Autor: Barracuda Composites

Frequentemente comentamos sobre as excelentes propriedades mecânicas e a eficiência dos materiais compostos nos posts do blog, assim como o quanto é importante sempre tentar fabricar um laminado com o mais alto teor de fibras possível com o a menor quantidade de vazios.

No entanto, estimar as propriedades mecânicas de laminados na prática não é um processo assim tão fácil. Existem uma infinidade de variáveis a serem consideradas, começando pelo tipo dos materiais, pelo processo de laminação, pressão de moldagem, temperatura e condições ambientais de cura, umidade, além do processo de pós-cura. Processos mais convencionais, que ainda são utilizados pela indústria, como o spray-up e a laminação manual dependem fortemente até mesmo da habilidade do laminador.

Não é nenhum preciosismo afirmar que só é possível ter certeza das propriedades mecânicas de um laminado depois de que ele for construído e testado em ensaios de tração, compressão, flexão e cisalhamento. No entanto, esse é um trabalho caro e muito longe da realidade dos construtores amadores de embarcações.

Isso não significa que esses construtores devam projetar e construir às cegas ou que devam apenas acreditar em experiências anteriores. A micromecânica se apresenta como uma ferramenta de projeto capaz de estimar as propriedades de uma lâmina de material composto com base nas propriedades dos elementos que a constituem, ou seja, a fibra e a resina.

Uma lâmina de material composto é formada por uma matriz polimérica homogênea com adesão perfeita a um conjunto de fibras de reforço perfeitamente alinhadas, espaçadas e contínuas por todo o comprimento do painel. Um conjunto de lâminas como o da Figura 1 forma um laminado e um conjunto de laminados forma uma estrutura, que pode ser o casco de uma embarcação, uma pá de geração de energia eólica ou a fuselagem de uma aeronave, por exemplo.

As características físicas e mecânicas das fibras e resinas estão amplamente disponíveis para os construtores e projetistas em uma ficha disponibilizada pelos fabricantes com as especificações dos materiais, normalmente conhecida como datasheet. A micromecânica permite a utilização dessas informações como forma de prever o comportamento mecânico do material composto construído com esses elementos, o que é uma grande economia de tempo e dinheiro em comparação com a realização de ensaios mecânicos.

É importante ressaltar que os resultados obtidos através dessa ferramenta são apenas estimativas, uma vez que as hipóteses de matriz homogênea e sem vazios, além de adesão perfeita entre fibras e resina, não são possíveis em condições reais. No entanto, as estimativas produzidas são bastante interessantes, além de trabalhar com um conjunto muito simples de equações.

A primeira é a Equação 1 apresentada abaixo, que permite estimar propriedades físicas como a densidade, assim como propriedades mecânicas na direção longitudinal da Figura 1, como a resistência à tração σ e o módulo de elasticidade longitudinal E₁:

A ideia da expressão é que uma propriedade do laminado pode ser estimada a partir da média ponderada das propriedades da fibra P_f e da matriz P_m. O elemento ponderador é a fração volumétrica de fibra v_f e de resina v_m. A fração volumétrica de um elemento é o volume que ele ocupa no laminado dividido pelo volume total do laminado, ou seja:

A fração volumétrica, então, é uma propriedade adimensional obtida a partir da razão entre dois volumes. Na prática não é fácil medir volumes com precisão, principalmente quando se fala das fibras. O post Fração em Peso e Fração em Volume aprofunda essa discussão e mostra como converter a fração mássica, facilmente obtida na realidade de um estaleiro, em fração volumétrica.

As propriedades mecânicas das fibras são sempre superiores em relação às das resinas e é por essa razão que sempre se busca altos teores de fibra. A quantidade de resina ideal é apenas aquela suficiente para impregnar completamente os filamentos de fibra, fornecendo proteção e sendo capaz de transferir os esforços mecânicos.

Outra característica bastante citada no blog é o fato de que os materiais compostos apresentam resistências mecânicas diferentes em diferentes direções. Por definição, eles são ortotrópicos, o que significa que apresentam propriedades desiguais nas direções longitudinal e transversal. Olhando para Figura 1, é fácil entender o porquê.

Se uma força axial é aplicada na direção 1, as fibras conseguem realizar uma excelente contribuição na resistência e rigidez do laminado. Quando a força axial é aplicada na direção 2, as fibras já não estão com a carga aplicada em sua direção preferencial e a Equação 1 não pode ser aplicada. É possível estimar as propriedades mecânicas na direção 2 com a seguinte expressão:

As duas propriedades mais importantes que podem ser estimadas a partir da Equação 3 são o módulo de elasticidade transversal E₂ e o módulo de cisalhamento G₁₂.

A micromecânica é uma ferramenta simples, de fácil aplicação e baixo custo a disposição dos projetistas e construtores de materiais compostos. Além de fornecer estimativas das propriedades físicas e mecânicas aceitáveis para os laminados antes mesmo que eles sejam construídos, ela é capaz de ilustrar algumas variáveis importantes no projeto de estruturas e na escolha do processo produtivo.

Para determinar com melhor precisão as características dos laminados, é necessário construir e ensaiar amostras dos materiais para verificar como eles se comportam em condições reais. No livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites é possível ler mais sobre micromecânica e encontrar dados de propriedades mecânicas de laminados reais que foram ensaiados e podem ser utilizados para construção de sua embarcação.

O último post do blog abordou o tema de cura das resinas termofixas e destacou a importância de sempre buscar a cura total durante o processo de laminação, apesar disso se tornar complicado ao passo que conforme as ligações se formam, o movimento das cadeias poliméricas é limitado e o avanço da cura é restringido.

Se a laminação for realizada em temperaturas ambientes de cerca de 25°C e utilizar uma proporção adequada de catalisadores ou endurecedores, é comum que o grau de interligação alcançado varie entre 80% e 90%. Depois de um período de dois a quatro dias, o grau de cura pode chegar sozinho até cerca de 95%, mas não chegará perto do ideal de 100%. Para isso, é necessário adicionar uma fonte externa de calor para que seja possível se realizar o processo de pós-cura.

Existem algumas maneiras para determinar qual é o grau de cura de um laminado, como pela exotermia ou estimando o estireno residual no caso de resinas poliéster. No entanto, o método mais simples e que mais se adequa à realidade de um estaleiro é a determinação do grau de cura por meio da Dureza Barcol. Embora a dureza final não determine fielmente o grau de interligação, o método é simples e pode ser implementado na linha de produção de qualquer fábrica.  O durômetro Barcol mede a resistência que a resina oferece à penetração de uma agulha padrão comprimida com uma pressão normalizada. Quanto maior a dureza, maior o grau de interligação.

Uma característica chave tanto do processo de cura como das condições de operação da resina é a temperatura de transição vítrea, normalmente chamada de T_G. Essa temperatura marca o ponto que divide o estado em que as ligações cruzadas continuam a se formar e o de repouso molecular. Acima da T_G as moléculas ainda podem se mover, abaixo elas ficam em repouso e o processo de cura não evolui.

Além disso, quando colocada em temperaturas acima da T_G durante o ciclo de vida do laminado, a resina adquire um aspecto borrachoso. Isso é particularmente preocupante em resinas epoxy com baixas temperaturas de transição vítrea, que podem ser alcançadas simplesmente pelo calor gerado durante períodos de exposição solar, fazendo com que os laminados sofram um tipo de “amolecimento”.

O processo de pós-cura é capaz de aumentar a T_G ao mesmo tempo que permite aumento do grau de interligação da resina, possibilitando que o grau de cura se aproxime de patamares próximos a 100%. O princípio do processo é que, após o processo de vitrificação que impede o progresso do processo de cura, uma fonte externa fornece calor o suficiente para que o laminado seja aquecido acima da T_G para que as interligações sejam retomadas até alcançarem outro patamar de vitrificação, caracterizado por outra temperatura de transição vítrea. Então outro aquecimento avança a interligação para um patamar ainda mais alto e assim sucessivamente até a cura plena.

É sempre ideal seguir as orientações dos fabricantes das resinas termofixas, mas em geral o processo de pós-cura é feito somente após que todo o ciclo de cura em temperatura ambiente acontece. Se o método de laminação utilizado tiver o auxílio de vácuo, este deve ser mantido antes e durante a pós-cura, que se inicia apenas após o laminado estar em temperatura ambiente por duas horas.

É necessário então elevar a temperatura de forma controlada, com uma taxa de aproximadamente 1°C/min. Quando alcançar T_G, deve-se estabilizar a temperatura por uma hora para que a temperatura superficial da peça se estabilize. Depois desse período, inicia-se novamente um período de subida de 1°C/min. Ao chegar em um novo patamar de vibração, deve-se estabilizar a temperatura por 5 horas e, após esse período, é interessante voltar a temperatura ambiente também com uma taxa de resfriamento entre 1°C/min e 2°C/min, se a infraestrutura permitir. O ciclo de temperatura de um processo de pós-cura de uma resina epoxy é apresentado no gráfico abaixo.

A fonte externa que fornece calor pode ser uma manta térmica ou uma estufa. Alguns construtores tentam fazer pós-cura por meio da exposição solar, mas esse tipo de procedimento não fornece o controle nem o tempo de exposição necessários a uma temperatura alta e constante o suficiente para realização do processo descrito.

O objetivo do processo de pós-cura, portanto, é aumentar o grau de cura das resinas termofixas que exercem o papel de matriz nos materiais compostos. Por conta disso, é capaz de melhorar as propriedades mecânicas dos laminados, além de aumentar a faixa de temperatura de operações do laminados ao aumentar a temperatura de transição vítrea, bastante conhecida como T_G.

O processo de cura de resinas termofixas pode ser definido como um fenômeno exotérmico que representa a transformação da resina do líquido viscoso em que ela é comercializada para o estado sólido em que ela exerce o papel da matriz polimérica responsável por transferir os esforços mecânicos às fibras de alta rigidez e resistência.

Sejam amadoras ou profissionais, as construções de embarcações em materiais compostos utilizam majoritariamente as resinas poliéster, estervinílicas e epoxy. As duas primeiras possuem longas cadeias poliméricas diluídas em monômetros de estireno e apresentam o mesmo mecanismo de cura ativada por catalisadores por esse motivo, enquanto a resina epoxy trabalha com endurecedores.

As resinas poliéster e estervinílicas iniciam seu processo de cura a partir da adição de um catalisador de peróxido à sua composição, que tem a função de quebrar as ligações insaturadas das cadeias poliméricas e dos estirenos, formando radicais livres altamente energizados e fornecendo calor à mistura. Calor causa ainda mais agitação das moléculas, acelerando o processo de cura.

Esses radicais livres podem encontrar outros monômeros de estireno ou polímeros de poliéster insaturado. É muito mais provável que eles encontrem monômeros de estireno e formem ligações cruzadas usando esse elemento, que antes fazia o papel de diluente, como uma ponte molecular entre cadeias de polímeros.

A formação dessas ligações cruzadas, que também são chamadas de cross-link, acabam restringindo os movimentos da solução que sai do estado líquido e passa para o estado de gel. O intervalo em que é possível trabalhar com a resina no processo de laminação é compreendido entre o momento da adição do catalisador até a passagem da solução para o estado de gel e é chamado de gel time.

Os catalisadores de peróxido são utilizados em pequenas quantidades, em concentrações que variam entre 0,5% e 2% do peso total de resina. Dependendo da temperatura da resina, eles são capazes de fornecer um gel time entre 20 e 30 minutos, mas com o uso de inibidores é possível alcançar um tempo de trabalho de até 45 minutos.

Esse intervalo pode variar entre 15 minutos e algumas horas quando se trabalha com resinas epoxy, dependendo do endurecedor com o qual se trabalha. Diferente dos catalisadores que possuem apenas a função de quebrar as ligações saturadas e formar radicais livres, os endurecedores utilizados para cura das resinas epoxy fazem parte da composição final da resina. A proporção da mistura também é completamente diferente, e resinas de laminação de alto desempenho acabam por ter proporções de resina e endurecedor em torno de 100:33 ou 100: 25 em peso.

Existem diversos tipos de endurecedores que controlam o gel time e as propriedades finais do laminado, assim como a cinética de cura e o ciclo de processamento da resina. Vale destacar os agentes de cura amínicos e os anidros.

Os agentes amínicos são divididos em aminas alifáticas e aminas aromáticas. As aminas alifáticas são altamente reativas e se encontram em estado líquido e volátil em temperatura ambiente, onde apresentam tempo de gel inferior a 60 minutos. Já as aminas aromáticas são endurecedores de cura a quente bem menos reativos que precisam de temperaturas entre 150°C e 180°C, permitindo um tempo de processamento bem maior. Como podem formar estágios de cura parcial, as aminas aromáticas são bastante utilizadas para a manufatura de prepregs.

Os agentes de cura anidros possuem reatividade ainda menor que as aminas aromáticas, possibilitando um longo tempo de utilização durante o processo. Os processos de cura que fazem uso desses endurecedores são relativamente longos e possuem baixa exotermia e, por isso, eles normalmente são utilizados em conjunto com aceleradores.

Assim como se busca um grau de interligação de 100% dos radicais livres na cura de resinas poliéster e estervinílicas, é esperado que após a cura das resinas epoxy todos os grupos epoxy tenham reagido com os agentes de cura. Para isso, a estequiometria da mistura epoxy/endurecedor é fundamental.

É importante observar que, diferente da quantidade de catalisador, não é possível alterar a quantidade de endurecedor para acelerar ou retardar o processo de cura. Como esses agentes fazem parte da composição química final da resina termofixa, utilizar a quantidade incorreta de endurecedor pode prejudicas as propriedades mecânicas do laminado e até mesmo inviabilizar o processo de cura de forma permanente.

É importante destacar a íntima ligação do processo de cura com o calor, seja ele fornecido por uma fonte externa ou criado por meio da quebra das ligações saturadas e formação dos radicais livres. Nesse contexto é importante sempre pensar que quanto maior a área de troca de calor que a peça tem, mais difícil será a realização do processo de cura.

Ainda com isso em mente, é importante que a resina e o molde se encontrem em uma faixa de temperatura adequada antes do início da laminação, de acordo com as especificações dos fornecedores. Essa faixa de temperatura normalmente fica entre 15°C e 35°C e laminar abaixo desse patamar pode impedir o início da cura e acima pode deixar a resina muito reativa e com um tempo de gel muito curto.

Na próxima semana serão definidos mais alguns parâmetros importantes sobre o processo de cura de resinas termofixas, como a temperatura de transição vítrea e como alcançar níveis de interligação próximos de 100% por meio do processo de pós-cura. Além disso, mais informações sobre o tópico podem ser encontradas nos livros da Coleção Jorge Nasseh.

As condições de fabricação possuem influência direta na qualidade final do laminado e as laminações e reparos sempre devem ser realizadas em condições de temperatura dentro dos parâmetros indicados pelos fornecerores para preservar a viscosidade ideal e até mesmo a capacidade de cura da resina. 

Mas além de manter as condições ideais de fabricação, é necessário sempre garantir a segurança dos colaboradores, começando a partir do fornecimento de equipamentos de proteção individual adequados. Se não forem disponibilizados desde o início da fabricação é mais difícil convencer os laminadores a se protegerem posteriormente.

Isso pode se tornar um grande problema uma vez que o estaleiro é um ambiente insalubre por natureza. Todos os materiais de construção de composites possuem características que podem comprometer a saúde da equipe de trabalho a curto e a longo prazo.

O material de reforço mais utilizado na indústria náutica, a fibra de vidro, é um irritante mecânico que causa coceira e irritação quando entra em contato com a pele e com os olhos. Respirar a poeira desse material pode causar irritação na boca, nariz e garganta. Isso tudo pode agravar condições respiratórias e de pele preexistentes quando em exposição contínua.

A resina poliéster é outro material utilizado em larga escala que apresenta características prejudiciais à saúde humana. Durante o processo de cura essa matriz polimérica libera compostos orgânicos voláteis, ou VOCs, que podem causar tontura e sufocação. Além disso, o contato pode causar queimaduras ou irritação na pele e nos olhos. As resinas epoxy também causam irritação e sensibilidade quando em contato com os olhos e com a pele, podendo iniciar até dermatites.

As espumas PVC não são exceções, já que a poeira desse tipo de material pode causar irritação devido à abrasão mecânica quando em contato com os olhos e a pele. Sua inalação também causa irritação no trato respiratório e nos pulmões.

Exposição prolongada à essas condições insalubres podem causar irritações prolongadas mesmo longe do local de trabalho e até mesmo doenças respiratórias graves. Portanto, é necessário proteger os colaboradores fornecendo os equipamento de proteção individual necessários, começando por roupas com mangas compridas e luvas.

Para proteção dos olhos é essencial o uso de óculos de proteção com lentes transparentes. Para evitar a inalação das substâncias citadas, é necessário o uso de máscaras de proteção com filtros PFF2 ou PFF3, capazes de proteger contra a poeira, névoas e fumos. Locais como os punhos podem acabar por ter alguma porção de pele exposta à essas condições, portanto deve ser aplicado um creme protetor nessas regiões.

Deve ser disponibilizado uma emulsão de limpeza para as mãos no fim do trabalho, sempre evitando solventes fortes que possam atacar a pele após a remoção da resina. Um creme apropriado agirá como lubrificante, tirando a resina sem destruir a proteção natural da pele.

Além da disponibilização dos EPIs, é necessário que o construtor tenha acesso às fichas de segurança e proteção química de todos os materiais que utiliza, para ter ciência dos procedimentos de primeiros socorros caso algum acidente aconteça. O local ainda deve estar pronto para conter incêndios já que resinas e solventes são inflamáveis, assim como as espumas PVC. É recomendado o uso de extintores de pó seco, nunca água. A exceção é o catalisador para resina poliéster que deve ser extinto com água.

Outras recomendações relacionadas às condições de fabricação de um estaleiros estão presentes no livro Manual de Construção de Barcos.

O processo de acabamento externo é necessário independentemente do tipo de produção que está sendo feita, seja um processo fabricação de embarcações em séries ou one-off. Na produção seriada, o acabamento é realizado já durante a manufatura do barco que sai do molde com a superfície externa com gelcoat e com a qualidade proporcional à da superfície do molde.

Embarcações one-off podem ter o mesmo grau de qualidade no acabamento ou até superiores. No entanto, essa tarefa exige bastante trabalho e tempo para produzir peças de qualidade. E é importante notar que além do aspecto cosmético, o trabalho de massa e lixa é fundamental para a suavidade das linhas do casco e apêndices que estão submersos, garantindo a performance da embarcação.

As massas de acabamento utilizadas são fabricadas a partir de uma resina de base e um espessante, também chamado de filler. É possível adquirir massas de acabamento prontas no mercado, mas a maior parte dos construtores prefere fabricar seu próprio material com uma receita própria que envolve vários espessantes e cargas, o que permite maior controle de propriedades como a viscosidade e consistência.

Para uso náutico, as resinas epoxy e poliéster são duas opções para a base da massa. As epoxy, como já visto em várias ocasiões aqui no blog, são mais resistentes à absorção de água, apresentam menor contração, maior elasticidade e maior poder de adesão à superfície do casco, mas seu custo é mais alto do que as resinas poliéster.

Quando se utiliza resinas epoxy, por meio da seleção do endurecedor é possível obter tempos de cura entre 15 minutos e 6 horas. No casco das resinas poliéster não é possível alcançar toda essa flexibilidade, mas com catalisação com 1% de MEKP o geltime varia entre 20 e 30 minutos e ainda há a possibilidade do uso de um retardante para estender esse período. A maior parte dos trabalhos de acabamento pode ser realizada com resinas de geltime entre 30 e 45 minutos.

Seja qual for a resina utilizada, o papel desse material é fornecer resistência química e mecânica à massa, enquanto o espessante é responsável por garantir o grau de dureza, facilidade de lixar a superfície e o peso do produto final.

As microesferas ocas são boas opções de espessantes com baixas densidades que fornecem à massa facilidade no lixamento e, se colocada em quantidade suficiente fornece consistência suficiente para aplicação da massa em superfícies horizontais e verticais. Existem três tipos de microesferas, sendo elas a fenólica, as plásticas e as mais comuns, as microesferas de vidro tipo C, que tem partículas que variam entre 40 e 80 µ e uma densidade de 230 g/l.

Outro tipo muito comum de espessante é a sílica coloidal, conhecida como Cab-O-Sil. Ele é capaz de melhorar a tixotropia da resina e é excelente para fabricação de massas que precisam de resistência estrutural, como as utilizadas em colagens. Entretanto, a adição de sílica às microesferas aumenta consideravelmente a dificuldade de lixamento.

Definida a formulação da massa adesiva escolhida, é essencial preparar a superfície da embarcação para aplicação da massa para garantir a aderência do acabamento. As superfícies de fibra devem estar livres de impurezas e contaminação e deve-se lixá-la levemente. É necessário aditivar a superfície se forem produzidas a partir de poliéster e em barcos terminados em epoxy com uma camada de peel ply, é necessário apenas retirar a proteção de nylon e aplicar a massa.

É necessário preparar a quantidade de massa suficiente para cobrir toda a área a ser acabada, prevendo um consumo de 1 a 2 mm se a superfície estiver em ótimas condições. Superfícies com carenamento ruim podem consumir de 3 a 5 mm em média, apresentando regiões que precisaram de ainda mais massa.

Ao preparar a massa tenha o cuidado de repetir a mesma receita em todos os baldes, a fim de garantir a uniformidade da mistura, assim como a densidade, resistência e dureza. Use uma furadeira com uma hélice de 3 a 5 polegadas de diâmetro em baixa rotação para evitar que a velocidade e impacto das pás quebrem as esferas. Verifique a consistência e armazene a mistura para utilização. Observe que, quando estiver usando esferas ocas, a velocidade e o tempo de mistura devem ser o menor possível.

Para aplicação da massa em superfície mal carenadas, é possível utilizar uma espátula raiada, com dentes para superfície da massa estriada que facilitará o lixamento. Depois do primeiro lixamento, é possível preencher o restante com uma massa de cor diferente, se possível, e repetir o lixamento.

Lixar é um processo mais cansativo e difícil do que emassar, mas a execução dessa etapa de uma forma satisfatória é essencial para a qualidade final do acabamento. O lixamento deve ser iniciado com lixas de óxido de alumínio grão 40 e ser realizado em etapas aumentando progressivamente o grão até chegar em 120. Após preparar a superfície com massa, é necessário selecionar o revestimento final do casco que inclui tintas epoxy e de poliuretano, como visto no post de Equipamentos para Pintura.

Materiais compostos são ortotrópicos, o que significa que possuem propriedades mecânicas diferentes quando as cargas são aplicadas em diferentes direções, diferente dos materiais isotrópicos, como metais ou até mesmo um laminado de manta, que apresentam valores de rigidez e resistência independentes da direção do carregamento.  

Essas propriedades direcionais, apesar de exigirem uma maior compreensão de como o material funcionam e cálculos estruturais mais complexos, são uma grande vantagem dos materiais compostos. A ortotropia permite ao projetista maximizar as propriedades do laminado em uma direção particular para absorver as tensões, sem precisar adicionar peso em outras direções que não necessitam de tanta rigidez ou resistência.

É por esse motivo que nas fichas de dados técnicos de fibras de alta performance trazem informações sobre as propriedades mecânicas em função das orientações das fibras. Isso permite ao projetista utilizar essas propriedades a seu favor durante o desenvolvimento da estrutura.

A direção das fibras é dada em um ângulo θ que varia em relação à direção longitudinal do laminado, como mostra a Figura 1 abaixo. Uma camada de tecido unidirecional será muito mais rígida e resistente na direção principal do que elas será na direção x e y.

Existem alguns pontos chaves na estrutura de barcos onde o uso da ortotropia pode aumentar a rigidez e melhorar o sistema construtivo com a vantagem de ainda reduzir o peso e reduzir o custo da laminação. Estes locais são as colagens secundárias que a maioria dos barcos está exposta, como no caso da colagem de anteparas com costados e de reforçadores longitudinais e transversais no fundo do casco.

Tradicionalmente estes locais eram laminados com um misto de woven rovings e mantas de fibra de vidro. As mantas são um tipo de material que exibe uma resistência muito baixa e no caso dos woven rovings, além de terem uma baixa estabilidade dimensional devido à sua trama muito frouxa, ainda têm fios na direção paralela ao esforço de colagem que não contribuem nada na resistência de colagem. A única direção que resiste durante esta colagem é o filamento da trama que está a 90º de direção.

Atualmente, estas partes de um barco são coladas com tecidos biaxiais nas direções de [±45], o que possibilita que as duas direções do laminado trabalhem para fixar a antepara além de permitir uma perfeita acomodação do laminado em uma posição onde as superfícies fazem um ângulo fechado. Outra vantagem também é que os tecidos mutidirecionais podem ser cortados em fitas de modo a reduzir a área de colagem e reduzir o peso.

Levando-se em conta que um barco tem uma série de locais e uma grande área sujeita a laminação secundária, é possível imaginar o tremendo ganho de peso que uma embarcação pode ter com o uso perfeito da direcionalidade dos tecidos.

O uso de tecidos triaxiais também é muito importante na construção de estruturas internas. Ao contrário da construção utilizando tecidos do tipo woven roving nas direções de [0/90] os tecidos triaxiais construídos nas direções de [0/±45] podem proporcionar o balanço correto de propriedades mecânicas estruturais para as vigas das transversais e longitudinais de um barco. Nestas peças as direções preferenciais são [±45] para as almas das vigas e [0] para os flanges. Nestes casos, os tecidos triaxiais devem ter um balanço de 50% de fibras nas direções oblíquas de [±45] e o restante dos 50% na direção de [0]. Estas estruturas devem ser coladas e laminadas ao casco com tecidos nas direções de [±45].

Encontrar as tensões e deformações de estruturas submetidas a determinadas cargas é uma importante atividade de engenharia. Essa tarefa já apresenta suas complicações quando as estruturas são construídas com materiais isotrópicos, onde todas as propriedades dos materiais não variam com a direção, e com geometrias simples. Agora quando se trata de um barco construído com painéis sandwich onde as faces são construídas em laminado sólido e o núcleo é de espuma, o processo se torna um pouco mais difícil.

Além disto, os esforços na estrutura de um barco, seja a vela ou a motor, são extremamente complexos e variam constantemente de intensidade e direção. Embora o método dos elementos finitos não ofereça uma solução precisa, ele fornece uma boa aproximação dos valores de tensão e deformação em cada parte da estrutura possibilitando ao projetista ou construtor otimizar a quantidade de materiais além da direção dos reforços.

O princípio das estruturas sandwich é que os esforços de tração e compressão são suportados pelas faces enquanto o material de núcleo suporta os esforços de cisalhamento. A maneira mais eficiente de estudar como um painel desse tipo se comporta com diferentes condições de contorno e diferentes condições de carga é por meio do método de elementos finitos, um procedimento numérico que divide as partes da estrutura em pequenos elementos de comportamento conhecido. A análise dos valores de tensão e deformação da estrutura é feita através da solução de uma equação matricial que segue o principio da Lei de Hooke, que diz que as tensões são proporcionais às deformações.

Algumas hipóteses devem ser levadas em consideração para utilizar o método de elementos finitos para prever o comportamento de estruturas sandwich, sendo que a primeira é que as tensões perpendiculares ao plano do painel são negligenciáveis tanto no núcleo quanto nas faces. A segunda é que o módulo de elasticidade do núcleo é tão baixo que a rigidez à flexão é fornecida apenas pelas faces. Além disso, os deslocamentos deve ser pequenos, fazendo com que a teoria de flexão seja válida. Por fim, as faces devem ter baixa espessura quando compradas ao núcleo, o que significa que a rigidez à flexão local pode ser ignorada e que c = d, como visto na Figura 1.

A Figura 1 também apresenta duas maneiras de se modelar painéissandwich. A primeira é utilizando elementos sólidos tanto as faces quanto no núcleo e a segunda é modelar as faces com elementos de casca e o núcleo com elementos sólidos. Em sua forma mais simples, elementos sólidos apresentam 8 nós, enquanto elementos de casca apresentam 4.

Ao se utilizar apenas elementos sólidos, as faces e o núcleo terão suas espessuras reais. O problema dessa abordagem é que elementos sólidos apresentam melhores resultados quando são cúbicos, o que obriga o usuário a subdividir o problema em muitas partes, aumentando o número de nós do modelo e, por consequência, o número de graus de liberdade. Dependendo do que se está modelando, o uso dessa abordagem tornará o tempo de processamento inaceitável.

Para diminuir o número de graus de liberdade, o modelo pode ser construído utilizando elementos de casca para representar as faces e sólidos para representar o núcleo. Os nós dos elementos de casca que representam as faces devem estar afastados por uma distância igual a (c+d)/2. Isso é compatível com a hipótese de que a espessura das faces é muito menor do que a espessura do núcleo, mas causa uma diminuição na rigidez ao cisalhamento do núcleo por conta do aumento de sua espessura em (d-c)/2. Para corrigir isso, deve-se compensar o valor do módulo de cisalhamento da seguinte forma:

Onde G_c é o módulo de cisalhamento original do núcleo. A rigidez à tensão, por sua vez, aumentará com o aumento da espessura e portanto deve ser corrigida da seguinte forma:

Onde E_c é o módulo de tração original do núcleo. Na realidade, o módulo de elasticidade do núcleo possui uma influência muito pequena na deflexão de uma estrutura sandwich.

Com as propriedades do núcleo corrigidas, as propriedades mecânicas das faces podem ser calculadas por meio da micromecânica ou por testes mecânicos de um laminado fabricado sob as mesmas condições do painel que se deseja simular. Definindo as condições de contorno das faces e a carga no painel, pode-se utilizar o método de elementos finitos para analisar uma estrutura sandwich.

Qualquer estrutura submetida a um determinado esforço desenvolve uma tensão e se deforma como resposta. As propriedades mecânicas do material utilizado e a geometria da estrutura são as variáveis que determinam a magnitude desses fenômenos.

O módulo de elasticidade é a propriedade mecânica capaz de medir a rigidez de um material ou, em outras palavras, a sua resistência ao alongamento. No uso de materiais compostos, deve-se atentar que os módulos de tensão e compressão são diferentes e ainda variam em função da direção de aplicação da carga, o que é muito eficiente do ponto de vista estrutural.

Ao se projetar uma embarcação, deve-se garantir as rigidezes global e local. A pressão da água atuando no fundo causa deformações nas linhas suaves do casco em todos os momentos que ele passe por uma onda. A rigidez local dos painéis submetidos a esses esforços depende de suas dimensões, do espaçamento entre apoios, da espessura e do módulo de flexão do material.

Deflexões excessivas causam uma série de efeitos adversos, incluindo rachaduras no gelcoat ou na pintura externa, o que pode causar o início da delaminação dos painéis e comprometimento da estrutura. Em casos mais extremos, é possível encontrar relatos de proprietários reclamando de peças do interior se soltando, rangendo e saindo do lugar. Vibração e ruído também podem ser transmitidos pela flexão excessiva da estrutura.

Em geral, uma regra aceita pela maioria dos projetistas é de que as deformações não devem ultrapassar 0,5% ou 1,0%. Para alcançar esses níveis, é necessário aumentar a rigidez do laminado. Aumentar significativamente a espessura utilizando laminado sólido não é a melhor forma de fazer isso, apesar de ser muito praticado em conjunto com a adição de cavernamento rígido de reforços internos. 

O uso de estruturas sandwich, no entanto, é capaz de construir cascos rígidos mais leves, com maior resistência ao impacto causado pela passagem das ondas ou até mesmo pela pressão hidrodinâmica do regime de planeio, além de oferecerem isolamento termo-acústico.

O uso seletivo de fibras de alto módulo em determinados locais também é uma forma de aperfeiçoar as propriedades do laminado de forma eficiente. Por exemplo, áreas como a linha de centro na direção longitudinal do casco, transversalmente na área de fixação dos estais laterais, no local de fixação da quilha com o casco e ao redor dos locais de cargas concentradas no convés podem ser bastante beneficiadas pelo uso de fibras sintéticas como as de carbono, principalmente em projetos que prezem pelo alto desempenho.

Ao aumentar a rigidez de uma determinada região, no entanto, o projetista deve tomar cuidado para evitar que o problema seja transferido a outras áreas e cause um aumento abrupto de tensões. O mesmo cuidado deve ter tomado com o uso de estruturas sandwich, que devem apresentar transições suaves e chanfros de 5:1 em caso de mudança de espessura ou até mesmo de densidade.

De forma ideal, é uma boa prática dimensionar toda a estrutura para que ela tenha o mesmo nível de flexibilidade, o que proporcionará um fluxo de tensões constantes e suaves através de todo o barco. Esse processo envolve uma complicada teoria e é preciso bastante experiência prática para que o projetista seja capaz de compreender todos os esforços aos quais uma embarcação é submetida.

Em um barco a vela, por exemplo, o esforço de compressão do mastro pressiona o fundo do barco, enquanto brandais tracionam os lados e os estais de proa e popa tracionam e comprimem o casco longitudinalmente. Além disso, a passagem por ondas impõe deformações sobre a estrutura do casco, da mesma forma que o momento restaurador imposto pela quilha produz cargas de alta intensidade concentradas na região do fundo. O sucesso de uma embarcação desse tipo, portanto, depende não só da rigidez local dos painéis, como da resistência global do conjunto casco e convés.

As propriedades específicas dos materiais compostos são uma de suas grandes vantagens em relação aos demais materiais de engenharia. No entanto, estimar o peso de uma estrutura não é tão simples como multiplicar o volume e a densidade.

Estimar a densidade e a massa do laminado final é uma etapa importante do projeto e até mesmo do processo de seleção de materiais e, na teoria, é um processo bem simples que tem até suporte em equações da micromecânica, baseadas nas propriedades dos constituintes.

Considerando um laminado sólido, é possível estimar a densidade do composto a partir da média ponderada das densidades das fibras e da matriz, como mostra a expressão abaixo:

Os elemento ponderadores são as frações volumétricas de fibra e resina, que não são fáceis de serem medidas na prática, mas podem ser estimadas a partir do teor de fibra como mostra o post Fração em Peso e Volume de um Laminado.

Como visto nesse post, é muito comum que se utilize os teores em peso de fibras para realizar o planejamento da produção. A quantidade de resina dependerá do tipo de processo utilizado, como mostra o gráfico da Figura 1.

Figura 1. Teor de fibra em função do método construtivo

É possível perceber que em métodos que utilizam vácuo, o peso de fibra representa uma porcentagem maior do peso total do laminado. No caso da infusão a vácuo, por exemplo, esse valor chega a 60%, enquanto o spray-up é capaz de alcançar apenas cerca de 25%.

Mas tomando como exemplo um laminado sólido de duas camadas de tecido EBX400 fabricado por laminação manual, as duas camadas de tecido totalizarão 800 g/m², o que representa 40% do peso final do laminado segundo dados da Figura 1. O restante é composto com resina, que deverá ser estimada em 1200 g/m², formando um laminado de 2 kg/m².

Esse cálculo aproximado não leva em conta parcelas que na prática da construção são bastante significativas, como os overlaps. Se a peça construída possuir largura maior que 1270 mm, é recomendado que o construtor sobreponha ao menos uma faixa de 50 mm de tecido para garantir a integridade da estrutura. É comum que essa sobreposição chegue em até 200 mm em muitos estaleiros e represente uma parcela considerável do peso em fibra, o que consequentemente aumenta a quantidade de resina necessária para impregnação completa.

Nas construções sanduíches, ainda há mais algumas parcelas a se considerar. O peso do núcleo é a mais óbvia e dificilmente é negligenciada, mas a junta adesiva também deve entrar na estimativa. No método de infusão a vácuo, quem faz esse papel é uma quantidade de resina líquida que permeia a superfície dos materiais de núcleo ligando-o com as faces, como pode ser visto no post sobre resin uptake.

Em construções sandwich que utilizam os métodos de vacum bagging ou laminação manual, uma massa de adesivo é utilizada em uma das faces, como visto no post Colagem de Materiais Sandwich. O peso dessa massa deve ser computado, assim como a resina absorvida pelo núcleo na face oposta.

Para estimar a quantidade de resina necessária para fabricação de um laminado ainda é necessário levar em conta as perdas inerentes a cada um dos métodos produtivos. Na laminação manual, porções de resina sobrarão em baldes e tambores, além de quantidades que ficarão impregnadas em rolos e inevitavelmente se espalharão pelo chão do estaleiro.

Nos métodos que utilizam vácuo, uma quantidade de resina permanecerá nas mangueiras. Dependendo do tamanho da peça, essas quantidades serão bastante relevantes e possuir quantidade suficiente de resina no momento da laminação é fundamental para o sucesso da construção.

Em suma, para se estimar o peso de um laminado é necessário levar em conta o peso de fibra, lembrando de incluir os overlaps. O peso da resina necessária para impregnar os reforços vai depender do método de laminação utilizado, assim como a absorção de resina do material de núcleo e o material de núcleo em si. Quando for necessário, é essencial considerar o peso da massa de colagem e é fundamental considerar a resina que será perdida devido à natureza do método de construção.

Além dessas parcelas, a construção de cascos em fibra de vidro deve ainda levar em conta o peso do gelcoat e das camadas de manta que compões o skin coat, que pode alcançar algo entre 600 e 900 g/m² em fibra de vidro.

Todo construtor sabe que apesar dos materiais compostos apresentarem uma resistência à degradação pela umidade infinitamente superior aos materiais orgânicos, como a madeira, os laminados de fibra de vidro não são totalmente impermeáveis e o contato com a água os tornam sujeitos à degradação por hidrólise.  Este fenômeno é basicamente a quebra das moléculas de resina pela ação da água e resulta na formação de bolhas com o passar do tempo.

O tamanho dessas bolhas varia desde uma cabeça de alfinete até uma bola de pingue-pongue e sua concentração também varia em função da região do casco, sendo que a região do fundo é sempre a mais afetada. O problema que começa de uma forma estética se torna estrutural com o passar do tempo conforme as camadas de fibra do casco são progressivamente atacadas. Este ataque químico pela ação da hidrólise pode diminuir a resistência do laminado em até 30%.

A resina poliéster apresenta uma série de vantagens que justificam seu uso na construção náutica, que vão desde a facilidade de manuseio até seu custo. No entanto, sua estrutura química rica em radicais éster favorece o processo de hidrólise, que consiste na quebra das ligações das moléculas da resina pela ação da água e resulta na formação de bolhas.

Para evitar a ocorrência desse tipo de fenômeno, é importante utilizar produtos certificados para construção náutica, que são preparados para o contato com o ambiente marinho durante a vida da embarcação. Uma boa opção são as resinas estervinílicas que possuem radicais éster somente nas extremidades de suas cadeias moleculares.

Um experimento colocou laminados náuticos com superfícies protegidas por gelcoat isoftálico em uma caixa com faces expostas à água a uma temperatura de 65°C de modo a simular a aceleração do processo de hidrólise sobre a face do laminado. Laminados construídos com resina poliéster ortoftálica apresentaram bolhas após 50 dias, enquanto os que utilizaram poliéster isoftálica levaram 75 dias para isso. Em comparação, os construídos com resina estervinílica não apresentaram esse tipo de defeito mesmo após 750 dias. Considera-se que 40 dias nessas condições equivalem a aproximadamente 1 ano de vida de uma embarcação dentro da água.

Uma solução fácil e barata para contornar o problema de hidrolise é realizar a laminação de duas ou três camadas externas iniciais de manta com 300 g/m² com resina estervinílica. Em uma lancha de 40 pés isso equivale a um custo adicional de U$250 dólares, o que é realmente desprezível em relação ao custo total da embarcação, aumentando a durabilidade do produto e a satisfação do cliente.

Em cascos que já apresentam bolhas, o reparo deve ser realizado com a aplicação de um revestimento de resina epoxy. Ao tirar o barco d’água, toda a superfície do gelcoat danificado deve ser removida com uma lixadeira com extremo cuidado para não danificar as camadas de fibra de vidro. O casco deve então ser lavado com água doce e são necessárias algumas semanas para a secagem total do laminado.

O sucesso do reparo depende do grau de secagem do casco e um medidor de umidade pode ser utilizado para verificar se os níveis estão dentro de limites aceitáveis. O período de espera pode variar entre duas a oito semanas, podendo alcançar mais de quatro meses em casos críticos onde grande parte do laminado foi afetado. Quando o laminado estiver pronto para o reparo, deve-se aplicar duas ou três camadas com aproximadamente 500 g/m² de resina epoxy sem solvente e com propriedades adequadas para cura de filmes finos.

O intervalo entre as demãos deve ser rigorosamente respeitado e após a impermeabilização do casco, deve-se realizar o lixamento da superfície e a aplicadas de duas demãos de primer seguido da tinta anti-incrustante.

Embarcações do tipo multicascos são construídas a partir de cascos de igual tamanho posicionados paralelamente. A estabilidade da embarcação se dá pela alta razão de aspecto entre o comprimento e a boca e não há a necessidade de adicionar uma quilha como em um veleiro com apenas um casco, embora alguns destes barcos a vela usem bolinas para aumentar a eficiência quando se veleja contra o vento.

Em um veleiro, manter as deformações do casco dentro de um limite máximo de 1% é importante porque qualquer distorção na geometria sob carregamento resultará na redução da tensão de estaiamento, aumentando a deflexão dos estais de proa e de popa, modificando a curvatura do mastro, deformando as velas e reduzindo o equilíbrio, o ângulo de orça e a velocidade.

Em embarcações a motor, as deflexões devem ser analisadas com cuidado também para que não haja redução na eficiência hidrodinâmica da embarcação que pode chegar a navegar em velocidades acima de 50 nós. Deflexões permanentes devem ser evitadas porque podem distorcer a forma do casco e afetar as acomodações internas, sistemas de bordo e até mesmo a instalação e funcionamento de equipamentos.

Para limitar as deflexões, deve-se realizar o dimensionamento estrutural adequado da embarcação. Para isso, é necessário ter conhecimento das cargas que atuam na embarcação durante sua operação, o que já um processo complexo em monocascos. Embarcações multicascos ainda estão submetidas a todo um conjunto especial de esforços.

A estrutura deve resistir a deflexões causadas por grandes tensões globais devido ao movimento transversal pelos flutuadores e pelo movimento de caturro, também chamado de pitch, criado pela passagem da crista de uma onda na proa de um dos flutuadores e outra pela popa do outro casco. Este movimento induz uma torção na estrutura central dos multicascos de difícil quantificação.

O cálculo torsional em barcos do tipo multicasco deve ter consideração especial principalmente em barcos de alta velocidade. Tanto a estrutura transversal de ligação dos cascos como a sua conexão com o costado e o convés devem ser feitas de forma precisa de modo que o fluxo de tensões nesta estrutura seja dissipado em outras partes do casco.

A ligação desta estrutura com os cascos deve ser feita de modo suave através da transferência de esforços para um conjunto de anteparas que irá descarregar posteriormente os esforços transversais para um sistema de reforços longitudinais.

Os materiais com maior razão entre rigidez e peso a disponibilidade dos construtores são os sandwich com núcleo de espuma e faces de alta rigidez construídas a partir de laminados poliméricos com fibras de vidro. Eles representam a opção com maior eficiência e durabilidade, permitindo também uma construção mais rápida e de menor custo.

Embarcações que prezam o alto desempenho, como veleiros de regata, ainda podem optar por núcleos de honeycomb de aramida e faces construídas com prepreg.

A construção de uma embarcação, seja em série ou one-off, passa pelo planejamento do espaço e da aquisição das ferramentas necessárias para fabricação. O post Layout do Estaleiro já mostra que o primeiro requisito para construção de um barco é um espaço coberto capaz de proteger os materiais e ferramentas das intempéries ambientais.

Já o conjunto de ferramentas e acessórios necessários, assim como o tamanho e porte das máquinas, varia com o tamanho da embarcação e o processo de fabricação utilizado, mas qualquer estaleiro deve ter um conjunto básico de ferramentas que representam um investimento muito baixo em relação ao preço de uma embarcação.  

Os primeiros elementos do conjunto básico de ferramentas que ervem para iniciar a construção dos plugs e moldes são trena, esquadro, sutra e prumo, assim como uma boa linha de 30 metros e uma mangueira plástica transparente com 10 a 12 mm de diâmetro para medir o nível. O construtor deve ter duas trenas, uma metálica de 5 metros e uma de fibra sintética de no mínimo 20 metros.

A qualidade e precisão desse grupo de ferramentas é fundamental para a montagem das cavernas e construção da embarcação e seu custo é baixo em relação às facilidades e qualidade que proporcionará ao construtor.

Grampos em “C” e em “T” também são ferramentas essenciais para quem constrói barcos ou peças auxiliares. Tipos básicos de grampo “C” devem ser adquiridos em tamanhos de 4 a 12 polegadas, enquanto os grampos “T” podem chegar até 24 polegadas.

Como sempre existem trabalhos que exigem uma base firme, tornos de bancada em ferro fundido são recomendados, especialmente o de 4 polegadas de largura e abertura de 5 polegadas.

Para corte de painéis, o construtor pode escolher entre serras tico-tico, traçadores com discos de 6 a 8 polegadas, uma serra circular com discos de corte com diâmetro de 8 a 10 polegadas ou serra de fita com 14 polegadas. Hoje em dia muito trabalho é feito através de corte computadorizado com CNC. Embora não seja necessário, o corte em uma máquina desse tipo pode proporcionar rapidez e precisão para a construção e é especialmente indicado para construção das cavernas em caso de construções com moldes abertos.

É necessário também possuir pelo menos uma ferramenta para se fazer furos. A furadeira selecionada deve ter um mandril que suporte brocas de 3/8 polegadas ou até ½ polegada. Elas podem ser elétricas ou com baterias recarregáveis.

O material necessário para laminação vai variar em relação ao método escolhido e os posts dedicados a cada um dos processos de fabricação descrevem a infraestrutura necessária. No entanto, qualquer construtor precisa de um kitde reparos com ferramentas para laminação manual.

Esse kit deve contar com pincéis de trincha de 2 a 4 polegadas e rolos de lã de carneiro ou espuma para impregnação da resina. É importante selecionar materiais compatíveis com as resinas que serão utilizadas. Rolos de espuma, por exemplo, são ideias para utilização de resina epoxy e a cola dos pincéis de trincha não deve se desfazer em contato com a resina poliéster, rica em estireno.

É essencial também ter meios de realizar a catalisação da resina com precisão. No caso da resina poliéster, um dosemekp pode ser utilizado para determinar a quantidade de catalisador adequada. No caso de resina epoxy, uma balança eletrônica pode ser utilizada para medir a quantidade correta de resina e endurecedor.

A mistura da resina com seu catalisador ou endurecedor pode ser feita manualmente, com um misturador polimérico, ou com uma hélice para mistura acoplada em uma máquina de furar. Esse equipamento ainda pode ser utilizado para misturar massas, porém nesse caso a hélice deve ter de 3 a 4 polegadas de diâmetro, enquanto para homogeneização de resinas cerca de 2 polegadas já é o suficiente.

O excesso de resina pode ser retirado com espátulas poliméricas rígidas e o laminado deve ser comprimido com roletes de ferro com 5/8 a 1 ½ polegadas de diâmetro e 10 a 20 cm de comprimento.

Um termômetro infravermelho é uma ferramenta para acompanhar a temperatura da resina durante o processo de cura e controlar o processo. Um higrômetro de bulbo seco ou úmido também pode utilizado para verificar a umidade relativa do ar e monitorar a área de trabalho. Existem hoje versões digitais com boa precisão.

É importante também que os laminadores estejam utilizando equipamentos de segurança adequados. Isso incluem máscaras, óculos de proteção e luvas para o construtor não ter contato com a resina não curada nem inalar os compostos orgânicos voláteis (VOCs). 

Equipamentos para lixamento também são muito convenientes e podem acelerar muito o trabalho. Existe uma grande variedade disponível no mercado, mas uma lixadeira rotativa que trabalha em uma faixa de 6000 a 9000 rpm com discos de 6 polegadas é essencial para quem trabalha com construção em materiais compostos.

Trabalhos de polimento, no entanto, devem ser realizado em velocidades próximas de 2400 rpa com discos de 7 a 9 polegadas. Normalmente esse tipo de trabalho é feito com uma máquina chamada politris.

Por fim, um compressor de ar com motor de 1,5 HP e reservatório de 100-200 litros é interessante para realizar trabalhos leves. Eles podem ser utilizados para operações de ferramentas pneumáticas, como furadeiras e lixadeiras, assim como para aplicação de gelcoat e pintura.