In-Situ Pin-Caulking: Effect of Self-Piercing Geometry and Pin Arrangement on Metal/CFRT Joints

A engenharia moderna depende cada vez mais da mistura de diferentes materiais para construir estruturas mais leves e fortes. Uma estratégia comum envolve o emparelhamento de metais, que são resistentes e dúcteis, com compósitos avançados feitos de fibras contínuas incorporadas em plástico. Essas folhas reforçadas com fibras são incrivelmente fortes na direção das fibras, mas podem ser quebradiças e difíceis de unir com métodos tradicionais. Colá-las exige longos tempos de espera e uma preparação de superfície perfeita, enquanto perfurar buracos para inserir parafusos ou rebites corta as fibras que suportam a carga e cria pontos fracos onde as rachaduras podem começar. Para resolver isso, os engenheiros recorreram a uma técnica onde pequenos pinos metálicos são formados diretamente da folha de metal e empurrados para dentro do compósito. Em vez de apenas ficarem em um buraco, esses pinos são projetados para se espalharem ou se expandirem na base, criando um gancho mecânico que trava os dois materiais sem a necessidade de peças extras. Este método, conhecido como calafetagem de pino in-situ, combina o ato de perfurar um buraco, inserir o pino e expandi-lo em uma cabeça, tudo em um único movimento rápido.

O desafio reside no fato de que o pino muda de forma durante esse processo. Ele começa como uma peça sólida de metal, mas é forçado a se deformar conforme entra no compósito plástico. Pesquisadores da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg propuseram-se a entender como a forma inicial do pino e o arranjo de múltiplos pinos afetam a resistência final da junta. Eles compararam dois designs específicos: um pino cilíndrico sólido padrão e um pino de "autoperfuração", que possui paredes finas projetadas para se expandirem para fora como as pétalas de uma flor quando empurrado. Eles testaram esses pinos em vários padrões, desde um único pino até grupos de quatro, unindo-os a uma folha de plástico reforçado com fibra de vidro. O objetivo era ver se a maneira como os pinos eram arranjados alterava quanta força era necessária para criar a junta e quanto peso a conexão final conseguia suportar.

Os pesquisadores descobriram que o pino de autoperfuração era significativamente mais eficiente do que o sólido. Como as paredes finas do pino de autoperfuração podiam se dobrar para fora facilmente, era necessário menos esforço para atravessar o material e formar o gancho de travamento. No maior grupo de teste com quatro pinos, o design de autoperfuração exigiu vinte e cinco por cento menos força para criar a junta do que o pino sólido. Apesar de usar menos energia para fazer a conexão, os pinos de autoperfuração criaram um gancho tão largo quanto, ou até ligeiramente mais largo, do que o feito pelo pino sólido. Isso significa que a junta não era mais fraca; na verdade, era mais forte. Quando os pesquisadores puxaram as juntas, os pinos de autoperfuração suportaram muito mais peso. No arranjo de quatro pinos, a junta de autoperfuração podia suportar quase três vezes a força de tração normal e uma vez e meia a força de cisalhamento em comparação com a junta do pino sólido.

Uma descoberta crucial foi como os pinos se comportavam quando colocados próximos uns dos outros. Para os pinos sólidos, a resistência da junta dependia fortemente de como eles eram arranjados em relação à direção das fibras na folha de plástico. Se os pinos estivessem alinhados ao longo das fibras, a junta era mais fraca do que se fossem colocados lado a lado através das fibras. Isso acontecia porque os pinos sólidos dependiam do atrito e da forma como o plástico os comprimia, o que era influenciado pelo material circundante. Os pinos de autoperfuração, no entanto, comportaram-se de forma diferente. Sua resistência permaneceu consistente, independentemente de como eram arranjados. Isso sugere que o mecanismo de travamento para o pino de autoperfuração é determinado principalmente pela própria forma do pino após ter sido formado, e não pela interação complexa com as fibras ao redor. As paredes finas do pino de autoperfação se espalham para criar um gancho que agarra o material de forma eficaz, sem ser tão sensível ao arranjo local das fibras.

O estudo conclui que o pino de autoperfuração oferece uma solução superior para a união desses materiais mistos. Ele alcança uma conexão mais forte e confiável, exigindo menos força para a fabricação. Essa eficiência é particularmente importante para o escalonamento para estruturas maiores, onde o uso de muitos pinos é necessário. Os pinos sólidos tornaram-se menos eficientes à medida que mais eram adicionados, exigindo mais força para cada pino adicional sem um ganho proporcional em resistência. Os pinos de autoperfuração mantiveram sua eficiência, entregando mais resistência para cada unidade de força usada para criá-los. Isso os torna candidatos promissores para aplicações industriais onde componentes leves e multi-materiais precisam ser montados de forma rápida e confiável, como na indústria automotiva. A pesquisa destaca que a geometria do pino após ter sido formado é o que realmente importa para a resistência da junta, e não apenas a forma do pino antes de ser empurrado no material.