Termofixos; processo de cura; elementos finitos; otimização; estratégia impulsionada pela taxa de conversão; algoritmo genético multi-objetivo

Ao longo das últimas décadas, devido à maior resistência e rigidez específicas, baixo peso e boa resistência à corrosão, os materiais compósitos de resina termofixa vêm substituindo os materiais convencionais em aplicações aeroespaciais, marítimas, automotivas e diversas outras aplicações de engenharia de alto desempenho. Esses compósitos geralmente são produzidos em autoclave, executando-se um cronograma de cura para reticulação da resina. No entanto, para o caso de termofixos espessos, o perfil de cura recomendado pelo fabricante (PCRF) não pode ser seguido, uma vez que geralmente é destinado a peças finas. Quando aplicado a componentes espessos, o PCRF geralmente resulta em curas desnecessariamente muito longas ou que superaquecem o material internamente, devido às características exotérmica e termoativada da reação de cura associadas à propriedade isolante térmica do polímero termofixo. Esse superaquecimento local resulta em altos gradientes nas propriedades do termofixo durante a cura que podem criar tensões residuais e defeitos estruturais, como bolhas e rachaduras. Para evitar isso e encontrar cronogramas de cura ótimos, este trabalho simulou o processo de cura de um termofixo usando o software de elementos finitos COMSOL Multiphysics e implementou dois métodos de otimização no MATLAB, conectados às simulações via COMSOL LiveLink for MATLAB. O primeiro método é uma estratégia autoral impulsionada pela taxa de conversão (ITC), que se baseia na cinética de cura e tem um único objetivo: minimizar o tempo de cura. O segundo é um algoritmo genético (AG) multi-objetivo com três objetivos conflitantes: minimizar o tempo de cura, minimizar o gradiente de grau de cura após o ponto de gel (APG) e minimizar o gradiente de temperatura APG, refletindo o conflito existente entre velocidade de fabricação e qualidade do produto. Como restrições para ambos os métodos, o grau mínimo de cura na peça final curada foi fixado em 0,854, a fim de alcançar as mesmas propriedades do material alcançadas pelo PCRF; e a temperatura máxima no interior do compósito durante a cura foi limitada a 155°C, para evitar a degradação térmica do material. Ambos os métodos buscaram perfis de cura de duas etapas com uma taxa de aquecimento constante de 3°C/min. As variáveis de decisão para o AG e estratégia ITC foram as temperaturas do primeiro e do segundo platô e a duração do primeiro platô. O pacote de software gratuito GOSET, baseado em MATLAB, foi utilizado como base para executar um AG elitista (NSGA- II), com 20 gerações e 50 indivíduos por geração. O polímero termofixo selecionado para o estudo foi o sistema de resina epóxi LY-556, curado em geometria cilíndrica com altura de 60 mm e diâmetro de 32 mm. Verificou-se que, em comparação com o ciclo de cura recomendado pelo fabricante, a estratégia ITC e o AG reduziram o tempo de cura em quase a mesma quantidade: 87% e 88%, respectivamente; enquanto que os gradientes de grau de cura e temperatura APG foram reduzidos pelo AG em 6% e 31%, respectivamente. Assim, os métodos apresentados neste trabalho mostraram-se ferramentas eficazes para otimizar o perfil de cura de materiais termofixos, dependendo do objetivo selecionado.