Aerospace Testing
A engenharia aeroespacial é uma tecnologia-chave de grande importância econômica e estratégica. Atualmente desenvolvimentos para aviação autônoma e não tripulada - Advanced Air Mobility (AAM) e Unmanned Air Systems (UAS) – estão em pleno andamento, acompanhados por grandes progressos na área de gerenciamento de voo e sistemas de controle. Na atual “New Space Era“ há empresas privadas que cooperam com organizações espaciais estabelecidas e promovem em nível mundial intensamente o desenvolvimento de seus próprios lançadores para atender à demanda crescente por serviços de lançamento de foguetes para viagens espaciais. Diante do panorama de levar a indústria aeronáutica a um futuro sustentável, o desenvolvimento de sistemas de propulsão à base de Sustainable Aviation Fuels (SAF) é intensificado no médio prazo, e à base de hidrogênio no longo prazo. As frotas atuais serão modernizadas e a necessidade de conservação de aeronaves – Maintenance, Repair and Overhaul (MRO) – aumenta constantemente.
Com sistemas de ensaio para ensaio de materiais a temperaturas criogênicas de -253°C (20K) até sistemas de ensaio de alta temperatura de até 2000°C nós capacitamos nossos clientes para o desenvolvimento de materiais e estruturas de construção leve cada vez mais eficientes. Descubra nossa competência, expertise de longos anos e profunda compreensão de aplicação para o ensaio mecânico de materiais metálicos, plásticos reforçados por fibra e compósitos-sanduíche, materiais cerâmicos e para o ensaio de elementos de conexão para aplicações na indústria aeroespacial . Máquinas para ensaios estáticos e dinâmicos da ZwickRoell são utilizadas por nossos clientes do setor aeroespacial em nível mundial, em todos os níveis TRL, e permitem soluções de ensaio credenciadas pela NADCAP.
Metal Compósito Alta temperatura Temperaturas criogênicas Elementos de conexão Ensaio de dureza Projetos de cliente
Ligas de alumínio são amplamente utilizadas nas estruturas aeroespaciais em virtude de seus bons valores característicos de peso específico, de seus processos de fabricação estabelecidos e seus métodos de cálculo. Ligas de titânio, outra classe de metais leves, também possuem valores característicos de peso específico muito bons, resistência à corrosão muito melhor em comparação ao alumínio e características de alta temperatura muito boas. Por esse motivo, elas são principalmente utilizadas para componentes expostos a altas cargas mecânicas e para componentes de propulsão. Em grau menor se encontram também ligas de aço de alta resistência em componentes estruturais também expostos a altas cargas.
Grandes progressos nos métodos de fabricação aditivos para metais permitem hoje em dia a configuração de estruturas de construção leve de alta complexidade as quais não podiam ser realizadas anteriormente com o processos de fabricação convencionais. Portanto, materiais metálicos, especialmente metais leves e suas ligas, exercem papel-chave na construção e fabricação de aeronaves e sistemas aeroespaciais .
Principais normas de ensaio em metais
Além de métodos de ensaios estáticos os ensaios de fadiga em materiais metálicos possuem papel de destaque para determinar em condições de carga reais o comportamento dos materiais metálicos utilizados nas estruturas aeroespaciais. A ZwickRoell atende com seus sistemas de ensaio a todas as normas usuais para metais. Além de soluções padronizadas nós oferecemos diferentes níveis de adaptações customizadas e sistemas de ensaio automatizados para metais.
Plásticos reforçados por fibra e compósitos-sanduíche
Com suas excelentes características mecânicas de peso específico os plásticos reforçados por fibra e compósitos-sanduíche para estruturas de construção leve na engenharia aeroespacial são firmemente estabelecidos. Especialmente os laminados feitos em plásticos reforçados de fibra de carbono (CFK) permitem com suas características de fadiga vantajosas simplificações na construção e no projeto de estruturas para aviação. A maior resistência à corrosão em comparação com os materiais metálicos estabelecidos é outro motivo pela utilização de plásticos reforçados de fibra nesse setor da indústria. O setor aeroespacial era e continua sendo um pioneiro no aprimoramento contínuo de sistemas de materiais compósitos, processos de fabricação e, não por último, métodos de ensaios mecânicos para caracterização de laminados compósitos e compósitos-sanduíche.
Além do amplo espectro de ensaios estáticos e dinâmicos a temperatura ambiente, para os compósitos em estruturas aeronáuticas também são frequentemente realizados ensaios no range de temperatura estabelecido de -55°C (-67°F) até 121°C (250°F). Atualmente os ensaios estáticos e os ensaios de fadiga a temperaturas extremamente baixas de -253ºC (20K) ganham enfoque cada vez maior em virtude do desenvolvimento fortemente intensificado nos últimos anos de conceitos de propulsão alternativos e sustentáveis e, nesse contexto, do armazenamento mais eficiente de hidrogênio líquido para aeronaves de porte maior a temperaturas criogênicas.
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Principais normas para ensaios em compósitos na engenharia aeroespacial
| Método de ensaio | Norma | Normas de fábrica - Airbus / Boeing |
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| Ensaio de tração em compósitos |
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| Ensaios de compressão em compósitos |
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| Ensaios de cisalhamento In-Plane |
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| Ensaios de flexão em compósitos |
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| Resistência interlaminar ao cisalhamento ILSS |
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| Compression After Impact CAI |
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| Pressão sobre as paredes do furo e resistência da conexão |
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| Taxa de liberação de energia interlaminar |
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Para determinar o comportamento de alta temperatura dos materiais metálicos utilizados em motores aeronáuticos são executados principalmente ensaios de tração de até 1200 °C em uma máquina de ensaios estáticos equipada com forno de alta temperatura. Além do mais, a combinação da máquina de ensaios com uma câmara de temperatura padrão e um forno de alta temperatura permite a cobertura de um range de temperatura muito grande de temperaturas baixas até 1200 °C. Para determinação da confiabilidade e longevidade de componentes expostos a altas cargas em condições extremas os metais de alta temperatura são adicionalmente submetidos a ensaios creep / ensaios de fluência e ensaios creep de fadiga para determinar por ex. limites de fluência e resistências à fluência para diferentes níveis de temperatura. Isso ajuda nossos clientes para entenderem o comportamento de novas ligas de alta temperatura, selecionarem o material adequado para uma determinada aplicação, e fornece dados adequados para a configuração de componentes expostos a altas temperaturas.
Também a resistência mecânica de materiais compósitos cerâmicos (CMCs) pode ser testada a temperaturas máximas de até 2.000 °C. Desta forma é avaliada a aptidão de CMCs para aplicações específicas por meio de ensaios de tração, compressão, cisalhamento,, flexão, fluência e fluência de fadiga. Para assegurar que CMCs são testados em condições operacionais reais os ensaios podem ser feitos em condições a vácuo e gás inerte em um range de temperatura de 650 °C até 2.000 °C.
Além disso, os sistemas de ensaio de alta temperatura da ZwickRoell permitem a medição de deformação sem contato até a temperatura máxima. Dessa forma, a falha precoce de amostras sensíveis causada por entalhes em sistemas de medição por contato usuais pode ser evitada. Um regulador automático e adaptador de alta temperatura permite a regulagem de temperatura de alta exatidão e evita erros de comando. As amostras-sacrifício frequentemente indispensáveis para ensaios de alta temperatura não são mais necessárias.
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Para sistemas de lançamento na indústria espacial são utilizados diferentes combustíveis líquidos que precisam ser arrefecidos até temperaturas criogênicas. Sua seleção depende dos requisitos específicos da missão, da potência desejada e das possibilidades técnicas, também na fabricação dos combustíveis líquidos. Em virtude da expertise de décadas no desenvolvimento de sistemas de lançamento na indústria espacial, portanto, já existe uma experiência com o comportamento de diferentes materiais a temperaturas criogênicas. Contudo, esse conhecimento não é amplamente disponível e não existe para novos sistemas de material. Até agora, os foguetes foram desenvolvidos para lançamentos únicos, enquanto alguns sistemas atuais são projetados para múltiplos lançamentos e possibilidade de reutilização. Para conceitos de propulsão futuros sustentáveis na aviação é almejada, no longo prazo, a utilização de hidrogênio líquido que deve ser armazenado a bordo à temperatura de -253 °C (20 K).
Portanto, em virtude do longo ciclo de vida de aeronaves modernas para voos comerciais não é somente relevante o comportamento estático do material a temperaturas criogênicas, mas também cada vez mais o comportamento de fadiga dos materiais utilizados na construção dos sistemas de bordo. Portanto, os conhecimentos atuais sobre comportamento de materiais a temperaturas criogênicas obtidos na indústria espacial são transferíveis aos futuros desenvolvimentos no setor de aviação apenas de forma restrita.
A ZwickRoell oferece no segmento de métodos de ensaios criogênicos soluções de ensaios estáticos e dinâmicos para a caracterização de materiais metálicos assim como de plásticos não reforçados e plásticos reforçados de fibra. Dependendo das temperaturas criogênicas a serem alcançadas, criostatos de submersão (77 K) ou criostatos de passagem (temperatura ambiente de até 15 K) serão utilizados.
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Além das características mecânicas dos materiais utilizados nas estruturas aeroespaciais, o comportamento estrutural é decisivamente determinado pelas características das conexões de pinos e de rebites utilizadas de diferentes formas. Para tal devem ser testadas as resistências estáticas e com auxílio de ensaios dinâmicos especialmente também a resistência à fadiga dos elementos de conexãomecânicos utilizados e definidos especialmente nos métodos de ensaio normalizados conforme ASTM F606 assim como conforme NASM 1312-8 e NASM 1312-13.
A ZwickRoell oferece soluções de ensaios estáticos e dinâmicos para executar esses ensaios com segurança e eficiência.
Os componentes metálicos e componentes para aplicações aeroespaciais e na engenharia militar devem atender aos mais elevados requisitos quanto à confiabilidade, ciclo de vida e integridade funcional, parcialmente em condições de utilização extremas. No princípio construtivo Safe-Life adotado na indústria aeroespacial por ex. a falha ou uma função falha de um componente construído dessa forma são impossíveis durante o ciclo de vida previsto. Portanto, os componentes metálicos são submetidos ao estreito monitoramento do processo e a controles de qualidade rigorosos. Aqui também o ensaio de dureza tem papel fundamental.
A ZwickRoell oferece máquinas de ensaio de dureza conforme todos os métodos de ensaio de dureza estabelecidos e normas de ensaio internacionais.
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