Fibra de carbono explicada:propriedades, usos e aplicações de impressão 3D

A fibra de carbono, também conhecida como fibra de grafite ou grafite de carbono, tornou-se uma das favoritas em vários setores, e por boas razões. Mas não vamos revelar tudo na introdução:continue lendo para descobrir o que é esse material, seus diferentes tipos e para que serve.

O que é fibra de carbono?

A fibra de carbono é um tapete de tecido feito de fibras tecidas e é classificado como plástico composto e reforçado com fibra. É 90% de poliacrilonitrila (o precursor do carbono) e 10% de outros precursores, como piche ou celulose. Este material é feito por carbonização, oxidação ou grafitização. É primeiro cortado no formato desejado, impregnado com resina e depois processado por um dos métodos mencionados. Quando curado, o resultado é um material leve e incrivelmente forte, com uma impressionante relação resistência-peso. 

A alta tolerância ao calor desse tipo de fibra foi o que inspirou Sir Joseph Wilson Swan a usá-la em uma lâmpada incandescente em 1860. Naquela época, os filamentos de fibra de carbono não eram tão fortes como são agora, então, quando o tungstênio entrou em cena, ele praticamente assumiu o controle do departamento de fabricação de lâmpadas. Mais de 50 anos se passaram sem que a fibra de carbono fosse realmente usada para nada, mas uma versão mais forte foi lançada na década de 1960, e a Rolls-Royce a comprou para seus motores a jato – apesar da fragilidade.

A fibra de carbono usada na fabricação hoje tem uma resistência à tração de cerca de 4.000 MPa e um alto módulo de 400 GPa, o que a torna útil para uma série de coisas (não apenas para lâmpadas). É resistente à fluência, fadiga, produtos químicos e corrosão, bem como não inflamável e não tóxico. Com o tratamento correto, pode ser eletricamente condutor.

Este material é extremamente caro. É mais leve e mais forte que o aço, mas seu alto custo impede os fabricantes de usá-lo, a menos que seja absolutamente necessário (como aquela fragrância cara que você guarda para ocasiões especiais). Mas agora o preço da fibra de carbono baixou e a sua utilização aumentou! Os dias de espera da fibra de carbono por tarefas de alto nível acabaram; agora é transformado em ferramentas e fixações, molas e fios, e pode até ser usado para reforçar pneus.

Qual é o outro termo para fibra de carbono?

A fibra de carbono também pode ser chamada de fibra de grafite ou grafite de carbono. Pode ser referido sob os termos genéricos de plástico compósito ou reforçado com fibra. O termo compósito é usado para descrever um material que possui matriz e reforço. No caso da fibra de carbono, a fibra é o reforço e a resina é a matriz. O plástico reforçado com fibra é usado para descrever compósitos de fibra de vidro e aramida, bem como fibra de carbono. 

Quando foi inventada a fibra de carbono?

As fibras de carbono foram criadas pela primeira vez em 1860 por Sir Joseph Wilson Swan para uso em lâmpadas incandescentes, pois essas fibras tinham uma tolerância ao calor muito alta. No entanto, os filamentos de fibra de carbono da época não eram muito fortes. Assim, quando o tungstênio começou a ser usado em lâmpadas, a fibra de carbono não teve utilidade por mais de 50 anos. Então, na década de 1960, fibras de carbono mais fortes puderam ser produzidas para uso em motores a jato pela Rolls-Royce. Porém, devido às propriedades quebradiças da fibra de carbono, seu uso foi limitado por muito tempo. Desde então, a produção de fibra de carbono tornou-se muito mais eficaz. A fibra de carbono hoje tem uma resistência à tração na faixa de 4.000 MPa e um módulo de 400 GPa, o que abriu muitas outras aplicações para seu uso.

De que é feita a fibra de carbono?

A oxidação, carbonização e grafitização do precursor de carbono poliacrilonitrila constituem 90% do material de fibra de carbono. Os outros 10% dos precursores utilizados são de piche ou celulose. 

Quais são as propriedades da fibra de carbono? 

As propriedades não mecânicas da fibra de carbono são:

1. Eletricamente condutivo
2. Resistente à corrosão
3. Não inflamável 
4. Não tóxico 

Quais são as propriedades mecânicas da fibra de carbono?

As propriedades mecânicas da fibra de carbono incluem:

1. Leve
2. Alta resistência
3. Resistente à fluência
4. Resistente à fadiga
5. Alto módulo 
6. Fragilidade

O número de vezes que uma fibra passa por cima e por baixo de outras fibras é conhecido como crimpagem, e quanto maior a crimpagem, geralmente, maior será sua estabilidade. Mas a fibra de carbono de alta crimpagem significa que o material não será muito flexível (conhecido como sua adaptabilidade) para formar formas ou geometrias complexas.

Quão forte é a fibra de carbono?

A fibra de carbono é categorizada em:qualidade de módulo padrão, intermediário, alto e ultra-alto e varia de 3,55 GPa de resistência à tração.

A fibra de carbono é pesada?

Não, a fibra de carbono não é pesada. A fibra de carbono é muito leve, o que é uma das suas duas propriedades mais desejadas, sendo a outra a sua resistência. O peso da fibra de carbono dependerá do número de fibras por cm2 e da resina utilizada para ligá-la. Por exemplo, uma sarja lisa de fibra de carbono sem resina pesará 210 g/m2, com espessura de apenas 0,28 mm. Para efeito de comparação, o aço pesa 4 kg/m2 para uma espessura de 0,5 mm.

Quais são as propriedades químicas da fibra de carbono?

As propriedades químicas da fibra de carbono são: 

1. Resistente a produtos químicos
2. Não tóxico 
3. Não inflamável 

Quais são as diferentes aplicações avançadas da fibra de carbono?

Devido ao seu alto preço, a fibra de carbono é atualmente usada apenas em aplicações de alto desempenho, algumas das quais listamos abaixo.

1. Indústria Aeroespacial

Seu baixo peso torna a fibra de carbono adequada para fuselagem, empenagem, cones de nariz e pás de rotor de aeronaves. Quando essas peças são feitas com esse material, o peso da aeronave pode ser reduzido em até 20%, o que economiza milhões de dólares em combustível. 

2. Artigos esportivos

É usado para fazer raquetes de tênis, esquis, pranchas de snowboard, bicicletas e tacos de golfe mais leves, mais fortes e mais rápidos. Esteja preparado para pagar muito mais por equipamentos esportivos de fibra de carbono.

3. Dispositivos Médicos

Os dispositivos e implantes de raios X são feitos de fibra de carbono principalmente porque são radiotransparentes (os raios X podem passar facilmente através dela). Também é resistente ao desgaste e tem uma rigidez semelhante à do osso humano. Ao contrário do metal utilizado em alguns implantes, a fibra de carbono é frágil e pode quebrar.

4. Sistema de armazenamento de energia

Planos para sistemas de armazenamento de baterias de fibra de carbono estão em andamento, o que poderia reduzir bastante o peso dos carros elétricos.

5. Engenharia Civil

A fibra de carbono está se tornando cada vez mais popular em pontes e estruturas de concreto onde a resistência é mais importante que o peso. Porque pode ser até dez vezes mais resistente que o aço, é o preferido, mas como já estabelecemos, é muito mais caro de usar.

6. Tecnologia Marinha

À medida que o preço da fibra de carbono está em declínio, ela começa a substituir o uso da fibra de vidro em iates e pequenas embarcações. 

7. Tecnologia Militar e de Defesa

Drones, helicópteros, jatos e aeronaves de transporte podem ser feitos com esse material. O design dos capacetes tornou-se muito mais complexo ao longo dos anos – o que também os torna mais pesados. A fibra de carbono está aqui para salvar o dia (mas ainda há o problema da dificuldade de detectar danos).

Uma desvantagem, porém, é algo chamado Dano de impacto pouco visível. Basicamente, é difícil detectar danos neste material a olho nu, portanto, a verificação de falhas requer treinamento e testes extensivos. Este factor afecta a maioria das indústrias acima referidas, mas especialmente a aeroespacial, a energia, a marinha e a militar.

Como a fibra de carbono pode ser utilizada junto com a impressão 3D?

A fibra de carbono é compatível com impressão 3D. Pode ser usado como uma camada de fibra contínua ou impresso como fios curtos no filamento de uma impressora FDM (Fused Deposition Modeling). A impressora precisará de dois cabeçotes de impressão se você quiser imprimir com fibra contínua:um para o filamento de plástico e outro para a fibra de carbono. Se você optar por incorporar fios cortados dentro do filamento, poderá melhorar a resistência e a rigidez das peças impressas sem ir à falência. Usar este material na impressão 3D significa que você pode fazer peças que podem ser usadas para fins estruturais porque são muito mais fortes do que o PLA e ABS típicos usados ​​na impressão 3D. Com a fibra de carbono, as peças podem ser comparadas em resistência a materiais como o alumínio.

A indústria aeroespacial está, até certo ponto, usando peças de fibra de carbono impressas em 3D. Devido às regulamentações de segurança, qualquer nova tecnologia ou material precisa passar por testes e qualificação extensivos antes de ser usado no setor aeroespacial, mas, por enquanto, não é incomum encontrar peças para suportes e ferramentas especializadas feitas de fibra de carbono impressa em 3D. As empresas também não precisam lidar com grandes prazos de entrega.

Perguntas frequentes sobre fibra de carbono

Como a impressão 3D na indústria aeroespacial usou fibra de carbono para criar peças diferentes?

Atualmente, a impressão 3D com fibra de carbono na indústria aeroespacial é limitada. O uso de novos materiais e processos requer uma extensa qualificação antes do uso na indústria aeroespacial. No entanto, muitas empresas aeroespaciais estão usando peças de fibra de carbono impressas em 3D para suportes e ferramentas especializadas. A impressão 3D está sendo usada para criar peças de produção limitada que, de outra forma, teriam longos prazos de entrega. Muitas tarefas de reparos e manutenção exigem ferramentas especializadas que apresentam custos elevados e longos prazos de entrega. Com a fibra de carbono impressa em 3D, os prazos de entrega e os custos estão sendo reduzidos.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre impressão 3D no setor aeroespacial.

Qual é a vantagem da fibra de carbono em comparação com outros materiais impressos em 3D?

A vantagem das peças impressas em fibra de carbono é o aumento da resistência quando comparadas a outros materiais impressos em 3D. A maioria das peças impressas em 3D são feitas de PLA ou ABS, que são relativamente fracos, o que significa que as peças não podem ser usadas para fins estruturais. No entanto, com materiais de fibra de carbono impressos em 3D, a resistência é comparável à do alumínio. Isso abre muitas aplicações para o uso de peças impressas em 3D.

A fibra de carbono é mais forte que o aço?

Sim, a fibra de carbono é mais forte que o aço quando se comparam as suas respectivas relações resistência/peso. Embora tanto o aço quanto a fibra de carbono tenham um módulo de elasticidade de 200 GPa, o aço é cinco vezes mais pesado que a fibra de carbono. Esta alta relação resistência/peso é a razão pela qual a fibra de carbono pode ser preferencial em muitas aplicações.

A fibra de carbono é mais forte que o alumínio?

Sim, a fibra de carbono é muito mais forte que o alumínio. O alumínio pode atingir até 570 MPa, enquanto a fibra de carbono de módulo ultra-alto pode atingir uma resistência à tração superior a 5,5 GPa.

Qual é a diferença entre fibra de carbono e filamento 3D de fibra de carbono?

Tanto a fibra de carbono tradicional quanto a fibra de carbono impressa em 3D acrescentam resistência e são leves, mas o método de aplicação é muito diferente. Tradicionalmente, a fibra de carbono é uma esteira tecida de fibras que recebe uma resina aplicada e depois curada. A fibra de carbono tradicional geralmente é transformada em painéis maiores e seções tubulares, mas pode ser transformada em suportes. A fibra de carbono impressa em 3D é cortada em microfios e adicionada a um filamento a partir do qual é impressa em uma peça geralmente com geometria complexa ou é impressa como um fio contínuo singular em camadas discretas de uma peça impressa em 3D.



Kat de Naoum

Kat de Naoum é escritora, autora, editora e especialista em conteúdo do Reino Unido com mais de 20 anos de experiência em redação. Kat tem experiência em escrever para diversas organizações técnicas e de manufatura e adora o mundo da engenharia. Além de escrever, Kat foi paralegal por quase 10 anos, sete dos quais em finanças de navios. Ela escreveu para muitas publicações, tanto impressas quanto online. Kat é bacharel em literatura e filosofia inglesa e mestre em redação criativa pela Kingston University.

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