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A Escolha de Materiais para a Estrutura do nosso AUV - Parte 2

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. UFRJ Nautilus
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. UFRJ Nautilus
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. UFRJ Nautilus
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. UFRJ Nautilus
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. UFRJ Nautilus
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. UFRJ Nautilus
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.

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