30/03/2009

P&D no setor aeronáutico

Estrutura leve de avião depende de uso de materiais compósitos; Embraer se une a IPT, ITA e universidades para desenvolvimento

As fabricantes de aviões querem que eles sejam mais leves para que consumam menos combustível — o que, além de reduzir custos na operação, diminui as emissões de gases do efeito estufa. Mas esse desejo não pode afetar a segurança da aeronave. Avião mais leve, já sabem os engenheiros, implica o uso de materiais compósitos, obtidos pela combinação, em escala macroscópica, de materiais distintos. Em escala macroscópica quer dizer: sem que a combinação mude a estrutura molecular e características dos produtos originais. Compósitos já estão nos aviões da Embraer, da Boeing, da Airbus. O desafio atual de todas as grandes companhias é usar compósitos nas maiores estruturas do avião: as asas e a fuselagem.

A Embraer está se preparando para enfrentar esse desafio. A empresa é parceira do Laboratório de Pesquisas de Estruturas Leves, que está sendo instalado no parque tecnológico de São José dos Campos (SP) e deve começar a operar no final de 2010. Os parceiros da Embraer são: Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), que administra o laboratório; Unicamp, Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Estadual Paulista (Unesp); Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), o mais tradicional parceiro acadêmico da empresa; e Instituto de Estudos Avançados do Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial (IEAv-CTA). O laboratório atuará em duas áreas: materiais compósitos — tipicamente, plásticos — e materiais metálicos. Só na área de compósitos trabalharão 22 pesquisadores. Os recursos para financiar as atividades iniciais virão da própria Embraer, da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). Os equipamentos para o laboratório, para processamento e teste de compósitos, são feitos sob encomenda — daí a demora em colocá-lo em operação.

Apesar de o laboratório ter nascido em função de uma necessidade da Embraer, deverá no futuro atender outros setores, como a indústria petroquímica, em especial empresas atuantes em extração de petróleo, produtores de material ferroviário e o setor automotivo. Outra preocupação do laboratório está na formação de recursos humanos e geração de conhecimento. Dos R$ 90 milhões orçados para ser investidos na iniciativa, R$ 40 milhões vão para a área de compósitos, coordenada por Sergio Frascino Muller de Almeida, formado em engenharia mecânica pelo ITA, onde é professor titular.

Compósitos de alto desempenho

Cimento pode ser considerado um compósito, e certamente há compósito em bandejas de plástico de restaurantes e nas piscinas pré-fabricadas encontradas no comércio. Mas, no caso da aeronáutica, o compósito é muito mais sofisticado. São compostos chamados de alto desempenho, e não combinações de materiais mais baratos e simples como vidro e poliéster, por exemplo. Nos aviões, o compósito é formado pela junção de carbono epóxi, uma matriz de resina, e fibra de carbono, combinação cujo resultado final lembra o plástico. A resina é compactada para eliminação de espaços vazios que poderiam causar defeitos estruturais na peça que for fabricada com o compósito. "Esse procedimento é interessante porque confere flexibilidade bastante grande em termos de processos de fabricação. E, embora o material seja bastante caro, é possível fazer peça de material compósito mais leve, mais resistente e mais barata do que a que usa o componente metálico, por conta desse processo de fabricação", explica Almeida.

Contudo, nem todas as características dos compósitos fazem deles preferíveis aos materiais metálicos. O compósito é totalmente despedaçado em casos de impacto, ao contrário do material metálico, feito para absorver impactos. É um aspecto muito importante para o setor automobilístico, por exemplo. "O uso de compósito no setor aeronáutico enfrenta um problema bastante prosaico, mas importante. O compósito tem condutividade elétrica e térmica muito baixa, o que causa problema com raios". Por causa dessas características, quando um raio atinge um material compósito, há uma concentração de energia, e ele queima o local, provocando um furo. Pode até explodir o avião, dependendo de onde o raio atingi-lo, já que os tanques de combustível ficam nas asas.

Os materiais metálicos levam vantagem ainda na questão da proteção da instrumentação eletrônica. Quando um raio atinge um avião — e isso ocorre com bastante freqüência, apesar de os passageiros não notarem porque os materiais metálicos agem como isolante elétrico —, há uma perturbação bastante severa no campo magnético, que eventualmente pode interferir nos comandos de voo e na instrumentação do aparelho. Como o compósito tem baixa condutividade elétrica, ele não funcionaria da mesma forma que os materiais metálicos quando se trata do isolamento elétrico.

Como resolver os problemas

Soluções existem, mas ainda são grandes desafios para pesquisa e desenvolvimento. A metalização, explica o professor do ITA, pode ser um paliativo — pela instalação de uma tela de proteção de alumínio ou cobre, esta última a mais comum. Por outro lado, o cobre é pesado (sua densidade é seis vezes maior do que a do compósito) e caro. "Hoje está se falando bastante no uso de nanotubos. É um avanço importante em termos elétricos, porque seu uso aumenta muito a condutividade elétrica. Só que esses desenvolvimentos estão em andamento, não estão disponíveis em escala comercial", comenta. O preço também é empecilho para o uso de nanotubos.  

No Brasil, há centros que desenvolvem nanotubos, como o Inpe e um laboratório da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) instalado na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Haverá um ponto de contato entre o Laboratório de Pesquisas de Estruturas Leves e o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Estudos do Espaço, formado pelo ITA e pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) — e coordenado por Almeida. Com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), os dois vão estudar o uso de nanotubos e os impactos balísticos em satélites, problema que pode afetar os equipamentos por conta do lixo orbital.

Já na asa e fuselagem

"São todos desafios de pesquisa. Já existem instituições no exterior bastante avançadas no sentido de projetar estruturas de material compósito em asa e fuselagem: a Boeing já fabrica coisas desse tipo e há algo também na aviação militar, mas ainda existe uma série de problemas que não foram resolvidos", diz o pesquisador do ITA. "O material compósito tem um comportamento mecânico muito diferente do material metálico, particularmente em termos de fratura: se houver uma falha de uma fibra, ela provoca o que chamamos de falha catastrófica, algo que vai derrubar um avião", explica.  Os compósitos não podem ser usados na fabricação de turbinas, pois não resistem a temperaturas muito superiores a 80º C.

Todo o desenvolvimento dessa tecnologia depende, basicamente, da determinação do nível de segurança de projeto, de quanto dano a estrutura pode suportar sem arriscar integridade da aeronave. "Quando uma empresa fala não posso tolerar nenhuma falha, nem mesmo na matriz, o material composto fica mais caro e pesado que o metálico. O desafio para a competitividade comercial do compósito é adquirir um nível de conhecimento tal que permita usar níveis de coeficientes de segurança mais baixos sem afetar a integridade da aeronave", detalha. "Se usar níveis muito altos, a aeronave não vai cair, mas não voa, de tão pesada que fica. O principal desafio é nesse sentido", acrescenta.

Almeida diz que os avanços foram muito significativos nos últimos anos. Desde a década de 1960, esse material é usado em aeronaves e os progressos recentes do material compósito estão focados na automação do processamento. "O processo tradicional de simplesmente empilhar camadas e colocar numa autoclave, um forno que aplica pressão e temperatura para curar material, é muito intensivo em mão-de-obra e acaba onerando bastante o processo. Hoje em dia há técnicas que automatizam esse processo", conta.

Outro foco de atenção está no estudo para avaliar a qualidade do produto final, que pode variar de acordo com o processo de produção utilizado. "O material compósito é fabricado no momento em que a peça é fabricada, já que de um lado você tem a resina e do outro a fibra de carbono. Você só coloca os dois juntos quando for montar a peça, ou seja, o material se forma no instante em que a peça é fabricada", descreve. As propriedades desse material dependem do método de fabricação.

Existe ainda outro gargalo para o uso dos compósitos. A homologação de peças feitas com esse material é mais complexa, mais cara e toma mais tempo do que a de peças metálicas. Há muitas peças compósitas que são simplesmente coladas, por exemplo, ao invés de ser aparafusadas. "É muito complexo comprovar que essa junta não vai falhar", diz.

O Boeing Dreamliner

Hoje, pesquisadores e empresas estão de olho na Boeing. Ela lançou o modelo 787, o Dreamliner, cuja estrutura primária, incluindo fuselagem e asas, é 50% feita em material compósito, segundo a empresa. Entre as vantagens enumeradas pela Boeing estão redução de 20% no consumo de combustível, quando se compara o 787 com aviões de porte similar, e ganho de velocidade. Também houve benefícios para processo de produção: para manufaturar uma seção da fuselagem, a empresa eliminou 1,5 mil folhas de alumínio ao usar o compósito. Os aviões 787 estão na fase de voos de teste. A empresa alega que já recebeu a encomenda de 878 aviões 787 de 57 clientes. Deve entregar parte das encomendas ainda este ano.

Segundo Almeida, a porcentagem que a Boeing anunciou é menor do que a efetivamente aplicada. "Tiveram de voltar um pouco [reduzir o uso de compósito], mas já é uma evolução importante nesse mercado", aponta. O pesquisador explica ainda que os investimentos em compósito não significam um abandono dos materiais metálicos. "As empresas vão continuar investindo em outras tecnologias complementares, pois não há incompatibilidade em fazer fuselagem de material compósito e asa de material metálico; é perfeitamente possível", acrescenta. "É prematuro fazer qualquer tentativa de prognóstico sobre o que vai acontecer no futuro. Basicamente depende do sucesso que a Boeing fizer", afirma.

Hoje, quem quiser comprar uma fibra de carbono com qualidade aeronáutica enfrentará uma fila enorme, segundo o pesquisador do ITA. Airbus e Boeing compram boa parte do compósito produzido no mundo. Outra dificuldade na aquisição de materiais de alto desempenho, como a fibra de carbono, é o fato de eles serem considerados materiais sensíveis, pois podem ser aplicados na fabricação de mísseis de longo alcance e em centrífugas usadas para produção de urânio, a matéria-prima da bomba nuclear. "Qualquer fabricante do mundo vai exigir uma autorização do Departamento de Estado americano", diz. (J.S.)

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