Mihai -Vasile TURC Introducere [630689]

Mihai -Vasile TURC Introducere
INTRODUCERE
Oportunitatea temei
Tema abordată în cadrul acestei lucrări se concentrează pe dezvoltarea unui bot pentru
un monopost de competiție de tip Formula Student. În cadrul acestei lucrări se va urmări
procesul de dezvoltare a piesei ce alcătuiește tema acestei lucrări, atât din punct de vedere al
proiectării unei forme care să ofere o performanțele necesare, cât și în ceea ce privește
materialele și tehnologia de fabricație prin care se va realiza piesa . Pentru a atinge aceste
principale puncte de interes ale acestei lucrări vor fi abordată partea de utilizare de metode
moderne de proiectare prin utilizarea de software specific e. De asemenea această lucrare
presupune studierea si utilizarea materialelor compozite și a tehnologiilor utilizate pentru
fabricația pieselor folosind aceste materiale.
Obiectul și scopul temei
Scopul acestei lucrări este dezvoltarea unei forme adecvate și alegerea unor materiale și
tehnologii moderne de fabricație pentru un bot de monopost destinat competițiilor de tip Formula
Student . Se va urmări dezvolt area unei forme adecvate a piesei, astfel încât piesa să se ridice la
performanțele necesare tipului de competiție în cadrul căreia va fi utilizată . Pentru a căpăta
performanțele dorite se vor utiliza materiale moderne pentru fabricarea piesei, adică materiale
compozite și se v or urmări și tehnolo giile de fabri cație disponibile pentru putea fabrica piesa în
parametri doriți.
Probleme analizate și abordate în lucrare
Datorită faptului că această piesă este destinată motor -sportului unul din criteriile
esențiale pentru aprecierea performanțelor unei piese este greutatea, aceasta fiind prima
problemă abordată î n această lucrare. În vederea satisfacerii acestei necesități s -a optat pentru
utilizarea materialelor compozite, aceste materiale remarcându -se printr -o densitate scăzută
comparativ cu materialele clasice și în același timp cu performanțe comparabile cu a le acestora,
sau chiar mai bune în anumite cazuri.
Cea de -a două problemă abordată în prezenta lucrare este concentrată în jurul formei
necesare pentru piesă. Acest aspect are o importanță ridicată deoarece în cadrul performanțelor
de natură aerodinamică f orma piesei este cea care dictează acest tip de performanțe. În timp ce o
formă adecvată poate atrage cu sine performanțe aerodinamice ridicate, o formă
necorespunzătoare nu doar că nu oferă performanțe ridicate, ci poate chiar să scadă și efectele
aerodin amice benefice generate de alte elemente cu rol aerodinamic . Astfel se va face o analiză
pentru a determina o formă cât mai apropiată de optim în vederea obținerii unor performanțe cât
mai ridicate.

Mihai -Vasile TURC Introducere
Prin analizarea și rezolvarea problemelor menționate anterior se urmărește realizarea
unei piese de calitate superioară folosind t ehnologii de fabricație și soluții de fabricație moderne
și eficiente.
Motivația alegerii temei
Unul din principalele motive pentru care s-a ales abordarea unei astfel de teme este
strâns legată de competiția în cadrul căreia va fi utilizată piesa în jurul căreia se conturează
această lucrare. Astfel competiția de Formula Student: [anonimizat]
Un alt motiv determinant pe ntru abordarea acestei teme este reprezentat de materialele
care sunt destinate fa bricației botului. Prin abordarea aceste i teme au fost analizate materialele
comp ozite , precum și tehnologiile de fabricație care se pretează pentru aceste materiale.
Materialele compozite au un potențial mare de dezvoltar e și oferă avantaje mari în cadrul
competițiilor de motorsport . Informațiile analizate pentru realizarea acestei lucrări oferă o baz ă
solidă în ceea ce privește modul în care trebuie aborda te piesele destinate competițiilor din
domeniul sportului cu motor.
Gradul de noutate al temei
Această lucrare abordează un domeniu actual și în plină dezvoltare. Pe de -o parte
domeniul materialelor compozite a apărut pe piață mult mai târziu decât cel al materialelor
convenționale și drept urmare dezvoltarea lui este încă în curs. Acest tip de mate riale au
cunoscut un grad de dezvoltare deosebit de ridicat în ultimii ani și utilizarea lor este tot mai
răspândită.
Pe de altă parte tehnologiile abordate în cadrul acestei lucrări sunt de asemenea de
actualitate.
Lucrarea de față îmbină materialele și tehnologiile moderne alăt uri de softurile specifice
industriei actuale, astfel tema abordată cu ajutorul lor este una de actualitate și cu potențial în
viitorul industriei.
Analiza stadiului actual al temei
Conceptul de compozite este bine ilustrat de materialele biologice cum ar fi lemnul,
oasele, dinții și pielea; toate acestea sunt compozite cu structură internă complexă care oferă
proprietăți care se potrivesc bine pentru performanțele cerute. În general, materialele heterogene
care combină cele mai bune aspecte ale constituenț ilor diferiți au fost folosite de natură de
milioane de ani. Acestea ar putea fi considerate primele materiale compozite. În ingineria

Mihai -Vasile TURC Introducere
materialelor moderne, termenul de “compozit” a devenit o clasă din ingineria materialelor largă
si importantă, de obicei referindu -se la un material matrice care este ranforsat cu fibre. [1]
Materialele compozite sunt constituite în general din două sau mai multe faze diferite ca
natură, aceste faze sunt astfel combinate încât rezultatul să fie obținerea unui nou materi al care
deține o combinație de proprietăți superioare fazelor din care a fost alcătuit. Materialele
compozite pot fi considerate cea mai avansată clasă de materiale inventate și produse de către om
în epoca modernă. De asemenea aceste materiale sunt provoc are în ceea ce privește dezvoltarea
materialelor viitorului, având un rol important în domeniul performanței științifice și
tehnologice. Cele mai distinctive proprietăți ale materialelor sunt reprezentate de performanțele
neobișnuit de ridicate în comparaț ie cu greutatea lor specifică . [2]
Materialele compozite sunt niște materiale multifazice care prezintă o interfață distinctă
și bine conturată între fazele ce alcătuiesc materialul. Această interfață este responsabilă de
transferul de proprietăți între fazele constituente ale materialului astfel conducând la obținerea
unui produs nou ce are proprietăți superioare materialelor de la care s -a porn it inițial. [2]
Materialele compozite sunt tot mai frecvent utilizate și acest fapt se datorează
avantajelor oferite de aceste materiale. Principalele avantaje prezentate de materialele compozite
sunt: masă volumică mică în raport cu metalele, reziste nță mecanică ridicată, durabilitate
ridicată, capacitate mare de amortizare a vibrațiilor, siguranță mare in funcționare și nu în
ultimul rând rezistență mare în medii corozive. [3]
Structura internă a materialului se poate face în așa fel încât piesa să manifeste
rezistența necesară pe direcția solicitărilor care acționează asupra acesteia. Pornind de la această
premiză se poate face o optimizare a structurii interne a materialului compozit din care urmează
să se realizeze piesa în așa fel încât costurile de fabricație să fie minime, în același timp
respectându -se cerințele de calitate și rezistență a produsului finit. [3]
În prezent, materialele compozite se regăsesc în toate domeniile, printre aceste materiale
unele din cele mai importante sunt: electrotehnică, construcții civile, transporturi rutiere,
transporturi feroviare, transporturi navale, transport pe cablu, transport aerian și spațial, sport și
agrement, etc. Această utilizarea intensă a materialelor compozite se datorează proprietă ților
acestora. Dintre clasele de materiale compozite, materialele compozite polimerice prezintă
interes deosebit din punct de vedere științific și tehnic. Acest fapt este demonstrat de
numeroasele cercetări în această direcție și de extinderea continuă a producției de astfel de
materiale. [4]
Scurt istoric
Materialele compozi te

Mihai -Vasile TURC Introducere
Soluții actuale și direcții de cercetare
În ceea ce privește soluțiile actuale folosite pentru realizarea materialelor compozite
accentul s -a pun în ultimii ani pe încercarea de a realiza materiale compozite folosind metoda
formării cu sac sub vid urmată de polimerizarea completă în cuptor. Metoda încearcă să
suplinească autoclava tradițională care necesită investiții substanțial mai mari decât în cazul
utilizării cuptorului pentru obținerea polimerizării finale. Pe de altă parte avantajele utilizării
autoclavei au ca rezultat o piesă de calitate superioară celorlalte metode de polimerizare, de taliile
referitoare la aceste avantaje regăsindu -se în capitolele următoare.
Principalele direcții de cercetare se focalizează pe obținerea concentrației optime de
rășină în materialul compozit înainte de punerea acestuia în sac și sub acțiunea vidului. Ac est
lucru este de mare importanță deoarece are ca și consecință directă procentul de aer și bule de aer
care vo r rămâne în materialul compozit, astfel alterând proprietățile materialului. Un pas înspre
rezolvarea acestor impedimente este reprezentat de uti lizarea tot mai preponderentă a
materialelor compozite preimpregnate.

Mihai -Vasile TURC Introducere

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
16
CAPITOLUL I
Considerații Generale
Materiale compozite
Materia lele compozite reprezintă aranja mente de fibre – continue sau discontinue – din
materiale rezistente (elemente de armare) care sunt acoperit e cu o matrice a cărei rezistență
mecanică este cu mult mai mică. Matricea menține dispunerea geometrică dorită a fibrelor și le
transmite solicită rile la care este supusă piesa. [4]
Materialele compozite se disting ușor de materiale tradiționale prin faptul că acestea au
tot timpul proprietăți superioare în comparație cu materialele din care sunt compuse, atunci când
acestea sunt comparate separat , lucru ilustrat grafic în figura 1.1 .

Fig. 1.1 Compoziția generală a unui material compozit
[5]
O caracteristică distinctivă a materialelor compozite este că acestea se pot adapta , prin
intermediul constituenților ce le alcătuiesc, la condițiile impuse . Astfel ia naștere o gamă variată
de materiale . Acesta fapt constituie un avantaj major în ceea ce privește materialel e compozite și
astfel s-a produs o răspândire și utilizare tot mai intensă a acestora în majoritatea domenii lor
cuprinse în tehnică. [6]
1.1 Clasificarea materialelor compozite
După felul materialului de armare și după tipul de distribuție al acestora materia lele
compozite se pot clasifica în două categorii: [4]
➢ Materiale compozite cu fibre
➢ Materiale compozite cu particule

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
17
Dacă se continuă analiza posibilităților de clasificare a materialelor compozite, cele
două categorii de materiale compozite amintite anterior pot fi mai departe împărțite în diverse
categorii, precum este prezentat și în figura 1.2.

Fig. 1.2 Clasificarea mater ialelor compozite
[4]
1.2 Structura materialelor compozite
În general materialele compozite sunt alcătuite dintr -un material de bază, numit și
matrice, un material de armare și unele materiale auxiliare. În timp ce matricea are rolul de a
îngloba materialul de armare, materialele a uxiliare au roluri care variază în funcție de aplicație.
Fiecare component al noului material rezultat are un rol bine definit , asigur ând îndeplinirea
performanțelor mecanice nece sare ale materialului . Astfel matricea asigură ancolarea
materialului de armare, păstrarea poziției arhitecturale a acestuia , permițând transmiterea
solicitărilor exterioare spre fibre și influențând astfel rezistența la compre siune. Materialul de
armare preia eforturile apărute în cazul solicitării la tracțiune. Un al rol a matricei este protejarea
materialului de armare împotriva agenților chimici. [4]
Performanțele de natură mecanică ale materialelor compozite sunt asigu rate în mare
parte de m aterialele de armare . Acestea sunt cele care asigură rezistența mecanică , cu precădere
preluând eforturile apărute în urma solicitărilor de tracțiune, ele reprez entând scheletul noii
structurii realizate. Între materialele de armare și matrice avem o interfață cu rol deosebit în
componentul termochimic al materialului compozit . [7]
Materiale
Compozite
Cu Particule
Particule Mari
Orientate
Aleator
Orientate
Preferențial
Particule Mici
(Microparticule)
Cu Fibre
Stratificate
(Laminate)
Nestratifica
Continue
Unidirecționale
Multidirecționale
Discontinue
Orientate
Orientate
Aleator

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
18
Pe lângă materialele principale discutate anterior, în compoziția materialelor compozite
sunt regăsite și materiale auxil iare. Acestea au roluri specifice printre care amintim: asigurarea
de proprietăți speciale , scăderea prețului sau de a permite o polimerizare accelerată a
materialului. În general materialele auxiliare se regăsesc în proporție mai redusă in componența
mate rialului compozit. [8]
1.2.1 Materiale pentru matrice
Matricea este o parte a materialului compozit care apare ca o fază continuă, îndeplinind
roluri de mare importanță în ceea ce privește materialul compozit căruia aparține Printre rolurile
pe care le are matricea amintim: asigurarea de suport pentru materialul de armare, generea ză
form a piesei, asigură rig iditatea sau elasticitatea piesei , asigurar ă plasticit atea sau fragili tatea
necesară materialul ui compozit, realizarea distribuției solicitărilor în toată masa materialului de
armare, oferă protecție materialului de armare , redistribuirea solicitărilor în cazurile în care o
parte a elementului de armare cedează. [9]
Tipul de matrice aleasă pentru materialele compozite este dependent de nivelul
performanțelor mecanice pe care materialul compozit trebuie să îl aibă, precum și în funcție de
mediul în care se are loc exploatarea materialului materialul . În general rășinile cele mai utilizate
pentru structuri compozite sunt rășinile poliesterice nesaturate, datorită prețului lor mai scăzut și
accesibilități i lor, ele fiind caracteristice materialelor co mpozite de largă utilizare. [8]
Materialele care se folosesc pentru matricea unui material compozit aparți n uneia dintre
următoarele categorii :
a) Matrice organică
Principalele familii de materiale care fac parte din grupa matricei organice sunt [8]:
– materiale termorigide, acestea sunt materiale care în timpul formării suferă transformări
ireversibile. În urma acestor transformări rezultă corpuri rigide, insolubile și infuzibile.
Materialele de interes care fac parte din această categorie sunt rășinile poliesterice nesaturate,
rășinile epoxidice, rășini melaminice, rășini fenolice, rășini furanice și rășini siliconice.
– materiale termopla ste, acest tip de materiale se formează cu ajutorul căldurii și care în
urma răcirii se solidifică . Diferența majoră comparativ cu materialele termorigide este că rășinile
termoplaste nu își modifică proprietățile chimice în cadrul procesului de formare prin încălzire,
astfel procesul încălzire -formare -răcire se poate repeta de câte ori este necesar. Printre
materialele pentru matrice care fac parte din această categorie se numără: rășinile vinilice,
poliamidele, poliimidele, policarbonații, polipropilena și acrilonitril -butadien -stirenul (ABS).
Materiale compozit e organice au în componență o matrice organică . Una din mai
răspândite soluții în materie de matrice organică o reprezintă matricea polimerică. În funcție de
proprietăți le și performanțe le materialelor obținute, polimerii folosiți pot fi [4]:

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
19
I – polimeri cu performanțe medii
II – polimeri cu performanțe îna lte, dar cu termostabilitate redusă
III – polimeri termostabili cu performanțe ridicate din care fac parte rășinile epoxidice
b) Matrice ceramică
Acest tip de matrice se remarcă prin proprietăți deosebite în ceea ce privește rezistență
mecanică la valori mari de temperatură, bune proprietăți de rezistență la rupere , rezistență la
acțiunea agenților oxidanți sau agenți chimici corozivi , o densitate scăzută, un modul de
elasticitate superior oțelului și bună stabilitate dimensională la creșterea tempe raturii. [7] [8]
Acest tip de material prezintă dezavantajul că are o fragilitate mare, datorată în mare
parte defectelor interne și celor superficiale . Pentru compensarea acestui dezavantaj se folosesc
materiale complementare, precum fier sub fo rmă de fibre . Astfel se reușește reducerea propagării
microfisurilor , rezultând o creștere a tenacității. Matricele ceramice pot să includă: alumină
(Al 2O3), oxid de zirconiu (ZrO 2), carbură de siliciu (SiC), nitrură de siliciu (Si 3N4) sau
amestecuri ale acestor componente și compuși complecși (Al 2O3·Y2O3, 3Al 2O3·2SiO 2,
Al2O3·MgO). [7] [8]
c) Matrice metalică
Acest tip de matrice se pretează pentru materiale le compozite a căror regim de utilizare
depășește 300 °C, caz în care folosirea de unei matrice organică nu mai este posibil ă. Pe lângă
proprietățile superioare în ceea ce privește regimul termic suportat, matricele metalice au și
rigiditate crescută și o rezistență mecanică superioară. Pentru alcătuirea unei a stfel de matrice se
folosesc în general metale ușoare și aliaje ale acestora. Sunt folosite în special metale precum:
titan, aluminiu și nichel. [7] [8]
d) Matrice de carbon
Acest tip de matrice formează de obicei materiale compozite a căror material de armare
este tot carbonul, acest e materiale compozite fiind cunoscute și sub numele de materiale
compozite carbon -carbon . Matricea de carbon poate fi ranforsată cu fibre de carbon cu diferite
arhitecturi . Materialele compozite rezultate au proprietăți foarte bune în ceea ce privește
rezistența la oboseală , rezistența la șoc mecanic sau șoc termic , precum și rezistență la uzură.
Densitatea materialelor compozite carbon -carbon este cuprinsă între 1,5 – 2 g/cm3. [8]
Rășini poliesterice nesaturate
Poliesterii nesaturați sunt obținuți în urma policondensării diolilor cu diacizi saturați și
nesaturați . Poliesterii nesaturați fac parte din categoria materialelor termorigide. Rășinile
poliesterice nesaturate au în componență acizi nesaturați, aceștia confe rind un grad de nesaturare
produsului. Gradul de nesaturare este oferit de dublele legături conținut e de acizii nesaturați.
Aceste legături sunt importante deoarece ele permit reticularea rășinii prin intermediul unor

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
20
reacții de c opolimerizare, reacții realizate cu ajutorul unor monomeri. Ca urmare a fenomenelor
menționate anterior apare posibilitatea de a folosi acest tip de materiale în straturi foarte groase ,
realizate printr -o singură aplicare. Ca urmare a acestui fapt se înregistrează scăderi ale timpilor
de fabricație și reduceri ale manoperei . [8]
Rășinile poliesterice nesaturate ajung în stare solidă prin intermediul compolimerizării
dublelor legături cu monomeri vinilici, acrilici, etc. Din această cauză acest tip de rășină este
livrată ca o soluție în monomer. În timpul depozitării în conținutul rășinilor poliesterice
nesaturate sunt introduși inhibitori pentru a evita gelifierea . Pentru a produce întărirea se pot
folosi inițiatori de reacție sau un sistem de reacții redox . Temperatura la care are loc întărirea
este dependentă de natura inițiatorului folosi, procesul putându -se desfășura la temperatura
ambiantă sau la cald . Cel mai frecvent pentru a realiza procesul de întărire sunt folosite sisteme
de ecuații redox. [4]
Predominant ră șinile poliesterice s e folosesc pentru materiale compozite unde
materialul de armare este fibra de sticlă. Ca și proprietăți mecanice, aceste rășini au o r ezistență
la tracțiune de 50 -70 MPa. Ca și avantaje oferite de rășinile poliesterice nesaturate putem aminti:
bună aderență la suprafața materialului de armare din fibră de sticlă , există posibilitatea de a
obține piese translucide, piesele sunt ușor de format, rezistență chimică foarte bună, prețul este
scăzut, procesul de polimerizare este scurt. [8] [4]
Dezavantaj ul major acestor tipuri de rășini sunt regăsite în principal în timpul
procesului de formare finală a pieselor . Astfel în timpul procesului de polimerizare au loc reacții
chimice în urma căror rezultă emisia de stiren. Acest fapt atrage cu sine condiții stricte de
operare din punct de vedere al protecției muncii. Alte dezavantaje ale pieselor formate cu rășini
poliesterice provin tot din cauza prezenței stirenului, care face ca durata de conservare să fie
limitată, temperaturile de utilizarea ale pieselor nu pot depăși 80 ° C, aceste piese fiind și
inflamabile. Datorită acestor dezavantaje sem nificative folosirea materialelor compozite care
conțin astfel de rășini a fost limitată , iar pentru eliminarea posibilelor probleme generate de
emisiile de stiren se folosesc materiale compozite preimpregnate cu rășini poliesterice. [8] [4]
Rășinile poliesterice nes aturate sunt preferate pentru a fi ut ilizate în cadrul pieselor
fasonate cu suprafață mare. De asemenea proprietățile lor mecanice bune și stabilitatea bună în
cazul acțiunii agenților chimici fac aceste rășini să fie potrivite pentru obținerea de materiale
compozite. Proprietățile mecanice ale materialelor compozite obținute cu rășini poliesterice
nesaturate sunt influențate în principal de material ele de armare fol osit, în special de numărul
grupelor de vinil pe care le au acestea . [10]
Ca și formă de utilizare există posibilitatea de a utiliza aceste tipuri de rășini sub formă
nearmată sau prin ranforsarea lor cu materiale de armare, în special fibră de sticlă. Aplicațiile în

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
21
cadrul cărora pot fi regăsite materialele compozite în care se foloses c rășini poliesterice sunt:
lacuri folosite pentru mobilă, butoane, masticuri, sub stituenți pentru lemn. Ca și domenii de
utilizarea se pot aminti : construcții civile, rezervoare sau cisterne, conducte, industria
transporturilor, industria nautică și industria sportivă. [8] [4]
Rășini epoxidice
Rășinile epoxidice reprezintă unul dintre cele mai bune materiale pentru matrici
polimerice folosite pentru fabricarea de materiale compozite . Motivul pentru care aceste rășini
sunt o primă alegere în ceea ce privește fabricația compozite lor se datorează următoarelor
proprietăți [4]:
– rășinile epoxidice prezintă o aderență foarte bună la o gamă largă de materiale de
armare, materiale de umplutură sau in cazul diferitelor substraturi
– există a gamă largă de proprietăți care se pot obține după polimerizarea acestor rășini,
acest fapt datorându -se numeroaselor posibilități de alegere într e diferitele rășini epoxidice și
agenții care produc polimerizarea .
– aceste rășini nu elimină compuși volatili în timpul procesului de po limerizare .
– prezintă o s tabilitat e dimensională în urma formării mult mai bună decât rășinile
fenolice sa u rășinile poliesterice .
– rășinile epoxidice în formă polimerizată au o bună rezistență la acțiunea agen ților de
tip chimic, totodată având și excelente prop rietăți dielectrice.
Acest tip de rășini prezintă o rezistență la tracțiune cu valori cuprinse între 70 -120 MPa.
În ceea ce privește regimul termic de utilizare a acest ui tip de rășini avem valori de temperatură
situate la peste 250 ° C. [4]
Rășinile epoxidice au următoarele avantaje: prezintă bune proprietăți mecanice și
termice, se remarcă în special prin rezistență la oboseală ; contracțiile apărute în urma procesului
de polimerizare sunt de sub 1% ; prezintă o comportare exterioară bună ; sunt rezistente la
acțiun ea agenților chimici ; nu degajă solvenți sub nicio formă în timpul procesului de formare;
stabilitate dimensională bună în urma procesului de formare. [7]
Rășinile epoxidice au următoarele d ezavantaje : prezintă un cost ridicat , adesea de
aproximativ 10 ori mai ridicat dec ât cel al rășinilor poliesterice; aceste rășini necesită un timp de
polimerizare mai lung; unele tipuri de rășini epoxidice au nevoie de tratament e termice după
procesul de polimerizare. [4]
Ca domenii de utilizare pentru rășinile epoxidice avem : adezivi, lacuri pentru
impregnare și anticorozive, industrii precum cea electronică sau cea electrotehnică, fabricarea de
materiale compozite. În ceea ce privește materialele compozite care pot fi obținute folosind
aceste rășini avem materiale compozite armate cu fibre de sticlă , fibre de carbon sau fibre

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
22
aramidice. Folosind aceste rășini pot fi obținute materiale compozite normale sau materiale
compozite preimpregnate . Principalele metode de fabricație folos ite pentru materialele
compozite pentru care se folosesc rășinile epoxidice sunt: formare prin contact, proiecție
simultană, formare sub vid, pultruziune, compresie. [4][7]
Rășini fenol -formaldehidice
Acest tip de rășini își au originea în anul 1910 , fiind atunci introduse sub numele de
bachelită. De remarcat în ceea ce privește acest tip de rășini este că au fost primii polimeri
fabricați la scară industrială. [8]
Materialele compozite realizate folosind aceste tipuri de rășin i pot avea ca materiale de
armare hârtie, țesături textile necelulozice, dar și țesături din fibră de sticlă sau țesături de azbest.
În funcție de materialul de armare folosit materialele compo zite rezultate capătă denumiri
specifice precum: pertinax, textolit, sticlotextolit sau azbotextolit. Materialele compozite
rezultate folosind aceste rășini și materialele de armare anterior menționate se remarcă prin
caracteristici fizico -mecanice ridicate. Aceste caracteristici sunt superioare celor prezente în
cazul materialelor obținute din pulberi de presare sau materialelor de presare care au în
componență umpluturi fibroase . Materialele compozite care au ca matrice rășinile fenol –
formaldehidic e au ca domenii de utilizare industria electronică și electrotehnică, aceste materiale
fiind buni izolatori și prezintă rezistență excelentă la regimuri ridicate de temperatură. [4]
Materialele compozite care au la bază rășinile fenol -formaldehidice se poate face sub
formă de pulberi destinați presării. Puberii de presare pe bază de rășini fenol -formaldehidice pot
fi grupați în următoarele categorii: pulberi de presare de uz general ; pulberi de presar e
electroizolanți ; pulberi de presare pentru frecvențe înalte ; pulberi de presare rezistenți la acțiune
agenților chimici , a apei și a focului; pulberi de presare rezistenți la șoc. [4]
Principalele avantaje ale materialelor compozite pe bază de rășini fenol -formaldehi dice
sunt: o bună rezistență în ceea ce privește temperaturile ridicate și focul ; rezistență la ablațiune;
preț redus. Pe de altă parte, dezavantajele acestui tip de materiale compozite sunt: caracteristici
mecanice mai scăzute ; limitare în ceea ce priveșt e posibilitatea de colorare, datorată în principal
culorii lor naturale care este brun întunecat; în timpul punerii în formă apare fenomenul de
degajare de apă. [8]
Rășini vinilsterice
Rășinile vini lsterice sunt materiale care se obțin în principal din rășini epoxidice,
poliesteri sau poliuretani, cu particularitatea că aceste materiale din care se obțin rășinile
vinilsterice au grupe terminale de hidroxil. În esență, rășinile vinilsterice sunt polimeri
termoreactivi care au în conținut gru pări acrilice sau metacrilice la capete. Procesul de
solidificare a acestui tip de rășini se poate face prin homopolimerizarea sau copolimerizarea

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
23
grupelor reactive anterior menționate de acrilat sau metacrilat . Procesul de polimerizare se poate
iniția în mai multe moduri, prin intermediul temperaturii, prin acțiune fotochimică , prin acțiune
radiochimică sau folosind inițiatori de reacție dedicați. Procesul de polimerizare este asemănător
cu cel care se întâlneș te în cazul poliesterilor nesaturați. [8] [4]
Proprietățile rășinilor vinilsterice sunt datorate vâscozității acestora, de procentul de
diluant pe care acestea în conțin și de gradul de reactivitate. Din cadrul rășinilor vinilsterice sunt
remarca te cele care au la bază rășini epoxidice. Dintre acestea din urmă menționate, cele care
sunt bazate pe rășini epoxidice cu grupe terminale de metacril oil au rezistent ă bună în ceea ce
privește acțiune a genților chimici de tip acid, bazic sau a solvenților . Rășinile vinilsterice bazate
pe rășini epoxidice cu grupe terminale acrilice se pot folosi pentru realizarea de piese care sunt
polimerizate folosind radiații. Materialele compozite care au în componență matrici din rășini
vinilsterice și mate riale de armare bazate pe fibre de sticlă pot fi fabricate prin majoritatea
procedeelor de fabricație . Aceste materiale compozite au ca și domenii de utilizare industrii
precum: industria chimică, industria petrolieră , agricultura, industria minieră și ind ustria
alimentară. [8] [4]
Rășini polibutadienice
Acest tip de rășini apar ca rezultat al amestecării a doi izomeri de polibutadienă , rășinile
polibutadienice fiind polimeri termoreactivi. Ca și proprietăți distinctive ale acestui tip de rășini
se po t aminti bunele proprietăți electrice și chimice, temperaturile de formare sunt ridicate, au o
absorbție scăzută în ceea ce privește apa și se poate remarca și faptul că prezintă o polimerizare
facilă în cazul utilizării peroxizilor. [8]
Remarcăm ca și avantaje ale materialelor compozite în a căror compoziție intră rășinile
polibutadienice o rezistență crescută din punct de vedere chimic și o constantă dielectrică
scăzută . De asemenea aceste materiale au o comportare bună în medii care presupun prezenta
unor frecvențe înalte, de aceea aceste materiale sunt întâlnite în mod frecvent atunci când vine
vorba de construcția antenelor de radiolocație. La polul opus, dezavantajel e materialelor
compozite ce conțin rășini polibutadienice sunt reprezentate de proprietățile mecanice scăzute.
Proprietățile mecanice sunt scăzute fie că este vorba de temperaturi ambientale sau de
temperaturi înalte , clasându -se astfel sub materialele com pozite cu matrici din rășini epoxidice
sau poliimidice din punct de vedere al acestor proprietăți. În vederea compensării proprietăților
mecanice scăzute se poate aplica un tratament postreticular. Materialele de armare care se
folosesc în combinație cu ră șinile polibutadienice sunt adesea fibre de sticlă de tip E sau S , fibre
aramidice sau fibre de cuarț. [8]
Rășini poliimide

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
24
Acest tip de rășini se remarcă prin posibilitatea de utilizare îndelungată la temperaturi ce
ating valori de până la 316 °C. Posibilitatea de utilizare la temperaturi ridicate se datorează în
principal unui număr mare de inele aromatice și hetero ciclice conținute în molecule. Rășinile
poliimidice reprezintă astfel compuși macromoleculari de tip termostabil , care pot fi liniari sau
reticulați. [8]
Aceste rășini pot fi utilizate pentru obținerea unor materiale compozite care au calități
mecanice superioare, rezistență bună la termooxidare , proprietăți mecanice stabile pe perioade
îndelungate de utilizare chiar și la temperaturi ridicate , cu valori de până la 250 °C, bună
rezistență la acțiunea radiațiilor . De asemenea se remarcă lipsa porozităților și calități bune
dielectrice care sunt me nținute și la temperaturi ridicate. În vederea obținerii de materiale
compozite care au proprietățile menționate anterior, rășinile poliimidice se pot arma cu fibre de
sticlă sau fibre de carbon. Dezavantaj ele principal e ale materialelor astfel obținute sunt
reprezentate de un preț ridicat , proprietăți slabe în ceea ce privește acțiunea agenților chimici
acizi și în ceea ce privește acțiunile arcu lui electric. [8]
Rășini bismaleimidice
Rășinile bismaleimidice sunt folosi te pentru a obține materiale compozite care au
proprietăți superioare materialelor compozite care au la bază rășini epoxidice . Principala
utilizarea a materialelor compozite obținute prin utilizarea de rășini bismaleimidice se regăsește
în domeniul aerospa țial, unde solicitările termice sunt ridicate. Printre proprietățile remarcabile
ale materialelor compozite cu rășini bismale imidice remarcăm rezistența mecanică bună,
rezistență excelentă la acțiunea focului, fiind incombustibile , rezistență bună la acțiunea agenților
chimici oxidanți și un coeficient de frecare scăzut. Dezavantajul acestor materiale este
reprezentat de tempera tura înaltă de 175 °C necesară pentru ciclul de polimerizare, cu o
menținere de 6 ore , la care se adaugă un tratament termic ulterior la o temperatură de 225 °C
menținută de asemenea 6 ore. [8]
1.2.2 Materiale de armare
Principalul scop al materialelor de armare este îmbunătățirea proprietăților mecanice ale
materialelor compozite nou create, cu precădere sunt folosite pentru îmbunătățirea
caracteristicilor legate de rigiditate și rezistență specifică. Dacă se compară caracteristicile
materialelor ce compun un compozit cu caracteristicile materialului compozit în sine se poate
constata că materialul compozit are proprietăți superioare. În cadrul materialelor compozite se
poate remarca faptul că materiale le de armare sunt folosite sub mai multe forme. Acestea se pot
regăsi în materialele compozite ca atare sub formă de fibre , sub formă de țesături de fibre sau cu
diferite orientări ale țesăturii, sub formă de împletituri , sub formă de particule macroscopic e sau
microscopice, de regulă cum formă sferoidală sau sub formă de fulgi, etc. [7] [4]

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
25
Materialele de armare au rolul de a mări rezistența la diferite solicitări mecanice, de a
îmbunătăți comportarea materialul ui compozit la solicitări termice, de a crește rigiditatea
materialului compozit și de a reduce coeficientul de contracție, precum și absorbția de umiditate
în masa materialului sau de a reduce flambajul. Fibrele folosite pentru ranforsarea materialelor
compozite pot să fie continue sau lungi, se pot prezenta și sub formă discontinuă , deci scurte sau
pot fi sub formă de filamente monocristaline (whiskers). [4]
În funcție de forma sub care se prezintă fibrele folosite pentru armarea materialului
compozit putem obține rezistență maximă la solicitările mecanice, în cazul fibrelor lungi sau
rezistență mecanică mai scăzută în cazul utilizării de fibre scurte . Rezistența mecanică m ai
scăzut care apare în cazul folosirii de fibre scurte se datorează raportului defavorabil dintre
lungimea acestor fibre și diametrul lor . Pe de altă parte utilizarea fibrelor scurte are ca și avantaj
o prelucrare mai facilă. Factorii care influențează ef iciența unei ranforsării cu fibre scurte sunt :
asigurarea alinierii fibrelor cu direcția forței principale care solicită materialul, omogenitatea în
ceea ce privește distribuția fibrelor în masa de material, lungimea fibrelor utilizate și calitatea
legăturii dintre fibre și matricea materialului compozit . [4]
În ceea ce privește caracteristicile mecanice ale fibrelor, avem un modul de elasticitate
superio r în cazul fibrelor de bor, fibrelor de carbură de siliciu și fibrelor de car bon. Dacă este să
ne raportăm la rezistența la tracțiune , cea mai mare valoare aparține fibrelor de carbon, fibrelor
de sticlă R și fibrelor de carbură de siliciu. [4]
Diferitele combinații de materiale de armare cu cele pentru matrice au ca și rezultate
materiale compozite cu caracteristici superioare în anumite aspecte. Spre exemplu, prin folosirea
de fib re de cuarț, fibre de aluminiu sau fibre de carbură de siliciu împreună cu o matrice
polimerică termorezistentă se pot obține materiale compozite care au o rezistență foarte bună la
regimuri mari de temperatură. Iar prin combinarea unor fibre de cuarț și f ibre de carbon cu
matrici din rășini fenolice, epoxidice sau poliimidice se pot obține materiale compozite care se
pretează pentru a fi utilizate în industria aerospațială, în special la piese care fac parte din
structuri de rezistență. [4]
Fibr ă de sticlă
Fibra de sticlă este un material anorganic, amorf (SiO 2) în compoziția căruia intră ioni
de siliciu și de oxigen. Fibrele de sticlă sunt o primă alegere în ceea ce privește materialele de
armare pentru materialele compozite de largă utilizare. D in întreaga producție de materiale
compozite majoritatea acestor materiale au în componență ca material de armare fibrele de sticlă.
Progresul către fabricația materialelor compozite cu proprietăți superioare a fost marcat în primă
fază de folosirea fibrel or de sticlă împreună cu rășini poliesterice. Pasul definitoriu în spre

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
26
materiale compozite armate cu fibre de sticlă de calitate superioară a fost utilizarea acestor
materiale împreună cu rășinile epoxidice. [7] [4]
Există trei procedee principale care pot fi folosite pentru obținerea fibrelor de sticlă [4]:
– dispersarea unui șuvoi de sticlă topită, sub formă de fibre, prin centrifugare;
– dispersarea prin suflare cu aer comprimat sau gaze fierbinți;
– tragerea firelor p rin filiere;
Controlul diametrului fibrelor obținute poate fi controlul v âscozității și a temperaturii de
topire. În general diametrul la care se fabrică filamentele fibrelor de sticlă este cuprins între 0,8
și 19 µm . În ceea ce privește lungimi le tipice pentru fabricarea fibrelor de sticlă, acestea sunt
realizate la lungimi de 3, 6, 12, 25, 50 mm . Fibrele de sticlă pot fi grupate în mai multe categorii
determinate de proprietățile fizico -mecanice ale acestor și de structura lor chimică. În funcț ie de
aceste criterii avem următoarele tipuri de fibre de sticlă: Fibre de sticlă de tip A, Fibre de sticlă
de tip C, Fibre de stilă de tip D, Fibre de sticlă de tip E, Fibre de sticlă de tip ECR, Fibre de sticlă
de tip S și R, Fibre de sticlă de tip T. Filamentele de fibră de sticlă se pot regăsi sub următoarele
configurații: filamente unidirecționale, filamente bidirecționale, filamente tridimensionale . [4]
Ca și proprietăți, fibrele de sticlă se disting prin următoarele caracteristici: calități
electrice excelente , au inerție chimică remarcabilă, sunt rezistente la foc, nu putrezesc, nu sunt
afectate de redițiile ultraviolete și nu absorb apă. Temperaturile de utilizare cuprind valori de
până la 700 °C. Rezistența mecani că acestui tip de fibre este mare, iar modulul de elasticitate are
de asemen ea valori mari. În plus fibrele de sticlă au și conductivitate termică redusă. [4] [6]
Ca și avantaje ale fibrelor de sticlă putem aminti: posibilitatea de colorare extinsă ,
materialele compozite fabricate folosind acest material de armare au gr eutate redus ă, rezistența
mecanică la compresiune și tracțiune este crescută, manifestă o bună rezistență la uzură și au o
bună stabilitate di mensională. [7] [4]
Dezavantajul acestor fibre este reprezentat de faptul că este posibil să apară ruperi ale
acestora în masa de material , deși valorile solicitărilor nu le depășesc pe cele la care fibrele au
fost testate în condiții de labo rator. Motivul pentru care apar ruperile este durata de solicitare mai
mare decât cea la care s -au mă surat proprietățile în condiții de laborator. Deci aceste fibre au
proprietăți care variază în funcție de durata solicitării . [10]
Fibre de carbon și de grafit
Fibrele de carbon sunt definite ca fiind fibre în a căror conținut se poate identifica un
procent de peste 80% carbon amorf și grafit . Carbonul conținut în aceste fibre are o densitate
cuprinsă 1,50 – 1,96 g/cm3, iar grafitul conținut are o densitate de 2,265 g/cm3. Rezultatul
combinației dintre aceste două forme ale carbonului este o porozitate de 16,5 – 18%. [11]

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
27
Procesul de obținere a fibrelor de carbon începe printr -o piroliza controlată . Materialele
folosite pentru obținerea fibrelor de carbon sunt materiale organice precum celuloză, fibre
acrilice, reziduri rezultate în urma distilării gudroanelor, etc. După pi roliză urmează orientarea
preferențială a cristalelor din structura fibrelor de carbon. Orientarea este realizată printr -o serie
de tratamente termice și mecanice simultane. [4]
Caracteristicile deținute de acest tip de fibre sunt: inerție chimică exc elentă, stabilitate la
temperaturi ridicate, rezistență mare la ablațiune, densitate mică ρ = 1,4 – 1,8 g/cm3,
conductibilitate electrică mare, rezistență mare la șoc termic, coeficient de frecare µ mai mic
decât al sticlei, conductibilitate termică mică, caracteristici mecanice ridicate care cresc
temperatura de exploatare, R m= 31 – 220 daN/mm2, raportul rezistență/masă foarte bun,
rezistență la abraziune mai mare decât a sticlei. [4]
Pentru obținerea de materiale de arm are din fibre de carbon este necesară combinarea
mai multor filamente pentru a obține fire. În general firele obținute au un diametru cu valori
cuprinse între d= 0,15 – 1 mm, iar în ceea ce privește numărul de filamente folosit pentru
realizarea firelor valorile sunt cuprinse între 720 -10000 filamente . Utilizarea fibrelor de carbon
se face cu precădere în cazul în care este necesar ca produsul să fie stabil termic și să aibă o bună
rezistență la temperaturi înalte de utilizare , dar și când este nevoie ca pr odusul să aibă densitate
mică și izolație termică bună. [4]
În general fibrele de carbon sunt folosite împreună cu matrici organice datorită adere nței
bune a matricei la fibrele de carbon. Acest tip de materiale de armare sunt folosite și pentru
realizarea de materiale compozite preimpregnate . În cazul materialelor compozite preimpregnate
matricea este impregnată în materialul de armare de către producător. În vederea împiedicării
polimerizării neintenționate a produsului este necesar ca acesta să fie depozitat în condiții de
temperatură de aproximativ -35° C . Materialele compozite sunt utilizate pentru aplicații de nivel
înalt în industrii precum industria aerona utică, industria navală, în motor sport s au chiar în cazul
autovehiculelor de serie. Fibrele de carbon sunt folosite pentru obținerea “materialelor
compozitelor de înaltă performanță” utilizate pentru aplicații din domeniul aviatic, industria
aerospațială , în medicină sau alte domenii cu cerințe ridicate de performanță. [4]
Fibre de bor și safir
Obținerea fibrelor de bor și safir este realizată cu ajutorul unor instalații complexe , iar
datorită acestui fapt aceste materiale au un preț foarte ridicat. Utilizarea fibrelor de bor și safir se
face în principa l în industria aerospațială și aeronautică, acestea fiind utilizate sub formă de
panglici cu ajutorul cărora se face o armare cu orientare preferențială. Prin utilizarea acest or fibre
este întâlnită în cazul realizării de piese cu rezistențe mecanice extraordinare. Este de remarcat că
fibrele de bor au fost concepute cu destinație precisă de utilizare pentru materiale compozite de

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
28
înaltă performanță. Materialele fabricate prin utilizarea fibrelor de bor ca material de armare au
următoarele caracteristici mecanice: Rm= 400 daN/mm2, E= 4700 daN/mm2, ρ = 3,97 g/cm3, d=
50 – 500 µm. [4]
Avantajele utilizării fibrelor de bor sunt: o rezistență la rupere mare, cu valori de 3500
MPa, densitatea este redusă, având valori de 2,6 g/ cm3, prezintă un excelent modul de
elasticitate, cu o valoare de 400 GPa, au o duritate ridicată și un punct de topire ridicat. În ceea
ce privește dezavantajul utilizării fibrelor de bor , se poate remarca faptul că aceste fibre au o
fragilitate extrem de ridicată, de aceea obținerea lor prin procedee precum cele ale fibrelor de
sticlă, tra gere din topitură, este imposibilă. [11]
Fibre de aramidă
Fibrele de aramidă, cunoscute și sub denumirea comercială de Kevlar , sunt fibre care au
o nuanță galbenă, dar compoziția exactă a acestora nu a fost publicată de către producătorul
acestora. Printre informațiile cunoscute despre aceste fibre avem f aptul că aceste fibre sunt
poliamide arom atizate, fiind obținute prin sinteză la o temperatură de -10° C , urmată de filare și
etirare în vederea obținerii unui modul de elasticitate ridicat . Scopul inițial pentru care au fost
create aceste fibre a fost fabricarea de elemente ale instalațiilor pneumatice. [4] [8]
Fibrele aramidice sunt folosite de obicei în combinație cu matrici din rășini epoxidice.
Materialele co mpozite rezultate au re zistență ridicată la impact și abraziune, prezintă capacitate
ridicată de a amortiza vibrațiile, precum și o remarcabilă rezistență la oboseală. [4] [8]
Alte proprietăți remarcabile ale acestor fibre sunt: modulul de tracțiune ridicat:
rezistență mare la flăcări si temperaturi mari; rezistență în ceea ce privește acțiunea solvenților
organici, carburanți sau lubrifianți. Ca și proprietăți fizice, aceste fi bre au diametrul de 12 µm și
densitatea de 1,44 g/cm3, iar ca proprietăți mecanice avem o rezistență la rupere de până la 3275
MPa și un modul de compresiune de 75,8 GPa. [8]
Materiale de armare din fibre de sisal, iută, bumbac, celuloză și alte fibre textile
Fibrele de sisal și iută sunt utilizate pentru a arma materiale plastice, cu precădere rășini
fenolice. Formele sub care se pot utiliza aceste fib re sunt fibre sau țesături pentru armarea
rășinilor fenolice. Materiale le compozite armate cu aceste fibre au rezistența la șoc îmbunătățită ,
precum și rezistența la tracțiune sau stabilitatea dimensională. [4]
Prin utilizarea fibrelor de bumbac sub formă de țesătură sunt obținute creșteri
considerabile ale rezilienței materialelor compozite. Aceste fibre sunt utilizate împreună cu
matrici din rășini fenolice . Materialele compozite obținute au utilizare în industria de
autovehicule pentru realizarea de piese precum tablourile de bord sau bobinele. [4]

Mihai -Vasile TURC Considerații Gener ale
29
1.2.3 Materiale auxiliare
Așa cum a fost menționat și anterior, materialele compozite pot avea în compone nță și
materiale auxiliare pe lângă materialele de armare și materialele pentru matrice . Scopul utilizării
materialelor auxiliare este de a influența anumite proprietăți ale materialului compozit creat
precum creșterea proprietăților fizice, chimice sau mecanice. [4]
Aceste materiale auxiliare pot fi: Cretă, Siliciu, Caolin, Oxid de titan, Sticlă (bile),
Pudră metalică, Cuarț, Mică, Coloranți, Agenți de finisare (gel -coat), Agenți de decupare,
Catalizatori, Inhibitori, Antioxidanți, Agenți antistatici, Diluanți, Acceleratori, Agenți de
demulare, Agenți ignifuganți, Agenți antiradianți, Agenți fungicizi . [4]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

30
CAPITOLUL II
Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite
Datorită proprietăților și structurii lor, materialele compozite necesită utilizarea unor
procese de fabricație diferite de cele folosite în cazul materialelor tradiționale. Un material
compozit este complet din punct de vedere al fabricației doar la sfârșitul ultimei etape de
fabricație . Atunci , amestecul dintre materialul de armare și și matrice devin imposibil de
modific at din punct de vedere al caracteristicilor mecanice . Finalizarea procesului de realizare a
unui material se concluzionează cu polimerizarea matricei. [4]
Tehnologiile de fabricație folosite pentru materialele compozite sunt variate și în mare
parte diferite. Alegerea tehnologiei de fabricație pentru o anumită piesă din material compozit se
face în funcție de : forma geometrică pe care o are piesa, caracteris ticile necesare în ceea ce
privește proprietățile mecanice , structura materialului compozit, gabaritul piesei, precizia
dimensională și calitatea necesară pentru piesă , seria de fabricație, destinația piesei, etc. [4]
Graful de complexitate al tehnologiilor folosite în cazul materialelor compozite implică
utilizarea instalații complicate și adesea costisitoare . În cazul proceselor de fabricație cu caracter
artizanal costurile și gradul de cunoștințe sunt mai scăzut e și accesibile. [4]
Piesele din material compozit pot fi fabricate unul din următoarele procedee sau
variante ale unuia din aceste procedee [7]:
1. Formarea pri n contact
2. Formarea prin proiecție simultană
3. Formarea cu sac sub vid
4. Formarea prin presare la rece
5. Formarea prin presarea premix -urilor (BMC)
6. Formarea prin presarea preimpregnatelor (SMC)
7. Formarea prin injecție de rășină termoplastice (TPR)
8. Formarea prin transfer (ZMC, RTM)
9. Formarea prin reacție (R -RIM)
10. Formarea prin laminare continuă
11. Formarea prin pultrudere
12. Formarea prin centrifugare
13. Formarea prin rulare filamentară
14. Formarea panourilor tip “Sandwich”

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

31
2.1 Formarea prin contact a materialelor compozite
Cu ajutorul metodei de formare a materialelor compozite prin contact se pot obține
mate riale compozite polimerice prin impregnarea directă a materialului de armare cu matricea
polimerică. Folosind această tehnologie se pot fabrica piese din materiale compozite folosind
matrițe , costurile de fabricație fiind minime. Piesa în stare finală rezultă în urma etapei de
polimerizare . După ce polimerizarea este completă piesa poate fi extrasă din matriță și
debavurată. Această metodă de fabricație este ilustrată grafic în figura 2.1. [4]

Fig. 2.1 Formarea prin contact
[BER 12]
Pentru formarea pieselor din materiale compozite prin această metodă se parcurg
următoarele etape [4]:
• Se curăță suprafața matriței și se aplică agentul demula nt, acest agent având rol
deosebit de importan t în extragerea pi esei din matriță d upă finalizarea procesului
de fabricație . Această etapă este prezentată în figura 2.1 a) .
• Se face aplicarea stratului gel -coat pe suprafața activă a matriței . Acest strat
poate fi aplicat prin pulverizare sau prin utilizarea unei role sau pensule . Stratul
de gel -coat are rol ul de a reproduce cu precizie înaltă suprafața matriței , de a
determina aspectul de suprafață al piesei , oferă un strat continuu de legătu ră
între suprafața exterioară a piesei și matrice , oferă protecția materialului de
armare față de acțiunea agenților externi. Etapa aplicării stratului gel -coat este
reprezentată în figura 2.1 b).

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

32
• Următoarea etapă este aplicare primului strat din materialul de armare . În
prealabil se poate aplica un strat din materialul de matrice pentru a facilita
aderarea materialului de armare la suprafața matriței. După aplicarea st ratului de
material de armare se asigură impregnarea acestuia cu matricea care c onține
catalizatori, agenți de umplere și celelalte materiale auxiliare. Aplicarea se face
de regulă cu o pensulă sau o rolă , dacă forma piesei permite acest lucru, în acest
fel fiind posibilă îndepărtarea bulelor de aer din straturile noului material
construit.
• Se repetă etapa de aplicare a materialelor de armare și a matricei până se atinge
numărul de straturi dorit, asigurându -se astfel grosimea necesară piesei .
Reprezentarea grafică a acestor etape repetitive se regăsește în figura 2.1 c).
• Se produce un așa-zis „tratament termic ” care depinde de condițiile cerute de
matrice și de funcționalitatea piesei. În această etapă se produce polimerizarea
piesei.
• În următoarea etapă se face extragerea piesei din matriță cu ajutorul unor pene sa
a aerului comprimat în cazul în care avem suprafețe mari în contact între matriță
ți piesă. Extragerea piesei este reprezentată în figura 2.1 d) și e)
• În ultima etapă se îndepărtează materialul în exces de pe piesă și se debavurează
piesa .
Această metodă de fabricație a materialelor compozite foloseș te de obicei matrițe
realizate la rândul lor d in materiale compozite. În anumite cazuri mai rar întâlnite se pot
confecționa matrițe din ghips, lemn, material plastic, cauciuc sau met al pentru a fabrica piese din
material compozit prin metoda formării prin contact. Matrițele realizate din materiale compozite
oferă posibilitatea de a produce piese care au forme complexe , cu o rezistență mecanică bună și o
bună calitate în ceea ce privește redarea detaliilor. Aceste caracteristici amintite anterior fac ca
matrițele din materiale compozite să se preteze pentru fabricarea pieselor de serie. [4]
Ca și avantaje ale acestei metode de realizare a pieselor din material compozit putem
aminti : investiție minimă în ceea ce privește echipamentul utilizat , rezultând un cost re dus al
pieselor fabricate prin această metodă ; piesele obținute au aspect plăcut , putând avea totuși
forme complexe ; nu este necesară calificarea profesională înaltă ,; piesele obținute pot avea
dimen siuni mari. [4]
Dezavantajele procedeului constau în : manoperă importantă, neomogenitatea pieselor în
ceea ce privește gradul de armare, în special la piesele de dimensiuni mari, o rezistență mecanică

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

33
mai scăzută în comparație cu celelalte procedee de fabricație , iar gradul de armare are valori
cuprinse între 30 -50% productivitatea acestui procedeu este redusă. [4]
2.2 Formarea prin proiecție simultană
Formarea prin proiecție simultană este un procedeu care se folosește de un dispozitiv
mecanizat în vederea realizării pieselor, după cum este prezentat și în figura 2.2. Principiul care
stă la baza acestui procedeu este amestecarea materialului de armare cu cel al matricei într -un
dispozitiv, după care acest amestec de material este proiec tat pe suprafața activă a unei matrițe
prin intermediul pulverizării. [4]

Fig. 2.2 Principiul procedeului de formare prin proiecție simultană
[BER 12]
Materialul de armare sub formă de rowing este introdus în tocătorul dispozitivului
mecanizat, ele fiind tăiate la lungimi stabilite . Matricea sub formă de rășină este pulverizată sub
formă de jet, acest jet preluând și bucățile de material tăiate anterior . Amestecul de material de
armare tăiat î n bucăți și rășină este pulverizat pe suprafața matriței. Ulte rior, asupra materialului
depus prin această metodă se folosește o rolă pentru compactarea stratului depus. [4]
Acest procedeu este des folosit pentru obținerea de piese de dimensiuni mari, alături de
procesul de formare prin contact. Procesul este desfășurat în condiții de temperatură ambiantă și
presiune atmosferică. Polimerizarea se poate realiza în aceleași condiții sau poate fi accelerată
prin introducerea matriței ce conține pi esa într-o etuvă, la temperaturi de 40 -60° C. [4]
Avantajele principale ale formării prin proiecție simultană includ: productivitatea
crescută în comparativ cu procesul de fabricație de formare prin contact ; posibilitatea de a
automatiza procesul; posibilitatea de fabricație de piese de gabarit mare. [4]
Dezavantajele procesului sunt: necesitatea unui operator cu îndemânare cres cută, acesta
influențând modul de depunere a l stratului de material compozit, prin urmare ș i proprietățile

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

34
mecanice ale acestuia; densitatea materialului nu este constantă ; piesele complexe sunt mai greu
de realizat . [4]
2.3 Formarea cu sac sub vid
Acest procedeu de fabricație se remarcă prin faptul că asupra materialului compozit
depus sub formă de straturi se aplică presiune , fără a fi nevoie de un ansamblu complet de tip
poanson -placă activă . În cadrul acestui proces aerul la presiune at mosferică este ce l care
înlocuiește poansonul. Procesul este ilus trat grafic în figura 2.3. [4]

Fig. 2.3 Principiul m etodei de formare cu sac sub vid
[BER 12]
Pentru a acționa asupra piesei cu presiunea dorită este necesară folosirea unei folii
speciale pentru vacuum, sub care este introdusă piesa și partea din matriță în care se formează
piesa. Adesea folia de vacuum se dispune sub forma unui sac etanș în care se introduce întreg
ansamblu l de piesă și matriță sau alternativ se poate face etanșarea doar pe o zonă din
vecinătatea piesei, așa cum este prezentat în figura 2.3. Procedeul de formare cu sac sub vid este
destinat pieselor care au cerințe ridicate în ceea ce privește caracteristicile mecanice. Adesea
acest procedeu es te folosit pentru fabricarea de piese din industria aeronaut ică sau în cazul
fabricării materialelor compozite de “generația a doua” . [4]
În ceea ce privește avantajele ac estui procedeu de fabricație avem: obținerea de piese
compacte , un grad de armare controlat prin intermediul presiunii vacuumatice ; de asemenea
acest procedeu permite obținerea unui grad de armare omogen ; surplusul de matrice din
materialul nou format este eliminat, determin ând o masă mai scăzută a acestuia; bună
impregnare a pie selor. [4]
Dezavantajele întâlnite în cadrul acestui procedeu sunt: datorită utilizării unor materiale
suplimentare în cadrul procesului de fabricație, precum sacul de vacuum, avem o creștere a
prețului produsului, un ciclu de fabricație mai lung, necesarul de investiții în ceea ce privește

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

35
echipamentele este crescut, în cazul utilizării de echipamente mai avansate, precum autoclava,
avem un consum sub stanțial de energie. [4]
2.4 Formarea prin presare la rece
Acest procedeu de formare a materialelor compozite se bazează pe utilizarea a două
matrițe realizate din material compozit și suplimentate cu beton pentru a realiza o presare la
presiune joasă a unui amestec de material de armare cu material pentru matrice sub formă de
rășină . Principalul motiv pentru care matrițele au componența menționată anterior și regimul de
presiune joasă este obținerea capacității calorice necesare. Astfel, prin încălzirea prealabilă a
matrițelor , este asigurată căldura necesa ră pentru a realiza polimerizarea materialului compozit
nou creat. Presiunea de lucru folosită pentru acest procedeu se situează între 10-12 bar, iar în
ceea ce privește regimul termic acesta are valori de 115 ° C. [7]

Fig. 2.4 Principiul formării prin presare la rece cu presiune joasă
[IAN 03]
Presarea la rece a materialelor c ompozite se poate realiza prin două metode [7]:
• Prin depunerea rășinii peste materialul de armare înainte ca matrița să fie închisă, procedeu
ilustrat grafic în figura 2.4 a)
• Prin închiderea matriței cu materialul de armare în interiorul acestei și injectarea ulterioară
a rășinii în interiorul matriței. Ace astă metodă facilitează calitatea impregnării materialului
de armare cu rășină. Principiul de funcționare pentru această variantă este prezentat grafic
în figura 2.4 b).

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

36
Pentr u fabricarea pieselor din material compozit folosind această metodă s e folosesc în
general materiale de armare din fibră de sticlă sub formă de mat sau țesătură. Procentul de
armare ponderal al materialelor compozite obținute prin această metodă de fabricație are valori
cuprins e între 10-30%, iar procentul de armare volumic între 10 -17%. În ceea ce privește
materialul utilizat pentru matrice, acesta este de regulă rășină poliesterică. [7]
Prin procedeul de formare prin presare la rece se obțin piese cu grosimea de 2 -3 mm și
dimensiuni ma xime de 3×3 m. Productivitatea procedeului este de 3 -4 piese/oră/matriță, iar
procentul de pierderi generat este de 2 -4%. [7]
Ca și avantaje ale acestui procedeu de fabricație avem o productivitate ridicată a
procesului și piese care au ambele fețe ne tede. Dezavantajele acestui procedeu sunt reprezentate
de faptul că prin acest procedeu pot fi realizate doar piese cu o geometrie simplă și apare
necesitatea debavurării pieselor după extragerea acestora din matriță. Procedeul de fabricație prin
presare l a rece poate fi utilizat pentru fabricația pieselor de caroserie auto în ser ie mică. [7]
2.5 Formarea prin presare a premix -urilor (BMC)
Acest procedeu utilizează doua matrițe metalice între care este introdus un premix
pentru a fi presat. Cele două matrițe sunt încălzite , iar piesa obținută prin acest procedeu are
ambele fețe cu o calitate a suprafeței fină. Ilustrarea grafică a principiului de funcționare al
acestui procedeu este prezentată în figura 2.5. [7]

Fig. 2.5 Principiul formării prin presarea premix -ului (BMC)
[IAN 03]
Acest procedeu folosește ca și semifabricat de pornire premix -ul. Acest semifabricat
este un amestec de material de armare sub formă de fibră de sticlă tăiată la dimensiuni de 0,1 -0,2
mm, într -un procent de armare volumic de 11 -16%, amestecat cu o matrice din rășină
poliesterică și un material auxiliar calcaros folosit d rept umplut ură. Rezultatul amestecului este
premix -ul care are o consistență sub forma unei paste. [7]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

37
Procedeul are ca avantaj posibilitatea de obținere de piese complexe . Piesele realizate
prin acest procedeu pot avea dimensiuni maxime de 2×2 m și grosimi care ajung la valori de 30
mm. De asemenea trebuie menționat că prin acest procedeu se obțin piese care pot fi folosite
pentru izolații electrice, rezistența mecanică a acestora fiind bună. [IAN 03]
Pe de altă parte avem ca și dezavanta je ale proce sului faptul că deși au o rezistență
mecanică bună, aceasta este inferioară față de cea a preimpregnatelor presate . De asemenea
datorită consistenței semifabricatului de pornire avem posibilități limitate de colorare. [IAN 03]
2.6 Formarea prin presarea pr eimpregnatelor (SMC)
Procedeul de formare prin presare a preimpregnatelor (SMC) are un principiu
asemănător cu cel al procedeului BMC, folosind două matrițe metalice încălzite pentru a presa și
forma piese din materiale compozite pornind de la un semifabricat . Semifabricatul se
poziționează în matriță în așa fel încât acesta să acopere cel puțin 30% din suprafața matriței ,
extinderea lui în restul cavității matriței făcându -se în timpul presării. Procedeul este prezentat
grafic în figura 2.6.

Fig. 2.6 Principiul procedeului SMC
[IAN 03]
Procedeul folosește ca material de armare fibra de stic lă, aceasta prezentându -se în
cadrul acestui procedeu sub formă de țesătură impregnată , având un procent de armare volumică
cuprins între 16 -28%. Ca și matrice este folosită o rășină poliesterică foarte fluidă . De precizat
este că în cadrul semifabricatului folosit în cadrul acestui procedeu matricea este precatalizată cu
materiale de umplutură, aceste materiale fiind introduse sub formă de pulbere . Pentru a proteja
semifabricatul, asupra acestuia se aplică două filme de polietilenă. [7]
Ca și avantaje ale acestui procedeu remarcăm: ușurința de utilizare datorită folosirii
materialelor preimpregnate sub formă de foi; piesele obținute au proprietăți mecanice destul de

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

38
bune ; piesele obținute au rezistență bună la oboseală și la coroziune; ex istă posibilitate obținerii
de piese de forme complexe. Acest procedeu este folosit în principal pentru realizarea de piese
din cadrul caroseriilor de autovehicule, locomotive și pie se de mobilier. [7]
Ca și dezavantaje ale procesului avem: necesitate a de a tăia semifabricatele din material
preimpregnat ; înainte de așezarea în matrițe filmul protector de polietilenă trebuie îndepărtat de
pe semifabricat ; după formare și extragere din matriță piesele trebuie debavurate; se obține piese
a căror suprafață au porozități. [7]
2.7 Formarea prin injecție de rășini termoplaste (TPR)
Procedeul de formare prin injecție de rășini termoplastice are la bază utilizarea unei
matrițe închise în interiorul căreia este injectată o rășină termoplastă . Rășina conține și materiale
de armare integrate în conținutul acesteia . În urma răcirii avem ca și rezultat o piesă finită.
Principiul de funcționare al acestui procedeu este ilustrat în figura 2.7 . [7]

Fig. 2.7 Principiul procedeului TPR
[IAN 03]
Pentru acest procedeu sunt folosite ca și materiale de armare fibrele de sticlă sau fibrele
de carbon, acestea fiind tăiate la dimensiuni de 1 -2 mm. Pentru materialul matricei poate fi
folosit în acest caz policarbonatul, politereftalatul de etil sau butilen, polioxidul de fenil,
poliacetal sau poliamide. Pentru acest procedeu se folosește un semifabricat de porni re care se
regăsește sub forma unor gr anule termo plaste armate. [7]
Avantajele procedeului sunt reprezentate de posibilitatea obținerii unor piese omogene ,
cu o precizie destul de ridicată. De asemenea acest proces prezintă o cadență mare de fabricație.
Procedeul este folosit pentru obținerea unor piese cu masă scăzută , sub 50 Kg. În general piesele
realizate prin acest procedeu au ca destinație de utilizare domeniul electric. [7]
Dezavantajele acestui procedeu sunt reprezentate de costul mare de ac hiziție al
mașinilor utilizate în cadrul acestui proces și necesitatea de a avea o serie mare de fabricație
pentru amortizarea costurilor. [7]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

39
2.8 Formare prin transfer (RTM)
Acest procedeu de formare este similar ca principiu de funcționare cu cel de formare
prin injecție , particularitățile fiind că este folosit un vas de transfer al rășinii și că matrița este
încălzită , deoarece sunt utilizate rășini termorigide. Principiul de funcționare al acestui procedeu
este prezentat în fig ura 2.8. [4]

Fig. 2.8 Principiul formării prin transfer
[BER 12]
Acest procedeu utilizează ca și material de armare fibră de sticlă tăiată la lungimi ce
sunt cuprinse între 10 si 25 mm, iar gradul de armare este cuprins între 20 – 25%. Pentru
materialul matricei se folosește o rășină poliesterică care are o viscozitate scăzută. [4]
Procedeul are următoarele avantaje: posibilitatea de a obține piese cu forme complexe,
datorită utilizării unei matrițe închise ; piesele au ambele fețe cu o calitate superioară a suprafeței ;
nu este nevoie să se facă retușuri ulterioare asupra pieselor ob ținute; reducerea ciclului de
fabricație ; obținerea de piese cu grad de armare optim prin o rientarea preferențială a fibrelor;
cadența mare a procesului de fabricați e și consum scăzut de materiale. [4]
Ca și dezavantaj al acestui proces de fabricație avem faptul că piesele obținute sunt
limitate la o masă de sub 50 Kg. [4]
2.9 Formarea prin reacț ie (R -RIM)
Procedeul de formare prin re acție se remarcă prin utilizarea de prepolimeri ca materie
de bază . Principiul care stă la baza acestui procedeu de fabricație este injectarea unor
monopolimeri într-o matriță închisă folosind presiune de in jecție joasă. După injectarea
monopolimerilor , în interiorul matriței, are loc o reacție chimică care ca și consecință umplerea
cavității matriței . Materialul de armare este înglobat în materia de bază și astfel duce la creșterea
rigidității pieselor formate . Principiul de lucru al acestui procedeu de fabricație este prezentat în
figura 2.9. [7]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

40

Fig. 2.9 Principiul formării prin R -RIM
[IAN 03]
Pentru acest procedeu de fabricație se folosesc ca si materiale de armare fibre de sticlă
cu o lungime de 0,1 -0,2 mm, iar ca materiale pentru matrice sunt fol osiți poliuretani. Gradul de
armare al pieselor fabricate prin acest procedeu este de 20%. [7]
Acest procedeu de fabricație prezintă următoarele avantaje: utilajele sunt ieftine ; în
urma procesului de fabricație rezultă un procent mic de rebuturi; consumul energetic este scăzut;
există posibilitatea de a obține o gamă variată de piese . Prin acest procedeu pot fi obținute piese
cu masa de până la 15 Kg și un gabarit de până la 2×2 m, cu o cadență de 12 -20 piese pe oră .
Piesele realizate prin acest procedeu sunt în principal utilizate de industria constructoare de
autovehicule pentru piese precum elemente de caroserie sau bare de protecție. [7]
Dezavantajele acestui procedeu de fabricație sunt reprezentate de costul materialelor,
dificul tatea în ceea ce privește debavurarea pieselor și necesitarea vopsirii pieselor în vederea
obținerii unui aspect vizual plăcut. [7]
2.10 Formarea prin lamina re continuă
Acest procedeu de fabricație produce piese în mod continuu , operațiile fiind desfășurate
progresiv . Ritmul de fabricație este controlat printr -un sistem de tragere. Procesul de formare
prin ace astă metodă de fabricație începe prin impregnarea materialului de armare cu rășină și
înglobarea amestecului astfel rezultat între două filme din material plastic . Impregnarea
materialului cu rășină se realizează prin presarea mecanică a amestecului . Polim erizarea
materialului compozit nou format se realizează într -o etuvă încălzită. Principiul de funcționare al
acestui procedeu de fabricație este prezentat în figura 2.10. [4]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

41

Fig. 2.10 Principiul metodei de formare prin laminare continuă
[BER 12]
În ceea ce privește materialele de armare folosite acestea se dife rențiază în funcție de
tipul de produs realizat. Astfel pentru r ealizarea de produse sub formă de plăci din material
compozit se folosesc fibre de sticlă sub formă de “mat” cu un p rocent de armare de 25 % , iar în
cadrul fabricației de piese din material compozit sub formă de profile se folosesc fibre de sticlă
unidirecționale cu un procent de armare de 50%. Materialul folosit pentru matrice este
poliesterul, iar filmele ce acoperă și protejează produsele sunt alcătuite din polipropilenă. [4]
Acest procedeu poate fi folosit pentru realizarea de plăci cu lățime maximă de 90 mm,
iar grosimea maximă este de 1,8 mm . Pentru profilele realizate prin ace st procedeu putem av ea o
secțiune de maxim 400×400 mm, cu o grosime a peretelui de maxim 4 mm. În ceea ce privește
lungimile maxime ale pieselor, a cestea sunt determinate de capacitatea de depozitare și transport
s pro ducătorului . [4]
Principalele avantaje ale acestui procedeu de fabrica ție reprezentate de faptul că
procedeul este unul de tip automatizat și existența posibilității de a realiza serii mari de
fabricație. Pe de altă parte, ca și dezavantaje ale procesului remarcăm că acest procedeu este
destinat fabricației de elemente plane și faptul că timpul de pregătire a procesului este
îndelungat, fiind rentabil doar pentru o producție cu lungimea mai mare de 5 m. Procedeul se
folosește pentru obținerea de plăci ondulate sau elemente de acoperișuri. De asemenea se pot
obține și piese de tip profil deschis utilizate pentru ins talații chimice sau frigorifice. [4]
2.11 Formarea prin pultruder e
Principiul pe baza căruia se desfășoară acest procedeu de fabricație este impregnarea
materialului de armare cu o rășină și trecerea amestecului astfel realizat printr -o filieră încălzită.
Materialul de armare este fibra de sticlă, iar rășina este aplicată prin trecerea fibrei printr -o baie
de rășină . Principiul de funcționare al acestui procedeu este prezentat în figura 2.11. [7]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

42

Fig. 2.11 Principiul procedeului de formare prin pultrudere
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=pultrusion
Acest procedeu folosește ca materiale de armare fibr ele de sticlă sa u fibrele de carbon.
Fibrele sunt folosite întru -un procent de armare cuprins între 50-60% sau se pot folosi sub formă
de „mat”. În ceea ce privește materialele folosite pentru matrice, se pot folosi rășini epoxidice
sau ră șini poliesterice. [7]
Acest procedeu are următoarele caracteristici: viteza liniară este de 0,8 -1,5 m/min în
cazul folosirii de rășini poliesterice și 0,5 m/min în cazul folosirii rășinilor epoxidice. Timpul de
pregătire pentru acest proces este cuprins între 4 -8 ore , iar procentul de rebuturi rezultat este de
aproximativ 5%. [7]
Avantajele oferite de acest procedeu de fabricație sunt: producția continuă de piese ,
adaptarea caracteristicilor pieselor în conformitate cu cerințele , produsele rez ultate în urma
procesului de fabricație nu necesită ajustări. În ceea ce privește deza vantajele procedeului avem:
profile ale căror dimensiuni de secțiune sunt limitate, procesul de pregătire a fabricației are rol
important în ceea ce privește buna desfă șurare a fabricației și astfel este destul de sensibil, sunt
necesare cunoșt ințe solide pentru a pregăti corespunzător amestecul materialului de armare cu
matricea. [7]
Procedeul de formare prin pultrudere este folosit pentru a obține piese precum: izolații
electrice, elemente pentru scări, tuburi destinate traseelor de cabluri electrice, profile, prăjini sau
catarge pentru ambarcațiuni. Prin acest procedeu se pot obține și piese utilizate în industria de
automobile , precum: arcuri, bare de transmisie, elemente ale barelor de protecție. [7]
2.12 Formarea prin centrifugare
Principiul care stă la baza acestui procedeu de fa bricație este introducerea materialului
de armare și a materialului matricei într -o matriță închisă care va executa ulterior o mișcare de
rotație. Datorită mișcării de rotație este generată forță centrifugă care prin acționarea asupra
materialului de armare și a materialului de matrice determină impregnarea materialului de

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

43
armare. După finalizarea procesului de impregnare întregul ansamblu de matriță care conține și
piesa este introdus într -o etuvă pentru realizarea procesului de polimerizare. În cazul pieselor cu
gabarit mare se poate opta pentru o matriță încălzită pentru a evita manevrarea dificilă de
introduc ere a matriței în etuvă. Principiul de funcționare al acestui procedeu de fabricație este
reprezentat în figura 2.11. [4]

Fig. 2.11 Principiul procedeului de formare prin centrifugare
[IAN 03]
Pentru acest procedeu materialele de armare utilizate sunt fibrele de sticlă sub formă de
„mat” sau sub formă de țesătură cu un grad de armare de 35 -45%. În ceea ce privește materialele
utilizate pentru matrice sunt rășinile poliesterice. Dimensiunile pies elor care se pot fabrica
folosind acest procedeu pot avea lungimi cuprinse între 5 -12 m , iar în ceea ce privește diametru l,
maxim ul este de 4 m. [4]
Avantajele oferite de acest procedeu de fabricație contau în posibilitatea de a obține
piese cu o secțiune constantă a pereților , aspectul plăcut al pieselor deși acestea au dimensiuni
relativ mari și o demulare facilă a pieselor din interiorul matriței. Ca și dezavantaje remarcăm:
limitarea formelor pieselor fabricate prin acest procedeul a forme simple de revoluție ; fibrele de
sticlă au tendința să fie localizate în cantitate mai mare în spre fața exterioară comparativ cu fața
interioară a piesei ; numărul de piese care pot fi fabricate zilnic este cuprins între 4 -24 de piese , în
funcție de dimensiunile și numărul matrițel or; echipamentul folosit trebuie să aibă precizie mare
și să fie bine echilibrat ; gradul de armare al pieselor rezultate prin folosirea acestui procedeu este
scăzut. [4]
În ceea ce pri vește aplicațiile pentru care se poate utiliza acest procedeu se pot aminti
piese precum: stâlpi , cabluri de susținere, prese pentru vin, candelabre, cister ne, silozuri, tuburi
folosite pentru canalizări. [4]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

44
2.13 Formarea prin rulare filamentară
Formare prin rulare filamentară presupune rularea unui f ilament continuu sau a unei
panglici din materialul de armare în jurul unei mandrine. Materialele de armare folosite pot fi
fibre de sticlă , fibre de carbon sau fibre de aramidă. Geometria mandrinei este în corespondență
cu piesa obținută în urma procesulu i. Reprezentarea acestui proces de fabricație este ilustrată
grafic în figura 2.13. [4]

Fig. 2.13 Principiul rulării filamentare
[LUB 82]
Procedeul poate fi executat cu impregnarea fibrelor înainte de înfășurarea lor pe
mandrină, caz în care avem de -a face cu înfășurare umedă sau pot fi folosite materiale
preimpregnate, caz în care avem înfășurare uscată. După realizarea rulării materialului pe
mandrină următoarea etapă este realizare polimerizării. Polimerizarea se poate face într -o etuvă
folosindu -se un regim termic cu temperaturi cuprinse între 60-80 °C . Alternativ, polimerizarea
poate fi realizată și la temperaturi ambiente, dar nu mai mi ci de 18 °C . Rularea filamentară se
poate face în două moduri [4]:
a) Rulare filamentară circumferențială sau elicoidală , ace astă metodă este obținută prin
efectuarea unei translați i de către ghidajul purtător al firului în timp ce mandrina

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

45
execută o mișcare de rotație în jurul propriei axe de simetrie. Această metodă este
folosită pentru realizarea pieselor tubulare simple .
b) Rulare polară sau trid imensională , această metodă se realizează prin t-o mișcare precisă
a ghidajul ui purtător al firului . Mișcarea precisă a ghidajului cu fir se datorează
controlului cu comandă numerică a acestuia. Această metodă se utilizează pentru
obținerea unor forme închise mai complexe.
În ceea ce privește materialele folosite, avem ca materiale de armare fibre co ntinue.
Aceste fibre pot să fie fibre de sticlă, fibre de carbon sau fibre de bor. Pentru materialele
destinate matricei sunt folosite rășini poliesterice sau rășini epoxidice. Productivitatea acestui
procedeu este dependentă de diametrul și lungimea piesei, dar și de numărul de capete pe care le
are piesa. [7]
Avantajele acestui procedeu sunt reprezentate de: obținerea de piese cu performanțe
mecanice forte bune; posibilitatea de a controla orientarea materialului de armare ; există
posibilitatea de fabrica piese semiînchise; posibilitatea de a obține piese ale cărei fețe interioare
rezultă la forma fin ală; există posibilitatea de automatizare a procedeului. În ceea ce privește
dezavantajele acestui procedeu putem remarc a următoarele : costul mar e a pieselor finite ; costul
mare al echipamentului necesar pentru realizarea pieselor complexe; cadența procesului este
scăzută. [4] [7]
2.14 Formarea panourilor tip „Sandwich”
Procedeul de formare pentru panourile de tip „sandwich” reprezintă lipirea mai multor
straturi de material identic sau diferit, în vederea formării un ui pachet compact și rigid. O
structură de tip „sandwich” este prezentată în figura 2.14. [7]

Fig. 2.14 Structura unui panou „sandwich”
[IAN 03]

Mihai -Vasile TURC Tehnologii de Fabricație Pentru Materiale Compozite

46
Structura tipică a unui panou „sandwich” cuprinde 3 elemente de bază: învelișul, miezul
și materialul care face lipirea miezului cu învelișul. Fiecare dintre aceste elemente au un rol bine
definit. Astfel , învelișurile nu au rigiditate proprie, dar au scopul de a prelua solic itările apărute
în cazul încovoierii. Miezul are p erformanțe slabe în ceea ce privește solicitările de încovoiere,
dar are rol important în preluarea eforturilor de compresiune și cele de forfecare. Pe lângă faptul
că realizează îmbinarea miezului cu învelișurile , materialul de lipire are și rolul de a prelua
eforturile de forfecare orizontală. [7]
Structurile de tip „sandwich” sunt folosite pentru a face izolare termică sau fonică.
Aceste structuri sunt utilizate și pentru rigiditatea lor, având un comportament asemănător cu cel
al unei grinzi, fii nd astfel cap abile să suporte cu succes diferitele solicitări mecanice. [7]
Structurile de tip „sandwich” sunt o ilustrare perfectă a ceea ce reprezintă un material
compozit. Fiecare strat utilizat în cadrul aceste structuri are un rol bine definit , proprietățile
superioare ale unuia dintre straturi compensând minusurile sau deficiențele celorlalte straturi . Se
obțin astfel structuri cu proprietăți excepționale și în același se păstrează o greutate scăzută a
acestora.

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
47
Capitolul 3
Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
3.1 Considerente privind cerințele competiț iei de Formula Student
Pentru a putea face o evaluare a necesităților în ceea ce privește forma piesei ce face
subiectul acestei lucrări trebuie analizat ă o serie de considerente ce se raportează la competiția în
care aceasta urmează să fie utilizată. Acest lucru este necesar deoarece competițiile de Formula
Student nu au reguli la fel de restrictive precum alte competiții de motor -sport , în ceea ce
privește elementele aerodinamice .
3.1.1 Considere nte privind circuitul de deplasare
Viteze le pe care le manifestă vehiculele participante în general nu depășesc valori de
120 km/h. Datorită acestui fapt se poate observa că elementele de aerodinamică sunt diferite de
cele întâlnite in competiții precum Formula 1. Astfel monoposturile care concurează în
competițiile de Formula Student au devenit cunoscute pentru aripile de dimensiuni mari utilizate
comparativ cu dimensiunile monopostului după cum se poate observa și în figura 3.1. [12]

Fig. 3.1 Exemple de monopustu ri de Formula Student
https://www.greenteam -stuttgart.de/
Competițiile de Formula Student sunt împărțite în probe statice și probe dinamice.
Probele statice includ evaluarea echipelor bazate pe o prezentare a echipelor participante prin
care aceste vor încerca să convingă investiția într -un astfel de proiect , pe baza unui raport a
costurilor totale a monopostului cu care ec hipa participă la competiție și pe baza unui eveniment

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
48
de prezentare a designului monopustului. Probele dinamice sunt cele în care monopostul
concurează pe diferite circuite și în diferite condiții pentru a obține timpi cât mai buni. Probele
dinamice sunt alcătuite din evenimente precum : Acceleration, Skid Pad, Autocross , Efficiency și
Endurance. [13]
• Proba de Acc eleration constă în accelerarea în linie dreaptă pe o distanță de 75 de metri
pe o suprafață plată.
• Proba de Skid Pad evaluează capacitățile monopostului de a vira pe o suprafață dreaptă
într-o curbă cu rază constantă, precum este prezentat și in figura 3.2.

Fig. 3.2 Circuitul de Skid Pad
[13]
• Proba de Autocross presupune testarea manevrabilității și calitatea controlului
monopostului pe un traseu restrâns. Printre caracteristici le traseului se remarcă linii
drepte de maxim 60 m care au la început și la sfârșit viraje strânse, linii drepte cu
lungimi de până la 45 m care au viraje largi la capăt , viraje constante pe diametre de la
23 m la 45 m , viraje strânse cu dimetrul exterior al virajului nu mai mic de 9 m , slalom
printre conuri, etc. Acest circuit are o lungime de aproximativ 0,8 km și vitezele medii
estimate sunt de 40 -48 km/h.
• Proba de Endurance evaluează performanțele globale ale monopostului , durabilitatea și
fiabilitatea . Traseul este compus din ture multiple ajun gând la o lungime totală de
aproximativ 22 km. Printre caracteristicile traseului se remarcă linii drepte de maxim 77 m

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
49
care au la început și la sfârșit viraje strânse, linii drepte cu lungimi de până la 61 m care au
viraje largi la capăt, viraje constante pe diametre de la 30 m la 54 m, viraje strânse cu
dimetrul exterior al virajului nu mai mic de 9 m, slalom printre conuri, etc. Vitezele medii
estimate sunt de 4 8-57 km/h cu viteze maxime de aproximativ 105 km/h.
Aceste considerente contribuie la necesitatea dezvoltării unui pachet aerodinamic care
să ofere performanță predominant la viteze mici de deplasare cu o medie a proximată între 40 și
60 km/h.
3.1.2 Considerente privind regulamentul competiției
Deși regulamentul acestui tip de competiție nu este unul foarte restrictiv în ceea ce
privește elementele de aerodinamică, există o serie de limitări aplicate vehiculel or participante .
În timp ce unele reguli sunt destinate impunerii unor anumite limite dimensionale si de formă
pentru elementele de aerodinamică, există o serie de reglementări care se concentrează pe norme
de siguranță.
Printre aceste reglementări se remarcă faptul că orice element component a caroserie și
care este orientat de -a lungul axei longitudinale a vehiculului , înspre partea din față a a cestuia,
trebuie să aibă o rază frontală de cel puțin 38 mm , inclusiv nasul vehiculului. Această rază
minimă trebuie extinsă cel puțin 45 ° relativ față de axa longitudinală a vehiculului , cu direcția
înainte , în sus, în jos și în laterale le muchiilor care sunt supuse acestei raze minime. O altă
reglementare legată de siguranța persoanelor care ar putea fi situate în vecinătatea monopostului ,
impune ca toate elementele de aerodinamică precum aripi, plăci de capăt ale aripilor sau podea
să aibă toate muchiile orizontale rotunjite cu o rază de 5 mm, iar cele verticale cu rază de 3
mm.[13]
În ceea ce privește dimensiunile elementelor aerodinamice și poziționarea lor regulile
competiției sunt împărțite pe 3 categorii în funcție de locul unde se pot regăsi elementele de
aerodinamică. Astfel avem [13]:
• Elementele montate în față : – în vedere în plan elementele de aerodinamică trebuie să fie :
la maxim 700 mm înaintea părții frontale a cauciucurilor din față ; încadrate în tre două
plane care sunt paralele cu axa longitudinală a șasiului și tangente la fața exterioară a
cauciucurilor din față, la nivelul butucului , , precum este ilustrat și în figura 3.3.
– în vedere a din fată a vehicu lului, partea cauciucurilor și a
roților din față mai înaltă de 250 mm fată de sol, nu trebuie să fie obstrucționată, măsurat
fără ca șoferul să fie în monopost , precum este ilustrat și în figura 3.3.

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
50

Fig. 3.3 Restricții de poziție și dimensiuni a elementelor aerodinamice
[13]
• Elementele montate în spate: – în vedere în plan elementele de aerodinamică trebuie să fie :
la maxim 250 mm în spatele păr ții din spate a cauciucurilor din spate ; în spatele unui plan
vertical dus prin cea mai din față porțiune a suportului pentru capul șoferului ; încadrate
între două plane care sunt paralele cu axa longitudinală a șasiului și tangente la fața
interioară a cauciucurilor din spate, la nivelul butucului , precum este ilustrat și în figura
3.3.
– în vedere din lateral, niciun element de aerodinamică nu
trebuie să fie la o î nălțime mai mare de 1,2 m măsurat față de sol, fără ca șoferul să fie în
monopost.
• Elementele montate între roți poziționate : – între axa de centru a roților din față și axa de
centru a roților din spate , elementele aerodinamice se pot extinde maxim până la linia ce
unește exteriorul roților din față și spate la nivelul centrului roților.
– între două plane verticale prin axa de centru a roților din
față, respectiv cele din spate, elementele nu trebuie să depășească înălțimea de 500 mm
măsurat de la sol, fără ca șoferul să fie în monopost , excepție de la această regulă fac
elementele încadrate în regulile prezentate mai sus referitor la e lementele montate în
spatele vehiculului. Reguli le menționate anterior sunt reprezentate vizual în figura 3.4.

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
51

Fig. 3.4 Restricții de poziție și dimensiuni a elementelor aerodinamice între roți
[13]
• Niciun element de caroserie, aerodinamică sau de orice altă natură nu este permis în jurul
roților în conformitate cu următoarele reguli: – văzut ă din vederea de sus a monopostului ,
partea de sus, 180° , din roată sau cauciuc , trebuie să fie neobstrucționată
– văzut e din lateral roțile trebuie să fie
neobstrucționate
– văzut din lateral, trebuie păstrată o zonă
definită de cate două plane verticale situate paralel cu axa de centru a roților față sau spate ,
la o distanță de 75 mm în fața și în spatele diametrului exterior al roților . Această zonă se
extinde, văzută din vedere de sus a monopostului, între două plane verticale tangente la
fața interioară, respectiv exterioară a roților. Aceste reguli și restricții sunt ilustrate în
figura 3.5.

Fig. 3.5 Restricții de poziție și dimens iuni a elementelor aerodinamice între roți
[13]

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
52
3.2 Considerente privind aerodinamica botului
Pentru a porni procesul de proiectare a botului din punct de vedere aerodinamic , se vor
analiza câteva aspecte generale ale aerodinamicii . Prin această analiză se vor identifica lucrurile
ce trebuie avute în vedere pe parcursul procesului de proiectare a piesei.
Trebuie avut în vedere încă din etapele incipie nte ale analizei faptul că geometria pe
care o are botul este cea care va porni întreaga formă aerodinamică a monopostului. Pe lângă
faptul că aceasta este prima piesă în contact cu aerul a monopostului, această piesă este cea care
definește liniile de pornire pentru întreaga formă a caroseriei și curgerea aerului peste aceasta.

Fig. 3.6 Variantele formei botului testate pentru monopost ul de Formula 1 Honda RA109
https://www.racecar -engineering.com/articles/f1/hondas -secret -f1-car-revealed/2/

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
53
În figura 3.6 sunt prezentate variantele de bot testate de echipa de Formula 1 a celor de
la Ho nda. Departamentul de cercetare responsabil cu dezvol tarea modelului pentru botul
monopostului RA109 , ce avea să concureze în sezonul aferent anului 2009 , a pregătit o serie de
forme ce corespund unei serii de parametri critici evaluați . După cum se poate observa și în
figura 3.6 există o gamă variata de forme care trebuie luate în calcul atunci când se pregătește
designul unei piese de o asemenea importanță.
3.2.1 Principii generale privind aerodinamica
Pentru a înțelege de ce este impo rtantă aerodinamica pentru o mașină trebuie mai întâi
să ne familiarizăm cu efect ele pe care curgerea aerului le pot avea asupra unui autovehicul. Deși
la prima vedere nu se po t observa efectele solicitărilor apărute în urma curgerilor aerului , cel mai
simplu de a conștientiza aceste efecte este prin a face o paralelă cu industria aviatică. În ceea ce
privește un avion , motoarele au rolul de realiza deplasarea înainte a avionului și de a învinge
forțele care se împotrivesc înaintării avionului , pe când “zborul ” efectiv este rezultatul efectului
produs de aripile avionului. [15]

Fig. 3.7 Curgerile aerului peste o aripă de avion
[15]
Pentru a studia mai detaliat fenomenul care are loc în ceea ce privește zborul unui avion
ne vom raporta la figura 3.7. În figura anterior menționată este prezentată o secțiune uzuală
utilizată pentru o aripă de avion. Presup unem că avem o curgere a aerului de la stânga spre
dreap ta. Datorită formei și unghiului de poziționare a secțiunii în raport cu direcția longitudinală
de deplasare se constată că avem o curgere a fluxului de aer cu o viteză mai mare deasupra
secțiunii și o viteză mai mică sub secțiune. Diferența de viteză în curgerea aerului poate fi
transpusă și din punct de vedere a presiunii folosind ecu ația lui B ernoulli, prezentată in formula
3.1. [15]
𝑝
𝜌+𝑉2
2=𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 ă Formula (3.1), [15], pag. 35

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
54
Unde: p – presiunea statică locală ;
ρ – densitatea ;
V – viteza ;
Astfel se constată că diferența în viteza de curgere va determina o diferență de presiune
în zonele discutate anterior. Această diferență de presiune are ca rezultat o forță de ridicare,
aceasta fiind forța care permite zborul avionului.
Odată cu beneficiile forței de ridicare produsă de aripă apare însă și o forță care are
tendința de a îngreuna zborul avionului. Această forță este forța de rezistență la înaintare produsă
la frecarea aerului cu aripa. Această forță de rezistență la înaintare este influențată de forma aripii
și de calitatea supraf eței peste care trece fluxul de aer. [15]
3.2.2 Principii aerodinamice aplicate autovehiculelor
Principiile me nționate anterior legate de curgerile fluxului de aer pot fi aplicate și în
cazul unui autovehicul , și desigur trebuie să fie puncte de interes pentru un monopost de
competiție. Principiul de aplicare în ceea ce privește un monopost de competiție se diferențiază
față de cel al avioanelor deoarece în cazul mono postului vom urmări efectul opus al forței de
ridicare , adică o apăsare. Practic acest efect poate fi obținut prin inversarea geometrie i astfel
încât să avem presiune mai mare deasupra secțiunilor și una mai mică sub secțiuni.
În general în cazul unui autovehicul , din punct de vedere aerodinamic , avem ca și forțe
principale care ac ționează asupra acestuia forța de rezistență la înaintare, forța de ridicare sau
apăsare atunci când aceasta acționează în spre sol și forța laterală. Forța laterală are valoare
pozitivă înspre dreapta și negativă înspre stânga. Această forță nu este la fel de accentuată
deoarece curgerile fluxului din lateral sunt de obicei mai mici, deci și valorile acesteia sunt mici.
În figura 3.8 sunt prezentate forțele aerodinamice care acționează asupra unui monopost. [15]

Fig. 3.8 Forțele aerodinamice care acționează asupra unui monopost
[15]

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
55
Pentru ca studiul forțelor de natură aerodinamică să fie justificat în cazul unui vehicul
trebuie mai întâi să înțelegem beneficiile care pot fi obținute printr -un management
corespunzător al modului de manifestare a forțelor prezentate anterior. În general în cadrul
competițiilor de motor -spor, precum Formula 1, accentul se pune în principal pe forța de apăsare
aerodinamică care poate fi obținută , forța de rezistență la înaintare fiind un factor secundar luat
în calcul. În principal interesul manifestat pentru generarea de forță de apăsare este justificat de
necesitatea c reșterii aderenței cauciucurilor și de creșterea manevrabilității monopostului.
În esență monoposturile dedicate competițiilor de motor -sport dezvoltă puteri mari și
moment motor mare, ceea ce conduce la necesitatea îmbunătățirii transmiterii acestor a de l a
roată la sol. În vederea realizării acestui lucru o soluție ar fi creșterea greutății monopostului, dar
acest lucru ar afecta semnificant performanțele generale ale acestuia și nu ar fi justificat. Un bun
mod de a genera o apăsare suplimentară pe pneuri pentru a crește aderența fără a crește masa
monopostului este folosirea de metode de generare a forței de apăsare aerodinamică. În ace st
mod se obține apăsarea necesară fără a crește greutatea monopostului. De asemenea în acest mod
se îmbunătățește manevrabilitatea și performanțele în ceea ce privește calitatea virajelor pe care
le poate executa monopostului , astfel comportamentul monopostului este semnificativ
îmbunătăț it, fiind capabil să atace virajele la viteze mai mari.
Un important factor care poate fi observat în formula 3.1 este că mărimea presiunii care
va genera apăsarea are o creștere exponențială influențată de viteză . Așadar efectele
aerodinamice vor fi mai pronunțate la viteze mari de deplasare.
În ceea ce privește modul de ge nerare a forței de apăsare aerodinamică cel mai cunoscut
mod este utilizarea unor dispozitive aerodinamice care au în secțiune forme asemănătoare cu cele
ale aripilor avioanelor, dar așezate invers, în așa fel încât să se genereze forță de apăsare și nu de
ridicare. Un alt mod de a realiza apăsarea necesară este prin forma generală a vehiculului. [15]

Fig. 3.9 Creșterea efectului aerodinamic odată cu scăderea distanței față de sol
[15]

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
56
Un factor care a schimbat modul în care aerodinami ca unui monopost este gândită a fost
momentul de la sfârșitul anilor 1970 când inginerii implicați în motor -sport au observat că
efectul de apăsare aerodinamic al u nui element aerodinamic este cu atât mai puternic cu cât acel
element este mai apropiat de sol, precum este evidențiat grafic în figura 3.9. Acest efect s -a
dovedit a fi notabil atunci când distanța de la sol la elementul aerodinamic este mai mică decât
lungimea CHORD (explicație) , atunci când vorbim de un profil de tip airfoil . [15]
Fenomenul descris mai sus este denumit în literatura de specialitate “ground ef fect”.
Descoperirea acestui fenomen a condus la încercarea de a utiliza caroseria vehiculului pentru
generarea de forță de apăsare . Astfel această metodă de generare de forță de apăsare este una de
importanță ridicată și care trebuie să fie un prim pas în abordarea unui pachet aerodinamic pentru
un monopost. Utilizând această metodă se poate genere forță de apăsare utilizând elemente ale
caroseriei care ar fi fost folosite chiar ș i fără scop aerodinamic. De obicei elementele cuprinse de
această modalitate de generare a forței de apăsare includ nasul monopostului, podeau și un
difuzor montat în spatele vehiculului pentru evacuarea adecvată a fluxului de aer de sub
monopost.
3.2.3 Factori aerodinamici c are determină forma piesei
Pentru a putea studia și alege o formă pentru botul monopostului trebuie mai întâi să
înțelegem factorii și forțele implicate în aerodinamica unei piese. Se vor analiza astfel o serie de
factori, iar în urma acestei analize se va contura o idee în ceea ce privește modul în care piesa
trebuie să se comporte pentru a putea oferi performanțele necesare.
Primul element ce trebuie studiat este modul în care are loc curgerea fluxul ui de aer în
jurul unui obiect. Pentru a putea defini curgerile fluxului de aer se folosesc streamlines, acestea
materializând vizual liniile pe care le ur mează fluxul de aer în timpul curgerii în jurul unui
obiect . Aceste streamlines pot fi observate în tunelurile de vânt special destinate măsurătorilor și
testărilor aerodinamice. În aceste tuneluri de vânt se folosește injecția de fum care va materializa
curgerile aerului , fiecare punct de injecție de fum materializând o linie de curgere, precum este
prezentat în figura 3.10.[15]

Fig. 3.10 Materializarea curgerii aerului într -un tunel de vân t
[15]

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
57
Analizând mai departe aceste curgeri ale aerului se poate identifica modul în care forma
piesei influen țează liniile de curgere. Astfel la cur gerea fluxului de aer peste caroseria unui
vehicul modul de curgere este considerat atașat dacă curgerea aerului urmează forma ace steia
aproape de suprafață. Acest tip de curgere este reprezentat în situația A din figur a 3.11. Pe de
altă parte dacă liniile de curgere ale aeru lui nu urmează forma obiectului, curgerea va purta
numele ce flux detașat , așa cum se poate observa în situația B din figura 3.11. În continuare se va
studia ce fel de efect are un flux atașat sau unul det așat în ceea ce privește forțele aerodinamice
ce acționează asupra unei piese, adică forța de rezistență la înaintare și forța de apăsarea
aerodinamică. [15]

Fig. 3.11 Tipurile de curgere ale fluxului de aer
[15]
Un alt factor important de analizat din perspectiva aerodinamicii este viteza de curgere.
Mai exact prezintă interes modul în care viteza este distribuită în raport cu obiectul p este care se
realizează curgerea aerului. Vom începe analiza acestui factor prin a preciza că în momentul în
care un autovehicul se deplasează prin masa de aer ce îl înconjoară , se observă că în momentul în
care forma sa perturbă particulele de aer face ca viteza acestor particule să nu fie egală în întreg
fluxul. Pentru a ilustra și descrie m agnitudinea vitezei aerului care trece peste un obiect se poate
folosi o diagramă de distribuție a vitezei. Pentru a ilustra această distribuție a vitezei se poate
folosi o placă plană care va fi introdusă într -un flux paralel de aer, așa cum este reprezentat în
figura 3.12. [15]
Se observă în figura 3.12 că placa va provoca o tulburare a fluxului de aer deși suprafața
acesteia este paralelă cu direcția de curgere a fluxului de aer. Observarea modului în care fluxul
de aer este perturba t se poate face prin injecția de fum pe direcția verticală la un moment t=0.
După un interval de timp scurt se poate face localizarea particulelor de fum injectate și

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
58
conectarea lor cu punctele de injecție inițială, astfel se creează reprezentarea grafică a distribuției
vitezei, având viteza pe axa orizontală și direcția axei z pe verticală. [15]

Fig. 3.12 Distribuția vitezei la o curgere pe o placă plană
[15]
Continuând analiza asupra figurii 3.12 se constată că viteza fluxului de aer aproape de
suprafața plăcii ajunge la 0. Ac est fenomen este cunoscut ca și condiție de alunecare zero.
Fenomenul se datorează acelor particule de aer care sunt în contact cu suprafața și care tind să se
lipească de aceasta. Mergând din spre suprafa ța obiectului în spre exterior se constată că viteza
crește pe măsură ce ne îndepărtăm de suprafață până valorarea acesteia ajunge egală cu a fluxului
de aer care curge neperturbat. Această zonă ce se creează în jurul suprafeței peste care curge
fluxul de aer poartă numele de strat limită. [15]
În ceea ce privește fluxul de aer trebuie menționat că pe l ângă modul în care acesta
curge peste forma unui autovehicul trebuie luat în calcul modul în care ac esta își desfășoară
curgerea înainte de forma caroserie sau după aceasta. Mai precis atunci când caroseria nu ii
perturbă modul de curgere. Dacă curgerea fluxul ui se realizează paralel cu direcția vitezei medii
de curgere atunci vom avea o curgere lamin ară, după cum se poate observa în figura 3.13. Totuși
există posibilitatea ca fluxul de aer să aibă aceeași viteză medie de curgere, dar să a apară o
schimbare temporară a direcției de cur gere. Acest fenomen este responsabil de apariția unei
curgeri turbulente, aceasta este de asemenea reprezentată grafic în fi gura 3.13. Modul în care își
are loc curgerea fluxului de aer este de mare importanță în studiul aerodinamic al unui
autovehicul . Astfel a cesta poate pr ovoca separarea fluxului sau mărimile forței de rezistență la
înaintare și cea de apăsare aer odinamică în momentul tre cerii de la laminar la turbulent sau
invers. [15]

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
59

Fig. 3.13 Distribuția vitezei la o curgere pe o placă plană
[15]
Datorită faptului că stratul limită are importanță ridicată în înțelegerea fenomenelor
legate de aerodinamică vom aprofunda câteva noțiuni referitoare la acesta. Așa cum s -a
menționat și anterior , stratul limită este reprezentat de zona în care fluxul de aer își schimbă
viteza tangențială pornind de la 0 , aceasta fiind în zona de contact cu suprafața peste care aer loc
curgerea, până la viteza fluxului liber de aer , fenomen deja prezentat în figura 3.12. Pe lângă
caracteristicile legate de viteză, stratul limită este caracterizat și de o grosime – δ (delta).
Grosimea stratului este considerată a fi cuprinsă între zona unde fluxul de aer are viteză 0 și zona
unde viteza de curgere se egalează cu cea a fluxului liber. Grosimea stratului limită crește odată
cu distanța parcursă în contact cu suprafața peste care are loc curgerea. Stratul limită se poate
regăsi și in cazul unui autovehicul care se deplasează . În figura 3.14 putem observa cu ar arăta un
profil de viteză în cadrul stratului limită la curgerea peste un autovehicul. [15]

Fig. 3.14 Stratul limită pe suprafața unui autovehicul
[15]
Se poate observa că grosimea stratului limită crește din partea din față înspre partea din
spate. Așa cum a fost menționat și anterior, curger ea fluxului de aer poate să fie laminară sau

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
60
turbulentă. Acest lucru este valabil și pentru stratul limită. Vom analiza o situație similară cu cea
prezentată în figura 3.12, adică curgerea peste o placă plană. În principiu într -o curgere fără
perturbații avem un strat limită cu o curgere laminară, dar, așa cum putem observa în figura 3.15,
de la o anumită distanță locală curgerea stratului limită devine turbulentă. Zona în care se face
trecerea de la o curgere l aminară la una turbulentă poartă numele de zonă de tranziție. După
această zonă se poate observa o creștere în grosimea stratului limită. Această creștere se
datorează componentelor vitezei turbulente. Apar astfel pierderi mai mari în zona stratului limită
în ceea ce privește pierderea de moment motor și pierderea prin frecarea turbulentă cu suprafața,
determinând astfel creșteri ale forței de rezistență la înaintare. [15]

Fig. 3.15 Stratul limită pe suprafața unui autovehicul
[15]
Un alt aspect pe care trebuie să îl luăm în considerare în cadrul factor ilor de natură
aerodinamică care au influență asupra formei piesei este una din aplicațiile ecuației lui Ber noulli
prezentată mai sus. Aplicația asupra căreia trebuie să ne îndreptăm atenția poartă numele de
Tubul Venturi .
Această aplicație a fost introdusă folosind un tub care are o secțiune îngustată î n zona de
mijloc a tubului , schița de funcționare a tubului este prezentată în figura 3.16. Prin interiorul
tubului circulă un fluid în direcția indicată de x in figura 3.16, curgerea fluidului are loc cu o
viteză mai mare prin zona îngustată, fenomen explicat de următoarea ecuație [15]:
𝑉1𝐴1⁄=𝑉2𝐴2⁄ Formula (3.2), [15], pag. 39
Unde: V1 – Viteza in zona de intrare, punctul 1
A1 – Aria in zona de intrare, punctul 1
V2 – Viteza in zona îngustată , punctul 2
A2 – Aria in zona îngustată , punctul 2

Mihai -Vasile TURC Analiza Factorilor ce Determină Forma Botului
61

Fig. 3.16 Tubul Venturi
[15]
Prin aplicarea ecuației lui Bernoulli , prezentată mai sus la formula 3.1, se poate observa
că avem o scădere a presiunii în zona îngustată comparativ cu zona de intrare a tubului.
Aplicarea ecuației lui Bernoulli este prezentată mai jos [15]:
𝑝1
𝜌+𝑣12
2=𝑝2
𝜌+𝑣22
2 Formula ( 3.3), [15], pag. 39
Reprezentarea grafică a scăderii presiunii se poate observa în diagrama prezentată figura
3.16. Scăderea de presiune se identifică ca fiind în legătură directă cu creșterea vitezei , astfel se
poate afla viteza de curgere și prin măsurarea diferențelor de presiune. În cazul tubului Venturi
diferența de presiunea se măsoară folosind un tub subțire care este parțial umplut cu un lichid,
acest lichid este adesea mai greu decât fluidul care se testează in cadrul tubului Vent uri. Datorită
diferenței de presiune existentă în zona îngustată nivelul lichidul ui va urca în acea zonă, indicând
astfel o presiune mai scăzută. Diferența de presiune poate fi interpretată cu ajutorul diferenței de
nivel a lichidului din tubul subțire Δh . [15]

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
62
Capitolul 4
Proiectarea Formei Botului
Proiectarea reperului se va realiza ținând cont de o serie de factori care determină
anumite condiții pe care acesta trebuie să le îndeplinească. Factorii care au rol în ceea ce privește
proiectarea botului sunt: factori ce țin cont de materi alul din care este realizată piesa și
tehnologiile de fabricație ce se pot utiliza pentru materialul respectiv ; factori ce țin con t de
compe tiția în cadrul căreia va fi utilizată piesa ; factori de natură aerodinamică . În ceea ce
privește factorii ce țin cont de materialul din care este realizată piesa și de tehnologia de
fabricație ce se pretează unui astfel de material, de acești a se va ține cont pe tot parcursul
procesului de proiectare . Se va urmări astfel minimiza rea posibilității de apariție a unor limită ri
din punct de vedere al fabricației. Pentru a realiza proiectarea botului s-a utilizat programul de
proiectare asis tată de calculator CAD Catia V5 varianta R21.
Deoarece este primul monopost destinat participării în cadrul unei astfel de competiții a
echipei de Formula Student ART -TU s -a optat pentru utilizarea unui pachet aerodinamic simplu .
Acesta decizie are la baza în primul rând complexitatea de proiectare și simulare necesară pentru
un ansamblu de elemente care alcătuiesc un pachet aerodinamic complet . Pentru un astfel de
pachet aerodinamic este nevoie de un nivel ridicat de experiență în domeniul aerodinamic și în
cadrul competiției pentru care este destinat monopostul. De altfel este recomandat ca echipele
noi intrate în această competiție să construiască un monopost de o complexitate cât mai scăzută
pentru a reuși să realizeze un astfel de proiect. În al doilea rând un astfel de pachet ar genera
costuri sup limentare și timpi mai îndelungați de fabricație și proiectare.
Factorii anterior menționați au determinat ca această lucrare să se concentreze pe
proiectarea unui reper care să aibă o geometrie gândită în așa fel încât să prezinte forțe minime
de reziste nță la înaintare datorită frecării cu aerul. Odată stabilit acest obiectiv, s -a stabilit ca
obiectiv secundar generarea unui maxim de forță de apăsare aerodinamică posibil prin varierea
unor parametrii care determină geometria piesei.
Pentru obținerea unei rezistențe la înaintare minime prin frecarea cu aerul și pentru
generarea de forță de apăsare aerodinamică s -au analizat conceptele teoretice prezent e în
capitolul 4 al acestei lucrări. În cazul forței de apăsare aer odinamică s -a pus accent deosebit pe
fenomenele care au loc în cazul tubului Venturi . Acest lucru este justificat de lipsa unui pachet
aerodinamic complet , iar fenomenele ce au loc în tubul Venturi pot fi realizate folosind caroseria
monopostului , fără a fi obligatoriu ca monopostul să aibă u n pachet aerodinamic complet care
include aripi montate în partea din față și in partea din spate, precum și alte elemente destinate
controlului mai strict al fluxului de aer.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
63
4.1 Condiții impuse de piesele conexe
În ceea ce privește condițiile impuse de piese față de care reperul est e influențat trebuie
să ținem cont de doi factori principali. Acești factori sunt reprezentați de geometria șasiului din
zona frontală și de geometria atenuatorului de impact impus prin regulamentul competiției.
Astfel în figura 4.1 și 4.2 sunt prezentate geomet ria atenuatorului de impact și a șasiului în zona
în care urmează să fie montat nasul.

Fig. 4.1 Vederea din lateral a zonei de montaj a nasului

Fig. 4.2 Vederea de sus a zonei de montaj a nasului
4.1.1 Proiectarea formei botului în plan vertical
În urma analizei aspectelor prezentate în figura 4.1 s-a realizat o primă formă 2D in plan
vertical care să îngl obeze partea din față a monopostului prezentată în figura 4.3.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
64

Fig. 4.3 Geometria preliminară a botului în plan vertical
Încă de la început observăm că în partea de sus , geometria piesei trebuie continuată și
pe corpul principal pentru a avea o tranziție corespunzătoare a suprafețelor . Din acest motiv în
ceea ce urmează această zonă va fi tratată ca fiind una continuă . Separarea celor două zone se va
fac ulterior atunci când va rezulta și forma finală a botului . În partea de jos geometria piesei se
continuă cu podea ua, în acest caz fiind mai simplă co ntinuarea lină a suprafeței. În varianta
propusă în figura 4.3 supraf ața superioară este paralelă cu linia care definește partea superioară a
zonei frontale a șasiului , iar în partea inferioară s -a optat pentru o suprafață generată de două
trepte înclinate la unghiuri diferite.
Următorul pas a fost încercarea de a optimiza varianta curentă prin modificarea unor
parametri cheie care definesc geometria generată de această variantă pentru bot. Parametrii care
au fost variați sunt prezentați în figura 4.4. Acești parametrii reprezintă lungimea nasului fa ță de
partea din față a șasiului, notată cu L și cele două unghiuri care definesc partea inferioară a
nasului notate cu Uf, respectiv Uj.

Fig. 4.4 Parametrii variați pentru a optimiza geometria nasului

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
65
Pentru testarea din punct de vedere aerodinamic a primei formei propuse pentru bot a
fost folosit programul de simulări de dinami ca a fluidelor folosind computerul CFD Ansys R19
V2, precum și ajutorul și cunoștințele oferite de departamentul Body&Aerodynamics din cadrul
echipei de Formula Student ART -TU a Universității Tehnice din Cluj -Napoca. În tabelu l 4.1 sunt
prezentate variantele supuse simu lărilor în funcție de valorile atribuite parametrilor care au fost
variați , iar în tabelul 4.2 sunt prezentate rezultatele simulărilor în funcție de variant a simulată .
Tabel 4.1 Parametrii variați pentru prima variantă de geometrie în secțiune verticală
Lungimea “L” [mm] Unghiul “Uf” [°] Unghiul “Uj” [°]
Varianta 1 A 350 65 10
Varianta 2 A 350 65 15
Varianta 3 A 350 65 20
Varianta 4 A 350 65 25
Varianta 5A 350 70 25
Varianta 6A 400 65 25
Tabel 4.2 Rezultatele simulărilor primei variant e de geometrie în secțiune verticală
Forță de apăsare aerodinamică Forță de rezistență la înaintare
Varianta 1 A
Varianta 2 A
Varianta 3 A
Varianta 4A
Varianta 5A
Varianta 6A
În figura 4.5 este prezentată variantă optimă rezultată în urma simulărilor pentru prima
variantă de geometrie construită în plan vertical , iar in figura 4.6 este prezentat rezultatul
simul ării aerodinamic e 2D pentru această formă .

Fig. 4.5 Varianta de g eometria optim ă în secțiune verticală

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
66

Fig. 4.6 Rezultatul simulării aerodinamice pentru geometria optimă în secțiune verticală
În primul rând se observă că geometria propusă pentru prima variantă a botului în
secțiune verticală a fost completată și extinsă pentru a forma o geometrie închisă în jurul
șasiului . Trebuie menționat că acest lucru a fost necesar pentru a obține un rezultat veridic și
satisfăcător din punct de vedere a reflectării realității în cadrul simulărilor . Geom etria auxiliară
utilizată pentru completarea formei propuse pentru bot a fost menținută identic pentru toate
variantele de geometrie propusă pentru a nu influența rezultatele simulărilor. De asemenea
aceasta a urmat conturul exterior al șasiu lui, aceasta f iind una dintre ideile principale î n ceea ce
privește proiectarea întregii caroserii a monopostului.
Următoarea etapă a fost reprezentată de optimizarea variantei preliminare din punct de
vedere a l formei. În cadrul acestei optimizări s -a modificat forma din partea superioară,
înlocuindu -se geometria generată de o linie dreaptă paralelă cu șasiul, cu un arc de cerc cu o rază
R=3000 mm care să unească vârful botul ui cu zona incipientă a locului destinat pilot ului.
Deoarece geometria a fost modificată și partea de sus a botului nu mai este o linie paralelă cu
partea de sus a șasiului a fost nevoie să se introducă și o înălțime pentru punctul din care
pornește vârful botului monopostului. Înălțimea la care se situează punctul de început al botului
față de calea de rulare a fost notată cu “H” și a fost variată odată cu ceilalți parametri .
Modificările menționate anterior , precum și parametrii variați sunt reprezentate grafic în figura
4.7.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
67

Fig. 4.7 Optimi zarea formei botului în secțiune verticală
La fel cum s -a procedat și pentru prima variantă proiectată s -a pregătit o serie de valori
pentru parametrii care definesc forma botului . S-a procedat astfel pentru a putea compara mai
multe geometrii cu valori similare ale parametrilor pentru a putea confirma cu un grad mai
ridicat de siguranță că geometria a fost îmbunătățită . În același timp s-a căutat variant a optimă
pentru noul tip de geometrie creat. Datorită necesității de introducere a înălțimii la care este
așezat punctul de unde pornește geome tria botului a apărut un nou parametru care a fost variat
pentru a obține cele mai satisfăcătoare rezultate.
Simulările aerodinamice au fost realizate pe baza modificărilor de parametri lor
preze ntate în tabelul 4.3. Rezultatele noilor simulări sunt prezentate în tabelul 4.4.
Tabel 4.3 Variația parametrilor pentru a doua geometri e construit ă
Lungimea “L”
[mm] Unghiul “Uf”
[°] Unghiul “Uj”
[°] Înălțimea “H”
[mm]
Varianta 1 B 350 65 10 320
Varianta 2 B 400 65 10 300
Varianta 3 B 350 65 15 320
Varianta 4 B 400 65 15 300
Varianta 5 B 350 65 20 320
Varianta 6 B 400 65 20 300
Varianta 7B 350 65 25 320
Varianta 8B 350 70 25 320

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
68
Tabel 4.4 Rezultatele simulărilor pentru a doua variantă de geometrie
Forță de apăsare aerodinamică [N] Forță de rezistență la înaintare [N]
Varianta 1B 689.4 67.6
Varianta 2B 839.1 61.7
Varianta 3 B 1656.3 163.9
Varianta 4B 1002.3 68.5
Varianta 5B 729.7 64.6
Varianta 6B 818.5 61.5
Varianta 7B 758.9 77.9
Varianta 8B 851.5 61.6
În urma simulărilor aerodinamice efectuate asupra celei de -a doua variantă de geometrie a
botului în secțiune verticală a rezultat că această variantă de geometrie are proprietăț i
aerodinamice superioare primei variante proiectate. Dintre variantele propuse și testate pentru
această geometrie s -a concluzionat că cea mai potrivită nevoilor este varianta 7B. Reprezentarea
grafică a celei mai bune variante de geometrie din a doua serie generată este prezentată în figura
4.8.

Fig. 4.8 Rezultatul simulării aerodinamice pentru geometria îmbunătățită

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
69
4.1.2 Proiectarea formei botului în plan orizontal
În cazul geometriei botului în planul vertical accentul s -a pus pe re alizarea unei zone
care să permită dirijarea fluxului de aer preluat din fața monopostului în spre zona îngustată
dintre podea și calea de rulare pentru a produce forță de apăsare aerodinamică . Pentru a crea
această zonă s -a optat pentru un segment la începutul botului . Lățimea botului în secțiune
orizontală a derivat din lățimea șasiului . De asemenea lungimea botului a fost definită anterior în
cadrul geometriei create în plan vertical. Următorul pas a fost generarea unui arc de cer care să
fie tangent la li nia definită de lățimea șasiului și care să unească această linie cu segmentul drept
de la începutul botului. S -a conti nuat prin realizarea unei racordări între arcul de cerc creat
anterior și segmentul drept de la începutul botului. Pornind de la acest e idei și ținând cont de
geometria atenuatorului de impact și de cea a șasiului s -a realizat geometria prezentată în figura
4.8.

Fig. 4.8 Geometria preliminară a botului în plan orizontal
La fel ca și în ca zul geometriei din plan vertical s-a încercat optimizarea formei create
prin modificarea parametrilor ce definesc geometria. În cazul formei botului în secțiune
orizonta lă ca și parametri care definesc această formă avem lă țimea segmentu lui drept din față,
notată cu “l” și raza de racordare dintre acest segment și arcul de cerc tangent la lățimea șasiului ,
notată cu „Rf”. Ilustrarea grafică a parametrilor variați în cadrul geometriei din plan orizontal se
regăsește în figura 4.9.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
70

Fig. 4.9 Parametrii geometriei botului în plan orizontal
În cazul geometriei din plan orizontal se va testa în cadrul simulărilor 2D aerodinamice
doar forța de rezistență la înaintare. Datorită acestui fapt se va urmări obținerea unei forțe de
rezistență la înaintare c ât mai mică și în același existenț a unui segment drept în fața botului cu o
lățime satisfăcăto are. În tabelul 4.5 regăsim parametrii variați în cadrul simulărilor pentru prima
variantă de ge ometrie în secțiune orizontală .
Tabel 4.5 Variația parametrilor pentru a doua geometrie construită
Lățimea “l” [mm] Raza “R” [mm]
Varianta 1 H 150 50
Varianta 2 H 150 100
Varianta 3 H 150 150
Varianta 4 H 200 50
Varianta 5 H 200 100
Varianta 6 H 200 150
Varianta 7H 250 50
Varianta 8H 250 100
Varianta 9H 250 150
Varianta 10H 300 50
Varianta 11H 300 100
Varianta 12H 300 150
Varianta 13H 350 50
Varianta 14H 350 100
Varianta 15H 350 150

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
71
La fel ca și în cazul simul ărilor aerodinamice 2D efectuate pe geometria din secțiunea
verticală a botului , s-a completat geometria în secțiune orizontală pentru a face rezultatele cat
mai apropiate de situația reală. Geometria realizată pentru a o completa pe ce a botului s -a făcut
urmărind linii simple și cât mai apropiate de șasiu pentru a reduce aria frontală și costurile de
fabricație . Rezultatele obținute în urma simulărilor sunt prezentate în tabelul 4.6.
Tabel 4.6 Rezultatele simulărilor pentru prima variantă de geometrie
Forță de rezistență la înaintare [N]
Varianta 1 H
Varianta 2 H
Varianta 3 H
Varianta 4 H
Varianta 5 H
Varianta 6 H 68.9
Varianta 7H 80.9
Varianta 8H 82.6
Varianta 9H 80
Varianta 10H 73.3
Varianta 11H 84.9
Varianta 12H 78.8
Varianta 13H 77.2
Varianta 14H 81.6
Varianta 15H 88.3

Fig. 4.10 Rezultatul simulării aerodinamice pentru geometria botului în secțiune orizontală

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
72
În urma simulărilor s -a constatat că varianta optimă pentru geometria botului în secțiune
orizontală este varianta xH. S-a ales această variantă deoarece are o lățime “l” suficient de mare
pentru a putea ghida fluxul de aer corespunzător, iar în același timp forța de rezistență la
înaintare poate fi menținută la valori scăzute. Reprezentarea grafică a simulării pentru varianta
optimă de geometrie pentru bot în secțiune ori zontală este prezentată în figura 4.10.
4.2 Condiții impuse de aerodinamica monopostului
Așa cum s -a menționat și anterior acest prim monopost urmărește să aibă un pachet
aerodinamic foarte simplist accentul fiind pus în principal pe a obține o rezistență la înaintare
prin frecarea cu aerul cât mai mică , iar cu geometria obținută astfel să se încerce și generarea de
forță de apăsare aerodinamică.
Pentru a încerca realizarea unei geometrii potrivite pentru scopul stabilit s-a încerc at
căutarea unei soluții potrivite și în industria aviatică și aeronautică, nu doar în cadrul
motorsportului. Această cercetare s -a concluzionat prin decizia de aborda geometrii folosite în
cazul rachetelor , deoarece geometria folosită pentru proiectarea n asului în cazul unei rachete se
axează exclusiv pe a avea o rezistență la frecarea cu aerul cât mai mică . Astfel s -au analizat
posibilitățile geometrice oferite de acest domeniu.
Un nas folosit pentru o rachetă are o geometrie care poate fi descrisă de regulă printr -o
ecuație definită de o serie de parametri specifici, acești parametri prezentați în figura 4.11.
Parametrii ilustrați în figura 4.11 reprezintă: L – este lungimea totală a nasului ; R – este raza la
baza nasului; y – este raza la o anumită lungime x ; x – variază de la 0 la lun gimea L; C/L –
reprezintă axa mediană a secțiunii. [16]

Fig. 4.11 Parametrii care definesc geometria în cazul unui nas pentru rachetă
[16]
Geometria folosită pentru definirea unui nas folosit în cazul rachetelor se bazează în
mare parte pe figuri ge ometrice precum conuri, segmente de cerc sau elipse, dar si parabole sau

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
73
pe baza unor ecuații matematice . În cadrul acestei lucrări atenția ne va fi îndreptată către
geometria generată prin intermediul ecuațiilor matematice , mai precis spre seria H AACK . [16]
Seria H AACK se remarcă prin faptul ca spre deosebire de celelalte moduri de generarea
a geometriei pentru nas care se folosesc de figuri geometrice această serie a fost creată prin
mijloace matematice cu scopul de a avea rezistența la înaintare prin frecarea cu aerul minimă . Un
alt avantaj al acestei serii care poate fi util pentru scopul acestei lucrări este acela că spre
deosebire de celelalte serii, seria HAACK nu are un vârf ascuțit, ci unul rotunjit. Acest lucru este
de ajutor în respectarea regulamentului care p revede o rază minimă pentru botul monopostului .
Seria H AACK este definită prin următoarea ecuație [16]:
𝑦=𝑅√𝜃−sin(2𝜃)
2+𝐶𝑠𝑖𝑛3𝜃
√𝜋 Formula ( 4.1), [16], pag. 6
𝜃=cos−1(1−2𝑥
𝐿) Formula ( 4.2), [16], pag. 6
Întrucât în ecuația ce determină forma nasului avem constanta C există un set continuu
de forme care pot rezulta în urma acestei ecuații. Totuși printre valorile pe care le poate a vea
constanta C se remar că situațiile în care C=0 și C=1/3. Aceste 2 situații sunt de interes deosebit
deoarece C=0 determină seria LD -HAACK (Low est Diameter – HAACK – seria HAACK cu
rezistență la înaintare prin frecarea cu aerul minimă pentru L – lungimea dată și R – raza dată ,
această rază determinând diametru minim la care se raportează seria ), iar C=1/3 determină seria
LV-HAACK (Low est Volume – HAACK – seria HAACK cu rezistență la înaintare prin frecarea
cu aerul minimă pentru L – lungimea dată , rezultând și un volum minim generat ). [16]
În cadrul acestei lucrări s -a abordat seria LD-HAACK , seria numită și Von Karman,
deoarece s -a putut defini ecuația curbei ce definește geometria nasului folosind constrângeri
geometrice legate de lungimea pe care trebuie să o aibă curba precum și înălțimea la care trebuie
să ajungă ( raza din cadrul ecuației).
4.2.1 Proiectarea formei botului în plan vertical
Rezultatul implementării seriei LD -HAACK în cadrul modelului pentru forma botului
în secțiune verticală este ilustrat în figura 4.12.
Punctul din care s -a pornit geometria nasului a fost stabilit la o lungime de 350 mm față
de centrul țevii care formează partea din fată a șasiului și la o înălțime de 305 mm față de calea
de rulare. De remarcat este că pentru partea superioară a botului p arametrii ce definesc ecuația
din punct de vedere geometric diferă de cei folosiți pentru partea inferioară pentru a îndeplini și

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
74
condițiile impuse de geometria pieselor cu care este în legătură botul monopostului. Parametrii
folosiți se regăsesc în tabelu l 4.7.

Fig. 4.12 Seria LD -HAACK pentru forma în secțiune verticală a nasului
Tabelul 4.7 Parametrii folosiți în seria LD -HAACK pentru forma în secțiune verticală
Partea Superioară Partea inferioară
Lungimea – L [mm] 1050 350
Raza – R [mm] 420 210
Următorul pas a fost testarea geometriei obținute folosind seria LD -HAACK pentru a
determina dacă aceasta este superioară sau nu geometriei create anterior doar pe baza pieselor
conexe. Rezultatul simulării aerodinamice a ge ometrie i asociate seriei LD -HAAC K este
prezentat în figura 4.13.

Fig. 4.13 Simularea aerodinamică a geometriei asociate s eriei LD-HAACK

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
75
În urma simulărilor aerodinamice efectuate asupra geometriei realizate cu ajutorul seriei
LD-HAACK s -a constatat că aceasta este superioară geometriei realizate anterior având o forță
de apăsare aerodinamică cu XX.X% mai mare și o forță de rezistență la în aintare prin frecarea cu
aerul cu XX.X% mai mică. Rezultatul simu lării aerodinamice este rezumat în tabelul 4.8, fiind
pus în comparație cu rezultatul simulărilor efectuate anterior. Se concluzionează astfel că
geometria realizată prin intermediul seriei LD -HAACK este superioară celorla lte modele create
anterior, aceasta fiind aleasă ca fiind definitorie pentru forma botulu i în secțiune verticală.
Tabel 4.8 Rezultatele simulărilor geometriei LD -HAACK
Forță de apăsare aerodinamică Forță de rezistență la înaintare
Geometrie A
Geometrie B
Geometri e LD-HAACK
4.2.2 Proiectarea formei botului în plan orizontal
După cum s -a putut constata în cazul geometriei botului în secțiune verticală utilizarea
unei geometrii bazate pe o ecuație dedicată reducerii f orței de rezistență la înaintarea a condus la
îmbunătățirea proprietăților aerodinamice ale formei respective. Datorită acestui fapt s -a încercat
implementarea unei astfel de ecuații și in cazul formei botului în secțiune orizonta lă.
Pentru a face implementarea ecuațiilor s-a pornit de la segmentul drept din partea din
față a botului stabilit prin simulările aerodinamice anterioare, iar zona în care ar putea fi
implementate ecuațiile este reprezentată de arcul de cerc care leagă partea din față a botului cu
zona în care lățimea botului este dată de cea a șasiului . La fel ca și în cazul geometriei botului în
secțiune verticală s -a implementat o ecuație din seria LD HAACK, geometria rezultată prin
implementarea acestei ecuații este reprezentată în figura 4.14.

Fig. 4.14 Seria LD -HAACK pentru forma botului în secțiune orizontală

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
76
Deoarece în secțiune orizontală botul are o formă simetrică a fost implementată aceeași
ecuație atât pe partea dreaptă c ât și pe partea stângă. În ceea ce privește parametrii folosiți pentru
ecuațiile implementate pe lateralel e formei botului în secțiune orizontală s-a folosit aceeași
lungime “L”=350 mm care a fost deja stabilită odată cu forma botului în secțiune verticală , iar
pentru raza s -a folosit valoarea “R”=175 . Valoarea folosită pentru această rază a rezultat în urma
stabilirii lățimii segmentului drept de la începutul botului și a lățimii botul ui dată de forma
șasiului.
După realizarea geometriei aceasta a fost introdusă într -o simulare aerodinamică 2D
pentru a putea compara caracteristicile aceste ia cu cele ale primei geometrii proiectate pentru
forma botului în secțiune orizontală. Rezultatul simulării aerodinamice este ilustrat în figura
4.15, iar rezultatele numerice sunt reprezentate în tabelul 4.9 alături de cele rezultate în urma
simulării primei variante de geometri a botului în secțiune orizontală.

Fig. 4.15 Simularea aero dinamică a geometriei asociate seriei LD -HAACK
Tabel 4.9 Rezultatele simulărilor geometriei LD -HAACK
Forță de rezistență la înaintare [N]
Geometrie H
Geometrie H LD-HAACK

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Formei Botulu i
77
În urma compar ării rezultatelor simulărilor se poate considera că geometria X este
superioară din punct de vedere a proprietăților aerodinamice, avâ nd o forță de rezistență la
înaintare cu X.X% mai mică decât geometria Y.
Astfel în urma procesului de proiectare se concl uzionează forma aleasă pentru botul
monopostului. Reprezentarea formei rezultate după separarea de corpul principal in variantă
tridimensională este prezentată în figura 4.16.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Ansamblu lui Botului
78
Capitolul 5
Proiectarea ansamblu lui botului
5.1 Proiectarea sistemului de prindere a l botului
După finalizarea formei principale a botului, următoarea etapă în procesul de proiectare
a fost reprezentată de proiectarea sistemului de prindere al bo tului pe monopost. Pentru început
au fost evaluate cerințele impuse pentru sistemul de prindere. Ca și condiții pe care sistemul de
prindere al botului trebuie să le îndeplinească avem:
• centrarea botului în poziția corespunzătoare
• fixarea bot ului în poziția dorită
• montarea și demontarea ușoară a botului
Înainte de a începe proiectarea sistemului de prindere a botului s -a făcut o paralelă cu
modul de prindere al botului folosit în Formula 1. S-a identificat astfel principiul pe care se
bazează montarea unui bot în cadrul unui monopost de Formula 1. Modul în care botul este prins
de restul monopostului este bazat pe un mecanism alcătuit din două părți separabile . O parte care
este inclusă în bot și o parte care este inclusă în șasiu. Modul de îmbinare a botului cu restul
monopostului de Formula 1 este prezentat în figura 5.1 , fiind marcat mecanismul de prindere .

Fig. 5.1 Îmbinarea botului cu restul monopostului pentru Mercedes W05
https://www.racecar -engineering.com/cars/mercedes -w05/
Mecanismul de fixare pr oiecta t în această lucrare este constituit din 2 părți la fel ca și în
cazul mecanismelor folosite în Formula 1. O parte este statică fiind montată fix pe placa pe care
este prins și atenuator ul de impact, deci implicit fix ată pe șasiu , iar o parte po ate exec uta o

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Ansamblu lui Botului
79
mișcare de rotație pentru fixarea botului , această parte a mecanismului fiind prinsă în bot .
Mecanismul folosit este prezentat în figura 5.2.

Fig. 5. 2 Mecanismul de fixare al botului
După cum a fost menționat anteri or partea fixă a mecanismului va fi montată pe șasiu .
Partea fixă a acestui mecanism este reprezentată de tija de blocare (3). Aceasta va avea o
porțiune filetată pe ca pătul tije care se va înșuruba în placa montată pe șasiu asigurând fixarea și
reglarea necesară .
Partea care este înglobată în șasiu este alcătuită din carcasa (1) care conține rotorul (2).
Rotorul (2) este proiectat în așa fel încât să poată executa o mișcare de rotație odată ce tijă de
blocare a pătruns în interiorul acestuia . Mișcarea de rotație poate fi aplicată pe porțiunea
hexagonală din centru rotorului (2) . Rotorul (2) este blocat axial în interiorul carca sei folosind un
inel de reținere (5). Pentru a se putea face blocare mișcării de ro tație involuntară a rotorului se
folosește clema (4). Clema are inclus ă o tijă cu cap rotunjit care pătrunde printr -o gaură de
trecere prevăzută în carcasa (1) și se așază în niște locașuri special concepute pentru acest scop
în rotorul (2) , modul în care clema blochează mișcarea de rotație a rotorului este prezentat în
figura 5. 3. Se observă astfel o serie de 8 găuri egal distanțate cu formă conică care au rolu l de a
fixa tija cu cap rotunjit . Deblocarea capului rotunjit al tijei se face sub acțiunea mișcării de
rotație a rotorului ( 2) aplicată cu o cheie tubulară hexagonală . Pentru fixarea clemei (4) în
carcasa (1) s -a folosit două șuruburi (6) cu cap crestat. Desenul de ansamblu al sistemului de
fixare al botului împreună cu desenele de execuție ale reperelor componente se găsesc în anexa
1.

Mihai -Vasile TURC Proiectarea Ansamblu lui Botului
80

Fig. 5 .3 Blocare rotației mecanismului de fixare a botului