica, capaz de isolar o meio interno do externo, para realização dos ensaios; os próprios corpos de prova necessários aos testes; e o sistema de controle da fonte de calor. Ao final do trabalho, a união desses equipamentos, somada à câmera infravermelha, permitiu a realização de alguns ensaios, descritos neste trabalho. A metodologia aplicada nos ensaios baseou-se, fundamentalmente, em produzir danos graduais nas placas de corpo de prova (fibra de vidro e fibra de carbono) e submetê-las a um mesmo tipo de teste, tido como padrão. Os resultados colhidos permitiram uma análise para além do funcionamento do ensaio como um todo: foi possível testar e conhecer a funcionalidade e aplicação individual de cada um dos equipamentos desenvolvidos e utilizados, traçando, assim, um rápido perfil de melhoria para uma possível aplicação na indústria. Os ensaios atingiram o objetivo primário de familiarização com as vantagens e desvantagens da própria termografia. Apontaram, sob diversos aspectos, as dificuldades em manusear um equipamento bastante delicado. Por outro lado, mostraram-se bastante viáveis em relação à possível criação de cartas de danos e estabelecimento de ensaios padrão para alguns casos. Conclui-se que, apesar dos inúmeros fatores que devem ser levados em consideração para a realização do NDT por termografia, como: paleta de coloração, posicionamento da fonte de calor em relação a câmera, tipo de foco, tipo de dano, entre outros; mediante a realização de vários ensaios para diferentes tipo de danos (tamanho, profundida, tipo, entre outros), seria possível criar as chamadas cartas de danos e, junto a elas, o procedimento para realização dos ensaios. A existência de um documento desse porte certamente facilitaria as manutenções e reparos feitos diariamente em hangares de manutenção existente em todo o Brasil. Palavras-chave: Termografia. Ensaios Não Destrutivos. Aeronáutica. Materiais Compósitos.
Sumário
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................... 4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................... 9
2.1 Materiais Compósitos na Indústria Aeronáutica ............................................. 9
2.2 Principais Defeitos em Peças de Materiais Compósitos .............................. 16
2.3 Procedimentos de Inspeção de Peças em Material Compósito ................... 20
2.3.1 Método de baixa frequência .................................................................. 20
2.3.2 Ultrassom .............................................................................................. 22
2.3.3 Termografia ............................................................................................ 23
2.4 Termografia Infravermelha ........................................................................... 25
2.4.1 Transferência de calor ........................................................................... 25
2.4.2 Radiação infravermelha ......................................................................... 27
2.4.3 Tipos de termografia .............................................................................. 28
3 MATERIAIS E MÉTODOS .....................................................................34
3.1 Corpo de Prova ............................................................................................ 34
3.1.1 Procedimento de manufatura das placas .............................................. 35
3.2. Projeto e Construção da Câmara de Ensaios .............................................. 39
3.3. Fonte de Calor ............................................................................................. 42
3.4. Descrição do Ensaio .................................................................................... 48
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS...............................................................56
5 CONCLUSÕES ...................................................................................73
5.1 Recomendações para Trabalhos Futuros .................................................... 78
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS ..........................................................79
1 INTRODUÇÃO
A combinação de dois ou mais materiais distintos tendo em vista a
criação de um novo material recebe a denominação de compósito. Sabe-se que,
embora o termo tenha sido difundindo apenas no século 20, relatos históricos de 1500
a.C descrevem uma mistura feita a base de barro e palha, que os primeiros egípcios
e colonizadores da Mesopotâmia utilizavam para construir edifícios mais fortes e
duradouros (JOHNSON, s.d.).
Foi apenas no início de 1900 que a fabricação de estruturas em
compósitos deixou de ser feita apenas com componentes derivados a partir da
natureza (barro, palha, fibras de coco, capim seco, ossos, “cola animal”) e passou a
ser estudada e fabricada em laboratórios, por cientistas. Com o advento do plástico
(vinil, poliéster, poliestireno), iniciou-se a era moderna dos compósitos, e esse novo
tipo de material ganhou espaço no mercado (JOHNSON, s.d.).
No entanto, Lee (1989) ressalta que apenas anos mais tarde a indústria
de compósito ganhou força; a Segunda Guerra Mundial eclodiu e, pela primeira vez,
produziu-se em massa estruturas em compósitos para aviões de guerra. Scala (1996)
justifica esse avanço, evidenciando a necessidade em desenvolver um material que
pudesse acompanhar o restante dos avanços tecnológicos aeroespaciais,
desenvolvidos durante a Guerra Fria nos Estados Unidos.
Os conhecimentos adquiridos durante a guerra possibilitaram o
desenvolvimento de novas tecnologias em materiais compósitos e a sua posterior
difusão no contexto civil. Esse “novo material” passou a ser amplamente utilizado em
estruturas diversas: de barcos a hélices de usinas eólicas.
Para a aviação geral, a utilização de componentes a base de compósito
trouxe um novo parâmetro de aeronave: estruturas cada vez mais leves, sem perda
de resistência, ou seja, aeronaves altamente eficientes e econômicas, tanto em voo
quanto em manutenção. Entretanto, a utilização em larga escala desse novo material
veio acompanhada de dificuldades, que ainda hoje são estudas (CANTOR et al.,
2001).
Na aeronáutica é necessário prever a ineficiência de um material. Dito
isso, os materiais sempre passam por uma inspeção estrutural, em busca de danos e
avarias. A dificuldade ocorre quando é necessário inspecionar um material composto
pela sobreposição de camadas. Diferentemente das chapas de ligas metálicas, os
compósitos não são feitos de uma camada única e singular, o que implica na
possibilidade de existência de danos nas camadas mais internas.
De fato, a visualização interna dessas camadas, em busca da
identificação de danos e sua posterior classificação como reparável ou não, vem se
mostrando como um grande problema para as empresas de manutenção de
aeronaves.
A busca por novos métodos de análise daquele tipo de estrutura tem
como intuito tentar unir algo que seja prático e, ao mesmo tempo, extremamente
preciso em um único teste. Busca esta que, atualmente, encontra-se claramente
dividida, como pode ser observado em uma comparação entre o Tap Test e o
Ultrassom. O primeiro, um teste extremamente simples e fácil de realizar, porém pouco
preciso e, de certa forma, rudimentar. O segundo, é completamente o oposto do
primeiro, complexo, porém bem mais exato nos resultados.
Sendo assim, apesar da disseminação do uso de compósitos, os
conhecimentos acerca deste material, bem como os ensaios aplicados nele, ainda
encontra-se em fase de desenvolvimento. Nesse sentido, idealizou-se a elaboração
de cartas de dano, baseadas em ensaios não destrutivos por termografia, que
pudessem ser utilizadas frequentemente durante processos de inspeção e rotinas de
manutenção em aeronaves.
A proposta seria elaborar um documento, as cartas de dano, com a
descrição de procedimentos padrão de NDT por termografia para os tipos de danos
mais recorrentes em estruturas feitas de materiais compósitos. No entanto, alcançar
tal objetivo requeria o cumprimento de uma série de etapas anteriores, tal como é
ilustrado no fluxograma da Figura 1.1
Figura 1.1.1 - Fluxograma
Fonte: da autora.
.
Por essas razões, no presente trabalho, de caráter experimental, optou-
se por iniciar um estudo acerca da termografia como NDT em compósitos,
intencionando realizar o projeto, a construção e os testes de funcionamento dos
equipamentos necessários aos ensaios.
Para tanto, vislumbrou-se: (1) a possibilidade de propor um novo
equipamento para atuar como fonte de aquecimento dos corpos de prova; (2)
desenvolver um sistema digital de controle para a fonte de aquecimento; (3) projetar
e construir um ambiente controlado para realização dos ensaios; (4) testar a
viabilidade dos equipamentos construídos e apresentar perspectivas de otimização.
Dessa forma, é possível iniciar os primeiros passos para elaboração das
cartas de dano e, ainda assim, desenvolver e testar novas tecnologias para os ensaios
termográficos, visando sua viabilidade e aplicabilidade como NDT em compósito.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Materiais Compósitos na Indústria Aeronáutica
Material compósito é o material formado por duas ou mais fases distintas,
cujas propriedades são superiores àquelas obtidas considerando as fases
isoladamente (Shackelford, 2008); (Reddy, 2004).
O material compósito é formado, essencialmente, pela associação da
matriz (fase contínua) a um tipo de reforço (fase dispersa ou descontínua).
Combinações mais complexa podem utilizar de tipos diferentes de reforço e/ou matriz
(Mallick, 2007); (Campbell, 2011).
Dentre os tipos de reforço aplicados em aeronáutica, os fibrosos são os
mais usuais. As fibras de carbono, vidro e Kevlar 491 (aramida) são as mais comuns.
O reforço possui como principal papel nessa associação, a formação das
propriedades mecânicas do sistema. Dessa forma, é o tipo de fibra que determina, por
exemplo, o nível de resistência e rigidez suportada pelo material (Mallick, 2007). A
Figura 2.1 apresenta os principais tipos de fibras utilizados:
1Kevlar 49 é o nome registrado pela Dupont para a fibra sintética de aramida.
A matriz, por sua vez, vai atuar como um colante capaz de unir uma fibra
à outra. Ao mesmo tempo, fornece um ambiente capaz de dissipar, por entre as fibras,
uma tensão externa aplicada ao material. Além disso, a matriz garante uma separação
entre as fibras, evitando a propagação de trincas e reduzindo a tendência de ruptura
do material. Por fim, permite a formação de uma camada protetora sobre a fibra,
reduzindo a ocorrência de danos superficiais (Callister, 2007).
A capacidade de combinação de diferentes tipos de fibras, com
diferentes tipos de matrizes, permitiu à ciência explorar, cada vez mais, os materiais
compósitos em busca de materiais com, por exemplo, baixa densidade e alta
resistência mecânica.
Algumas das propriedades otimizadas pela formação de um compósito
foram enumeradas por Lins (2012, p.39):
a) Rigidez;
b) Resistência à corrosão;
c) Resistência ao desgaste;
Fonte: 2.1 - Tipos de fibras
Fonte: Mallick (2007).
d) Resistência à fadiga;
e) Resistência a altas temperaturas;
f) Peso;
g) Isolamento térmico;
h) Condutividade térmica;
i) Isolamento acústico.
A dificuldade de associação dessas propriedades, contidas nos
diferentes tipos de matrizes e fibras, impede a criação de um material único, capaz de
conter, em si mesmo, todas elas. Sendo assim, as diferentes combinações foram feitas
tomando-se como base o meio de aplicação do material, ou seja, as principais
características que necessitariam ser otimizadas. Por essa razão, os materiais
compósitos alcançaram diversos campos de aplicabilidade, de bens de consumo e
equipamentos a componentes de uma usina eólica – Figura 2.2.
Fonte: 2.2 - Níveis de aplicação dos materiais compósitos em diferentes setores da economia
Fonte:mAgarwal et al (2006, p.12)
Na indústria aeronáutica, atualmente, os materias compósitos estão
presentes em toda a aeronave, desde as estruturas externas (superfícies de controle,
asas, carenagens, entre outros) até as estruturas internas (painéis, revestimentos,
moveis, entre outros) - Figura 2.3. No entanto, nem sempre foi assim!
Em meados da década de 70, a NASA, vislumbrando as vantagens dos
materiais compósitos, investiu mais de \$60 milhões no programa Aircraft Energy
Efficiency (ACEE). O programa teve como objetivo incentivar os fabricantes de avião
a projetar, construir e testar peças em compósito, semelhantes às que já eram
fabricadas em ligas de alumínio - Figura 2.4 - (Niu, 1992).
Em paralelo ao cenário norte-americano, a Airbus Transports, fabricante
francesa, em 1972 já iniciava o projeto de implantação da fibra de vidro com matriz
polimérica (epóxi) no bordo de ataque e carenagens do A300. Em 1985, a Airbus
tornou-se a primeira fabricante de aeronaves a utilizar e produzir em série uma
estrutura em compósito. O A310, fabricado com estabilizador vertical em
carbono/epoxi, teve uma redução de 10\% do peso total em relação ao seu
Figura 2.3 - Principais materiais presentes na estrutura do Boeing 787
Fonte: Segui (2005).
predecessor, o A300 (Niu, 1992); (Mallick, 2007).
O pioneirismo das empresas citadas trouxe um novo parâmetro para o
projeto de aeronaves, em especial àquelas utilizadas em aviação comercial. Os
resultados concretos, já em escala de produção, obtidos pela Airbus com o A310,
intensificou os avanços nas pesquisas e o uso de compósitos nas estruturas das
aeronaves – Figura 2.5. Para os fabricantes, significava produzir aviões mais
econômicos, por serem mais leves, com a manutenção do mesmo padrão de
resistência estrutural. A união desses fatores convergiam com a estratégia adotada
pelas linhas aéreas: reduzir o custo da passagem para torná-la mais acessível ao
cliente.
Figura 2.4 - Componentes (representados na cor preta) inseridos no programa da ACEE
Fonte: Niu (1992, p.560).
O uso crescente de materiais compósitos na aeronáutica, com enfoque
na aviação comercial, parece não ter limites. Tarpani et al. (2009) chama a atenção
para o Boeing 787 ''[...] cuja porcentagem em massa de compósitos aplicados em
estruturas primárias e secundárias alcançou a cifra sem precedentes de 50\%''. A
Figura 2.6, datada de 1992, apresenta uma projeção do uso progressivo de
compósitos nas aeronaves. Relacionando esta com a Figura 2.3, referente ao Boeing
787, percebe-se que, em 20 anos de aplicação e melhoria, o uso de compósitos,
basicamente, atingiu o patamar da projeção.
Figura 2.5 - Demostrativo da crescente utilização de materiais compósitos no setor aeronáutico
Fonte: McGee (2015).
A Figura 2.7 apresenta um gráfico referente ao nível demanda de
materiais compósitos por diferentes setores aeronáuticos, considerando um período
de 10 anos (2011 a 2020). Nele, verifica-se que 81\% dos compósitos utilizados na
aviação são destinados ao uso em aeronaves de transporte comercial e regional. Em
4 anos, a aviação comercial teve um crescimento de mais de 30\% na utilização de
materiais compósitos, segundo dados levantados por Red (2012).
Existe, de fato, um uso crescente desse tipo de material dentro do
mercado aeronáutico, resultado da expansão de sua aplicabilidade para além dos
Figura 2.6 - Projeção do uso de materiais compósitos (cor preta) na constituição de uma aeronave
Fonte: Niu (1992, p.10).
Figura 2.7 - Demanda de materiais compósitos por categoria de avião - período entre 2011 à 2020
Fonte: Red (2012).
componentes estruturais.
2.2 Principais Defeitos em Peças de Materiais Compósitos
Durante o tempo de operação de uma aeronave é impossível evitar a
ação de carregamentos mecânicos e das intempéries do ambiente em sua estrutura.
A célula da aeronave, inevitavelmente, fica sujeita a uma série de ambientes distintos,
muitas vezes caracterizados por mudanças bruscas e discrepantes entre si. Além da
influência do meio, a estrutura sofre a ação de cargas e forças que atuam intensa e
constantemente no material, gerando tensões de fadiga. A ação, isolada ou conjunta
desses fatores, pode ultrapassar o limite de tolerância do material, resultando em
avarias na estrutura (Department of defense USA, 2002).
Expandindo ainda mais, uma aeronave operante sempre estará sujeita
a acidentes ou incidentes durante a sua permanência em solo, seja parada
(hangarada), em manutenção ou durante movimentação (taxiando); essas ocorrências
normalmente são oriundas de falha humana.
A ocorrência de uma avaria em compósito pode ser classificada como
defeito (defect, flaw) ou dano (damage) de acordo com a origem. Avarias provenientes
do processo de manufatura são consideradas defeitos, enquanto os danos remetem
a ocorrências mais dinâmicas, quando a aeronave já esta em operação (RAY;
HASSAN; CLEGG, 2007 et al. apud MIRANDA, 2011).
Ainda tendo em vista a classificação de danos/defeitos, Lins (2012)
distingue duas espécies, interno ou externo, dependendo da(s) camada(s) atingida(s).
Interna é a avaria impossível de ser detectada por inspeção visual, o oposto da
externa, perceptível visualmente, ainda que não seja possível determinar suas
proporções.
Independentemente do tipo de avaria e/ou sua localização, a presença
de uma descontinuidade na estrutura do material representa alterações nas
propriedades físicas e mecânicas do componente. Por essas razões, a Tabela 2.1
elenca alguns tipos de danos e defeitos.
Tabela 2.1 - Tipos de avarias e suas classificações
Tipo Definição Classif. Esquemático
Delamination (Delaminação)
Separação, descolagem das camadas de um laminado. Pode ser resultado de uma
preparação inadequada da superfície, inclusão
de matéria estranha ou, ainda, um dano
causado por impacto.
Dano ou defeito interno
Voids (Vazios)
Formação de pequenas bolhas de ar ou gás ao
longo de todo o laminado e por todas as camadas. Geralmente
ocorrem devido a falhas na distribuição da
pressão de vácuo e inadequado fluxo de
resina.
Defeito interno
Inclusion (Inclusão ou
Contaminação)
Presença de um corpo estranho no interior do
laminado.
Defeito interno
Tipo Definição Classif. Esquemático
Resin Variations
(Variações de Resina)
Falhas internas que ocorrem no laminado
pela falta ou excesso de resina. Pode, ainda, ser derivado da inadequada
pressão na compactação. Ambos
os problemas são característicos de
procedimentos incorretos de cura.
Defeito interno
Chip (Lasca) Pequena ruptura na
borda ou na superfície da peça.
Dano externo
Crack (Rachadura)
Ruptura superficial ou profunda de uma ou
mais camadas do laminado.
Dano interno
e/ou externo
Pit (Crateras)
Pequena deformação na superfície do
laminado, com largura e profundidade na mesma
ordem de grandeza.
Dano externo
Tipo Definição Classif. Esquemático
Moisture Bubbles
(Infiltração de Água)
Presença de água entre as camadas do
laminado.
Defeito ou dano
interno
Scratch (Entalhe)
Marca rasa (sulco) com remoção superficial de
material.
Dano externo
Dint (Mossa)
Depressão superficial causada por impacto de ferramentas ou material estranho, resultando em fibras deformadas sem
ruptura.
Dano externo
Lighting Strike (Raios)
Queima do material, desgaste ou abertura de buracos causados pelo disparo de raios contra
a superfície. Avarias desse tipo são essencialmente marcadas pela
mudança de cor visível do material.
Dano interno e externo
Fonte: Niu (1992); ASTM (2002). Imagem: Elaborada pela autora.
2.3 Procedimentos de Inspeção de Peças em Material Compósito
A existência de dano, falha ou defeito em um componente compromete
substancialmente suas propriedades mecânicas (tensão, cisalhamento, flexão, entre
outras). Tratando-se de um material heterogêneo, como o compósito, esse fatores são
acentuados (Agarwal et al., 2006).
Para um centro de manutenção aeronáutica, a identificação de uma
avaria em um componente representa uma interrupção indeterminada no ciclo de
operação da aeronave. É necessário reconhecer o tipo de dano, suas dimensões e
localização para determinar se um tipo de reparo é possível ou se o componente está
condenado.
Buscando a harmonia entre efetividade na identificação de uma avaria e
ausência de dano ainda mais sensível à peça, as empresas, cada vez mais, têm
investido em ensaios tidos como não destrutivos (NDT).
Agarwal et al. (2006) descreve de maneira genérica a técnica de NDT
como a sendo a aplicação de uma energia direcionada a uma estrutura e sua posterior
análise, enfatizando que as diferenças entre os tipos de ensaios encontram-se,
principalmente, no modo de aplicação dessa energia e na forma da análise da
resposta obtida.
2.3.1 Método de baixa frequência
Os métodos de baixa frequência, como o próprio nome já sugere, são
ensaios realizados com perturbações abaixo de 20 kHz. Por essa razão, tratam-se de
testes simples, cuja capacidade de detecção de defeitos/danos é limitada.
Ainda dentro dessa classificação de NDT, os ensaios de baixa frequência
podem ser subdivididos em métodos globais ou locais, sendo que a principal diferença
entre eles é a abrangência na aferição da resposta. No método global, a partir de um
único ponto é medido a resposta de toda a estrutura analisada; Já no método local,
delimita-se uma área da estrutura total para a realização do ensaio. Em ambos os
métodos pode-se ter uma uma fonte de excitação contínua ou pulsante (National
Composites Network, s.d.).
Dentre os tipo de ensaios de baixa frequência o mais usual é o Tap Test,
que, em sua versão mais antiga e mais simples, consistia na diferença sonora causada
pelas batidas suaves de uma moeda ao longo da estrutura - Figura 2.8. Apesar da
baixa precisão, o ensaio passou de um método local para global: a moeda foi
substituída por uma espécie de martelo, que aplica uma força controlada e possui um
padrão de repetitividade; além disso, foi adicionada uma célula de carga, capaz de
detectar o sinal de resposta de toda a superfície da estrutura - Figura 2.9 (National
Composites Network, s.d.).
Figura 2.8 - Procedimento aplicado na versão antiga do Tap Test
Fonte: Alexandre (2000).
Contudo, apesar das alterações realizadas no ensaio, o Tap Test, assim
como os outros métodos que utilizam baixa frequência, não consegue atingir o teor de
precisão e detalhamento de outras técnicas, como o Ultrassom, por exemplo. No
entanto, devido sua simplicidade, facilidade e baixo custo de operação, ainda se
mantém como um tipo de ensaio amplamente utilizado para uma primeira análise da
estrutura.
2.3.2 Ultrassom
As ondas ultrassônicas caracterizam-se pela sua alta frequência, não
sendo audíveis aos ouvidos humano. Em materiais homogêneos a ordem de
frequência é de 20 kHz a 20 MHz, de acordo com a National Composites Network
(s.d.). Ainda com base nesse documento, é estabelecido uma frequência de até 5 MHz
para a maioria dos ensaios em compósito. A redução na frequência, ocasionada pelo
aumento de atenuação perante um material heterogêneo, implica na redução da
capacidade de detecção do ultrassom. Mesmo assim, dentre os tipos de NDT, o ensaio
não destrutivo por Ultrassom é o mais disseminado para a análise da estrutura interna
Figura 2.9 - Procedimento aplicado na versão atual do Tap Test
Fonte: FAA (2012).
de um compósito.
Andreucci (2002, p.4) retoma os conceitos básicos da física ondulatória
e, de forma bastante simplificada, introduz a ideia do funcionamento do ensaio: “assim
como uma onda sonora, reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda
ultra-sônica ao percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma [...]”. Dessa
forma, a onda ultrassônica ao ser emitida em um corpo de prova, o percorrerá de
maneira constante. Porém, qualquer descontinuidade (possível dano) presente no
interior do material funcionará como um "anteparo" que refletirá um sinal de resposta.
O ultrassom será o equipamento responsável por detectar esse sinal.
Além do equipamento de ultrassom, o ensaio necessita de equipamentos
responsáveis por transmitir a frequência e receber o sinal. Agarwal et al. (2006, p.481)
subclassifica o ensaio ultrassônico em 3 tipos: pulse-echo, pitch-catch e through-
transmission, tendo em vista o posicionamento do transmissor (responsável por emitir
a frequência) e do receptor (responsável por receber o sinal de resposta) .
Miranda (2011, p.54-58) ainda chama atenção quanto aos tipos de
varredura: tipo-A, tipo-B e tipo-C, que determinam o eixo de aferição (longitudinal ou
transversal) e a composição do eixo de coordenadas do gráfico gerado pelo ultrassom.
O tipo de varredura implicará nas informações obtidas a respeito do dano interno.
O ensaio não destrutivo ultrassônico, durante uma análise de dano,
necessita considerar todos os fatores acima citados para obter uma visualização mais
apurada do estado interno do material. Por essas razões, trata-se de um ensaio
extremamente delicado, mas com uma boa eficiência de resposta.
2.3.3 Termografia
A termografia consiste em uma técnica capaz de detectar a presença de
uma descontinuidade interna suficiente para gerar uma diferença na condutividade
térmica do material base. Assim, é possível estabelecer uma relação direta entre o
grau de integridade da superfície analisada e a sua capacidade de transmitir a energia
na forma de calor (condutividade ou resistividade térmica) ao longo de toda a estrutura
(Tarpani et al., 2009).
Dessa forma, o ensaio não destrutivo por termografia necessita de uma
fonte de calor, responsável por gerar um gradiente térmico (aquecimento ou
resfriamento) no corpo de prova. Concomitantemente, uma câmera infravermelha
capta as imagens de todo o procedimento, dando origem aos mapas térmicos,
denominados de termogramas. Os termogramas exibem, na forma de gradientes de
coloração ou de tonalidades de cinza, a diferença de condutividade encontrada ao
longo da peça - Figura 2.10 (Tarpani et al., 2009).
Tomando a fonte de calor como principal agente, Melo (2009) classifica
Figura 2.10 - Representação de um ensaio por termografia
Fonte: Rodríguez (2014, p.17).
a termografia em passiva ou ativa. Essa distinção ocorre pela presença ou não de um
estimulo térmico (fornecimento ou não de energia na forma de calor para o material
analisado). Dentro da termografia ativa existe uma subdivisão, que toma como
referência o posicionamento da fonte de calor em relação ao corpo de prova e à
câmera infravermelha. Tarin and Rotolante (2011) ainda abordam outros três tipos de
técnicas distintas, também considerando o tipo de fonte de calor: pulsed flash, pulsed
transient e lock-in.
Sendo assim, a necessidade de conhecimento das técnicas para a
adequação do teste a cada situação especifica fica evidente. Dessa forma, a
termografia será melhor estudada e aprofundada no capitulo subsequente.
2.4 Termografia Infravermelha
Para entender a termografia, demonstrar os seus tipos e discutir suas
variações é interessante, primeiramente, resgatar alguns conceitos da física,
referentes, principalmente, à transferência de calor e à radiação infravermelha,
amplamente presentes no ensaio termográfico.
2.4.1 Transferência de calor
Segundo Kreith (2003, p.01), “sempre que existir um gradiente de
temperatura dentro de um sistema ou que dois sistemas a diferentes temperaturas
forem colocados em contato, haverá transferência de energia”, ou seja, transferência
de calor. O autor define calor como sendo a entidade de trânsito que circula entre o
gradiente, sendo que suas características não podem ser medidas ou observadas
diretamente, mas os seus efeitos, como a temperatura, são susceptíveis de análise.
Partindo das definições citadas acima, a ocorrência do fluxo de calor
entre as diferentes temperaturas pode acontecer de maneiras distintas. Por essa
razão, a transferência de calor pode ser do tipo: condução, radiação e convecção.
A condução só é passível de ocorrer quando duas variáveis são
satisfeitas: contato entre materiais e em diferentes temperaturas. A elevada
temperatura, possuindo a característica de excitar átomos e moléculas presente em
um material, dá inicio a uma sequência em cadeia de choques moleculares e
atômicos. O produto dessa cadeia é a difusão da energia cinética, da molécula mais
energizada (material quente) para a menos (material frio), permitindo a dissipação de
calor por todas as camadas do material (Jarreta Neto, 2009).
Para a radiação, diferentemente da condução, todo e qualquer corpo
com temperatura absoluta acima de zero irradia constantemente calor.
Indiferentemente do local em que se localiza e sem a necessidade de contato entre
corpos a diferentes temperaturas, a radiação térmica emite ondas eletromagnéticas
provenientes da movimentação molecular e atômica do material (Barrosa, 2004).
As ondas eletromagnéticas variam sua frequência e comprimento de
acordo com a temperatura do corpo. Dessa forma, convencionou-se um espectro de
radiação eletromagnética que inclui ondas de raios gama, raio-X, ultravioleta, luz
visível e infravermelho (Jarreta Neto, 2009).
A convecção, atuante em fluídos e gases ou em associação desses com
um sólido, transfere calor através da mobilidade das partículas. Trata-se de uma
diferença de densidade em função da temperatura, as partículas mais quentes
(densidade menor) tendem a migrar para zonas mais frias (densidade maior) (Barrosa,
2004).
Tratando-se do NDT por termografia, tanto a radiação do tipo
infravermelha como a condução, fazem-se presentes. Foi necessário associar ambos
os tipos de transição de calor para ser possível a elaboração de um ensaio não
destrutivo por termografia. O corpo de prova, naturalmente, irradia ondas
infravermelhas, captadas pela câmera; porém, para efetiva identificação da avaria, é
necessário aquecê-lo por condução, através de uma fonte de calor.
2.4.2 Radiação infravermelha
A decomposição da luz branca foi realizada pela primeira vez em 1664
por Newton. Porém, apenas em 1800, William Herschel, astrônomo inglês, descobriu
a radiação infravermelha eletromagnética. Localizada no espectro entre a luz
vermelha e as micro-ondas, a radiação infravermelha tem comprimento de onda entre
1 µm e 1000 µm (Fraga et al., 2009) – Figura 2.11.
Figura 2.11 - Espectro de luz
Fonte: Fraga et al. (2009, p.04).
As câmeras infravermelhas mais comuns, normalmente, captam
comprimentos de ondas acima de 3,0 µm, chamada de faixa infravermelha termal.
Convencionou-se que, abaixo dessa faixa, predomina a radiação refletida, que
também pode ser chamada de infravermelho refletido (Jarreta Neto, 2009).
As câmeras infravermelhas funcionam como dispositivos medidores da
intensidade de energia irradiada pelo corpo, trata-se de uma espécie de radiômetro
espectral. Os valores correspondentes a essa aferição da energia são associados a
um gradiente de coloração pré estabelecido. O termograma correlaciona todos esses
aspectos e produz uma imagem infravermelha da peça (Almeida, 2010).
2.4.3 Tipos de termografia
A termografia, como foi explicado anteriormente, submete o material a
um aquecimento ou resfriamento. A presença de uma descontinuidade na peça
acarreta diferenças na dissipação de calor ao longo do material.
A termografia, como ensaio não destrutivo apresenta diferenças em
relação aos tipos métodos usados:
1. Existência ou não de uma fonte de calor;
2. Posicionamento da fonte de calor em relação ao corpo de prova e à câmera;
3. Tipo de fonte de calor;
4. Aplicabilidade da fonte de calor.
Como foi apresentado no Capítulo 2.4.1, todo material emite radiação.
Devido a ocorrência desse fenômeno, a termografia pode ser divida em: passiva ou
ativa. A passiva caracteriza-se pela ausência de um estímulo externo aplicado ao
material, ou seja, a radiação captada pela câmera é a própria radiação natural do
corpo. A termografia ativa analisa um componente analisado no estado transiente de
temperatura. Significa dizer que o aporte (estímulo) térmico faz-se necessário na
realização do ensaio (Maldague, s.d.).
A despeito dos tipos de aporte térmico utilizados na termografia
infravermelha ativa, Rodriguez (2014) elenca quatro principais grupos, baseado nas
propriedades do estímulo: mecânico, eletromagnético, óptico e microondas. Desses
grupos, os tipos mais aplicados são a termografia por estímulo mecânico e a
termografia por estímulo óptico.
Cada um dos grupos apresentados acima possuem subdivisões com
maneiras e técnicas de aplicação e leitura distintas. Para efeito deste trabalho, será
dado ênfase apenas na caracterização das subdivisões pertencentes ao grupo óptico.
Os métodos de excitação óptico, possuem várias configurações de teste
com relação ao tipo de estimulo térmico. Maldague (s.d.) classifica-os em 3 tipos e
exemplifica:
1. Aquecimento pontual: feixes de raio laser. Apesar de gerar um
aquecimento uniforme, necessita do deslocamento do laser ao longo de
toda área que deve ser inspecionada;
2. Aquecimento ou resfriamento linear: jatos de ar quente ou frio e fios
aquecidos. Ensaio baste uniforme e rápido, porém não é possível variar a
distância entre a fonte excitadora e o material;
3. Aquecimento ou resfriamento superficial: lâmpadas e flashes de luz.
Permite captar a resposta de toda a superfície analisada de uma só vez,
porém, apresenta um aquecimento ou resfriamento não uniforme.
Além da variação da fonte estimulante, Tarpani et al. (2009) chama a
atenção para dois tipos de configuração do teste, agora com relação a forma de
obtenção da resposta. Trata-se do método por reflexão e transmissão, diferenciados
pela localização do transmissor (fonte excitadora) em relação ao receptor (câmera) e
a trajetória percorrida pela frente de calor, como pode ser observado na Figura 2.12.
A presença de uma avaria altera a condutividade térmica do material.
Logo, na região acima do dano, ocorre uma concentração de calor, enquanto na região
abaixo, tem-se uma área mais fria. Essa diferença ocorre devido a dificuldade de
difusão do calor pela avaria, reduzindo o aquecimento das camadas posteriores a ele.
Tal fenômeno proporciona respostas diferentes, dependendo da posição da fonte de
calor em relação a câmera. Em um ensaio por reflexão, a câmera captará um ponto
quente (hot shot), enquanto, na transmissão, um ponto frio (cold shot) (Almeida, 2010).
O posicionamento do receptor e do transmissor também determina a
qualidade e a extensão do que será visualizado. O método por transmissão não
consegue determinar a profundidade da descontinuidade. Porém, essa configuração
gera um sinal de resposta mais limpo que aquele gerado pela reflexão, permitindo
uma melhor visualização da avaria Melo (2009).
Figura 2.12 - reflexão e transmissão na termografia infravermelha por estímulo óptico
As diferentes combinações que podem ser realizadas, a partir dos
diferentes métodos - alguns dos quais forem relatados neste trabalho (reflexão,
transmissão, tipo de estímulos térmicos) - permitem a elaboração de diferentes
ensaios não destrutivos por termografia.
No entanto, também para efeito deste trabalho, os ensaios termográficos
adiante explicados serão restringidos aos mais usuais na análise de materiais
compósitos. São eles: pulse thermography, step heating e lockin thermography.
A termografia pulsada (pulse thermography) é um dos tipos de
termografia infravermelha mais disseminada; provavelmente devido à rapidez de
realização do ensaio associada à baixa temperatura de trabalho da fonte excitadora,
o que permite sua aplicação em componentes bem mais sensíveis (Maldague, s.d.).
O estímulo térmico é aplicado durante alguns milissegundos. Durante a
emissão do pulso térmico, a temperatura do material aumenta levemente. Finalizado
o tempo de excitação, a temperatura do material diminui até atingir o equilíbrio térmico
(Melo, 2009).
A resposta esperada, no caso da presença de uma descontinuidade
interna, é a presença de uma região mais quente que o restante da peça. O
termograma obtido, através do gradiente de coloração, é capaz de demonstrar
nitidamente a variação brusca de temperatura da região danificada em relação ao seu
redor (Rodríguez, 2004).
A termografia pulsada pode ser realizada a partir de dois tipos diferentes
de fonte de excitação, como é indicado pela Figura 2.19. Se, por um lado, os pulsos
de flash caracterizam um ensaio rápido, por outro, mostram-se limitados a pequenas
áreas, dado o tipo de fonte de calor usada (Tarin and Rotolante, 2011).
Diferentemente da termografia apresentada anteriormente, a step
heating (pulso longo) caracteriza-se pelo monitoramento contínuo da peça, durante
todo o período de elevação da sua temperatura. Dessa forma, o termograma obtido
ao final será proveniente do aquecimento e não do resfriamento da peça. Exceto por
essa particularidade, o sistema de funcionamento e de análise segue o padrão dos
ensaios termográficos (Maldague, s.d.).
A termografia ativa modulada (termography lock-in), ou radiometria,
difere-se um pouco dos outros ensaios termograficos. Para este tipo de ensaio, a peça
analisada será submetida a um estímulo térmico periódico (sinusoidal), dando origem
à oscilações térmicas no interior do corpo de prova. A Figura 2.13 apresenta alguns
dos tipos de fonte de excitação.
Neste tipo de ensaio, monitora-se, através de amplificadores, o exato
tempo de dependência entre o sinal de saída e o sinal de entrada de referência. No
regime estacionário, o campo resultante de oscilação é remotamente gravado, devido
Fonte: Tarin and Rotolante (2011, p.01).
Figura 2.13 - Caracterização da termografia pulsada e lock-in
a sua emissão de ondas térmicas infravermelhas.
Sendo assim, é fácil perceber que os termogramas obtidos são
bastantes diferentes dos usuais, afinal, eles permitem analisar tanto a amplitude
quanto a fase da onda térmica resultante sobre o espécime.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios termográficos possuem essencialmente quatro pilares para
sua realização: o corpo de prova, um local apropriado para a realização do teste, a
fonte de calor e a câmera infra-vermelha. Tendo isso em vista, foi realizado o
planejamento e a construção dos três primeiros itens, de acordo com os objetivos do
projeto.
3.1 Corpo de Prova
Para definir os corpos de prova foi preciso levar em consideração as
intenções e objetivos de trabalho juntamente com os materiais disponíveis para a
manufatura dos mesmos. Sendo assim, a primeira decisão, foi fabricar placas
laminadas a partir de tecidos pré-impregnados de fibra de vidro e de carbono com
resina epoxi, utilizando os materiais existentes no IFSP-São Carlos doados pela
empresa TAM.
As quatro placas foram fabricadas com dimensões 250 mm x 250 mm,
sete camadas, dispostas com a sequência de empilhamento [(0/90)7]T, totalizando
uma espessura de 1,4 mm para a fibra de vidro e de 2,4 mm para a fibra de carbono.
Das quatro placas fabricadas, duas são em fibra de vidro e duas em fibra
de carbono. A Tabela 3.1, trás alguns dados acerca das propriedades desses dois
materiais.
Tabela 3.1 - Propriedades dos materiais
Data sheet EHG250-44-55 HexPly 6268
Fibra de vidro de carbono
Resina epoxi epoxi
Espessura do prepreg 78,79 mm 80 mm
Peso do prepreg 250 g/m² -
Peso do tecido 105 g/m² -
Fração de resina 58 % -
Temperatura 120 °C 125 °C
Tempo de cura 90 min 90 min
Taxa de aquecimento 3 °C/min 1,5 a 5 °C/min
Taxa de resfriamento 4 °C/min -
Temperatura de remoção Abaixo de 60 °C -
Pressão de trabalho 0,07 MPa -
Fonte: Gurit (s.d.); Hexcel (2007).
3.1.1 Procedimento de manufatura das placas
O procedimento de laminação pode ser dividido em três passos que são
aplicados igualmente independente se for fibra de vidro ou de carbono. O primeiro
passo consistiu na preparação dos materiais. Dessa forma, para cada corpo de prova,
foi cortado:
7 camadas de prepreg (fibra de vidro ou carbono) de 300 mm x 300 mm;
2 camadas de peel-ply de 350 mm x 350 mm;
2 camadas de tecido tipo teflon de 350 mm x 350 mm;
1 camada de tecido tipo cobertor 35 mm x 350 mm;
1 camada de plástico 500 mm x 500 mm.
Com todos os materiais prontos, o segundo passo tratou-se do bagging
schedule, processo de empilhamento dos materiais utilizados. O procedimento foi
realizado sobre uma placa metálica de 500 mm X 500 mm com a superfície recoberta
por uma camada de vaselina. A vaselina funcionou como um desmoldante evitando
aderência do corpo de prova à placa. Sobre a placa metálica as camadas dos
materiais foram empilhadas seguindo o esquema ilustrado pela Figura 3.1.
Figura 3.1 - Vista explodida dos materiais utilizados do processo de laminação manual
Fonte: da autora.
A sobreposição das camadas de prepreg exigiu uma maior atenção e
cuidado tanto com relação ao posicionamento da trama [(0/90)7]T quanto para ao
correto lado de aderir um prepreg ao outro. Normalmente cada lado do prepreg é
recoberto com um plástico protetor removível de cor diferente (A e B), devendo-se unir
o lado de cor A com o lado de cor B e assim sucessivamente até a ultima camada.
Após o empilhamento de todos os materiais é necessário garantir a
formação de uma bolsa de vácuo ao redor do laminado. Por essa razão, o plástico da
ultima camada foi fixado na placa metálica com o auxilio da tacky tape e um bico
instalado dentro da bolsa de vácuo. O sistema esta representado na Figura 3.2.
O terceiro e ultimo passo refere-se a cura dos laminados. Neste caso,
devido as propriedades dos dois tipos de prepreg utilizado, o processo consistiu em
aquecer os laminados de 15 °C (temperatura ambiente) a 120 °C a uma taxa de 3 °/min
na Estufa de Secagem e Esterilização SL-100 , propriedade do IFSP - São Carlos. A
temperatura de 120 °C foi mantida durante 90 min seguido de um resfriamento de
4 °C/min até no mínimo 60 °C, podendo ser removida a qualquer instante depois dessa
temperatura. Durante todo o procedimento foi mantido uma pressão de vácuo de 0.07
MPa, que pode ser desligada já durante o processo de resfriamento ou apenas quando
Figura 3.2 - Vista superior após empilhamento de todas as camadas
Fonte: da autora.
todo o equipamento for removido do forno. O processo de cura foi esquematizado no
gráfico da Figura 3.3 baseado na Tabela 3.1.
Ao final do processo de cura, as camadas dos materiais anteriormente
descritas, devem ser removidas permanecendo apenas a placa laminada formada
pelas 7 camadas de prepreg. O laminado deve estar semelhante ao da Figura 3.4,
sem a presença de bolhas de ar, as camadas bem fixadas umas as outras e
apresentando características de rigidez quando deformado.
Figura 3.3 - Gráfico da curva de cura da temperatura pelo tempo
Fonte: da autora.
3.2. Projeto e Construção da Câmara de Ensaios
Figura 3.4 - Placa de laminado em fibra de carbono
Fonte: da autora.
A fim de controlar o ambiente de realização dos ensaios termográficos,
projetou-se uma câmara capaz comportar uma placa de até 350 mm x 300 mm e um
sistema de aquecimento com temperatura máxima de 50 °C. Optou-se por uma
câmara com isolamento térmico, de modo a reduzir, a influência do meio externo
durante os experimentos. A Figura 3.5 apresenta o desenho técnico das 3 vistas da
câmara projetada.
A câmara possui duas aberturas laterais destinadas ao sistema de
ventilação, necessidade exigida para uma fonte formada por placas de Peltier e que
será melhor detalhada no subcapítulo 3.3. Aperfeiçoando o projeto, optou-se pela
colocação de portas que pudessem manter tanto as entradas de ar abertas como
fechadas. Sendo assim, a mesma câmara comportaria desde um sistema de
aquecimento mais complexo por placas de Peltier à até mesmo um sistema mais
Fonte: da autora.
Figura 3.5 - Desenho técnico da caixa de ensaios - isométrico e as três vistas
simples por lâmpada incandescente.
Ainda tendo em vista a construção de algo mais versátil, que pudesse
ser utilizado para além do trabalho em questão, foi adotado um sistema de apoio
móvel do corpo de prova. Dessa forma, as placas de laminado seriam apoiadas sobre
pinos, ajudados conforme o tamanho da placa – Figura 3.6.
Para a construção da câmara foi utilizado essencialmente madeira pinos
e alguns tarugos de compensado para dar sustentação e evitar empenamento. Os
cortes foram feitos manualmente com serra Tico Tico e as chapas foram unidas com
pregos e reforçadas com cola de madeira. A construção foi de caráter bastante
artesanal devido ao próprio desenho simples da câmara.
De posse da estrutura externa completamente montada, a sequência foi
Figura 3.6 - Sistema de ajuste da dimensão
Fonte: da autora.
revestir todo interior com isopor de 10 mm de espessura. O corte do isopor foi feito
com uma lamina aquecida em fogo. Ainda foi acrescentada à estrutura rodinhas para
melhor locomoção. Ao final, obteve-se a câmara de ensaios que pode ser observada
na Figura 3.7.
3.3. Fonte de Calor
O Peltier, ou pastilha termoelétrica, é composto por duas placas cerâmicas
com um núcleo formado por pequenos blocos de telureto de bismuto (Bi2Te3) dopados, a
fim de criar semicondutores do tipo N e tipo P. Os semicondutores são montados alternada
e eletricamente em série, possibilitando a ocorrência do Efeito Peltier, ou seja, a aplicação
de uma corrente promove o deslocamento do calor de um lado para o outro, criando uma
zona fria e uma zona quente – Figura 3.8.. A inversão dessa corrente, inverte o
deslocamento do calor, a antiga zona fria torna-se quente e a antiga região quente perde
Figura 3.7 - Câmara de ensaios finalizada - à esquerda fechada e à direita aberta
Fonte: da autora.
calor e resfria. A placa de Peltier funciona como uma bomba de calor, capaz de absorver o
calor de uma região e transmiti-lo à outra, sem haver necessidade de mecanismos móveis.
À medida que todo o calor de uma região é absorvida, esse deslocamento cessa e o Peltier
atinge uma temperatura fixa tanto no lado quente quanto no lado frio.
Para um estudo inicial da eficiência do uso de Peltiers, aplicados como fonte
de calor nos ensaios termográficos, estipulou-se, dentre os materias disponíveis para uso,
utilizar 4 Peltiers de 0.6 A, com dimensões de 40 mm x 40 mm x 3,3 mm.
Os Peltiers foram encaixados em uma placa de madeira de 250 mm x 250 mm
x 3 mm. Dispostos 50 mm de distância de um do outro e 60 mm da borda da placa. A Figura
3.9, ilustra um esquemático do posicionamento dos Peltiers.
Figura 3.8 - À esquerda, o Peltier fechado e, à direita, sua composição interna
Fonte: da autora.
Figura 3.9 - À esquerda, o esquemático da placa de madeira; à direita, a vista superior real da placa
Fonte: da autora.
A face superior dos Peltiers foi recoberta de pasta térmica, modelo Implastec,
com o propósito de otimizar a transferência de calor da superfície do Peltier para a placa
metálica. Da mesma forma, do outro lado, a face inferior também foi recoberta com pasta
térmica, apenas sobre a superfície dos Peltiers, onde haveria contato com o dissipador dos
coolers. A configuração final da fonte de calor pode ser visualizada na vista explodida do
isométrico da Figura 3.10.
A placa metálica, a pasta térmica, os dissipadores e os coolers foram inseridos
no projeto da fonte de calor com os objetivos de tentar suprir a carência de mais Peltiers
posicionados mais próximos uns dos outros, para, assim, gerar um superfície
uniformemente aquecida, e a necessidade do próprio Peltier em gerar um delta de
temperatura entre o lado superior e o lado inferior, funcionando como uma bomba de calor,
como foi visto anteriormente.
Com a estrutura física planejada, decidiu-se trabalhar com dois circuitos
separados e independentes, lado esquerdo e lado direito. Assim, viabilizou-se operar o
sistema com três fontes de energia, modelo Instrutherm com capacidade 7 A / 250 V. A
primeira, responsável por fornecer energia ao lado direito do sistema, a segunda, para o
lado esquerdo e, a terceira, apenas para os coolers. Essa divisão permitiu que os Peltiers
trabalhassem em níveis mais intensos, chegando em temperaturas mais elevadas no
Figura 3.10 - Vista explodida da fonte de calor
Fonte: da autora.
aquecimento e temperaturas mais baixas no resfriamento. Para ambos os casos, também
obteve-se uma taxa de aquecimento e resfriamento mais rápida, ou seja, um sistema mais
eficiente no todo.
Se todos os sistemas operassem a partir da mesma fonte de energia seria
necessário dividir a corrente entre os 3 sistemas e colocá-los para operar abaixo do nível
ótimo de trabalho. Ainda assim, haveria uma sobrecarga de trabalho da fonte de energia. A
Figura 3.11 ilustra o resultado final da montagem da fonte de calor.
Para complementar o sistema de aquecimento, projetou-se um sistema de
controle digital. Este sistema foi modulado para iniciar o aquecimento, inverter para
resfriamento e controlar o tempo de operação desses dois processos, podendo ou não
repetir o ciclo em cadeia. Para tal operação, optou-se por fazer um controle via Arduino
Nano.
A placa Arduino Nano utilizada possui dimensões de 45 mm x 18 mm, com
comunicação via USB, tendo disponível para uso: 14 pinos digitais, que podem ser usados
como entrada ou saída, dependendo do código digitado; e 8 entradas analógicas. A placa
Figura 3.11 - Montagem final - vista superior à esquerda e inferior à direita
Fonte: da autora.
pode ser alimentada através da conexão USB ou por uma fonte externa regulada 5 V,
através do pino 27, como foi utilizado nesse projeto.
O script do código para comando do Arduino foi escrito no software Gambas3,
e, dessa forma, foi gerado uma interface para viabilizar o controle. O layout dessa interface
foi ilustrado na Figura 3.12, onde podem ser visualizados dois campos de preenchimento
com botões de acionamento e dois campos de preenchimento destinados ao botão de
controle de tempo. Variando os dados inseridos nos quatro campos de preenchimento
pode-se criar um único ciclo de aquecimento ou resfriamento, um ciclo de aquecimento
seguido de resfriamento ou, ainda, um ciclo em looping para os dois tipos de ciclos citados
anteriormente. Neste sistema, apenas não é possível gerar um patamar fixo de temperatura
em razão da variação do tempo.
A utilização do sistema de controle por Arduino levou à necessidade de se
criar uma placa de controle, responsável por receber os comandos provenientes do Arduino
e transmiti-los para a fonte de calor – Figura 3.13. Tal sistema foi compostos por uma série
de 6 relés, responsáveis pelo acionamento dos Peltiers e inversão do sentido da corrente.
Cada relé possui um Led indicativo de início e fim de operação (Led acesso/apagado). O
Figura 3.12 - Layout do programa
Fonte: da autora.
Arduino Nano, diferentemente dos outros, permite uso direto na protoboard, facilitando a
conexão entre ele e a placa de controle por relés.
Figura 3.13 - Sistema de controle
Fonte: da autora.
Ao final, unindo-se o sistema de controle digital com placa de relés e a fonte
de calor, planejou-se um sistema semelhante ao ilustrado pela Figura 3.14.
3.4. Descrição do Ensaio
Antes de iniciar o ensaio termográfico foi necessário preparar a área de teste.
A câmara de ensaios precisou ser alocada entre duas superfícies de apoio, destinadas à
fixação do tripé. Em seu interior, a placa metálica com os Peltiers foi posicionada sobre os
pinos de ajuste, e sobre esta, o corpo de prova. O chicote de fios da fonte de calor foi
passado para fora da câmara térmica e conectado, através de um barramento, à placa de
controle com relés.
Com o interior da câmara montada, a tampa, obrigatoriamente, precisou ser
reencaixada e fechada com as porcas borboletas, isolando o meio interno do externo. A
circulação de ar ocorreu, quando desejado, através das portas menores localizadas nas
laterais da câmara.
Figura 3.14 - Esquemático das ligações do sistema de controle
Fonte: da autora.
Subsequentemente, a câmera infravermelha, modelo FLIR T360 (30 Hz),
detalhada na Tabela 3.2, foi fixada ao tripé, que encontrava-se apoiado sobre as duas
superfícies planas. Esse arranjo permitiu a movimentação da câmera nos três eixos (X, Y e
Z) e garantiu a sua localização acima da tampa superior da câmara.
Tabela 3.2 - Especificações técnicas da câmera infravermelha
Modelo FLIR T360 (30Hz)
Ano 2013
Resolução infravermelha 320 x 240 pixels
Distância mínima de foco 25° x 19° / 0,4 m (1,31 ft.)
Frequência da imagem 30 Hz
Tipo de foco Automático ou manual
Zoom 1-4 x contínuo, digital zoom, incluso filtro
Paleta de coloração rainbonw
Faixa de temperatura operacional -15 °C to +50 °C (+5 °F to +122 °F)
Peso total da câmera 0,88 kg (1,94 lb.)
Dimensão da câmera – (C x L x A) 106 x 201 x 125 mm (4,2 x 7,9 x 4,9 in.)
Fonte: Flir Systems (2013)
A câmera precisou ser posicionada a favor do vetor gravidade e o seu visor
alinhado com o furo existente na tampa superior da câmara de ensaios. Todo o sistema
composto pela câmera e o tripé foi movimentado e ajustado de modo a obter o melhor
campo de visão da câmera, ou seja, que abrangesse a maior parte do corpo de prova, sem
possuir obstruções ao longo do caminho. O arranjo final dos componentes - câmera,
câmara e fonte de calor -, foi ilustrado na Figura 3.15.
Em uma bancada próxima, um computador, conectado à câmera, via USB,
armazenou as imagens capturadas no decorrer de todo o ensaio. Nessa mesma bancada,
outro computador foi reservado apenas para a interface do sistema de controle digital. Ele,
conectado via USB à placa Arduino Nano, comandou o acionamento da placa de relés.
Ao final, a placa de relés foi alimentada por uma fonte de energia de 12 V, os
coolers foram ligados em outra fonte de energia, ajustada para trabalhar entre 7 V e 10 V
e, por fim, a fonte de calor - lado direito e lado esquerdo, simultaneamente - foi alimentada
pela terceira fonte de energia, ajustada em 6 V e puxando em torno de 4.5 A de corrente.
Esse arranjo difere do esquemático ilustrado pela Figura 3.14 devido a união do lado
esquerdo com o direito. Neste caso, houve a eliminação de uma das fontes de energia:
apenas três foram adotadas e não quatro, como inicialmente se previa.
De posse de todos os equipamentos montados, antes de iniciar os ensaios,
realizou-se alguns ciclos de aquecimento seguido de resfriamento forçado pelo Peltiers,
com o intuito de estabelecer o tempo para cada um dos módulos e visualizar a operação
dos quatro Peltiers. Nestes ensaios, foi mantido o sistema de coolers acionado durante todo
o ciclo com a câmera ajustada em zoom automático.
Durante os ensaios iniciais de parametrização foi estabelecido um tempo
padrão de 360 s, durante o aquecimento, e de 710 s, para o resfriamento, atingindo a
temperatura máxima de 32 °C e a mínima de 24 °C, tomando como base um corpo de prova
em fibra de carbono. Já para a fibra de vidro, buscando atingir a mesma temperatura
máxima, foi necessário apenas 180 s de aquecimento e 210 s de resfriamento. Para ambos
Figura 3.15 - Esquema da montagem para o ensaio
Fonte: da autora.
os ensaios as placas de corpo de prova foram analisadas, sem a existência de nenhum
dano.
Estabelecido o padrão de tempo, realizou-se o pré ensaio com um corpo de
prova danificado. Tendo em vista a intenção de danificar gradativamente os corpos de
prova, ou seja, evoluir de um simples arranhão superficial até a remoção profunda do
material, os danos realizados na placa de fibra de carbono foram do tipo externo. De acordo
com a Tabela 2.1, esses danos podem ser classificados como Scratch. A existência de uma
camada de tecido colada sobre o corpo de prova CP1C (Corpo de Prova em Fibra de
Carbono – número 01) permitiu que os dois primeiros danos fossem apenas a remoção
desse tecido.
Os danos causados no corpo de prova CP1C representaram uma possível
remoção de uma camada de tinta, fato bastante recorrente nas peças utilizadas na aviação.
Para critério de identificação, este primeiro corpo de prova foi chamada de CP1C-D1 e
encontra-se ilustrado na Figura 3.16.
Neste pré ensaio o dano presente
no corpo de prova CP1C-D1 foi posicionado para cima, ou seja, contra o vetor gravidade e
a favor do vetor Z. Sendo assim, o dano não sofreu aquecimento direto da fonte de calor,
mas, em relação a câmera, foi posicionado diretamente.
O pré ensaio realizado no corpo de prova CP1C-D1 buscou checar os quatro
tipos de paletas de coloração, sendo escolhido a tipo rainbown, e identificar o melhor tipo
de zoom para o experimento em questão. A câmera infravermelha, antes ajustada para o
módulo de zoom automático, passou a operar em zoom manual fixado em temperatura
mínima 27 °C e máxima de 34,9 °C.
Além desses fatores, durante o pré ensaio optou-se pela não utilização do
Figura 3.16 - Vista do corpo de prova CP1C-D1
Fonte: da autora.
sistema de refrigeração por dissipadores e coolers, tanto durante o ciclo de aquecimento
quanto o de resfriamento. Também optou-se pelo resfriamento natural do corpo de prova,
ao invés de forçar o resfriamento pela fonte de calor. Sendo assim, em relação ao tempo
destinado a cada ciclo, para o aquecimento manteve-se os valores antes citados e para o
resfriamento não trabalhou-se com um tempo pré determinado, encerrando o processo à
medida que o corpo de prova retornava à temperatura ambiente local.
Os parâmetros obtidos com o pré ensaio serviram de base para todos os
outros ensaios. Ao final, o padrão estabelecido no pré ensaio deu origem ao Ensaio 01, feito
com o corpo de prova CP1C-D1 posicionado com a região danificada voltada para cima,
em contato visual direto com câmera infravermelha.
O segundo ensaio realizado, Ensaio 02, prosseguiu de maneira semelhante
ao Ensaio 01, diferenciando-se apenas no posicionamento do corpo de prova. Mantendo o
mesmo corpo de prova CP1C-D1 sob análise, a placa, antes posicionada com o dano virado
contra a fonte calor, neste ensaio, foi colocada com dano em contato com a fonte calor,
recebendo diretamente o aquecimento gerado pelos Peltiers.
Ainda utilizando o corpo de prova CP1C-D1, um novo dano foi realizado. Para
tanto, o corpo de prova foi redenominado em CP1C-D1/D2. Este novo dano consistiu em
aplicar cargas pontuais de impacto, que chegaram a gerar trincas e abaulamento do
material, no lado oposto ao que a carga foi aplicada. Os dois danos gerados, seguindo a
classificação da Tabela 2.1, seria tipo Crack, podendo ser interno e/ou externo, e do tipo
Dint, classificado apenas como externo. A Figura 3.17, retrata o corpo de prova CP1C-
D1/D2.
O Ensaio 03 utilizou-se do corpo de prova CP1C-D1/D2, ensaiando-o tanto
com a região de aplicação da carga de impacto voltada para fonte de calor quanto para a
câmera. O procedimento de ensaio realizado foi o mesmo que os dois ensaios anteriores.
O Ensaio 04 utilizou um novo corpo de prova em fibra de carbono, denominado
CP2C. Neste corpo de prova, tornou-se a aplicar uma carga pontual sobre o material,
ocorrendo novamente a formação de uma leve mossa (Dint), porém dessa vez, sem a
presença de uma trinca (Crack), como pode ser observado na Figura 3.18. Este corpo de
prova danificado foi denominado de CP2C-D1 e o ensaio prosseguiu de maneira idêntica
ao Ensaio 01.
Para o Ensaio 05, optou-se por realizar novo dano no corpo de prova CP2C-
D1. Esse dano foi realizado sobre o dano já existente. Seguindo a classificação da Tabela
Figura 3.17 - Vista do corpo de prova CP1C-D1/D2
Fonte: da autora.
Figura 3.18 - Vista do corpo de prova CP2C-D1
Fonte: da autora.
2.1, trata-se de um dano tipo Scratch, de larga extensão e pouca profundidade. Este corpo
de prova foi denominado CP2C-D1/D2, Figura 3.19, sendo ensaiado igualmente ao
processo descrito no Ensaio 01.
O Ensaio 06, semelhante ao Ensaio 05, utilizou o mesmo corpo de prova
(CP2C-D1/D2) e mesmo procedimento. Porém, dessa vez, a região danificada foi
diretamente aquecida, ou seja, o dano ficou em contato com a fonte de calor.
Para o Ensaio 07, utilizou-se um corpo de prova em fibra de vidro, denominado
CP1V (Corpo de Prova em Fibra de Vidro – número 01). Para o ensaio, a placa foi danificada
superficialmente dando origem ao dano tipo Scratch. O corpo de prova foi renomeado em
CP1V-D1 e encontra-se ilustrado na Figura 3.20. O ensaio prosseguiu de maneira
semelhante ao Ensaio 02, diferenciando-se, apenas, no reajuste do sistema de controle
digital. O software, dessa vez, foi programa para realizar o ciclo de aquecimento durante
180 s e, após isso, desligar e permitir o resfriamento natural, como os outros ensaios.
Figura 3.19 - Vista do corpo de prova CP2C-D1/D2
Fonte: da autora.
O Ensaio 08 procedeu igualmente ao Ensaio 07. Contudo, para a realização
do novo ensaio, aumentou-se a região danificada do corpo de prova CP1V-D1 e introduziu-
se um novo dano, denominado delaminação (Delamination), conforme a Tabela 2.1. O novo
corpo de prova foi renomeado de CP1V-D1/D2, representado na Figura 3.21.
Por fim, apenas para efeito comparativo, realizou-se o Ensaio 09 semelhante
ao Ensaio 08, distinto, apenas, no posicionamento do corpo de prova CP1V-D1/D2. Neste
ensaio, a região danificada foi disposta pra cima, ou seja, em conta visual direto com a
câmera infravermelha.
Figura 3.20 - Vista do corpo de prova CP1V-D1
Fonte: da autora.
Figura 3.21 - Vista dos dois lados do corpo de prova CP1V-D1/D2
Fonte: da autora.
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Tendo em vista os nove ensaios realizados, todos com base nos ensaios
iniciais de parametrização, é inevitável que este capítulo não se inicie analisando e
comentando os Ensaios de Parametrização, bem como o Pré Ensaio.
Analisando os Ensaios de Parametrização, notou-se, a partir dos
termogramas obtidos, que quanto maior fosse o tempo de aquecimento, maior seria a
dificuldade para atingir temperaturas mais baixas no resfriamento. Porém, também notou-
se que quanto maior o tempo de aquecimento, maior era o tempo para o calor se dissipar
pela placa, resultando em termogramas mais uniformes. Foi balanceando essas duas
variáveis que chegou- se nos valores de tempo para o ciclo de aquecimento e resfriamento.
Durante os Ensaios de Parametrização também examinou-se a uniformidade
de operação dos Peltiers. Esta mostrou-se abaixo do esperado. Os termogramas,
principalmente no inicio de operação dos Peltiers, apresentavam quatro pontos circulares
bastante visíveis, durante o aquecimento e o resfriamento, sendo parcialmente sanados
com o prolongamento do tempo do ciclo, como foi citado anteriormente. A Figura 4.1, ilustra
a evolução da uniformidade no termograma.
Analisando a Figura 4.1, pode-se observar, no primeiro termograma,
localizado no lado esquerdo, quatro pontos quentes bem definidos: trata-se do início do
ciclo de aquecimento. O segundo termograma, por sua vez, trás uma imagem com o calor
mais bem distribuído por toda a placa, ou seja, já próximo do fim do ciclo de aquecimento
Figura 4.1 - Termogramas do aquecimento ao resfriamento, seguindo da esquerda para a direita
Fonte: da autora.
e início do ciclo de resfriamento. Para finalizar, o último termograma, localizado no lado
direito da figura, retrata o início do ciclo de resfriamento forçado, quando surgem,
novamente, três pontos bem visíveis - mais frios que o restante da placa. O primeiro e o
último termograma demostram nitidamente a inversão de trabalho dos Peltiers
(aquecimento/resfriamento).
Ainda com base na Figura 4.1, notou-se que os Peltiers apresentavam
operações de trabalho muito discrepantes entre si. Basicamente, tinha-se quatro Peltiers
trabalhando com taxas de aquecimento e resfriamento diferentes, além de apresentarem
diferentes temperaturas máximas e mínimas. A partir dos termogramas ilustrados na Figura
4.1, elaborou-se o Gráfico I, retratado na Figura 4.2 . O Gráfico I trás a curva da temperatura
pelo tempo de cada um dos quatro Peltiers. Tem-se ilustrado, portanto, quatro ciclos de
operação.
Figura 4.2 - Esboço do ciclo de operação individual de cada Peltier
Fonte: da autora.
Durante o Pré Ensaio observou-se que a câmera, em módulo automático,
constantemente alterava sua escala de coloração, dificultando a visualização de possíveis
imperfeições na peça. Por essa razão, todos os ensaios foram realizados em módulo de
zoom manual, fixando a temperatura mínima em 27 °C e máxima em 34,9 °C. A Figura 4.3,
trás um comparativo entre os termogramas obtidos em módulo automático e manual.
Foi durante o Pré Ensaio que os dois problemas, supostamente inerentes,
mostraram-se mais intensos e relevantes do que o esperado: a não uniformidade do
termograma e as diferentes faixas de operação de cada Peltier.
Na tentativa de minimizar essas ocorrências, buscou-se alternativas
paliativas. Em primeiro lugar, percebeu-se imediatamente que a presença do módulo de
resfriamento impedia uma melhor uniformização do termograma. Ao mesmo tempo em que
a maior parte da placa encontrava-se em estado uniformemente aquecida, o surgimento
dos primeiros quatro pontos de resfriamento davam origem a um novo gradiente de
coloração, confundindo-se com o anterior e culminando por ocultar ou dificultar a
visualização do dano. A Figura 4.4 ilustra a ocorrência desse evento. Sendo assim, optou-
Figura 4.3 - Termogramas do aquecimento ao resfriamento, seguindo da esquerda para a direita
Fonte: da autora.
se por não forçar o resfriamento, deixando-o ocorrer naturalmente, até retornar à
temperatura ambiente local. Esse padrão foi adotado nos nove ensaios realizados
Em segundo lugar, na tentativa de reduzir as diferenças entre as taxas de
operação dos Peltiers, optou-se pela retirada do sistema de refrigeração. Sendo assim,
tanto durante o aquecimento, quanto no resfriamento natural, os coolers foram
desativados. O intuito era reduzir as diferenças entre os Peltiers, possivelmente
acentuadas pelo uso de dissipadores e coolers distintos entre si, apesar de operarem sob
a mesma faixa de tensão. No entanto, observou-se que, ao retirar o sistema de
refrigeração, para o mesmo período de tempo no aquecimento, obteve-se uma
temperatura máxima mais alta, atingindo aproximadamente 41 °C, cerca de 10° C a mais
que antes, como pode ser visualizado na Figura 4.5.
Figura 4.4 - Termogramas do aquecimento ao resfriamento, seguindo da esquerda para a direita
Fonte: da autora.
A partir dos resultados obtidos e analisados durante os Ensaios de
Parametrização e o Pré-Ensaio, ambos expostos aqui, tornou-se possível gerar um padrão
de ensaio tanto para os corpos prova em fibra de carbono quanto para os em fibra de vidro.
Dessa forma, foi possível analisar apenas os novos resultados obtidos com cada um dos
ensaios, desprezando o que já era padrão para todos.
No Ensaio 01, os principais dados colhidos foram ilustrados na Figura 4.6.
Essa figura é composta por uma parte gráfica e por uma parte fotográfica. Na parte gráfica,
o Gráfico II retrata o comportamento da curva da temperatura em razão do tempo durante
todo o ensaio. Já a parte fotográfica da figura trás as imagens dos quatro termogramas
obtidos durante o ensaio. Tais termogramas pertencem aos respectivos pontos ilustrados
no Gráfico II.
Observando a Figura 4.6 e estabelecendo um comparativo entre os
termogramas e o gráfico de temperatura pelo tempo, nota-se que, durante todo o ciclo, a
presença de uma região danificada no corpo de prova CP1C-D1 é perceptível. Entretanto,
é apenas no termograma C que um segundo dano aparece na imagem.
Figura 4.5 - Termogramas da temperatura máxima
Fonte: da autora.
Acredita-se que o segundo dano aparece apenas no terceiro termograma por
estar localizado entre dois Peltiers e, ainda, em um dos casos, próximo à borda de região
Figura 4.6 - Ilustração dos dados colhidos durante o Ensaio 01
Fonte: da autora.
da atuação do Peliter. Devido à não uniformidade de operação dos Peltiers, como descrito
anteriormente, a localização do dano poderia afetar na sua visualização.
Ambos os danos presentes na placa CP1C-D1 durante o Ensaio 01 foram
visualizados como pontos mais frios do que o restante da região ao redor. É interessante
também notar que, para este ensaio, nenhum dos danos foram visíveis quando a placa
atingiu temperatura máxima. Nessa situação, o calor gerado foi tão intenso, que ele
difundiu-se igualmente por toda a placa, ofuscando qualquer anomalia.
O Ensaio 02, pouco distinto do Ensaio 01, como descrito no capítulo 3.4, deu
origem a quatro novos termogramas. Os novos termogramas foram colhidos no mesmo
espaço de tempo do Ensaio 01, sem considerar as possíveis diferenças entre as
temperaturas máximas de cada ensaio. Por essa razão, esses termogramas foram
chamados de A', B', C' e D', estando representados aqui, pela Figura 4.7.
Neste segundo ensaio, no decorrer de todo o ciclo, apenas o termograma B'
apresentou um possível ponto de dano. Mesmo assim, devido ao seu caráter muito sútil,
não foi considerado como um ponto de referência. Por essa razão, o dano realizado no
corpo de prova CP1C-D1 foi visualizado através das diferenças de emissividade entre os
materiais distintos, e não pela condução de calor. Isso justifica a sua visualização bem nítida
apenas no primeiro ensaio. Apesar da leve diferença entre o Ensaio 01 e o Ensaio 02, a
comparação entre eles retoma os conceitos teóricos revisados no capítulo 2.4.1.
Ainda comparando-se as temperaturas máximas obtidas em cada um dos
Figura 4.7 - Termogramas referentes ao Ensaio 02
Fonte: da autora.
termogramas dos Ensaios 01 e 02, percebe-se que, apesar de desprezadas, elas não
diferiram, em média, mais do que 0.5 °C. No entanto, visualmente, os termogramas
mostraram-se distintos, principalmente ao comparar-se o termograma B com B'. Nota-se
que os Peltiers trabalharam de modo distinto em cada um dos ensaios, em B', os 4 Peltiers
atuaram mais uniformemente, porém com menor intensidade. Já em B, nota-se uma maior
discrepância, onde dois Peltiers atingem temperaturas mais altas de trabalho, enquanto um
terceiro trabalha bem inferiormente a esses dois.
No Ensaio 03, foram acrescentados outros dois tipos de danos ao corpo de
prova CP1C-D1. Porém, os termogramas obtidos foram idênticos àqueles conseguidos nos
Ensaios 01 e 02. Assim, conclui-se que as trincas presentes em CP1C-D1/D2, bem como o
abaulamento ocasionado no material, não alteraram a emissividade da região danificada.
Em relação ao efeito de condução de calor, mais uma vez o dano não foi possível de ser
visualizado por esse fator.
Devido ao resultado obtido com o Ensaio 03, optou-se por realizar o Ensaio
04 com um novo corpo de prova, sem a presença da camada de tecido sobre a placa, como
existente no corpo de prova CP1C. A intenção foi descobrir se o tecido estava “ofuscando”,
através da sua emissividade padrão, qualquer anomalia abaixo dele. Relembrando a teoria
descrita no capítulo 2.4.1, a emissividade de um corpo altera-se apenas quando há a
presença de materiais distintos ou mudanças na sua rugosidade, no seu acabamento
superficial.
No entanto, os termogramas obtidos no Ensaio 04, durante a operação de
todo o ciclo, não apresentaram nenhuma região com possível presença de dano, nem
durante o aquecimento, nem durante o resfriamento natural.
De posse dos dois ensaios subsequentes não bem sucedidos, Ensaio 03 e
Ensaio 04, realizou-se o Ensaio 05, alterando-se o tipo dano. O corpo de prova CP2C-
D1/D2, submetido ao ensaio, deu origem a seis novos termogramas. Assim como a Figura
4.6, pertencente ao Ensaio 01,foi realizado o mesmo perfil de figura para o Ensaio 05 –
Figura 4.8. Dessa vez, no entanto, o Gráfico III, diferentemente do Gráfico II, foi
representado com seis pontos de marcação, referentes aos seis termogramas obtidos no
ensaio.
Figura 4.8 - Ilustração dos dados colhidos durante o Ensaio 05
Fonte: da autora.
Analisando os seis termogramas, percebe-se que a região danificada
apresenta temperatura sempre menor que a região ao redor. Dando enfoque apenas para
o termograma A, nota-se que em um minuto de aquecimento o dano já é levemente visível,
ganhando mais forma nos termogramas C, D e E. Já no termograma F, ainda que seja
visível, já não é tão nítido quanto nos anteriores.
Conclui-se, a partir do Ensaio 05, que para o tipo de dano realizado e nas
devidas proporções ele destoou significativamente em relação ao restante da placa, tanto
durante o ciclo de aquecimento, quanto de resfriamento natural.
Apesar das proporções maiores em extensão do dano realizado no corpo de
prova CP2C-D1/D2, ao realizar-se o Ensaio 06, com o objetivo, novamente, te tentar
visualizar o dano através da condução de calor, os resultados não foram positivos. Mais
uma vez, obteve-se termogramas que não apresentaram nenhum ponto ou região estranha
que pudesse indicar a presença do dano realizado – Figura 4.9.
Após realizado seis ensaios com corpos de prova em fibra de carbono, e não
Figura 4.9 - Termogramas referentes ao Ensaio 06
Fonte: da autora.
obtendo-se, uma vez se quer, a presença do efeito de condução na visualização dos danos,
decidiu-se por iniciar os ensaios com corpos de prova em fibra de vidro, o CP1V.
O primeiro ensaio realizado com corpo de prova em fibra de vidro foi
denominado de Ensaio 07. Buscando o efeito de condução de calor na visualização de
danos e utilizando capacidade térmica da fibra de vidro a favor do ensaio, o corpo de prova
CP1V-D1 foi diretamente ensaiado com a região danificada em contato com a fonte de calor.
Do Ensaio 07 foram extraídos dois termogramas, um durante o ciclo de
aquecimento e outro do ciclo de resfriamento, ambos ilustrado na Figura 4.10. Analisando
os dois termogramas, nota-se um possível ponto de dano no termograma à direita da
imagem. Entretanto, devido a sua baixa nitidez, concluiu-se que, nem durante o ciclo de
aquecimento, nem durante o ciclo de resfriamento, foi possível visualizar a presença do
dano.
Figura 4.10 - Termogramas referentes ao Ensaio 07
Fonte: da autora.
Apesar de excelente isolante térmico, a placa de fibra de vidro era menos
espessa do que a de fibra de carbono, dificultando acentuadamente na visualização dos
danos por condução. Sendo assim, realizou-se o Ensaio 08, trazendo um dano de maiores
proporções, tanto em extensão como em profundidade.
Os termogramas obtidos foram plotados na Figura 4.11, tal como o Ensaio 05
os termogramas foram associados ao gráfico da temperatura pelo tempo, também
representado na mesma figura.
Figura 4.11 - Ilustração, através de gráfico e termogramas, dos dados colhidos durante o Ensaio 08
Fonte: da autora.
Diferentemente do Ensaio 07, o Ensaio 08 apresentou, com um minuto de
teste, um princípio de região anômala, como pode ser observado no termograma A da
Figura 4.11. Pela primeira vez, dentre os oito ensaios realizados, foi visualizada a presença
de um dano através da condução de calor.
Assim como nos outros ensaios visualizados pela diferença de emissividade,
no Ensaio 08 o dano apresentou-se como um ponto mais frio que a região ao seu redor.
Porém, diferentemente do outros ensaios, por tratar-se do fenômeno de condução de calor,
no decorrer do teste o dano apresentou dimensões distintas: hora maior, hora menor. Tal
situação pode ser observada comparando-se os termogramas A e B: com apenas 05
minutos de diferença, o dano passou de mais largo para mais fino. Acompanhando a
evolução do termograma durante todo o Ensaio 08, facilmente nota-se essa diferença.
Nesse ensaio, o dano aparece e some aos poucos, conforme o calor dissipa-se pela placa.
Talvez, por essa mesma razão, a qualidade de visualização do formato do
dano foi maior durante o resfriamento. Comparando-se os termogramas D, E e F, observa-
se que o formato e a dimensão do dano pouco alteraram-se, diferentemente dos
termogramas obtidos no ciclo de aquecimento.
Embora inconclusivo, pode-se também supor que as diferenças das
dimensões obtidas no decorrer do ensaio possam representar os diferentes níveis de
profundidade do dano. No dano realizado, ilustrado na Figura 3.24, a parte central teve mais
camadas removidas que as bordas da região danificada.
Contudo, a delaminação também presente no corpo de prova CP1V-D1/D2,
em nenhum momento, no decorrer de todo ensaio, foi visualizada de modo significante.
Talvez, ela possa ter influenciado, de algum modo, os termogramas obtidos, mas, não há
dados que possam confirmar isso. O fato é que nos seis termogramas aqui expostos, em
nenhum visualiza-se a presença de uma região mais fria e de formato circular ao redor do
dano que é visível nesses termogramas (Scratch).
Para efeito comparativo, realizou-se o Ensaio 09 e os termogramas colhidos
neste foram ilustrados na Figura 4.12. Eles possuem a mesma relação que os termogramas
do Ensaio 08 com relação ao gráfico da Figura 4.11.
Analisando os termogramas do Ensaio 09, percebe-se que a região danificada
aparece, novamente, apenas com um minuto de ensaio. É interessante observar que, pela
primeira vez, o dano apresentou-se como um ponto mais quente que a região ao seu redor.
Ainda com relação ao Ensaio 09, observou-se que a visualização do dano foi
bastante clara durante o ciclo de aquecimento. Já durante o resfriamento natural, o
termograma não apresentou uma região nitidamente anômala.
Voltando a estabelecer um comparativo entre os termogramas do Ensaio 08
com o Ensaio 09, nota-se que o dano apresenta formato e dimensões levemente distintos.
Se comparado o termograma D com o termograma C', nota-se que, no primeiro caso, o
dano aparenta ser mais abrangente e menos profundo, já no segundo, o dano aparenta ser
Figura 4.12 - Termogramas referentes ao Ensaio 09
Fonte: da autora.
menor e mais profundo, talvez, devido a intensidade do calor concentrado neste ponto.
Por fim, é interessante salientar que o Ensaio 09 atingiu temperaturas de
trabalho mais altas, durante todo o ciclo, do que o Ensaio 08, chegando à diferença de
temperatura máxima de 6 °C. Considerando-se que o material utilizado era o mesmo, assim
como a fonte de calor e câmera infravermellha, a diferença não deveria ter sido maior que
1 °C.
Os resultados obtidos no decorrer dos nove ensaios possibilitaram levantar
algumas hipóteses e, em alguns casos, elaborar algumas conclusões. Tais discussões e
conclusões serão apresentadas no capitulo subsequente.
5 CONCLUSÕES
Diante da proposta de um trabalho tão extenso, como foi ilustrado na Figura
1.1, e de posse de um tempo escasso para a sua realização foi necessário reduzir os
objetivos gerais do trabalho e concentrar os esforços em apenas uma parte do projeto: o
desenvolvimento e teste dos equipamentos necessários para os ensaios termográficos.
Assim, o presente trabalho, além de propor novos equipamentos para
aplicação da termografia como NDT, possibilitou um primeiro contato com essa forma de
ensaio não destrutivo.
A termografia, apesar de utilizada, configura um tipo de ensaio pouco
estudado e desenvolvido, necessitando de um maior número de pesquisas, com a
finalidade de melhorar o conhecimento acerca dos fatores que a influencia. Dessa forma,
ainda que os ensaios realizados tenham sido bastante simples e genéricos, foi possível
efetuar um primeiro contato com a termografia e obter as primeiras análises acerca dos
fatores influentes, bem como seus comportamentos para as diferentes situações propostas.
Ainda pôde-se iniciar a correlação entre a qualidade dos termogramas obtidos e os tipos
de alterações realizadas, buscando um principio de padrão entre material, dano e ensaio
realizado.
Essas primeiras observações permitiram criar novas ideias acerca das
necessidades e sensibilidades da termografia, que precisam ser entendidas e dominadas.
Só então, será possível propor a termografia como um tipo de NDT aplicado na análise de
materias compósitos.
Acima de tudo isso, o projeto permitiu visualizar os pontos positivos e
negativos dos equipamento elaborados, bem como a viabilidade da sua aplicação. Tais
percepções serão relatadas e discutidas individualmente.
Considerando que o ensaio não destrutivo por termografia necessita de quatro
pilares para a sua aplicabilidade, três deles foram projetados especialmente para essa
pesquisa: uma fonte de calor com aquecimento e resfriamento feito pela associação de
Peltiers; uma câmara térmica capaz de isolar o meio interno do externo; e corpos de prova
feitos ou em fibra de carbono ou em fibra de vidro, sem a presença de núcleos, para ambos
os casos. Dos três projetos realizados, a fonte de calor mostrou-se o item mais relevante e,
por essa razão, é coerente iniciar a análise por ela.
Em relação à fonte de calor, várias observações e considerações foram feitas.
A primeira delas, e, talvez, a mais importante para o projeto, trata-se da discrepante
operação dos Peltiers. Durante os ensaios, foi inevitável concluir que jamais os Peltiers,
mesmo sendo de mesmo modelo, seriam capazes de operar na mesma faixa de trabalho.
Sendo assim, uma das formas de contornar tal situação seria projetar e fabricar um sistema
de controle por malha fechada, ou seja, cada Peltier seria controlado individualmente,
forçando todos a operarem no mesmo nível de trabalho.
Ainda em relação à fonte de calor, embora tentado, a todo custo, minimizar a
ocorrência desse fenômeno, nem a pasta térmica, nem a placa metálica foram capazes de
suprir a grande separação entre os Peltiers. Também conclui-se que seria impossível obter
um aquecimento uniforme com distâncias tão grandes; o mais adequado seria ter Peltiers
posicionados quase que lado a lado.
Finalmente, a última observação feita em relação às melhorias da fonte de
calor, seria em relação ao seu sistema de refrigeração. Para o adequado funcionamento
necessita-se de uma refrigeração bem mais potente e de rápida troca de calor. Talvez, um
sistema refrigerado a água pudesse suprir melhor as necessidades.
Mesmo havendo um sistema complexo, com todas as melhorias citadas
acima, nada garante que os termogramas apresentariam melhores resultados. No entanto,
facilmente nota-se que esse fatores contribuíram amplamente na obtenção de um
aquecimento pouco uniforme, que, por diversas vezes, afetou significativamente a
visualização do dano, como ocorreu no Ensaio 01.
Ainda assim, apesar das deficiências presentes no sistema de aquecimento,
o módulo de aquecimento gradativo dos Peltiers permitiu visualizar a evolução da
dissipação do calor ao longo da peça. Para os ensaios onde os danos são visualizados pelo
efeito da condução de calor, como ocorreu no Ensaio 08, obtém-se termogramas distintos
ao longo do ensaio, que retratam a dificuldade ou a facilidade da região danificada em
perpetuar a condução do calor pelo restante da peça.
Em relação à câmara e aos corpos de prova, não há muito o que ser
comentado. A câmara desempenhou muito bem o seu papel de isolação de ambientes, não
permitindo em nenhum instante, durante os ensaios, que o meio externo influenciasse
negativamente no ensaio. Uma câmara desse tipo ou semelhante a essa, mostra-se muito
útil no meio laboratorial, principalmente na análise de ensaios em peças menores e mais
sensíveis. No entanto, a sua aplicabilidade no dia-a-dia de um hangar de manutenção é
inviável.
Já as placas de corpo de prova, tanto as de fibra de carbono quanto as de
fibra de vidro, pelos ensaios realizados, não apresentaram nenhum defeito de fabricação,
adquirindo, apenas, os danos que foram sendo feitos no decorrer dos ensaios. É
interessante destacar que, embora o método de fabricação, assim como os materiais
utilizados, tenham sido idênticos para todos os corpos de prova produzidos, o CP2C
mostrou-se mais resistente ao impacto que o corpo de prova CP1C.
Em relação aos ensaios propriamente ditos, é interessante iniciar enfatizando
a importância dos ensaios de parametrização e do pré ensaio. Nesses ensaios, foi possível
notar todos os tópicos citados acima e também as peculiaridades da câmera, como, por
exemplo, o tipo de zoom escolhido. Neste momento, ficou mais que evidente como o ensaio
termográfico é sensível ao diversos e menores fatores que o cerca.
Quanto à câmera utilizada, acredita-se que os menores danos causados,
como o presente no corpo de prova CP2C-D1 ou CP1V-D1, não foram possíveis de serem
visualizados, em parte pela qualidade da câmera. A câmera, datada de 2003, não é tão
precisa e potente quanto tecnologias mais novas. Certamente, esse fator poderia mudar
significativamente os resultados obtidos, assim como o padrão de ensaio estabelecido,
tendo em vista que diversas variáveis foram ajustadas com base nos termogramas obtidos
pela câmera infravermelha.
Comparando-se os resultados obtidos com o corpo de prova CP1C-D1 e o
CP1C-D1/D2, utilizados nos Ensaios 01, 02 e 03, pode-se concluir que a presença de uma
película sobre uma placa, quando ensaiada termograficamente, pode interferir nos
resultados, uma vez que esconde os danos internos. Sendo assim, para a aviação, ensaiar
termograficamente peças pintadas ou adesivadas pode, realmente, representar um ensaio
com falsos resultados, principalmente se a pintura não tiver sido afetada. Entretanto, a
presença de um dano que tenha causado tricas ou leve remoção da pintura pode ser
facilmente observado. Notou-se que qualquer fator, menor ou maior, mas que altere a
emissividade do corpo de prova, é fácil e nitidamente visualizado. Sendo assim, concluiu-
se que a chance de visualizar danos que alterem a emissividade, como o acabamento
superficial distinto ou a presença de corpo estranho na peça, seriam bastante visíveis nos
termogramas.
Tanto o Ensaio 02 como o Ensaio 05 tiveram danos de remoção de camadas,
alterando a emissividade do material. O corpo de prova do Ensaio 02 continha materiais
distintos sobrepostos e a remoção da camada superficial tornou aparente o material de
baixo. Esse fator gerou a presença da emissividade, tanto da primeira, quanto da segunda
camada, que foram captadas pela câmera infravermelha como regiões diferentes. Já no
Ensaio 05, não havia a presença de materiais distintos. A ocorrência de emissividades
diferentes, captadas pela câmera infravermelha, foram causadas pela não uniformidade do
acabamento superficial: a região danificada era mais rugosa que o restante da placa.
Sendo assim, ao longo dos ensaios realizados, notou-se uma maior facilidade
em obter-se danos pela diferença de emissividade, do que pelo efeito de condução de calor.
Dos noves ensaios realizados, apenas um dano foi visualizado por condução de calor:
aquele feito na placa de corpo de prova em fibra de vidro.
Acredita-se que a propriedade térmica da fibra de vidro, como bom isolante,
foi acentuadamente reduzida na região de dano. Esse fator, permitiu que, nessa região, a
dissipação de calor fosse mais rápida do que no restante da placa. Sendo assim, esse ponto
de dano, foi visualizado no termograma como uma região mais fria.
Apesar das placas de fibra de vidro serem mais finas, o que dificultaria a
visualização do dano por condução de calor, a sua propriedade térmica foi o fator crucial
para a obtenção de uma resposta positiva no Ensaio 08.
Comparando-se o Ensaio 08 com o Ensaio 09, nota-se que neste, apesar do
uso do mesmo corpo de prova, a região de dano foi visualizada como um ponto mais quente
que o restante da placa. Acredita-se que, novamente, a remoção das camadas de fibra de
vidro permitiu que a região danificada fosse aquecida mais facilmente, considerando que,
neste ensaio, a região danificada do corpo de prova estava em contato direto com a fonte
de calor.
É interessante também observar que para os corpos de prova em fibra de
vidro precisou-se de apenas metade do tempo de aquecimento em relação à fibra de
carbono para alcançar, em média, a mesma temperatura máxima. Sendo assim, verifica-se
a primordialidade de se considerar, durante o ensaio, o tipo de material e suas propriedades.
Como pode ser visto, essas características alteram diversos fatores, como, por exemplo, o
tempo de ciclo e o posicionamento da placa em relação à câmera e à fonte de calor.
O trabalho realizado permitiu, através dos inúmeros dados colhidos, chegar
em muitas respostas e, princialmente, concluir o objetivo do projeto: testar a funcionalidade
dos equipamento projetados e, assim, dar o primeiro passo em direção ao objetivo maior
de propor a aplicação frequente da termografia como um NDT para compósitos.
Conclui-se, então, que o ensaio termográfico pode vir a possuir um padrão de
teste e ser amplamente aplicado no dia-a-dia de um hangar de manutenção de aeronaves.
Os resultados obtidos permitem concluir que trata-se de ensaio eficiente, no entanto, ainda
pouco estudado e desenvolvido. Sendo assim, ressalta-se a necessitada de dar andamento
ao projeto, realizando, principalmente, ensaios qualitativos. O subcapítulo seguinte trás
algumas dessas sugestões de trabalhos futuros.
5.1 Recomendações para Trabalhos Futuros
Como recomendações para trabalhos futuros, pode-se citar as seguintes:
Elaborar cartas de danos que pudessem auxiliar nas tarefas de manutenção
já existentes, ou em procedimentos de inspeção;
Otimizar a fonte de calor, realizando as alterações propostas nesse trabalho;
Elaborar e desenvolver uma manta aquecida por Peltiers;
Otimizar os sistemas de controle e refrigeração;
Realizar ensaios qualitativos para vários tipos de dano, alterando-se o padrão
de ensaio;
Realizar ensaios focados no resfriamento dos Peltiers para a análise de danos
estruturais;
Estabelecer um comparativo entre algumas fontes de aquecimento utilizados
nos ensaios e o uso de Peltiers para isso. Tentar nesse caso propor a viabilidade
de cada um, apontando pontos positivos e negativos, sendo interessante,
também, determinar o tipo de fonte de calor para diferentes tipos de corpo de
prova ou danos;
Fazer um estudo da viabilidade da termografia como NDT.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS
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