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Vice-Reitoria para Assuntos Acadêmicos

Ensino, Pesquisa e Desenvolvimento

Por Renata Ratton Assessora de Comunicação - Vice-Reitoria para Assuntos Acadêmicos
Tecnologia de ponta da rea de materiais coloca PUC-Rio em seleto grupo de pesquisadores, no mundo, a realizar pesquisa e desenvolvimento em fadiga de altssimo ciclo

Internacionalizao e parceria com indstria so destaques nos projetos do LABFADAC

O professor Marcos Venicius, do DEQM, durante sua apresentao no workshop Alm dos 10E7 Ciclos: novo conceito em fadiga - Foto: Antonio Albuquerque, Ncleo de Memria


Inaugurado no incio de abril, o Laboratrio de Fadiga de Altssimo Ciclo (LABFADAC), do DEQM/PUC-Rio, o nico na Amrica do Sul, e um dos poucos no mundo, a realizar ensaios ultrassnicos de fadiga em materiais estruturais e biomdicos.

Atravs do projeto de P&D Sade Estrutural de Virabrequins da Indstrias Termoeltricas, celebrado entre a PUC-Rio e a ENEVA, em 2017 – no escopo do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnolgico do Setor de Energia Eltrica da ANNEL – foi possvel a aquisio do equipamento USF-2000A.

"Com esta aquisio, apenas a PUC-Rio  pioneira no continente. Grandes empresas, que sequer ouviram falar de fadiga de altssimo ciclo, tm agora a oportunidade de inovar na rea de engenharia de materiais", observa o professor Marcos Venicius Soares Pereira, coordenador do laboratrio. De acordo com Venicius, o projeto tem altssimo valor tecnolgico para usinas termoeltricas, que preveem o descomissionamento de eixos virabrequins de motores de grupos geradores aps superlonga vida em servio, cerca de 30 anos.

Fabricado pela empresa japonesa Shimadzu, o USF-2000A dotado de tecnologia ultrassnica baseada em princpios fsicos de ressonncia, o que permite efetuar ensaios de fadiga com frequncias de at 20 mil Hz, reduzindo, de maneira considervel, os tempos de ensaio. Aps visita do coordenador Universidade de Dortmund, na Alemanha, em 2017, o equipamento da PUC-Rio ainda sofreu um upgrade – foi agregado acessrio que realiza uma pr-carga no corpo de prova de forma que a tenso mdia seja diferente de zero, se desejada.

– O novo equipamento permitir que 109 e 1010 ciclos sejam alcanados em 14 horas e 6 dias, respectivamente. Para uma comparao entre tempos de mquina, em ensaios convencionais de fadiga, com frequncias de 300 Hz, 109 e 1010 ciclos so atingidos em 4 meses e 3 anos, respectivamente. Ou seja, a tecnologia ultrassnica permite que a realizao de ensaios de fadiga de longa durao seja factvel com custos e tempos reduzidos. Essa a grande novidade. J no desenvolvimento de materiais, a aquisio de uma mquina de teste de fadiga de altssima frequncia permitir estabelecer, de maneira mais apropriada, a relao de resistncia fadiga aps 107 ciclos. Alm disto, as dimenses dos corpos de prova, por serem reduzidas, se tornam atrativos para ensaios de materiais obtidos por manufatura aditiva.

Segundo o coordenador, o projeto com a ENEVA tambm dar uma contribuio importante para que se consiga prever, com mais segurana, a vida em fadiga de alguns componentes de motores diesel ou a gs das usinas termeltricas, em especial da trmica do Maranho.

– A trmica tem unidades de gerao a gs.  Seus motores so gigantescos, com comprimento e peso em torno de 13 m e 130 toneladas, respectivamente – com princpio de funcionamento similar ao dos automveis, mas em escala consideravelmente maior. O eixo virabrequim o corao de qualquer motor exploso. ele quem vai fazer o movimento dos pistes e, consequentemente, vai produzir o movimento das rodas, no carro, e o movimento do gerador, na produo de energia – esclarece.

Uma falha nesse componente implica na parada do motor. Alm do considervel custo associado troca do eixo em si, em muitos casos, h o custo do no despacho de energia; dependendo do contrato, muitas vezes necessrio buscar essa energia no spot, o que tambm representa um custo muito mais alto do que produzir a prpria energia. “Parar de operar o equipamento est associado ainda ao lucro cessante. Ento a falha, seja ela material, operacional, humana, algo que sempre se tenta prevenir porque totalmente danosa. O nome falha um nome que, de maneira geral, a gente tenta evitar que acontea”.

Venicius explica que a fadiga a falha mais recorrente em Engenharia porque est associada com carregamentos cclicos.

– Todos os componentes mecnicos, inclusive o ser humano, so carregados ciclicamente. O carregamento, em um primeiro momento, causa um dano; esse dano intensificado se existirem concentradores de tenso como talhos, arranhes ou rachaduras (acmulo de danos). Na presena desses concentradores, o dano nucleia e se propaga na forma de trinca; e a trinca leva falha do componente mecnico. O que danoso, quando se fala de fadiga, que 90% do nmero de ciclos associados fadiga causam danos ou trincas incipientes. Na grande maioria das vezes, quando se detectam trincas por mtodos no-destrutivos j se est muito longe da extenso da trinca aps sua nucleao, o que compromete de maneira considervel a vida til do elemento. A nucleao feita no plano crtico, e este passvel de clculos matemticos, depois passa a se propagar no plano de fratura at que chega na posio final da seco que ela desencadeia.

Eixo virabrequim – Coerentemente com o nome, trata-se de um componente mecnico de entendimento no trivial, com carregamentos que no so simples de entender e que causam uma flutuao de tenses considervel – sejam elas trativas, compressivas ou cisalhantes –, capaz de levar o componente a uma combinao de solicitaes, seja em fadiga, seja em comportamento mecnico, que so esforos multiaxiais. Nesses componentes, a distribuio de tenses muito mais complexa, e, para que se consiga fazer a previso da vida, a primeira etapa determinar, com exatido, a distribuio de tenses no componente mecnico.

– Falando especificamente de motores combusto, o eixo virabrequim complexo pelo fato de os pistes no detonarem em ordem sequencial, sendo necessrio um balanceamento para que isso acontea, o que faz com que a distribuio de tenses dentro do motor – alm da temperatura de operao do componente mecnico – no seja de avaliao trivial. Somente com simulaes de elementos finitos possvel se chegar muito prximo do que acontece, com base em solicitaes operacionais determinadas aps instrumentao do componente.

Mais do que ter possibilitado a criao de um laboratrio pioneiro na Amrica Latina, o projeto de P&D coloca a PUC-Rio em um seleto grupo de pesquisadores do mundo.

– Algumas instituies da Alemanha trabalham com fadiga de altssimo ciclo as universidades de Dortmund e Siegen so muito fortes; h um grupo japons tambm importante, um pequeno grupo na Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, outro na Frana, mas ainda so poucos os pesquisadores em fadiga de altssimo ciclo. O convnio tambm j permitiu um intercmbio de curta-durao, entre outros programados, e financiou as visitas a quatro universidades estrangeiras.

Fadiga de Altssimo Ciclo – O que acontece com um componente quando ultrapassa 107 ciclos (10 milhes de ciclos)? Trata-se de um valor no to exorbitante assim.

– Um paciente com um stent, se tiver 60 batimentos cardacos por minuto, ter 60 movimentos de abrir e fechar no corao que atuam como um carregamento de fadiga em seu stent. Em uma hora, ele vai ter em 3.600 carregamentos e, em um dia, quase 90 mil. Ele ter algo em torno de 105 solicitaes em um dia de uso de stent. Portanto, uma das grandes aplicaes que se tem, hoje, da fadiga de altssimo ciclo, na rea biomdica, sabendo-se que o carregamento que o ser humano tem aleatrio. Se a ideia aumentar a qualidade de vida, preciso considerar o uso de um stent entre 25 e 30 anos, como as prteses. A ideia agora entender o que acontece com a curva original de Wohler (primeiro cientista a publicar sobre fadiga) se chegarmos a 1012 (um trilho) ciclos, como pode acontecer com um rolamento que fica 30 anos girando dentro de um componente mecnico, o eixo virabrequim, por exemplo. Esses ciclos tambm so atingidos em um trem de alta velocidade (500, 600km/h). Se trafegar durante dez anos vai chegar a essa quantidade de ciclos dentro do perodo em servio.

Para o coordenador, por isso que a fadiga de altssimo ciclo cada vez mais importante de ser estudada, j que os componentes mecnicos tendem a uma longa ou superlonga vida em fadiga.

– Isso vai significar termos componentes mecnicos que no devam ser descomissionados antes de atingirem os 1012 ciclos, e preciso saber se realmente a vida em fadiga do material do eixo e do componente em si, depois de um nmero de anos, realmente ser vivel ou no. Com os sistemas tecnolgicos e at com o aumento da expectativa de vida do homem, estamos migrando de perodos de fadiga de alto ciclo – 106 ciclos – para perodos de fadiga superlongos. Isso j se sabe h muito tempo. A discusso era como fazer ensaios que previssem a fadiga com 1 bilho de ciclos sem levar cinco anos.

Pesquisa e projetos – Embora recente, a pesquisa em fadiga que vai subsidiar os trabalhos em componentes de vida superlonga j conta com produo cientfica consistente: em 2017, foram defendidas a tese Contribuio na Avaliao da Vida til de Eixo Virabrequim sob Fadiga Multiaxial, por Roberta Amorim Gonalves, e a dissertao de mestrado Estudo da Influncia de Defeitos Microestruturais no Limiar de Fadiga de Aos Estruturais, por Leticia Bueno Nogueira. Em 2018, foram defendidas as dissertaes Comportamento do Ao DIN 34CrNiMo6 em Fadiga de Altssimo Ciclo, por Maria Clara Teixeira, Interao entre Aspectos Microestruturais e Iniciao de Trincas de Fadiga em Aos Estruturais, por Thiago Peixoto, Indicao e Dimensionamento de Trincas Aplicando Tcnicas Tradicionais e Avanadas de Ensaios No-Destrutivos, por Felipe Martins Roballo, e Avaliao Estrutural de Eixo Virabrequim sob Fadiga Multiaxial, por Andr dos Reis Feiferes. Em 2019, mais uma dissertao foi defendida, sob o tema Previso da Vida em Fadiga de Eixos Virabrequim e Componentes Mecnicos Estruturais sob Carregamento Multiaxial, pelo aluno Tiago Lima e Castro.

A doutoranda Maria Clara Teixeira em intercmbio no Instituto Politcnico do Porto - Foto: arquivo pessoal

Maria Clara Teixeira e Thiago Peixoto deram continuidade s pesquisas no doutorado; tambm atuam no projeto os doutorandos Tiago Castro e Helder Keitaro, os mestrandos Lucas Obeid, Guilherme Ribeiro, Bruno Pacheco e Juliana Correa, os formandos Joo Pedro Marinho e Andr Montalli, em seus trabalhos de concluso de curso, e o aluno Rodrigo Lomonte, em projeto de Iniciao Cientfica.

O professor Marcos Venicius Pereira, que orientou e orienta todos esses trabalhos, menciona a apresentao de artigos em congressos internacionais da rea de fadiga de materiais estruturais (12th International Fatigue Congress, Poitiers/Frana, 22nd European Conference on Fracture, Belgardo/Srvia e 18th International Conference on New Trends in Fatigue and Fracture, Lisboa/Portugal), bem como a publicao em peridicos indexados.

– No histrico de parceria com a ENEVA, alm das citadas teses e dissertaes e da aquisio do equipamento Shimadzu USF-2000, podemos citar a criao do Laboratrio de Fadiga de Altssimo Ciclo (LABFADAC), as visitas tcnicas ao Complexo Termeltrico Parnaba, UTE-Parnaba/Eneva no Maranho; a cooperao cientfica com a Universidade de Braslia e a realizao do workshop Alm dos 10E7 Ciclos: novo conceito em fadiga – destaca.

Em termos de cooperao com a indstria e a academia, Venicius cita ainda conversas com a fabricante de aos Vallourec – cujo pessoal de desenvolvimento de produtos realiza ensaios na Frana – no sentido de realizar ensaios e desenvolver acessrios, junto com a Shimadzu, para testes de fretting fatigue (fadiga relacionada ao atrito). “Por sugesto do engenheiro Alexandre Galiani, da Petrobras, tambm vamos atuar na realizao de ensaios em dutos, no mbito de projeto desenvolvido pelo Laboratrio de Soldagem da Coppe, UFRJ.

Internacionalizao – A internacionalizao outro foco importante do projeto, que envolveu intercambio de curta durao da aluna Maria Clara Carvalho Teixeira no Instituto Tcnico Superior de Lisboa, da Universidade de Lisboa para realizao de ensaios de fadiga de altssimo ciclo, bem como visitas tcnicas s Universidades de Siegen e Dortmund (Alemanha) e Universidades de Lisboa e Porto (Portugal).

– Estamos trabalhando numa proposta de participao em rede de laboratrios para criar uma norma ISO de ensaios de fadiga de altssimo ciclo. No h como fazer uma aferio desse equipamento no Brasil. Os japoneses j tm uma norma de fadiga de altssimo ciclo, mas no existe uma norma internacional. A ISO est querendo normatizar, mas para isso so necessrios ensaios em cinco continentes. Agora, com o continente americano representado, estamos negociando, com a intermediao da Dra. Olesia Khafizova, do Innovation Center da Shimadzu, que o quinto pas seja o Brasil, atravs da PUC-Rio.

Aps o workshop, a Dra. Olesia Khafizova, do Innovation Center da Shimadzu, realizou demonstrao do equipamento USF-2000A, disponvel no recm-inaugurado LABFADAD - Foto: Antonio Albuquerque, Ncleo de Memria

Para a normatizao ISO, a proposta realizar um procedimento muito comum em laboratrios de tecnologia de ponta, o round robin, em que uma quantidade de corpos de prova circula entre pesquisadores que tenham equipamentos similares para que cada um realize seu teste e depois sejam comparados os resultados. De acordo com o professor, que atua junto Rede Brasil-Alemanha de Internacionalizao do Ensino Superior (Rebralint), a Universidade de Dortmund, da Alemanha, um potencial parceiro para intercmbios.

– A funo da Rebralint exatamente fazer acordos com as universidades e aumentar a divulgao dos acordos Brasil – Alemanha. A internacionalizao com Dortmund seria um dos objetivos a realizarmos atravs da Rebralint.

O professor tambm sublinha a possibilidade de cooperao cientfica com a Ritsumeikan University, do Japo, bem como a nascente parceria com a Universidade de Lisboa, em Portugal, que desenvolveu acessrio para fadiga biaxial, capaz de torcer e tracionar, simultaneamente, o corpo de provas durante o ensaio. “Queremos saber se o acessrio funcionaria numa mquina Shimadzu”.




Publicada em: 10/05/2019