Abordagem de otimização ajuda a projetar compósitos de fibra de carbono mais leves

Pesquisadores da Tokyo University of Science (TUS, Japão) têm adotou um novo método de design que otimiza a espessura e orientação da fibra de carbono, conseguindo redução de peso em compostos reforçados com fibra e abrindo portas para aeronaves e veículos automotores mais leves.

TUS aponta para polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) que tem sido continuamente estudado para melhorar a resistência. A maioria desses estudos, diz a TUS, se concentrou em uma técnica particular chamada “design orientado por fibra”, que otimiza a orientação da fibra para aumentar a resistência.

No entanto, a abordagem do projeto orientado por fibra tem suas desvantagens. “O design orientado por fibra apenas otimiza a orientação e mantém a espessura das fibras fixa, evitando o uso total das propriedades mecânicas do CFRP. Uma abordagem de redução de peso, que também permite a otimização da espessura da fibra, raramente foi considerada ”, explica o Dr. Ryosuke Matsuzaki da TUS, cuja pesquisa é focada em materiais compostos.

Diante desse cenário, o Dr. Matsuzaki - junto com seus colegas da TUS, Yuto Mori e Naoya Kumekawa - propôs um novo método de design para otimizar a orientação e espessura da fibra simultaneamente dependendo da localização na estrutura composta, o que lhes permitiu reduzir o peso do CFRP em relação a um modelo de laminação linear de espessura constante sem comprometer sua resistência. Suas descobertas podem ser lidas em um novo estudo publicado em Estruturas compostas .

Seu método consistia em três etapas:a preparatória, iterativa e processos de modificação. No processo preparatório, foi realizada uma análise inicial utilizando o método dos elementos finitos (MEF) para determinar o número de camadas, permitindo uma avaliação qualitativa do peso por um modelo de laminação linear e um design direcionado por fibra com um modelo de variação de espessura. O processo iterativo foi usado para determinar a orientação da fibra pela direção da tensão principal e calcular iterativamente a espessura usando a "teoria da tensão máxima". Finalmente, o processo de modificação foi usado para fazer modificações contabilizando a capacidade de fabricação, criando primeiro um "feixe de fibras de base" de referência em uma região que requer melhoria de resistência e, em seguida, determinando a orientação e espessura finais organizando os feixes de fibras de modo que se espalhem em ambos os lados do o pacote de referência.

O método de otimização simultânea levou a uma redução de peso superior a 5%, permitindo uma maior eficiência de transferência de carga do que a obtida apenas com a orientação da fibra.

Os pesquisadores observam que estão entusiasmados com esses resultados e estão ansiosos para a implementação futura de seu método para maior redução de peso de peças convencionais de CFRP. “Nosso método de projeto vai além da sabedoria convencional de projeto composto, tornando-se para aeronaves e automóveis mais leves, o que pode contribuir para a conservação de energia e redução de CO ₂ emissões ”, observa o Dr. Matsuzaki.