Projeto de hélice em compósito para uso em rebocador em escala reduzida

Abstract

Materiais termoplásticos têm sido muito utilizados em aplicações de engenharia devido seus custos de fabricação. O uso de técnicas de impressão 3D tem popularizado ainda mais estes materiais, onde é possível que o seu uso possa ser combinado com reforços para melhorar suas características mecânicas. Porém, em muitas aplicações, como aquelas de projetos em escala reduzida, não há evidências que o uso de diferentes técnicas traga melhorias consideráveis frente a complexidade que os reforços podem trazer em sua incorporação. A maioria destas aplicações são feitas de formas empíricas sem avaliações adequadas. Assim, este trabalho traz um estudo numérico comparativo entre métodos de fabricação de uma hélice para rebocador em escala reduzida, partindo de uma hélice projetada pela equipe Nautilus, da Escola de Engenharia da UFRGS. São feitas análises numéricas de três modelos de hélice com características de fabricação diferentes, que combinam PLA fabricado por impressão 3D, compósito laminado de fibra de vidro e compósito de fibras curtas dispersas. Os modelos foram desenvolvidos e sujeitos a esforços de operação estimados, e então se analisou a resposta mecânica e o comportamento dos diferentes materiais diante critérios de falha particulares. Os resultados indicam que para a construção com compósitos laminados e de fibras curtas existem ganhos em uma ordem de magnitude de rigidez, porém, o material de impressão por si só já seria capaz de atender aos requisitos estáticos aqui estudados.

Thermoplastic materials have been widely used in engineering applications due to their manufacturing costs. The use of 3D printing techniques has further popularized these materials, since they can be combined with reinforcements to improve their mechanical characteristics. However, in many applications, such as those involving small-scale projects, there is no evidence that the use of different techniques brings considerable improvements given the complexity that reinforcements can bring when incorporated. Most of these applications are done empirically without proper evaluation. This paper presents a comparative numerical study of manufacturing methods for a reduced scale tugboat propeller, based on a propeller designed by the Nautilus team from the UFRGS School of Engineering. Numerical analyses are made of three propeller models with different manufacturing characteristics, combining 3D printed PLA, laminated fiberglass composite and dispersed short fiber composite. The models were developed and subjected to estimated operating stresses, and then the mechanical response and behavior of the different materials were analyzed in the face of particular failure criteria. The results indicate that for laminated and short fiber composites there are gains of one order of magnitude in stiffness, but the printing material alone would already be able to meet the static requirements studied here.