RESSALVA

Atendendo solicitação do(a)
autor(a), o texto completo desta
Dissertação será disponibilizado
somente a partir

de 06/09/2025



 

 

 

 

 

EDUARDO PIRES BONHIN 

 

 

 

 

 

 

 

Estudo do processo de produção e de furação do laminado metal fibra de titânio 

6Al4V/fibra de carbono/PAEK 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

Guaratinguetá, SP 

 2023  

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA 
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO” 

Faculdade de Engenharia e Ciências de Guaratinguetá 



 
 

 

 

Eduardo Pires Bonhin 

 

 

 

 

 

 

Estudo do processo de produção e de furação do laminado metal fibra de titânio 

6Al4V/fibra de carbono/PAEK 

 

 

 

 

 

 

 

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia e 
Ciências do Campus de Guaratinguetá, 
Universidade Estadual Paulista, para obtenção 
do título de Doutor em Engenharia Mecânica na 
área de Materiais. 
 
Orientador (a): Prof. Dr. Marcos Valério 
Ribeiro 
Coorientador (a): Prof. Dr. Edson Cocchieri 
Botelho  
 

 

 

 

 

 

 

 

Guaratinguetá 
2023



B714e
Bonhin, Eduardo Pires

Estudo do processo de produção e de furação do
laminado metal fibra de titânio 6A14V/fibra de carbono/
PAEK / Eduardo Pires Bonhin - Guaratinguetá, 2023.

121 f : il.
Bibliografia: f. 108-121

Tese (Doutorado) – Universidade Estadual Paulista,
Faculdade de Engenharia e Ciências de Guaratinguetá, 2023.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro
Coorientador: Prof. Dr. Edson Cocchieri Botelho

1. Ligas de titânio. 2. Materiais compostos. 3. Fibras de
carbono. 4. Resistência ao cisalhamento. I. Título.

CDU 620.1(043)

Luciana Máximo
Bibliotecária/CRB-8/3595



 
 

 

IMPACTO POTENCIAL DESTA PESQUISA  

 

 

Este estudo destaca a viabilidade de um compósito inovador com camadas de liga de titânio (Ti-

6Al-4V) e compósito polimérico termoplástico reforçado com fibra de carbono, superando 

laminados convencionais em resistência. Essa descoberta promete impactar positivamente a 

indústria aeroespacial, impulsionando o desenvolvimento de veículos mais avançados e resistentes. 

 

 

POTENTIAL IMPACT OF THIS RESEARCH  

 

 

This study highlights the feasibility of an innovative composite with layers of titanium alloy (Ti-

6Al-4V) and thermoplastic polymer composite reinforced with carbon fiber, surpassing 

conventional laminates in strength. This discovery promises to have a positive impact on the 

aerospace industry, driving the development of more advanced and resilient vehicles. 

 

 

 

  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  





 
 

 

DADOS CURRICULARES 

 

EDUARDO PIRES BONHIN 

 

NASCIMENTO 01.08.1991 – CAMPINAS/ SP 

 

FILIAÇÃO Jane Raquel Pires Bonhin  

 João Fernando Bonhin Junior 

 

2011/2016  Curso de Graduação 

                                    Engenharia de Materiais, na Faculdade de Engenharia e Ciências de 

Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 

 

2017/2019                   Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de 

                                    Mestrado, na Faculdade de Engenharia e Ciências de 

                                    Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 

 

2019/2023                   Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de 

                                    Doutorado, na Faculdade de Engenharia e Ciências de 

                                    Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 

 

 

 

 

 

 

 



 
 

 

AGRADECIMENTOS 

 

 

Aos Professores Doutores Marcos Valério Ribeiro e Edson Cocchieri Botelho por aceitarem 

mais uma vez a serem meu orientador e co-orientador respectivamente, bem como por estarem 

sempre dispostos a me ajudar e aconselhar em mais uma etapa da minha formação acadêmica. 

A todos os técnicos da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (Unesp), 

Campus de Guaratinguetá que de alguma maneira me auxiliaram nas mais diferentes etapas do 

trabalho. Especialmente aos técnicos do Departamento de Materiais e Tecnologia (DMT) que foram 

parte integral da realização desse trabalho. 

Aos demais professores que auxiliaram na realização dos ensaios e disponibilizaram seu 

tempo para ajudar a concretizar esse trabalho. 

À Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (Unesp), Campus de 

Guaratinguetá por disponibilizar toda a infraestrutura necessária para realização desta tese. 

Às empresas Seco Tools e Toray pela doação de parte dos materiais utilizados para realização 

desse trabalho. 

E à amiga e esposa Sarah David Müzel que me ajudou incentivando, conversando e discutindo 

os resultados e me orientando sempre de maneira positiva e incentivadora.  

 

 

 

Por fim agradeço a todos aqueles que de alguma maneira direta ou indiretamente contribuíram 
para realização dessa tese. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O presente trabalho foi realizado com apoio da: 

 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior- Brasil (CAPES) - código de 

financiamento 001; 

 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)- projeto nº 2017/16970-0; 

 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)- projeto 

nº303224/2016-9. 

 



 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

“As circunstâncias do nascimento de alguém são irrelevantes; é 

o que você faz com o dom da vida que determina quem você é.” 

Takeshi Shudō 



 
 

 

RESUMO 

A utilização e desenvolvimento de materiais compósitos em componentes do setor aeronáutico vem 

crescendo muito nos últimos anos. Isso se deve ao fato destes materiais apresentarem boas 

propriedades mecânicas, aliadas à sua baixa massa específica. Uma das classes de materiais 

compósitos que tem apresentado destaque no setor aeronáutico são os compósitos laminados 

híbridos de titânio. Portanto, o objetivo desta pesquisa é estudar o processo de produção de um novo 

laminado metal fibra constituído por camadas titânio 6Al4V intercaladas com camadas de LMPAEK 

(Low-Melt Poly-aryl-ether-ketone) com fibras de carbono, bem como estudar o processo de furação 

desse laminado. Para tal, foram produzidos laminados constituídos por três camadas de titânio e 

quatro camadas de compósito. Após isso, os laminados foram avaliados a partir de ensaios de 

cisalhamento interlaminar (ILSS), cisalhamento por compressão (CST), Iosipescu, tração e 

excitação por impulso. Para o processo de furação foram utilizadas duas brocas, ambas com 

revestimento de diamante, porém geometrias diferentes, sendo uma com geometria simples e ângulo 

de ponta de 90º, e a outra multifacetada com ângulos de ponta de 60º e 130º. Para ambas as brocas 

foram avaliadas três rotações (2000, 4000 e 6000 rpm) e três avanços (0,025; 0,05 e 0,10 mm/rpm), 

sendo que durante o processo foram coletados dados de potência, vibração e força de avanço. 

Posterior aos processos de furação, foram avaliadas a qualidade dos furos, danos nas brocas e 

realizados novos ensaios de excitação por impulso, os quais tiveram intuito de correlacionar a 

variação do módulo de elasticidade dinâmico com o surgimento de danos causados pelo processo. 

Com relação aos resultados dos ensaios mecânicos, após análise pode-se concluir que o laminado 

produzido apresentou propriedades próximas a de outros laminados encontrados na literatura no 

caso da tração (74,10 GPa), e superiores nas resistências em todos os ensaios de cisalhamento (ILSS 

- 75,40MPa, Iosipescu - 292,47MPa e CST - 28,02MPa), o que torna o material um bom candidato 

a HTCL do futuro. Quanto ao processo de usinagem, identificou-se que a broca que resultou na 

melhor qualidade nos furos, foi a broca com geometria simples e ângulo de ponta de 90º, sendo que 

essa também foi a que gerou menor força de avanço (123,912N). Por fim, no caso da utilização do 

ensaio de excitação por impulso, não se identificou uma correlação direta da variação do módulo de 

elasticidade dinâmico com o dano causado pela variação dos parâmetros do processo de furação. 

 

PALAVRAS-CHAVE: HTCL; PAEK; Excitação por Impulso; Cisalhamento Interlaminar; 

Iosipescu; Cisalhamento por Compressão; Ensaio de Tração; Força de Avanço.  



 
 

 

ABSTRACT 

The use and development of composite materials in aerospace components have been growing 

significantly in recent years. This is due to the fact that these materials offer good mechanical 

properties, combined with their low specific mass. One of the classes of composite materials that 

has gained prominence in the aerospace sector is hybrid laminated titanium composites. Therefore, 

the aim of this research is to study the production process of a new metal-fiber laminate consisting 

of layers of titanium 6Al4V interleaved with layers of LMPAEK (Low-Melt Poly-aryl-ether-ketone) 

with carbon fibers, as well as to study the drilling process of this laminate. For this purpose, 

laminates were produced consisting of three layers of titanium and four layers of composite. 

Subsequently, the laminates were evaluated through interlaminar shear tests (ILSS), compression 

shear tests (CST), Iosipescu tests, tensile tests, and impulse excitation tests. For the drilling process, 

two drills were used, both with diamond coatings but different geometries, one with a simple 

geometry and a 90° point angle, and the other multifaceted with point angles of 60° and 130°. For 

both drills, three rotations (2000, 4000, and 6000 rpm) and three feed rates (0.025, 0.05, and 0.10 

mm/rpm) were evaluated, and data on power, vibration, and feed force were collected during the 

process. After the drilling processes, the hole quality and drill damage were evaluated, and new 

impulse excitation tests were conducted to correlate the variation in dynamic modulus of elasticity 

with damage caused by the drilling process. Regarding the results of the mechanical tests, it can be 

concluded that the produced laminate exhibited properties close to those of other laminates found 

in the literature in the case of tensile tests (74.10 GPa) and superior strengths in all shear tests (ILSS 

- 75.40 MPa, Iosipescu - 292.47 MPa, and CST - 28.02 MPa), making the material a good candidate 

for future HTCL applications. As for the machining process, it was identified that the drill resulting 

in the best hole quality was the one with a simple geometry and a 90° point angle, which also 

generated the lowest feed force (123.912 N). Finally, in the case of the impulse excitation test, no 

direct correlation was identified between the variation in dynamic modulus of elasticity and the 

damage caused by the variation in drilling process parameters. 

 

KEYWORDS: HTCL; PAEK; Impulse Excitation Test; Intelaminar Shear Strength; Iosipescu; 

Compression Shear Test; Tensile Test; Thrust force. 

  



 
 

 

SUMÁRIO 

1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 12 

2 OBJETIVOS .............................................................................................................. 15 

2.1 GERAIS........................................................................................................................ 15 

2.2 ESPECÍFICOS ............................................................................................................. 15 

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 16 

3.1 LAMINADOS METAL FIBRA ................................................................................... 18 

3.1.1 Hybrid Titanium Composite Laminates ………………………………………….. 23 

3.2 TERMOPLÁSTICOS ................................................................................................... 27 

3.2.1 Poli(aril-éter-cetonas) (PAEK) ................................................................................. 27 

3.3 FURAÇÃO ................................................................................................................... 31 

3.3.1 Furação em FML ....................................................................................................... 32 

3.3.1.1 Delaminação na furação .............................................................................................. 34 

3.3.1.2 Cálculo da delaminação no processo de furação ......................................................... 38 

4 MATERIAL E MÉTODOS ....................................................................................... 42 

4.1 PROCESSAMENTO DO HTCL .................................................................................. 42 

4.2 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA ........................................................................... 49 

4.3 FURAÇÃO ................................................................................................................... 54 

4.4 ANÁLISE ESTATÍSTICA ........................................................................................... 58 

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................... 59 

5.1 ANÁLISE DOS TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIES DA LIGA DE TITÂNIO ...... 59 

5.2 PRODUÇÃO DOS LAMINADOS .............................................................................. 60 

5.3 ENSAIOS MECÂNICOS ............................................................................................. 63 

5.3.1 Cisalhamento Interlaminar – ILSS ……………………………………………….. 64 

5.3.2 Cisalhamento Translaminar – Iosipescu …………………………………………. 69 

5.3.3 Compression Shear Test (CST) ……………………………………………………. 75 

5.3.4 Tração ……………………………………………………………………………….. 78 

5.3.5 Módulo de Elasticidade Dinâmico - (IET) ............................................................... 82 

5.4 ENSAIOS DE FURAÇÃO ........................................................................................... 82 

5.4.1 Qualidade dos Furos ………………………………………………………….……. 83 

5.4.2 Desgastes e Danos nas Brocas ................................................................................... 89 

5.4.3 Força de Avanço …………………………………………………………………… 91 

5.4.3.1 Broca multifacetada .................................................................................................... 91 

5.4.3.2 Broca convencional ..................................................................................................... 95 



 
 

 

5.4.3.3 Multifacetada vs Convencional ...................................................................................100 

5.4.4 Módulo de Elasticidade Dinâmico após Furação .................................................. 104 

6 CONCLUSÃO .......................................................................................................... 107 

REFERÊNCIAS…………………………………………………………………………….. 108



12 
 

 

1 INTRODUÇÃO 

A utilização dos materiais compósitos pelo homem coincide com grande parte de sua 

própria existência. As primeiras ferramentas que se tem registro da idade da pedra foram 

construídas com compósitos naturais como madeira e ossos. Outra evidência que demonstra o 

uso de materiais compósitos pelo homem, de um período um pouco mais recente (2000 A.C), 

são os tijolos obtidos a partir de argila reforçada com palha com os quais a cidade de Arg-e-

Bam (Irã) foi construída. Porém, foi somente em meados do século passado que esses materiais 

tiveram seu desenvolvimento impulsionado, mais especificamente durante a segunda guerra 

mundial, onde registrou-se o surgimento dos primeiros materiais classificados como materiais 

compósitos sintéticos, bem como na década de 60 com as primeiras aplicações em aeronaves 

militares (VARVANI-FARAHANI, 2010). 

O grande interesse por parte de pesquisadores e de setores industriais, em especial o 

aeronáutico e o espacial, no desenvolvimento e aplicações dos materiais compósitos, estava 

relacionado com o conjunto de interessantes propriedades mecânicas, químicas e físicas que 

essa nova classe de materiais apresentava. Dentre as principais considerações que contribuíram 

para esse interesse pode-se citar a relação resistência/peso, tornando-os substitutos promissores 

de materiais metálicos monolíticos e suas ligas, o que resultava na redução de massa de forma 

expressiva de componentes e estruturas (TYCZYŃSKI et al., 2014). 

Desde então uma gama muito extensa de materiais compósitos foi desenvolvida e 

aplicada em componentes/estruturas nos mais variados segmentos, tais como: militar, 

aeronáutico, naval, automotivo, civil, medico, esportivo, entre outros. Dentre os diversos tipos 

de materiais compósitos, existe um tipo denominado de Laminados Metal Fibra ou “Fiber Metal 

Laminate (FML)”.  

Esses compósitos são materiais híbridos e tem suas estruturas constituídas por camadas 

de materiais metálicos, sendo normalmente ligas aeronáuticas de aço, magnésio, alumínio ou 

titânio, intercaladas com camadas de polímeros reforçados com fibras de alto desempenho 

como vidro, carbono ou aramida (BONHIN et al., 2021; BOTELHO et al., 2006). Devido a 

essa combinação de materiais, esses compósitos apresentam características únicas que os 

tornam muito atrativos para o setor aeronáutico, como por exemplo resistência à propagação de 

trincas por fadiga, a danos por impacto, a corrosão, a propagação de chamas, entre outras, 



13 
 

 

associadas à baixa massa específica quando comparado a materiais metálicos monolíticos e suas 

ligas (BONHIN et al., 2021; GIASIN, K.; AYVAR-SOBERANIS; HODZIC, 2015). 

Em se tratando de FML, há três principais variações desses compósitos que apresentam 

destaque, sendo esses o ARALL® (Aramid Reinforced Aluminum Laminates), o CARAL® 

(Carbon Reinforced Aluminum Laminates) e o GLARE® (Glass Laminate Aluminum 

Reinforced Epoxy), os  quais são todos constituídos por respectivas ligas de alumínio 7075 ou 

2024-T3, intercaladas com resina epóxi reforçada com as devidas fibras (aramida, carbono e 

vidro) (BOTELHO et al., 2006). 

De acordo com Shanmugan et al.(2020) e Giasin e Avyar-Soberanis (2017) as principais 

aplicações dos FML são em sistemas de fuselagem de aeronaves, bem como recobrimento de 

flaps, pisos de compartimento de carga e contêineres aéreos, como por exemplo no caso do 

Airbus A380, o qual tem praticamente todo o seu revestimento externo feito de GLARE®. 

Ainda, segundo estes, nessa aplicação cada um dos materiais que constituem o FML tem um 

papel importante para o desempenho da fuselagem e segurança da aeronave. O material 

polimérico (epóxi) atua como uma barreira contra a umidade, reduzindo a incidência e a 

intensidade de corrosões na camada metálica. Já as fibras contínuas e a camada metálica são 

responsáveis pela resistência mecânica, bem como por absorver a energia incidente de 

carregamentos por impacto. 

Contudo, no caso de carregamentos por impacto, mesmo que as fibras e as camadas 

metálicas consigam absorver parte da energia, matrizes termorrígidas, como por exemplo, a 

epóxi, podem sofrer danos severos devido ao seu comportamento frágil, o que pode levar o 

componente/estrutura à falha durante o serviço. Shanmugan et al.(2020) afirma que esse 

problema pode ser minimizado a partir da troca dos polímeros termorrigídos por termoplásticos, 

os quais são mais tenazes. Além desse benefício, a substituição por polímeros termoplásticos 

para produção de FML traz outras vantagens como reciclabilidade, termoformabilidade, 

soldabilidade e aumento da taxa de produção, devido a redução do tempo de consolidação do 

laminado (KAZEMI et al., 2020). 

Outro material que vem sendo foco de substituição nesses FMLs (ARALL®, CARAL® e 

GLARE®) são as camadas metálicas, as quais são um fator limitante quando o ambiente de 

aplicação é muito agressivo (corrosivo) e/ou com temperaturas muito elevadas.  Segundo 

Kazemi et al.(2020), a troca por ligas de titânio possibilita a aplicação desses compósitos em 

condições de temperaturas mais elevadas, bem como em ambientes mais agressivos. 

Entretanto, a troca de um ou mais materiais destinados a produção de um FML pode afetar 

consideravelmente o desempenho deste material, visto que um dos aspectos mais importantes 



14 
 

 

e críticos para produção desse tipo de compósito é a adesão interfacial entre a matriz polimérica 

e as camadas metálicas. Segundo Park et al.(2010) e Gonzalez et al.(2018) é essencial conseguir 

uma boa adesão entre os materiais como forma de garantir uma transferência de cargas durante 

as solicitações mecânicas. Caso a adesão interfacial seja fraca ou deficiente, podem ocorrer 

problemas de delaminações (descolamentos) entre as camadas, os quais podem levar a falha 

prematura do material. 

Outro ponto de estudo que deve ser considerado no desenvolvimento de novos FMLs é o 

método de aplicação nas estruturas das aeronaves. De acordo com Moura, Morais e 

Magalhães(2005) e Bonhin et al.(2021), o método mais comum de fixação desses compósitos 

em estruturas ocorre, em sua grande maioria, a partir de juntas mecânicas, ou seja, parafusos e 

rebites exigindo, portanto, a realização de processos de furação.  

Entretanto, apesar de comumente empregado, o processo de furação em materiais 

compósitos é algo complexo, difícil de ser realizado e requer parâmetros específicos de 

usinagem. De acordo com Tsao (2012) e Bonhin et al. (2021), durante o processo de furação 

em materiais compósitos diversos danos podem ocorrer, tais como delaminações, fissuras 

interlaminares, danos de origem térmica, fibras não cortadas e descolamentos de fibra/matriz, 

os quais podem reduzir significativamente o desempenho desses materiais.  

No caso dos FMLs a presença das camadas metálicas, além de alterar completamente a 

dinâmica do processo de furação, torna o material susceptível a ocorrência de outros danos. 

Bonhin et al. (2021) citam que em processos de furação de FMLs além dos danos convencionais 

associados às camadas de compósito polimérico, também podem ocorrer delaminações nas 

interfaces entre as camadas metálicas e  poliméricas, as quais normalmente são mais severas  e 

frequentes devido à baixa interação/ligação entre os dois tipos de materiais. 

Independentemente de serem compósitos poliméricos ou FMLs, a ocorrência de 

delaminações resultantes da furação é inerente ao processo. Desse modo, além do 

desenvolvimento de novos e inéditos FMLs, faz se necessário compreender e determinar os 

melhores parâmetros do processo de furação desses materiais, visando a obtenção de um 

produto final com o mínimo de delaminações possível, de modo a garantir o melhor 

desempenho quando esse estiver em trabalho. 

  



107 
 

 

6 CONCLUSÃO 

 

A partir dos resultados obtidos no presente trabalho, pode-se concluir que foi viável o 

desenvolvimento de um HTCL inédito, constituído por três camadas da liga de Ti-6Al-4V com 

0,4 mm de espessura, intercaladas com quatro camadas de compósito polimérico com matriz 

de LMPAEK e reforço de fibra de carbono com tramagem 5HS. 

Além disso, pode-se afirmar que o HTCL apresenta grande potencial, visto que esse 

apresentou conjunto de propriedades superiores a outros laminados, tais como cisalhamento 

interlaminar, cisalhamento translaminar, cisalhamento por compressão e bem como módulo de 

elasticidade e resistência à tração. 

Por fim, com relação ao processo de furação, pode-se concluir que apesar de ser viável, 

esse ainda demanda de maiores estudos, visto aos desafios e resultados encontrados no trabalho, 

sendo que tal fato decorre principalmente da dificuldade de usinar simultaneamente camadas 

de materiais com propriedades e comportamentos mecânicos completamente distintos. 

 

  



108 
 

 

REFERÊNCIAS 

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109 
 

 

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