Processos de Fabricação
Professor: Alexius Masiukewycz
Título: Blindagem
Integrantes:
Bruno Sena
Julia Reiko
Luciana Aparecido
Rodrigo de Assis
Turma: N4 – 1º semestre de 2010
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 4
Engenharia de Controle e Automação
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Tipologia: Resumos
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Processos de Fabricação
Professor: Alexius Masiukewycz
Título: Blindagem
Integrantes:
Bruno Sena Julia Reiko Luciana Aparecido Rodrigo de Assis
Turma: N4 – 1º semestre de 2010
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 4
Engenharia de Controle e Automação
MECANISMO ADICIONAL DE DANO E O PROCESSO DE
- TABELAS BALÍSTICAS - NORMA – NIJ 0108.01 / NIJ 0101.04 - NORMA – DIN EM 1063 / DIN 52.290 - NORMA – ABNT NBR 15000/2005
- BLINDAGENS MONOLÍTICAS DE AÇO
- BLINDAGENS COMPÓSITAS
- BLINDAGENS
- FRAGMENTAÇÃO DOS CERÂMICOS DEVIDO AO IMPACTO
- MATERIAIS COMPÓSITOS SOB IMPACTO
- EFEITO DA VELOCIDADE DE IMPACTO
- PENETRAÇÃO
- FABRICAÇÃO DE VIDROS BLINDADOS
- EXEMPLO DE FABRICAÇÃO DE VIDRO
- PROCESSO DE FABRICAÇÃO
- EXEMPLO DE UMA PORTA BLINDADA
- BLINDAGEM MAIS UTILIZADA - FABRICAÇÃO
- LAPIDAÇÃO
- GENERALIDADES
- VANTAGENS
- DESCRIÇÃO DO PROCESSO
- LAPIDAÇÃO DE POLIMENTO
- LAPIDAÇÃO PLANA PARALELA
- DISCO DE LAPIDAÇÃO
- MEIO DE LAPIDAÇÃO
- CARACTERÍSTICAS E RESULTADOS DE TRABALHO - PRECISÃO DE TRABALHO - PRESSÃO DE LAPIDAÇÃO
- FABRICAÇÃO DE VIDROS BLINDADOS
TABELAS BALÍSTICAS NORMA – NIJ 0108.01 / NIJ 0101.04: Norma americana (U.S.A) que serve como referência para qualquer país da America Latina, inclusive para o DFPC (Departamento de Fiscalização de Produtos Controlados) do Exercito Brasileiro, o órgão que regulamenta os produtos balísticos produzidos e comercializados no Brasil.
Figura i NORMA – DIN EM 1063 / DIN 52.290: Norma alemã que está sendo implantada no mercado comum europeu como ERPN 52.290 como sendo mais rigorosa e mais qualitativa que a norma NIJ STD – 0108.01 utilizada nos USA e Brasil. Fazendo uma rápida comparação, uma material aprovado pela norma DIN 52.290, suporta mais disparos em uma menor área de um mesmo calibre em comparação com um material aprovado pela norma NIJ STD – 0108.01.
Figura i NORMA – ABNT NBR 15000/ Norma brasileira que substituiu a NBR 14923/2003 e foi baseada principalmente na norma NIJ americana.
Figura i3 - Nível de proteção do sistema de blindagem quanto ao impacto balístico. Legenda: LRHV – Long Rifle High Velocity; RN – Round Nose FMJ – Full Metal Jacketed; JSP – Joint Soft Point SW GC – Semi WadCutter Gas Check ; AP – Armor Piercing
Figura i4 - Nível de proteção alternativa de sistema de blindagem quanto ao impacto balístico.
BLINDAGENS MONOLÍTICAS DE AÇO
No Século XX, as placas monolíticas de aço foram empregadas para proteção dos carros de combate na Primeira Guerra. Estas blindagens consistiam apenas de chapas de aço, fundido ou laminado, que possuíam a dupla função estrutural e de blindagem.
Na Primeira Guerra Mundial a espessura da blindagem dos carros de combate era de cerca de 12 mm. Já ao final da Segunda Guerra Mundial esta espessura se situava em torno de 280 mm, o que conferia a estes carros pesos acima de 60 toneladas e densidade superficial de aproximadamente 3 toneladas por metro quadrado.
Porém, a evolução das munições anti-tanque demonstrou que a blindagem constituída por um único material com propriedades homogêneas ao longo de sua espessura não era capaz de deter as novas ameaças, sem que fosse elevado demasiadamente o peso dos veículos blindados.
Posteriormente as blindagens de aço com face endurecida resultaram da observação da influência da dureza do material na resistência à penetração de uma blindagem. Porém, existe um compromisso entre dureza e tenacidade, sendo concluído que a dureza da chapa de aço da blindagem deveria diminuir ao longo de sua espessura, tendo o seu valor máximo na face externa da viatura. Caso contrário
O estudo da propagação das ondas de choque provocadas por impactos balísticos fez surgir uma propriedade até então desconhecida no campo dos materiais de emprego em blindagem: a impedância de choque. Grande parte dos danos causados pelo impacto de uma munição se deve às ondas de choque, cuja propagação no material se inicia com o impacto do projétil e, ao encontrar uma superfície livre ou outro material de impedância de choque de menor valor, a onda de compressão gerada pelo impacto reflete como uma onda trativa, que promove a fratura de materiais frágeis como as cerâmicas. Sendo assim, foi observado que materiais de baixa densidade tem a capacidade de atenuar ou até dissipar as ondas de choque.
Tabela 1 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1910 -
Tabela 2 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1950 -
Tabela 3 - Cronologia da Blindagem cerâmica 1950 -
BLINDAGENS
A evolução dos projéteis vem sendo confrontada com a evolução das blindagens. Com o desenvolvimento do poder de penetração dos projéteis, novos aperfeiçoamentos são introduzidos na blindagem para detê-los.
O Aço é tradicionalmente o principal componente de uma blindagem. Gradualmente ele está sendo substituído por outros materiais: Cerâmicos, Compósitos, vidro e explosivos. O conceito da blindagem a ser utilizado depende apenas do destino da aplicação, classificada como:
- Blindagem corporal (blindagem pessoal);
- Blindagens Leves (blindagem veicular e aeronáutica);
- Blindagens Pesadas (blindagem de carros de combate). A blindagem corporal é destinada à proteção individual inicialmente contra fragmentos de camadas dos altos-explosivos de artilharia, granadas, fragmento de minas, também projéteis de armas pequenas. Na II guerra mundial, a porcentagem de acidentes ocasionados por fragmentos foi de 80%. Além do tradicional capacete de aço, tecidos de nylon, metais, e cerâmicos vêm sendo utilizados em coletes para proteção individual. Os aços austeníticos com alta concentração de manganês, anteriormente aplicados aos capacetes estão sendo substituídos por compósitos reforçados por fibras de KevlarÒ e SpectraÒ, que são fibras de aramida e polietileno, respectivamente, que possuem altas resistências a tração, da ordem de 2-3 GPa e densidades muito baixas (0,97-1.2 g/cm^3 ). Placas cerâmicas apoiadas por anteriores
a polímeros reforçados com alumínio ou fibra de vidro também estão sendo utilizados em blindagens corporais. Na França o termo “Appliqué” é utilizado.
Na categoria de blindagens leves estão incluídas aplicações como por exemplo assoalho de helicópteros, para proteção contra disparos efetuados do solo, e proteção de veículos leves e aviões. Diferentes configurações vem sendo desenvolvidas utilizando-se: metais monolíticos tais como o aço, alumínio, e ligas de titânio; blindagem compósitas cerâmicas; blindagem compósitas poliméricas; e blindagem laminadas. É importante especificar o desempenho da blindagem em termos de sua densidade superficial ou “Areal Density”, isto é, o peso por unidade de área. Para aplicações em veículos e aeronaves, um compósito cerâmico de alumina, carbeto de boro, ou carbeto de silício, apoiada em um compósito orgânico dúctil, tal como polímero reforçado, é bastante eficiente contra projéteis de armas de pequeno e médio calibre e na contenção de fragmentos. A idéia principal é deter o projétil com uma superfície muito dura e então absorver a energia do projétil e/ou fragmentos da blindagem utilizando posteriormente um material dúctil leve.
As blindagens pesadas foram inicialmente destinadas a tanques. O aço é o principal material da blindagem devido ao seu baixo custo, fácil fabricação, e
larga escala são requeridas para este problema, e uma comparação do desempenho de diferentes cerâmicos sob impacto é inicialmente feito de modo experimental. Diboreto de titânio e carbeto de titânio parecem superar outros cerâmicos. Carbeto de silício, carbeto de boro, e alumina também apresentam bom desempenho. Ao projetar uma blindagem cerâmica, deve-se considerar a importância da densidade superficial requerida para a proteção contra uma certa ameaça. Devido a diferença de densidade entre os cerâmicos, para um mesmo valor de densidade superficial corresponde a diferentes espessuras destes materiais.
FRAGMENTAÇÃO DOS CERÂMICOS DEVIDO AO IMPACTO
Os Materiais cerâmicos possuem duas qualidades muito importantes: alta dureza e baixa densidade relativa. A característica de baixa ou nenhuma ductilidade não deve ser um fator importante se estes materiais não forem utilizados como materiais estruturais; mas apenas adicionados na estrutura, como no caso de aplicações balísticas, e sendo denominando “Appliqué”. Os mecanismos de dano destes materiais são bastante diferentes dos apresentados pelos metais. Não pode ser assumido que os materiais cerâmicos possuem baixa resistência a impactos a altas velocidades. A Figura 2 mostra esquematicamente a penetração em materiais cerâmicos.
FIGURA 2: (a) Mecanismos de interação entre projéteis e alvos cerâmicos em função da velocidade de impacto; (b,c) Padrões de fratura do alvo cerâmico impactado por um projétil com alta velocidade: 1- região fragmentada (pulverizada); 2- alvo e projétil ejetados; 3- trincas radiais; 4- trincas por Estilhaçamento ou “Spalling” devida a reflexão da Onda.
Viechinicki dividiu os mecanismos de penetração em três regimes de velocidades: Baixa, Intermediária e Hipervelocidades (V (^) SL , V (^) SI, V (^) SH). Em baixa velocidade o cerâmico deforma o projétil, enquanto sofre uma fratura cônica. Em velocidades intermediárias é iniciada a penetração no cerâmico. Em altas velocidades a erosão do cerâmico ocorre. O confinamento do material cerâmico é
importante nas blindagens compósitas pois mantém os fragmentos cerâmicos no lugar, continuando a serem efetivos, sob tensões compressivas produzidas pelo projétil.
Quatro tipos de fraturas são mostradas na Figura 2.(c). Uma zona fragmentada é formada na frente do projétil. Esta zona fragmentada, também chamada de “Zona de Mescall” em homenagem a John Mescall, que previu sua formação em simulação computacional, é resultado direto da alta tensão compressiva. Esta região fragmentada pode sofrer cisalhamento localizado durante a deformação plástica. Trincas radiais (3) são geradas a partir do ponto de impacto. Estas trincas radiais são produzidas pelas ondas trativas (tensões Hertzianas) resultantes da compressão do centro. Quando a onda de tensão produzida pelo impacto reflete na superfície posterior ou livre, trincas de reflexão podem ser produzidas (4). O material fragmentado é ejetado a partir do alvo, junto com o projétil altamente deformado e fraturado.
A Figura 3 mostra o esquema da formação do cone. Este cone é produzido pelas tensões trativas geradas pelas alta tensões de contato.
Estas tensões foram estudadas por Hertz. O mesmo tipo de trinca foi observada sob condições estáticas de indentação do vidro. Trincas trativas ocorrem em forma de cone a partir do ponto de contato, interagindo com as tensões refletidas da superfície livre, produzindo a ejeção do cone. O vértice e o topo do cone formam superfícies muito suaves, produzidas pelas tensões Hertzianas, enquanto a base do cone é formada por diferentes sistemas de tensões onde as tensões refletidas desempenham um importante papel neste processo.
FIGURA 3: Esquema das trincas Hertzianas e reflexão trativa para a formação e ejeção do cone.
rigorosas e testes significantes no regime de carregamento de baixa velocidade. Entretanto, para materiais compósitos sob carregamento hidrodinâmico, poucos resultados publicados e/ou modelos de simulações são satisfatórios.
Embora os princípios básicos, isto é, o princípio de conservação de energia e o princípio da conservação do momento, sejam simples, atualmente não existe uma teoria generalizada ou equação para modelar ou descrever os mecanismos de impacto de compósitos balísticos. A maioria dos resultados foram obtidos pela realização de testes balísticos ao invés de derivados a partir de equações. É esperado que os mecanismos de impacto balístico em compósitos possam ser compreendidos no futuro e modelados baseados em conclusões empíricas obtidas a partir do aumento do número de resultados experimentais.
EFEITO DA VELOCIDADE DE IMPACTO
Parte da energia de impacto a baixa velocidade pode ser absorvida através da flexão global do compósito permitindo transferir a energia para localizações distantes do ponto de impacto. Uma vez que o tempo de contato entre o projétil e o compósito é consideravelmente menor à alta velocidade, o carregamento por impacto induz a respostas localizadas sem nenhuma deformação global do compósito. Estes dois diferentes tipos de impactos, como sugerido por Cantwell e Morton, são representados graficamente na Figura 4. Os autores demonstraram este conceito
pela procura de delaminações em vigas, de vários comprimentos, impactadas a baixas e altas velocidades. O tamanho do dano diminui conforme o aumento do comprimento da viga quando impactada a baixas velocidades. Contudo, em altas velocidades, o nível de dano depende do comprimento da viga e, com o aumento da razão entre a altura e a massa da viga, as condições de contorno da viga possuem efeitos desprezíveis nos resultados de impactos balísticos.
FIGURA 4: Representação da deformação Global em Impacto a baixa Velocidade (a) e Deformação Local em Impacto a Alta Velocidade.
MECANISMO ADICIONAL DE DANO E O PROCESSO DE PENETRAÇÃO
Uma vez que a energia a alta velocidade de impacto é dissipada sobre uma pequena região, um mecanismo adicional de dano atua em impactos à altas velocidades, conhecido como “Shear Plug” ou Cisalhamento. Devido a alta tensão de cisalhamento criada no ponto de impacto, o material em torno do perímetro do projétil é cisalhado e inicialmente empurrado causando um orifício ou “plug” um pouco maior do que o diâmetro do projétil que aumenta conforme a sua penetração no compósito, conforme mostra a Figura 5.
FIGURA 5: Representação do mecanismo de Dano por Cisalhamento ou “Shear Plug”.
Todo processo de penetração de projéteis a alta velocidade envolve a combinação de cisalhamento através dos mecanismos de “Shear Plug”, crescimento de trincas na matriz, delaminação, e falha das fibras por tração. A seqüência de eventos para um laminado com camadas cruzadas foi descrito em grande detalhe por Cristescu.
Sob impacto na primeira camada, a energia do projétil é alta o suficiente para romper as fibras por cisalhamento. Este processo de cisalhamento continua em sucessivas camadas até que a energia de impacto do projétil é diminuída ao ponto que as fibras possam fornecer alguma resistência ao cisalhamento. Quando isto
2 – a resina inomérica: assim denominada pelo processo no qual os materiais Noviflex, sentry Glass ou Miraplay se tornam compostos balísticos. Tais compostos podem ser utilizados apenas em uma única composição, entre laminas de vidros, e requerem uma camada de spall shield após a ultima lamina de vidro, material este anti-fragmento.
EXEMPLO DE FABRICAÇÃO DE VIDRO EMPRESA GEPCO As principais matérias primas utilizadas na produção do vidro blindado são:
Vidro Float, material desenvolvido em processo de flutuação que permite superior paralelismo entre as duas partes da chapa de vidro.
Policarbonato, um plástico de engenharia que possui maior capacidade de absorção energética entre os materiais transparentes disponíveis.
PROCESSO DE FABRICAÇÃO O Float é cortado de acordo com molde pré-definido e é encaminhado para a lapidação. O próximo passo é a serigrafia. Que consiste na pintura da borda do vidro para torná-lo o mais próximo do original de fabrica. Depois de pintado, o material vai para um primeiro forno onde é feita a fusão da tinta cerâmica e, em seguida, para um segundo forno para a execução de sua curvação.
A próxima etapa é a montagem, em que as diversas camadas do vidro recebem uma camada de policarbonato. Posteriormente, o laminado (vidro + policarbonato) é prensado em autoclave em alta pressão e temperatura.
Figura i10 – Exemplo de fabricação de vidro da PG PRODUCTS EXEMPLO DE UMA PORTA BLINDADA
Fabricada com chapa tripla ou dupla de aço com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado.
BLINDAGEM MAIS UTILIZADA
- Anti-Invasão / Nivel II (ABNT) – Resiste armamentos até Magnum 357 e Pistola 9mm.
- Nivel III-A (ABNT) – Resiste armamentos até Magnum 44 e Submetralhadora 9mm.
- Nivel III (ABNT) – Resiste armamentos até fuzil AR15 - AK47 e FAL 7. FABRICAÇÃO
- A porta blindada é fabricada com chapa tripla ou dupla de aço com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado. Seu interior é estruturado por perfis de aço soldados entre si, através de solda MIG (Metal Inert Gas), e preenchido com material especial isolante termo-acústico.
- O batente blindado é fabricado com chapas de aço dobradas com as espessuras adequadas ao nível balístico solicitado.
LAPIDAÇÃO
GENERALIDADES
Processo de fabricação com remoção de cavaco, utilizando grãos abrasivos os grãos são soltos e suspensos em um líquido ou pasta a partir de movimentos aleatórios, os grãos promovem a forma da ferramenta.
Pode-se obter superfícies de formas geométricas e dimensões variadas Este processo compete com a usinagem de ultraprecisão e com o brunimento em vista da qualidade da superfície usinada obtida.
VANTAGENS
- Deve ser feita a lapidação simultânea de pelo menos 3 peças em uma gaiola.
- Inicialmente as peças são colocadas como primeira superfície plana sobre o disco de lapidação, no seu lado oposto é colocado um disco elástico, e sobre este um disco de pressão.
- Na medida que a pressão de contato aumenta, a remoção ocorre de forma mais intensa nas peças mais grossas, garantindo a mesma espessura para todas as peças.
- Ao fim desta etapa, colocam-se as peças de forma invertida na gaiola, já sem o disco de pressão.
DISCO DE LAPIDAÇÃO
- Serve como suporte para o meio de lapidação e das peças, bem como dos discos ou dos anéis de suporte.
- A rotação é escolhida de forma a evitar que as forças centrífugas sejam muito grandes, evitando que a pasta de lapidação seja jogada para fora da área de trabalho de forma muito rápida.
- Abaixo do disco normalmente é colocado um sistema de refrigeração, para evitar que a temperatura exceda o desejado.
MEIO DE LAPIDAÇÃO
- A taxa de remoção é função da granulometria e da quantidade grão/meio de suspensão.
- Pós de lapidação: SiC, Al2O3, B4C e diamante.
- Meios de suspensão: óleos, parafinas, vaselina e querosene.
- São importantes a distribuição regular dos grãos na suspensão, a dureza, o tipo e o número de gumes nos grãos.
- A mistura de grãos abrasivos e o meio de suspensão dever ser feita em função da sua missibilidade.
- A alimentação do meio de lapidação deve ser feita de forma contínua.
CARACTERÍSTICAS E RESULTADOS DE TRABALHO
PRECISÃO DE TRABALHO
Influenciada pelo tamanho do grão abrasivo, composição do meio de lapidação, pressão efetiva de lapidação, característica da superfície da peça, oscilações na temperatura, construção da máquina-ferramenta etc.
PRESSÃO DE LAPIDAÇÃO Exerce grande influência na taxa de remoção, maior do que a dimensão dos grãos abrasivos. Deve-se buscar o ponto ótimo de pressão que concilie a agilidade no processo e a obtenção das tolerâncias exigidas.
CONCENTRAÇÃO DO MEIO DE LAPIDAÇÃO Influi na taxa de remoção e também tem um valor ótimo. Acima do valor ótimo não se verifica aumento na formação de cavacos.
POTENCIALIDADE Grandezas específicas do meio de lapidação: tipo e composição do meio de lapidação, caracterizado pela forma tamanho, dureza e distribuição dos grãos, viscosidade da suspensão etc.
Grandezas específicas do processo: tipo e dureza do material da peça, pressão de lapidação, tamanho e forma da superfície a ser lapidada, velocidade de lapidação, tipo do trabalho prévio, alimentação do meio de lapidação, movimento do processo de lapidação, tipo de estado da ferramenta de lapidação e exigências de qualidade.
MATERIAL PARA O DISCO DE LAPIDAÇÃO Utilizam-se materiais duros para altas taxas de remoção, e materiais moles para melhor acabamento da superfície usinada. Há, entretanto exceções para esta regra.
CONCLUSÃO Foi muito interessante e construtivo pesquisar sobre o tema blindagem; sua historia, dinâmica, mecânica e fabricação. Vimos que a essência da blindagem esta na fabricação e escolha dos materiais bases da mesma e que esses na sua maioria são constituídos de um material de elevada dureza na superfície da blindagem e materiais dúcteis no seu interior. Na fabricação o mais comum é usar o processo de lapidação, no caso de vidros e solda MIG no caso de portas.