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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