Mês: janeiro 2022

A madeira balsa representou uma revolução na construção em materiais compostos, sendo o primeiro material de núcleo utilizando em uma construção sandwich na década de 1940. Apesar da teoria sobre a eficiência desse tipo de estrutura estar estabelecida há algum tempo, não foi isso que fez a madeira balsa entrar em cena.

Durante a Segunda Guerra Mundial, os esforços de guerra causaram uma escassez de aço em todo o mundo, obrigando todos os países a encontrarem alternativas. Foi um período em que os materiais compostos tiveram um grande desenvolvimento e foi quando a madeira balsa foi utilizada na construção do bombardeiro Havilland DH.98, a aeronave mais veloz da época.

O “Mosquito”, como era mais conhecido, foi construído em madeira balsa e madeira compensada. Como aconteceu com diversos materiais desenvolvidos nesse período, ao fim da guerra a construção náutica adotou o uso da madeira balsa também, incentivada por sua baixa densidade e excelentes propriedades mecânicas.

Em comparação com outras madeiras, a balsa é muito leve, chegando a ter 150 kg/m³, embora muitas versões possuam densidades acima de 250 kg/m³. Como sua microestrutura é formada por células dispostas na direção transversal à placa, as resistências à compressão e ao cisalhamento são relativamente altas.

A forma de balsa mais utilizada atualmente é a End Grain, madeira originária de florestas tropicais da América do Sul e cultivada principalmente no Equador.

Por ser um material orgânico, a sua densidade é muito variável. Para contornar esse problema, os fabricantes fatiam a madeira extraída em pequenos sarrafos que são colados para formar um bloco a partir do qual são fatiadas placas com quadrados de densidades parecidas, o que resulta em um material com densidade media equalizada, mas cada placa vai possuir um peso diferente.  

A facilidade de processamento da balsa também é uma vantagem. Ela pode ser utilizada em placas planas ou com groovings GS para conformação em curvaturas acentuadas. A maior parte dos construtores amadores trabalham com as ferramentas necessárias para o processamento dessa madeira e ela é compatível com diversos processos de laminação.

As maiores dificuldades relacionadas ao uso de balsa começam com sua alta absorção de resina. A mesma microestrutura celular que fornece ótimas propriedades mecânicas, é o que faz com que o núcleo tenha uma alta absorção de resina pelos poros e através dos cortes da placa e isto faz que o material absorva muita resina no processo de laminação.

Para reduzir esse problema, o construtor pode iniciar o processo de laminação depositando sobre a placa de madeira de balsa uma camada de resina de alta viscosidade com tempo de gel curto, selando sua superfície e impedindo a entrada excessiva de resina, o que aumenta o peso do laminado sem realmente trazer benefício estrutural.

As células abertas que absorvem resina também são as que possibilitam a entrada de água e umidade, que causam a degradação do material orgânico. Para evitar esse processo, a construção em balsa também exige o uso de resina epoxy, que possui uma resistência à entrada de água muito maior do que a poliéster ou a estervinílica. Porém, uma vez que ocorra a entrada de água, a degradação ocorre em alguns anos e o material deve ser substituído, muitas vezes por espumas PVC que são mais leves e possuem células fechadas que não absorvem umidade.

O construtor deve estar sempre atento ao utilizar esse tipo núcleo para construção de embarcações. Em geral, a balsa faz com que as estruturas fiquem mais pesadas e durem menos quando comparada à embarcações construídas com núcleos de espuma PVC.

Existe uma grande variedade de materiais de núcleo a disposição dos construtores de embarcações e constantemente são discutidas no blog as vantagens do uso de estruturas sandwich e, em especial, do uso de espumas de PVC.

No entanto, para que haja uma adesão adequada entre as faces e o núcleo é necessário que essas espumas tenham ranhuras chamadas de groovings. Essas ranhuras, principalmente quando feitas com espessuras inadequadas, podem causar um problema muito conhecido para os construtores, o print-through.

O print-through é a impressão dos materiais de núcleo e principalmente das tramas das fibras na superfície do gelcoat. Esse fenômeno acaba prejudicando o acabamento dos cascos e demais estruturas da embarcação, criando defeitos estéticos nos laminados.

Alguns materiais de núcleo que têm um efeito superficial que podem impedir com esse fenômeno são o Coremat^®e o Soric^®, produzidos a partir de uma mistura de lã de poliéster com microesferas, responsáveis por aumentar o volume do reforco e diminuir a quantidade de resina necessária para impregnação completa do material. Estes materiais não podem ser comparados com espumas e honeycombs, já que suas espessuras não são capazes de desenvolver as tensões atuantes em uma estrutura sandwich de verdade, onde o núcleo deve pelo menos 6 vezes a espessura das faces. De qualquer forma, estes materiais funcionam no skin coat como um bloqueador de impressao das fibras (print blocker)

Além de ser uma material descrito como print blocker, o Coremat^® permite a fabricação de laminados sólidos de maneira mais rápida e mais leve quando em comparação com as versões construídas apenas de resina e manta de fibra de vidro. Fornecido em espessuras entre 2 e 5 mm, sua densidade após impregnado fica entre 540 e 630 kg/m³. 

É importante destacar que o Coremat^® é compatível com os processos de laminação manual e spray-up somente e não deve ser submetido à pressão negativa produzida por um sistem de laminação a vácuo sob hipótese nenhuma. Esse material possui mecanismos que impedem que ele absorva resina demais e algumas variedades ainda apresentam um indicador que muda de cor quando o núcleo está completamente impregnado.

Para impedir o print-through em processos de laminação à vácuo e infusão, o Soric^® é uma opção de núcleo também feita a partir de lã de poliéster e microesferas, mas projetado para projetar as intensas cargas de compressão causadas para esses processos. Disponível em espessuras entre 1 e 5 mm, sua densidade após a impregnação varia entre 600 e 700 kg/m³.

O Soric^® XF é formado por pequenas ilhas hexagonais que adicionam espessura ao laminado e são separadas por canais que agem como um meio de alta permeabilidade e ajudam a resina a se espalhar pela peça, atuando como uma espécie de flow media. Já o Soric^® TF não possui essas ilhas hexagonais, sendo muito mais eficiente enquanto print blocker e também atuando como meio de alta permeabilidade.

O Coremat^® e o Soric^® são duas opções de núcleo a disposição dos construtores que, apesar de não serem capazes de adicionar espessura de forma tão eficiente quando às espumas PVC e nem mesmo possuírem as mesmas qualidades mecânicas, possuem funções específicas interessantes e bastante úteis para construção de embarcações.

A infusão a vácuo e o vacum bag são dois dos principais métodos para construção de embarcações em série. O gradiente de pressão exerce diferentes funções no dois métodos, mas é essencial para o seu sucesso.

No processo de vacum bag, a pressão deve ficar entre 0,4 e 0,6 atm para que seja capaz de compactar o laminado e retirar o excesso de resina que já está presente nas camadas de reforço do laminado. Já no processo de infusão a vácuo, os níveis de pressão devem ficar o mais próximo possível de 1,0 atm para que seja possível transportar as frente de resina ao longo do laminado e garantir a impregnação completa.

Os principais elementos responsáveis pela criação e manutenção do gradiente de pressão são a bomba de vácuo, a bolsa de vácuo e o molde. O drop test é responsável pela avaliação da capacidade dos consumíveis de manter o gradiente de pressão, mas antes disso o construtor deve avaliar a estanqueidade e integridade do molde.

Para manter pressões entre 0,4 e 0,6 atm não existem tantos problemas, mas a partir de 0,8 atm qualquer defeito já pode causar vazamentos capazes de comprometer o processo de laminação. Mesmo a porosidade de um molde de 10 mm de fibra de vidro sólida pode causar vazamentos e o construtor deve fazer o possível para evitá-los ou, pelo menos, estar preparado para eles.

Para isso, após a fabricação do molde e antes da primeira laminação, o molde deve passar por um teste de integridade que deve ser iniciado em uma área que provavelmente não apresente vazamentos, ou seja, sem flanges ou emendas. Isolando um local com essas características de aproximadamente 2 m² é possível verificar se a construção do molde é resistente à vazamentos.

Para realizar o teste nessa área é necessário encerar o molde e isolar a área com tacky tape. Para que a bolsa de vácuo não fique diretamente sobre o molde, é necessário utilizar uma ou duas camadas de tecido biaxial ou breather. A linha de vácuo deve percorrer todo o perímetro da área de teste e deve ser incialmente regulada para uma pressão de 0,3 atm para que a bolsa tenha algum tempo para se ajustar. Quando tudo estiver na posição correta, a pressão deve ser ajustada para 1,0 atm e deve-se realizar uma nova revisão do sistema.

Um aparelho de ultrassom deve ser utilizado para procurar vazamentos, inspecionando o perímetro da tacky tape, todas as conexões válvulas, registros e mangueiras acopladas ao sistema da bomba de vácuo. Garantindo que todos esses elementos estejam sem vazamento, a bomba deve ser desligada e o sistema isolado deve ser capaz de manter a pressão próxima de 1 atm por 30 minutos.

Se ocorrer uma queda de pressão maior que 0,1 atm em cinco minutos, o construtor deve saber que a probabilidade de insucesso é grande e deve procurar reparar o molde. Se o sistema for capaz de manter a pressão, a área de teste deve aumentar progressivamente até atingir toda a área do molde. Áreas com inserts de vigias, gaiutas e os flanges são mais propensas a vazamentos e devem ser cuidadosamente avaliadas.

Alguns construtores podem apresentar certa resistência para realizar o teste de integridade e estanqueidade do molde, já que ele pode ocupar um dia inteiro na produção, mas é importante compreender que ele é capaz de evitar o desperdício de dezenas de milhares de reais em materiais de construção e que a qualidade da peça final aumentará significativamente quanto maior o gradiente pressão alcançada na infusão a vácuo.

As variáveis do processo de infusão a vácuo já foram extensivamente discutidas em diversas ocasiões no blog, sobretudo no post sobre o teste de permeabilidade, propriedade que está intimamente relacionada com a velocidade do avanço da frente de resina.

Normalmente, a infusão de cascos e conveses é realizada com um tempo de infusão entre 30 e 50 minutos dependendo do tamanho da peça e também por conta do tempo de gel típico das resinas poliéster e estervinílicas. Isso não é nenhum problema em laminados sandwich com núcleos de espuma PVC que possuem alta permeabilidade e são um meio poroso por onde a resina pode viajar com facilidade.

No entanto, existem regiões do casco que são construídas em laminados sólidos sem a presença desse meio de alta permeabilidade, como é o caso do fundo de alguns barcos ou por necessidade de instalação de ferragens. Isso não impede que essas regiões sejam infundidas, mas o construtor deve ter alguns cuidados a mais.

É muito mais difícil para resina atravessar múltiplas camadas de reforço compactadas por meio de um gradiente de pressão do que atravessar laminados sandwich que têm alta permeabilidade. O construtor deve ter em mente que o avanço da frente de resina é muito mais lento e deve adotar estratégias para que a infusão ocorra no tempo correto.

O construtor pode adaptar sua estratégia de infusão inserindo mais linhas e entradas de resina, fazendo com que a resina tenha um caminho menor a percorrer antes do produto alcançar o ponto de gel. No entanto, é muito mais comum que os construtores recorram a um consumível chamado tela de infusão.

A tela de infusão é um material de alta permeabilidade que rapidamente distribui a resina ao longo da superfície do laminado, fazendo com que a impregnação ocorra através da espessura e não somente através da comprimento. Uma das grandes desvantagens do uso desse consumível é que o acabamento superficial da face de laminado que não está em contato com o molde fica ligeiramente rugoso, mas isso não é um grande problema estrutural de embarcações que precisam de acabamento perfeito em apenas um dos lados.

Na montagem da infusão, além da tela o construtor deve inserir um filme perfurado entre o peel ply e a bolsa de vácuo. Diferente do filme perfurado utilizado no processo de vacum bag que controla a saída de resina que será absorvida pelo breather, esse release film possui a função de controlar a entrada de resina no laminado e facilitar a posterior desmoldagem da tela. A área aberta, então, é naturalmente maior sendo que os filmes para vacum bag possuem cerca de 0,15% de área aberta enquanto os de infusão alcançar valores próximos de até 1,8%.

Após o posicionamento do peel ply, filme perfurado e tela de infusão, é importante montar as linhas de entrada de resina em cima da tela, para que a resina entre em contato com o meio de alta permeabilidade assim que entrar no laminado.

Outra característica importante que o construtor deve estar atento no momento de selecionar a tela certa é a facilidade em acomodar o material durante a montagem. Uma tela de trama tridimensional com alta permeabilidade e facilidade de moldagem é a mais indicada. É importante também que sejam realizados testes de permeabilidade com laminados equivalentes aos que serão utilizados para fabricação das peças estruturais para que se tenha dados sobre a velocidade do avanço de resina nas condições de produção reais.