Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Resumo Técnico: Predição das Propriedades Elásticas de Plásticos de Carbono Obtidos pelas Tecnologias de Infusão de Resina em Bolsa de Vácuo e Prensagem Direta de Prepreg

Definição do Problema
O desenvolvimento de estruturas biomédicas avançadas, particularmente próteses de pés de armazenamento e liberação de energia (ESR), requer materiais compósitos de fibra de carbono (CFCMs) com características precisas de rigidez e resistência. Esses componentes devem suportar cargas significativas (até quatro vezes o peso do paciente), mantendo um peso mínimo e uma deformação previsível (deflexão de 5–20 mm). Um desafio crítico reside na seleção da tecnologia de fabricação apropriada e do arranjo espacial dos componentes para alcançar essas propriedades elásticas específicas. Embora a infusão de resina em bolsa de vácuo (VBRI) e a prensagem direta de prepreg (DPP) sejam amplamente utilizadas, há uma necessidade de comparar suas propriedades mecânicas resultantes e de validar modelos de homogeneização para predizer os módulos elásticos efetivos dos materiais ortotrópicos resultantes.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem comparativa envolvendo tanto testes experimentais quanto predição analítica:

• Preparação de Amostras: Cinco séries de espécimes de CFCM foram fabricadas utilizando duas tecnologias distintas:

  • VBRI: Utilizando tecidos de carbono (T300 twill, T700 unidirecional) e um sistema de resina epóxi (EPR320 + EPH550).
  • DPP: Utilizando tecidos de carbono pré-impregnados (YZ-05 T700 twill e unidirecional) prensados em uma prensa hidráulica.
  • Os espécimes apresentaram variações nos esquemas de empilhamento (misturas de tecidos unidirecionais e twill) para atingir uma espessura alvo de aproximadamente 4 mm. As frações de volume de fibra foram calculadas com base em medições de densidade, revelando níveis de reforço mais elevados nos espécimes DPP (até 69%) em comparação aos espécimes VBRI (aprox. 50–52%).

• Testes Experimentais:

  • Compressão Uniaxial: Realizada em uma máquina Instron 8801 (ASTM D3410) para determinar os módulos elásticos de compressão.
  • Flexão em Três Pontos: Realizada em uma máquina TestSystems UTS-111.2-10-12 (ASTM D790) para determinar os módulos elásticos de flexão.
  • Os testes foram conduzidos nas séries N1, N3, N5, N7 e N19, com os módulos elásticos calculados a partir da região elástica linear dos diagramas tensão-deformação.

• Predição Analítica:

  • Uma abordagem de média em dois estágios baseada na teoria clássica de laminados foi aplicada.
  • Nível Micromecânico: Os módulos elásticos das camadas individuais foram calculados pela média das propriedades da fibra e da matriz utilizando os modelos de Voigt (Regra das Misturas) e Halpin-Tsai.
  • Nível Macromecânico: As propriedades da estrutura em camadas foram calculadas pela média dos coeficientes da lei de Hooke generalizada, considerando os ângulos de orientação das fibras e a espessura das camadas.

Principais Resultados

• Influência da Fabricação: Espécimes produzidos via Prensagem Direta de Prepreg (DPP) exibiram consistentemente módulos elásticos e resistência à tração superiores aos produzidos via Infusão de Resina em Bolsa de Vácuo (VBRI). Isso é atribuído à maior fração de volume de fibra de carbono alcançada em DPP (aprox. 63–69%) versus VBRI (aprox. 50–52%).
• Flexão vs. Compressão: Uma discrepância significativa foi observada entre os modos de carregamento. Os módulos elásticos de compressão foram aproximadamente metade dos valores dos módulos de flexão para a mesma série, e as deformações de falha foram de 1,5 a 2,5 vezes maiores em compressão.
• Precisão do Modelo:
  • Flexão: O modelo analítico mostrou uma correlação razoável com os dados experimentais de flexão para as séries N1, N3, N5 e N7, embora tenda a superestimar os valores (diferenças variando de 5% a 32%). A correção de Halpin-Tsai não alterou significativamente as predições para camadas unidirecionais de alto volume orientadas ao longo do eixo de carregamento.
  • Compressão: O modelo demonstrou limitações significativas na predição do comportamento de compressão. As discrepâncias entre os módulos de compressão calculados e experimentais foram substanciais (1,5 a 2,3 vezes maiores nos cálculos).
  • Exceção (Série N19): A série N19, caracterizada por uma alta proporção de tecido twill e orientações de fibra a 45°, mostrou um resultado único onde os módulos de compressão calculados e experimentais quase coincidiram (4% de diferença), embora a predição de flexão tenha permanecido imprecisa (80% de diferença).

Significância e Conclusões
O estudo conclui que, embora os modelos de média sequencial (Voigt e Halpin-Tsai combinados com a teoria clássica de laminados) possam predizer os módulos elásticos de flexão de CFCMs ortotrópicos com uma precisão de pelo menos 35% para layups específicos, eles têm aplicabilidade limitada para predizer propriedades de compressão. A divergência significativa nos resultados de compressão sugere que os modelos de homogeneização atuais falham em considerar a heteromodalidade (módulos diferentes em tração vs. compressão) e heterogeneidades microestruturais específicas.

Os autores afirmam que tanto as tecnologias VBRI quanto DPP são viáveis para a produção de elementos estruturais para próteses de pés, desde que o conteúdo de fibra de carbono seja suficiente. No entanto, para o design preciso de componentes biomédicos, a confiança exclusiva em modelos de homogeneização padrão para rigidez de compressão é insuficiente. Melhorias futuras na precisão da predição exigem modelos que incorporem sequências de empilhamento, tipos de trama e comportamentos distintos de tração-compressão, juntamente com uma maior caracterização experimental sob tração uniaxial e torção.