• Giovana Veiga

[PT-EN] A Escolha de Materiais para a Estrutura do nosso AUV - Parte 2

Updated: Aug 6

Dando continuidade ao estudo da seleção de materiais para o nosso AUV, vamos falar sobre mais alguns materiais que utilizamos e que pensamos em utilizar na equipe, e suas principais características, vantagens e desvantagens.


Fibra de Vidro:


A fibra de vidro, cujo nome mais apropriado seria Polímero Reforçado com Fibra de Vidro, é um material resultante da sobreposição de filamentos bem finos de vidro dúcteis e flexíveis. A polimerização é feita pela aplicação de algum tipo de resina (em geral, a poliéster), a qual é responsável pela união dessas fibras.


No BrHue, esse material foi utilizado para confeccionar as gavetas que comportam os eletrônicos no interior do main hull. Ele foi escolhido por apresentar uma série de características vantajosas como, por exemplo: leveza, alta resistência mecânica e baixa condutividade térmica, o que vem a ser bem útil pois a temperatura de certos componentes eletrônicos costuma se elevar, durante a operação.


Amplamente utilizada na indústria náutica (na fabricação de cascos de embarcações de pequeno a médio portes e caiaques, por exemplo), a fibra de vidro tem se tornado uma potente opção para fabricarmos a estrutura de nosso próximo AUV. É válido lembrar, que fatores como a leveza devem ser muito considerados na fabricação de um novo robô para a competição, a fim de que não sejamos penalizados por ultrapassarmos o limite de peso, e, inclusive, sua alta resistência mecânica desse polímero nos garantiria uma maior durabilidade do veículo autônomo. Ademais, por ser um material reciclável, teríamos uma chance de aliarmos tecnologia ao desenvolvimento sustentável.

Exemplo de casco de iate feito de fibra de vidro.

Aço Inox:


É uma liga metálica altamente resistente à corrosão. Isso se deve ao fato de possuir cromo em sua composição, o que faz com que esse material, ao entrar em contato com o oxigênio (responsável pela oxidação), crie uma película protetora impermeável, o impedindo de ser corroído.


Além dessa vantagem, por meio da análise de suas propriedades mecânicas e uma simulação estrutural feita no Ansys, vimos que o aço inox seria o material ideal para a confecção das hastes que sustentam as gavetas da eletrônica no interior do cilindro principal. Entre os diferentes materiais analisados, ele foi o que o apresentou um menor grau de deformação, ao ser aplicado o peso da eletrônica igualmente distribuídos nas presilhas responsáveis por fixar essas gavetas.

Simulação estrutural da haste fabricada com aço inox.

Na imagem, vemos que o material nos proporciona um alto fator de segurança, o que indica menos possibilidade de haver deformação plástica com o peso da eletrônica distribuído.


Uma desvantagem do aço inox, no entanto, é o fato de não ser um componente muito leve. Por consequência, não é algo que consideramos muito quando pensamos em fabricar nossa próxima estrutura. Entretanto, devido a sua facilidade de aquisição e a boa relação de custo/benefício, há grandes chances de que certos componentes de nosso próximo AUV sejam feitos desse material.


Fibra de Carbono:


É um material resultante de uma longa cadeia de átomos unidos, que formam resistentes cadeias cristalinas. Uma única fibra desse polímero possui cerca de 0.005 a 0.01 mm de diâmetro. No entanto, ao unirmos milhares de fios como esse obtemos como resultado um material extremamente forte, conseguindo superar a resistência de materiais como o aço.

O fato de possuir uma grande leveza é o que faz com que, cada vez mais, a indústria escolha a fibra de carbono como matéria prima para a fabricação de seus componentes. É um dos principais materiais compósitos usados na indústria aeronáutica (por conseguir suportar com eficiência altos esforços e solicitações mecânicas), como também na fabricação de componentes de veículos de Fórmula 1, os quais têm conseguido atingir maiores velocidades graças a inovação dessa fibra.


Tendo em vista isso, a fibra de carbono, atualmente, também se mostra uma ótima opção para a confecção de nossa próxima estrutura.

Retrovisor laminado com fibra de carbono.

Plástico ABS:


A Acrilonitrila Butadieno Estireno, mais conhecida como o plástico ABS, é um material que vem se tornando cada vez mais famoso graças à crescente adesão de impressões 3D em grandes projetos e já se encontra presente em boa parte do nosso dia a dia. É composta pela copolimerização - mistura de dois ou mais monômeros - da acrilonitrila, o butadieno e o estireno.

O plástico ABS é de enorme praticidade pois é facilmente moldado, o que permite tomar a forma que desejamos sem precisar de muitos esforços além de uma boa modelagem em plataformas CAD. O custo de produção extremamente baixo é apenas um de seus diversos benefícios, uma outra importante característica é a resistência à impactos, tração e variações térmicas. Esse material também é bem leve, viabilizando futuros projetos, assim como foi com o nosso robô atual, o BrHue.

Suporte das câmeras de baixo feita de ABS.

Polietileno de Alta Densidade (PEAD):


Obtido por meio da polimerização do eteno, esse é um dos materiais mais delicados e importantes do nosso projeto, pois é ele o responsável pela estanqueidade de parte do robô, uma vez que as tampas do anexo da bateria são feitas de PEAD. O investimento um pouco mais elevado - apesar de não ser tão caro - se justifica pela sua alta resistência a impactos, uma vida útil superior a 50 anos, garantindo que o desgaste das peças não seja um problema em um futuro breve. Além disso, esse material é levemente flexível, o que dificulta uma eventual deformação.


Apesar de ser mais denso que os polietilenos comuns, o polietileno de alta densidade é relativamente leve e, somado ao fato de ser um dos materiais que mais garantem estanqueidade pelos motivos citados anteriormente, se torna uma opção com ótimo custo/benefício e certamente irá fazer parte de nossos próximos projetos tanto das tampas dos futuros anexos como para a estrutura do robô futuro.

Tarugos feitos de PEAD.

UHMW:


O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular, é um dos materiais que temos em mente nos futuros projetos a serem realizados, Isso se deve a sua alta resistência ao impacto, desgaste e baixo coeficiente de atrito. Possui uma densidade próxima ao do Polietileno de Alta Densidade, o que, para os nossos parâmetros é um material leve e de alto potencial. Assim como o PEAD, atende bem às exigências para uma boa estanqueidade, por isso pensamos em utilizar o UHMW para futuras tampas, além da estrutura do robô, principalmente se optarmos por uma geometria com frame, que tende a deixá-lo mais pesado.

Representação de uma peça feita de UHMW.

Conclusão:


É importante ressaltarmos que o estudo e a análise de materiais também é passível de erros e incertezas. A escolha de materiais é sempre feita pensando em como minimizar os problemas que podemos encarar enquanto o AUV estiver executando suas tarefas, de uma forma que o projeto se torne economicamente viável. Alguns desses materiais, por ainda não terem sido testados por nossos membros, não nos dão 100% de garantia de que são a melhor opção que temos no momento. Dessa forma, tem-se que a cultura da pesquisa e da busca pela seleção de materiais na equipe é uma tarefa contínua e que se inova ao passo em que a indústria tecnológica também vai sofrendo inovações.


Escrito por Ramon Christian e Vinicius Feijó.



Choosing Materials for the Structure of our AUV - Part 2


Continuing the study of material selection for our AUV, we will talk about some more materials that we use and that we think about using in the team, and their main characteristics, advantages and disadvantages.


Fiberglass:


Fiberglass, whose most appropriate name would be Fiberglass Reinforced Polymer, is a material resulting from the superposition of very thin ductile and flexible glass filaments. Polymerization is done by applying some type of resin (in general, polyester), which is responsible for the union of these fibers.


At BrHue, this material was used to make the drawers that hold the electronics inside the main hull. It was chosen because it has a number of advantageous characteristics, such as: lightness, high mechanical resistance and low thermal conductivity, which is very useful because the temperature of certain electronic components usually rises during operation.


Widely used in the nautical industry (in the manufacture of hulls from small to medium-sized vessels and kayaks, for example), fiberglass has become a powerful option for manufacturing the structure of our next AUV. It is worth remembering that factors such as lightness must be considered a lot in the manufacture of a new robot for competition, so that we are not penalized for exceeding the weight limit, and also the high mechanical resistance of this polymer would guarantee us a greater durability of the autonomous vehicle. Furthermore, as it is a recyclable material, we would have a chance to combine technology with sustainable development.

Example of a yacht hull made of fiberglass


Stainless steel:


It is a highly corrosion resistant metal alloy. This is due to the fact that it has chromium in its composition, which makes this material, when in contact with oxygen (responsible for oxidation), create an impermeable protective film, preventing it from being corroded.


In addition to this advantage, through the analysis of its mechanical properties and a structural simulation made in Ansys, we saw that stainless steel would be the ideal material for making the rods that support the electronics drawers inside the main cylinder. Among the different materials analyzed, it was the one that presented the least degree of deformation, when the weight of the electronics was equally distributed in the clips responsible for fixing these drawers.


Structural simulation of the rod made of stainless steel


In the image, we see that the material provides us with a high safety factor, which indicates less possibility of plastic deformation with the weight of the distributed electronics.


A disadvantage of stainless steel, however, is the fact that it is not a very light component. Consequently, it is not something that we consider a lot when we think about making our next structure. However, due to its ease of purchase and good cost benefit ratio, there are high chances that certain components of our next AUV will be made of this material.


Carbon fiber:


It is a material resulting from a long chain of united atoms, which form resistant crystalline chains. A single fiber of this polymer is about 0.005 to 0.01 mm in diameter. However, by joining thousands of wires like this one results in an extremely strong material, managing to overcome the resistance of materials such as steel.

The fact of having a great lightness is what makes the industry, more and more, choose carbon fiber as raw material for the manufacture of its components. It is one of the main composite materials used in the aeronautical industry (because it can efficiently withstand high mechanical efforts and stresses), as well as in the manufacture of Formula 1 vehicle components, which have been able to achieve higher speeds thanks to the innovation of this fiber.


In view of this, carbon fiber, currently, also proves to be a great option for making our next structure.


Carbon fiber laminated rear view


ABS plastic:


Acrylonitrile Butadiene Styrene, better known as ABS plastic, is a material that has become increasingly famous thanks to the growing adhesion of 3D prints in large projects and is already present in much of our daily lives. It consists of copolymerization - a mixture of two or more monomers - of acrylonitrile, butadiene and styrene.


ABS plastic is extremely practical because it is easily molded, which allows it to take the shape we want without needing much effort in addition to good modeling on CAD platforms. The extremely low production cost is just one of its many benefits, another important feature is resistance to impacts, traction and thermal variations. This material is also very light, enabling future projects, just as it was with our current robot, BrHue.


Bottom camera support made of ABS


High Density Polyethylene (HDPE):


Obtained through the polymerization of ethylene, this is one of the most delicate and important materials of our project, since it is responsible for the tightness of part of the robot, since the covers of the battery attachment are made of HDPE. The slightly higher investment - although not so expensive - is justified by its high resistance to impacts, a service life of more than 50 years, ensuring that the wear of the parts is not a problem in the near future. In addition, this material is slightly flexible, making it difficult to deform.


Despite being more dense than ordinary polyethylene, high density polyethylene is relatively light and, added to the fact that it is one of the materials that most guarantees tightness for the reasons mentioned above, it becomes an option with great cost benefit and will certainly make part of our next projects both for the covers of future attachments and for the structure of the future robot.


Billets made of HDPE


UHMW:


Ultra High Molecular Weight Polyethylene, is one of the materials we have in mind to be carried out in future projects. This is due to its high impact resistance, wear and low friction coefficient. It has a density close to that of High Density Polyethylene, which, for our parameters, is a light material with high potential. Like HDPE, it meets the requirements for good tightness, so we thought about using UHMW for future covers, in addition to the robot's structure, especially if we choose a frame geometry, which tends to make it heavier.


Representation of a piece made of UHMW


Conclusion


It is important to note that the study and analysis of materials is also subject to errors and uncertainties. The choice of materials is always made thinking about how to minimize the problems that we may face while the AUV is performing its tasks, in a way that the project becomes economically viable. Some of these materials, as they have not yet been tested by our members, do not give us a 100% guarantee that they are the best option we have at the moment. Thus, it is clear that the culture of research and the search for material selection in the team is a continuous task and one that is innovating as the technological industry is also undergoing innovations.


Written by Ramon Christian and Vinicius Feijó