Autor: Barracuda Composites

O post da última semana explicou as etapas da construção de plugs e modelos, destacando o quanto o processo de acabamento é importante para qualidade dos moldes e das peças finais construídas a partir dessas estruturas. A verdade é que essa etapa é de extrema importância em qualquer peça laminada e dedicar a devida atenção para essa fase evita múltiplas horas de retrabalho que além de prejudicarem consideravelmente o ritmo de produção, aumentam o custo final das peças.

O gelcoat é a primeira camada de material aplicada ao molde depois da cera desmoldante, ou seja, é o primeiro passo na construção do laminado e apesar de não contribuir estruturalmente, além do acabamento possui a função de fornecer resistência química à embarcação. É um produto à base de resina poliéster combinada com uma série de cargas minerais para que seja possível alcançar as propriedades adequadas, incluindo viscosidade, tixotropia, coloração e resistência química.

A aplicação do gelcoat é um processo muito sensível que exige um bom aplicador, material de qualidade e equipamentos adequados submetidos periodicamente às atividades contidas no plano de manutenção. Existem muitos detalhes envolvidos nesta etapa para que seja possível garantir o melhor resultado possível.

O primeiro ponto importante é a formulação, que será detalhada em um post no futuro. De qualquer forma, o que o construtor deve ter em mente é que dificilmente conseguirá a uniformidade e a qualidade desejada formulando por si próprio o gelcoat, principalmente sem nenhuma experiência prévia. Existem excelentes opções no mercado para construção de embarcações, assim como linhas exclusivas para plugs, modelos e moldes que atenderão bem as necessidades de qualquer estaleiro.

A pistola utilizada para a aplicação do material também tem detalhes que devem ser observados cuidadosamente. Apesar de ser possível aplicar o gelcoat com pincéis e rolos de pintura, a qualidade do resultado final não tem comparação com a aplicação utilizando uma pistola ligada à uma rede de ar comprimido com bico de 4 mm. Pistolas de calibres menores não permitem a passagem de líquidos com a viscosidade do gelcoat, prejudicando sua deposição na peça.

Existem alguns modelos de pistola, incluindo as que conseguem gerenciar a mistura do gelcoat com o catalisador MEKP durante a aplicação, semelhante à lógica utilizada no processo de spray-up. Outra opção são as pistolas de caneco invertido onde o gelcoat já entra no recipiente catalisado e é aplicado dessa maneira.

É importante também utilizar a quantidade adequada de catalisador indicada pelo fabricante, entre 1% e 2% em peso. Quantidades menores podem não fornecer a energia necessária para completar a cura e quantidades maiores podem criar pontos de alta temperatura e causar defeitos na superfície da pintura.

O aplicador deve ter destreza e experiência o suficiente para conseguir alcançar a espessura de 0,6 mm com uma variação de dois décimos de milímetro, o que equivale a aproximadamente 0,8 a 1,0 kg/m² de gelcoat depois da aplicação das múltiplas camadas do produto. Espessuras maiores do que as mencionadas podem causar o surgimento de defeitos de enrugamento, que deverão ser reparados e repintados antes do polimento.

Inclusive, lixar e polir o gelcoat é uma atividade bastante trabalhosa. Para facilitar esse processo, a primeira camada de gelcoat deve ser misturado com uma solução de estireno com parafina. A parafina é um hidrocarboneto que não possui afinidade com a resina poliéster e, portanto, não se mistura quimicamente com o gelcoat. Após a aplicação, ela tende a migrar para superfície do laminado e formar uma pequena película que evita a oxidação do gelcoat, favorece sua cura e facilita muito o processo de lixamento e acabamento. Portanto, seu uso é indispensável e economiza horas de trabalho em acabamento.

A solução parafinada de estireno contém um teor de parafina que varia entre 12 e 15% e pode ser adquirida já pronta para uso. Os fabricantes de gelcoat normalmente possuem instruções sobre a quantidade de solução a ser misturada, mas esse valor fica em torno dos 5%.

Esses são alguns dos detalhes relacionados à aplicação de gelcoat em modelos e plugs, mas que podem ser adotados também para aplicação e acabamento do gelcoat em moldes e peças finais. Mais detalhes sobre esse processo podem ser encontrados no livro Manual de Construção de Barcos.

Após adquirir o projeto de uma embarcação, o construtor tem algumas questões a analisar antes de iniciar o processo de fabricação. Se ele não for utilizar métodos como Power Flex ou Strip Planking em espuma PVC, a primeira dessas questões será a escolha entre a construção de um plug, modelo ou molde temporário.

Modelos e plugs são conceitos muito similares em aspectos práticos, mas que possuem uma diferença em suas dimensões e servem dois tipos de propósitos. Os plugs são utilizados para construção de projetos one-off, ou de poucas unidades, e possuem as dimensões moldadas das embarcações, ou seja, as dimensões finais descontadas da espessura da estrutura.

Já um modelo possui as dimensões finais da estrutura e representa uma etapa intermediária que permite a construção de uma forma, ou molde fêmea, que por sua vez é utilizada para construção de embarcações em série. Apesar da diferença conceitual entre o plug e o modelo, a maneira de construí-los é bastante semelhante e começa com a montagem do picadeiro e posicionamento das balizas.

Atualmente, a maneira mais eficiente de construir as balizas é a partir do corte de chapas de compensado ou MDF em CNC, extraídas do modelo tridimensional do casco. Dessa forma é possível reproduzir fielmente a geometria desejada e em um intervalo de tempo muito menor do que seria necessário para riscar as chapas de compensado manualmente.

Com as balizas posicionadas, qualquer material pode ser utilizado para construção dos plugs e modelos, mas a madeira é a opção mais popular. O construtor deve ter em mente que essas estruturas devem ser preparadas para ter o peso de um molde ou de uma embarcação sobre elas e, portanto, devem ser bastante robustas.

Longitudinalmente, são então posicionados sarrafos de madeira simulando virotes de tamanho real, utilizando técnicas como a de strip-planking ou cold-molded. No caso de algumas grandes lanchas, se utiliza até mesmo compensado naval ou a combinação das três técnicas.

É importante que tanto o plug quanto o modelo continuem por alguns centímetros além da borda livre da embarcação para que o molde ou embarcação possam ser construídos com uma espessura constante até o fim. Uma boa prática é marcar uma linha ou flange para que seja possível retirar o laminado adicional com facilidade quando as peças forem retiradas do molde.

Depois de recobrir toda a superfície do plug ou modelo, é necessário cobrir toda a estrutura com uma massa de acabamento. Esta etapa é fundamental para a qualidade final e qualquer imperfeição nessa superfície acarretará em múltiplas horas de retrabalho, sobretudo se forem reproduzidos em um molde para fabricação de embarcações em série.

Depois da aplicação da massa e lixamento para alcançar a carenagem desejada, o próximo passo é aplicar as demãos de gelcoat ou tintas do tipo PU ou epoxy. Esse processo é bastante sensível para o sucesso da peça final e, dessa forma, o post da próxima semana discutirá esse assunto.

O sistema de vácuo é peça central para o sucesso da infusão à vácuo. O blog já discutiu diversas vezes múltiplas estratégias para a posicionar as linhas de vácuo e de resina, como realizar drop tests e detectar vazamentos no molde, mas a realidade é que para que tudo funcione de maneira adequada o construtor deve possuir bombas e filtros adequados e possuir clareza sobre quais são as funções que eles exercem em cada um dos métodos construtivos.

A bomba é o centro da rede de vácuo e ela deve ser capaz de retirar uma quantidade suficiente de ar do sistema para criar um gradiente de pressão adequado para infusão ou qualquer que seja o processo construtivo utilizado. Devido à confiabilidade, o construtor deve optar por bombas elétricas em relação às que são movidas por ar comprimido, embora as últimas possam ser utilizadas para peças pequenas e alguns reparos. Além disso, deve ser priorizado o uso de bombas de alto vácuo em relação às de alta vazão.

A vazão, ou velocidade que a bomba é capaz de retirar ar do sistema, é importante e não deve ser negligenciada, mas a capacidade de alcançar pressão próxima de 1 atm, ou 760mmHg, deve ser prioridade. Uma bomba com 25 m³/h de vazão é ideal para peças com até 20 m², mas vazões de 50 e 100 m³/h podem facilitar a remoção inicial de ar e agilizar o fechamento da bolsa de vácuo.

É muito comum que os fabricantes informem a vazão da bomba em unidades de CFM, ou pés cúbicos por minuto (cubic feet per minute). Para fins de comparação, 1 CFM equivale a 1,7 m³/h, então, o construtor deve procurar uma bomba de 15 CFM para alcançar a vazão de retirada de ar de 25 m³/h.

Existem opções de bombas refrigeradas a óleo e a ar, mas essas últimas SÓ conseguem alcançar um gradiente de pressão de até 0,8 atm, impedindo seu uso em processos de infusão a vácuo mas permitindo que sejam utilizadas para fabricação com a técnica de vacuum bag

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Para equalizar a remoção do ar e proteger a bomba de impurezas saídas do laminado, é essencial o uso de filtros popularmente conhecidos como traps (armadilha). Os traps possuem uma entrada para a bomba de vácuo e outra que se conecta a uma mangueira ligada à linha de vácuo montada no laminado. Dessa forma, qualquer impureza que deixar o laminado irá para lá antes de ir para bomba, impedindo a contaminação do equipamento principal.

A entrada que se conecta ao laminado pode se dividir em múltiplas tomadas com o uso de um manifold, possibilitando a montagem de diversas linhas de vácuo na peça a ser infundida. Deve-se observar apenas a limitação de vazão da bomba para que todas as entradas sejam capazes de retirar o ar de maneira eficiente da peça.

Muitos construtores enxergam o trap como um depósito da resina que invade as linhas de vácuo quando a frente de resina a alcança antes do início da gelificação, mas isso é altamente indesejado durante a infusão. Retirar resina não curada do laminado significa um risco de deixar os tecidos secos e prejudicar a segurança estrutural da embarcação POIS  LOGO que a resina invade a linha de vácuo, a pressão de compactação diminui consideravalmente, prejudicando a qualidade final do trabalho.

Apesar de o trap ser uma linha de defesa de proteção da bomba de vácuo, é ideal para o processo de infusão que o construtor trabalhe com freios, ou regiões de baixa permeabilidade, antes das linhas de vácuo para que a resina não consiga alcançá-las antes de seu tempo de gel.

No caso do processo de vacuum bag, no entanto, o trap realmente exerce esse papel de armazenar o excesso de resina que deixa a peça durante o período de compactação, mas no processo de infusão ele é responsável por distribuir as linhas de vácuo na peça e não necessariamente receber a resina que sai da peça, até por que a quantidade de matriz utilizada no processo é determinada com base no teor de fibra desejado na estrutura final.

Portanto, o construtor deve buscar bombas de alto vácuo com refrigeradas a óleo alimentadas por energia elétrica para realizar infusões ou executar o processo de vacuum bag. Deve também ter em mente que a função do trap nesses dois processos varia e que deve-se trabalhar ativamente para evitar que a resina alcance a linha de vácuo durante o processo de infusão.

A construção amadora se beneficia muito de métodos de construção one-off como Strip Planking em espuma PVC e Power Flex, que permite ainda que os benefícios do processo de infusão sejam empregados em embarcações construídas sem o uso de moldes. No entanto, é inegável o benefício na produtividade e custo que o uso de moldes traz para construção seriada de embarcações.

Antes de construir essas ferramentas, deve-se ter em mente qual o processo de fabricação das peças que serão retiradas dos moldes, o espaço de trabalho na fábrica e como será a estrutura de reforço.

Por exemplo, se o molde for projeto para o processo de infusão, sua porosidade deve ser baixa e ele deve estar preparado para suportar a aplicação de pressão. Se as peças forem passar pelo processo de pós-cura, o molde deve estar preparado para suportar os ciclos térmicos aos quais será submetido.

O espaço da fábrica combinado com as características da embarcação terá influência no projeto do molde uma vez que determina para onde ele deverá se movimentar durante a laminação e como será a desmoldagem da peça. É comum que os moldes sejam rotacionados para que os construtores tenham melhor acesso para aplicação do gelcoat e laminação do skin coat das embarcações. Já o desmolde da peça pode ser feito por meio do içamento após a cura ou pela separação das partes de moldes bipartidos. Sejam quais forem os casos, o molde deve ser construído com essas questões em mente.

O acabamento da superfície do molde é uma das suas características mais importantes. Qualquer defeito nessa etapa vai ser reproduzido e requerer trabalho nas dezenas ou até centenas de peças que serão produzidas a partir dele, portanto não se deve economizar em materiais ou tempo para criar o melhor acabamento possível.

Em geral, os cascos e conveses de embarcações são construídos a partir de molde fêmea, já que é importante que suas superfícies externas sejam bem-acabadas. A produção desse tipo de ferramenta deve ser feita a partir de um plugue ou de uma embarcação previamente produzida, mas nos dois casos a superfície deve estar livre de qualquer imperfeição.

O início da construção de um molde sobre o plugue ou modelo deve começar com a laminação manual do skin coat composto por duas camadas de manta de 300 g/m² mais quatro camadas de 450 g/m², totalizando 2400 g/m². As mantas mais leves fornecem um acabamento melhor, portanto são laminadas primeiro. Com esse propósito, alguns construtores laminam antes um produto chamado véu de superfície que é uma manta de gramatura muito baixa e que apresentará um teor de resina de 95% no laminado final. Apesar do resultado inicial ser um acabamento impecável, isso aumenta a probabilidade de distorções na superfície do molde por conta da contração da resina.

É ideal que tanto a resina quanto o gelcoat utilizados na construção de moldes sejam de linhas de produtos desenvolvidas para esse fim. Mesmo que os moldes não sejam submetidos à pós-cura, o processo de cura exotérmica das resinas poliéster utilizadas na construção náutica vai estressar a ferramenta, que deve ser construída com resinas com alto HDT (heat distosion temperature) que impedem que a fadiga térmica prejudique a qualidade da superfície do molde em um curto período de tempo.

A resistência química também é uma característica importante da resina, já que ela será constantemente atacada por monômeros de estireno. Por essas razões, é muito comum que se utilizem estervinílicas e epoxy, que também possuem HDT muito mais alto que a poliéster tradicional.

Depois do skin coat, devem ainda ser laminadas algumas camadas de tecidos bidirecionais de alta gramatura, totalizando cerca de 1800 g/m² de tecido e 900 g/m² de manta para estruturar o molde. Dessa forma é possível assegurar que o molde terá espessura e resistência compatível com as tarefas que deverá desempenhar.

Essas são algumas das questões mais importantes a serem levantadas no processo de projeto e construção de moldes para embarcações fabricadas em série. Mais detalhes são descritos no livro Manual de Construção de Barcos.

O blog já contou como foram desenvolvidos vários elementos importantes da construção em composites, incluindo as das fibras de vidro e carbono, além da resina poliéster e das construções sandwich. O processo de infusão a vácuo é outro tópico com uma história rica e interessante, centrada em um engenheiro francês chamado Henry Darcy. 

Henry Darcy foi o responsável por um dos mais audaciosos projetos de abastecimento de água na Europa no século XIX. Em tempo recorde, ele desviou uma fonte natural a 12 km de distância para um reservatório próximo de Dijon, sua cidade natal, utilizando um aqueduto natural que filtrava água por meio da gravidade.

A partir do reservatório, a água era distribuída por 120 hidrantes espalhados pela cidade de forma que nenhum cidadão tivesse que caminhar mais do que 50 metros para que pudesse ter acesso a água potável. Para entender o quanto o projeto era arrojado, é importante saber que em Paris as fontes eram distribuídas a mais de 300 metros uma das outras, na época.

A execução desse projeto foi incentivada por sua experiência crescendo na cidade, já que Darcy ficou doente por alguns anos em sua infância devido ao consumo da água putrefata que chegava até sua casa e causava surtos de cólera, tifo e uma série de outras doenças em toda população. Isso o fez ter uma profunda consciência social e prometer a seu irmão que faria tudo ao seu alcance para melhor o abastecimento de água do lugar em que nasceu.

Esse plano foi ameaçado com a morte de seu pai quando tinha apenas 14 anos. Ele quase teve que parar seus estudos, mas sua mãe se recusou a deixar isso acontecer e usou o fato de que Henry era um aluno brilhante para convencer a prefeitura da cidade a financiar sua educação.

Darcy então se graduou em engenharia civil pela École Polytechinique e aprofundou seus estudos em cálculo, mecânica dos sólidos e dos fluidos na École Nationale des Ponts et Chaussées em Paris, que tinha o objetivo de formar profissionais para promover o desenvolvimento da infraestrutura urbana da França. Isso forneceu as ferramentas que Darcy precisava para criar o projeto de abastecimento hídrico que foi referência não somente na França, mas em toda a Europa.

No fim de sua carreira e após ser reconhecido ao receber diversos prêmios dentro e fora de seu país, Henry Darcy dedicou-se a documentar todo o trabalho que havia executado em uma tese intitulada Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon. No apêndice D desse documento ele descrevia os experimentos que o ajudariam a formular a equação que governa o fluxo de um fluido através de um meio poroso.

Os experimentos encontraram a Lei de Darcy, que relaciona o tempo de saturação de um meio com determinada porosidade e permeabilidade com o a viscosidade do fluido e gradiente de pressão ao qual o sistema é submetido, como mostra a equação abaixo:

Por meio dessa descoberta, foi possível desenvolver e descobrir quais os parâmetros mais importantes no processo de infusão a vácuo, que funciona por meio da saturação de um meio de determinada porosidade e permeabilidade, sendo os tecidos e materiais de núcleo, com um fluido com determinada viscosidade, a resina termofixa. É a partir dela também que softwares modernos são capazes de calcular a velocidade da frente de resina em simulações de fluxo.

O livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites traz mais detalhes sobre a história do aclamado engenheiro francês Henry Darcy e descreve com detalhes as variáveis da lei descoberta por ele no contexto da infusão a vácuo.

O processo de infusão a vácuo traz uma série de benefícios para construção de embarcações que vão muito além do aumento da eficiência estrutural, já que permite a realização da laminação em um ambiente muito mais limpo e organizado. A versatilidade do processo faz com que seja possível construir estruturas a partir de moldes fechados ou até mesmo com painéis planos por meio do Método Power Flex.

Um dos principais elementos que determinam o sucesso da infusão é a resina utilizada. As duas principais características a serem observadas são o tempo de gel e a viscosidade, que são extremamente sensíveis às condições ambientais no momento da fabricação.

O tempo de gel compreende o intervalo entre a mistura da resina com o catalisador e o aumento exponencial de sua viscosidade, que representa sua passagem do estado líquido para o gelatinoso e, posteriormente, sólido. O Gráfico 1 indica que quanto maior a temperatura inicial da resina, menor é o tempo de gel. 

O construtor deve buscar um tempo de gel que seja suficiente para que a resina percorra o caminho designado pelo plano de infusão e entre em estado de gel antes de alcançar as linhas de vácuo, o que causaria uma queda no gradiente de pressão e prejudicaria a compactação do laminado durante o restante do processo de cura da resina.

Quando se fala de resina poliéster insaturadas, amplamente utilizadas para infusão de estruturas náuticas, o tempo de gel pode ser controlado pela concentração de catalisador e pelo armazenamento da resina em uma temperatura inicial adequada. No entanto, a temperatura do ambiente, ou do molde mais especificamente, possui grande influência em outra característica extremamente importante da resina, sua viscosidade.

Fisicamente, a viscosidade representa a resistência de um fluido ao escoamento, mas pode ser interpretada também como a “espessura” de um líquido. O tempo de infusão é diretamente proporcional à essa propriedade, que pode dobrar de valor com uma redução de 10°C na temperatura da resina, como indicado pelo Gráfico 2.

Resinas de laminação manual podem ter até 450 cps de viscosidade, o que tornar a infusão inviável já que o gradiente de pressão não tem força o suficiente para vencer essa resistência ao escoamento e não consegue transportar a resina através do laminado de maneira eficiente. Resinas de infusão, então, devem apresentar viscosidade entre 100 e 200 cps no momento da impregnação.

Moldes de estruturas mais complexas como pás eólicas podem apresentar um sistema de aquecimento para controlar esse aspecto da resina, mas em geral construtores de embarcações são reféns das condições ambientais. É importante, então, realizar a infusão de estruturas dentro das condições ideais de temperatura, que variam entre 20°C e 30°C.

Essas são duas das principais características das resinas de infusão, mas não são as únicas. O pico exotérmico, o teor de sólidos, o intervalo de pico e mais detalhes sobre a formulação de resinas termofixas podem ser encontrados no livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites.

A rigidez de uma estrutura é o produto entre o módulo de elasticidade do material que a compõe e o momento de inércia da seção transversal. O momento de inércia, por sua vez, aumenta exponencialmente em função da espessura t de um laminado.

A melhor maneira de determinar qualquer propriedade de materiais compostos é experimentalmente, ou até mesmo na prática nas condições reais de fabricação. No entanto, existem algumas ferramentas que podem auxiliar construtores e projetistas a estimarem essas propriedades e realizarem ensaios mais assertivos, já na janela mais adequada de experimentação.

Uma dessas ferramentas é a Equação 1, que permite estimar a espessura t de um laminado sólido com base no número de camadas n do tecido de gramatura A_w utilizado. Para utilizá-la, é importante também saber a densidade ρ_f do filamento utilizado e a fração volumétrica v_f de fibra no laminado.

O número de camadas e a gramatura do tecido utilizado são variáveis fáceis de serem determinadas e normalmente são apresentadas no plano de laminação da estrutura. A densidade do filamento varia de acordo com o material utilizado, sendo aproximadamente 2,7 g/cm³ para fibras de vidro e 1,65 g/cm³ para fibras de carbono. Essa informação deve ser sempre confirmada com o fornecedor do material.

A fração volumétrica de fibra em um laminado é um número entre 0 e 1 que indica qual a porcentagem do espaço que a fibra ocupa em relação ao volume total do laminado. Não é fácil obter esse número na prática como é obter o teor de fibra, também chamado de fração mássica de fibra, que é simplesmente o peso de fibra divido pelo peso total do laminado.

A Equação 2 permite converter a fração mássica de fibra em fração volumétrica informando as densidades da fibra ρ_f  e da matriz ρ_m utilizadas para construção do laminado sólido.

O teor de fibra depende principalmente do processo de fabricação utilizado e varia de acordo com o indicado no Gráfico 1. Métodos como spray-up e laminação manual apresentarão uma variação nesses valores em função do operador que está realizando o processo, mas processos mais sofisticados como a infusão e prepregs são capazes de obter teores mais alto e variabilidades menores.

Assim como outras diversas propriedades mecânicas e físicas dos materiais compostos, é possível estimar a espessura de laminados sólidos em função das propriedades dos constituintes e parâmetros do processo de fabricação. É possível encontrar mais informações e uma discussão mais profundo desses parâmetros no livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites.

Os últimos posts refletiram sobre a importância da redução e distribuição do peso em uma embarcação, discutindo alguns mecanismos para reduzir o peso de peças acima da linha d’água possibilitando maior controle sobre a posição vertical do centro de gravidade e, consequentemente, sobre o conforto da navegação.

Os mecanismos discutidos incluíram a retirada do skin coat das peças e eliminação das camadas de manta que não apresentam benefício estrutural, embora elas contribuam para o aspecto cosmético das embarcações. Esses procedimentos são bastante simples e não modificam de forma significativa o custo final dos materiais empregados, entretanto, se o construtor precisar de uma redução mais drástica ele pode recorrer a materiais mais sofisticados como as fibras de carbono.

Os tecidos de fibras de carbono estão disponíveis na mesma variedade de formas que as fibras de vidro, incluindo tecidos uni e bidirecionais, além dos multiaxiais. Esses reforços são mais resistentes e rígidos em comparação com outros tipos de fibra, além de serem mais leves. O resultado é a possibilidade de criar um laminado muito mais eficiente, ou seja, capaz de resistir aos esforços aos quais a embarcação é submetida com muito menos peso.

As faces de um laminado sandwich submetidas a esforços de flexão devem suportar tensões de tração e compressão, portanto é importante entender o comportamento das fibras de reforço nesse contexto. O Gráfico 1 compara a resistência específica à tração de alguns tipos de fibra de carbono e de vidro, mostrando que elas são várias vezes mais resistentes que as fibras e vidro.  

O Gráfico 2 faz a mesma análise em relação à compressão, mostrando que as fibras de carbono superam tambem as fibras de vidro em larga margem. A fibra de vidro S é apresentada no gráfico para fins de comparação, mas deve-se ter em mente que o material massivamente utilizado na construção náutica é a fibra de vidro tipo E, que possui o menor desempenho mecânico entre as fibras.  

Por fim, o Gráfico 3 apresenta o módulo de tração das fibras, mostrando que as fibras de carbono produzem, em média, laminados com 5 vezes mais rigidez à flexão que as fibras de vidro.

Com essas informações, é fácil entender que é possível construir estruturas mais leves e resistentes utilizando fibras de carbono do que com fibras de vidro, aumentando ainda mais o controle que o construtor tem sobre a posição do centro de gravidade. No entanto, existem duas importantes questões que construtores e projetistas devem ter em mente quando utilizam esse mecanismo para redução de peso.

A primeira questão é que, embora mais resistente à tração e compressão, as fibras de carbono possuem um comportamento ligeiramente inferior às fibras de vidro em relação à resistência ao impacto. Por serem mais rígidas, não distribuem os esforços de forma tão rápida quanto às fibras de vidro, o que pode ser minimizado quando se utiliza lamiados sandwich.

De qualquer forma, é muito comum que a camada externa de um laminado com fibra de carbono tenha um tecido de fibra de vidro para combinar os benefícios dos dois materiais e tornar a estrutura mais segura.

O segundo ponto é que a rigidez de uma estrutura é definida como o produto do módulo de elasticidade do laminado pelo momento de inércia de sua seção transversal. O momento de inércia aumenta exponencialmente com a espessura do laminado e, por conta da densidade menor, a espessura final de um laminado de fibra de carbono é menor do que um construído com fibra de vidro, o que acaba diminuindo a rigidez e aumentando a deflexão da estrutura. Isso é facilmente contornável utilizando núcleos de maior espessura, mas o construtor deve se manter atento para levar esse fato em consideração.

O uso de fibras de carbono é mais um dos mecanismos a disposição do construtor para diminuir o peso de estruturas, o que é extremamente importante sobretudo em partes da embarcação acima da linha d’água.

A utilização de laminados de fibra de carbono pode não só diminuir o peso final de uma embarcação, mas também melhorar significativamente o conforto do passageiro durante a navegação. Dessa forma, é de extrema importância que construtores e projetistas tenham ciência desse recurso durante o desenvolvimento do projeto construtivo de uma embarcação.

O post da última semana discutiu como diminuir o peso de uma estrutura também diminuir a intensidade das forças atuantes, além de abordar a importância que a distribuição dos pesos tem não só no projeto estrutural, como no comportamento de outros parâmetros de projeto da embarcação, incluindo a estabilidade transversal.

É muito comum que embarcações de passeio que naveguem em regime de planeio possuam um ambiente que fica acima da casaria, chamada de hard top. Essa estrutura está submetida à elevadas acelerações verticais e está muito acima da linha d’água, o que significa que sua massa deve ser a menor possível para não elevar exageradamente o centro de gravidade e para que a intensidade das forças atuantes seja a menor possível.

Para conseguir diminuir a massa desse elemento, o construtor deve refletir na composição típica dos laminados estruturais de embarcações. Após a aplicação do gelcoat no molde, existe a laminação do skin coat, seguido das camadas de tecido estruturais normalmente combinados com mantas e dos materiais de núcleo.

O skin coat é composto por múltiplas camadas de manta normalmente laminadas com resinas estervinílicas. Ele possui a função de fornecer resistência química e garantir o excelente acabamento dos laminados, evitando o print-thru das fibras e dos groovings do material de núcleo. O skin coat não possui nenhuma contribuição estrutural para as peças e é um laminado pesado, já que é construído com mantas e rico em resina.

Ele faz sentido na construção de cascos que estão em contato direto com o mar e precisam de proteção química para evitar que os laminados estruturais tenham contato com a água e umidade. Essa função não é crítica para peças como o hard top, que estão afastadas das maiores fontes de umidade da embarcação.

Para remover o skin coat e ainda assim evitar o print-thru, os construtores podem recorrer à espumas com cortes mistos. Na face interior, o corte deve ser desenvolvido para facilitar a permeabilidade da resina durante a infusão e possuir perfurações passantes para o transporte de ar e resina para a face exterior, que pode ser completamente plana.

Para garantir que os tecidos da face externa tenham adesão adequada ao material de núcleo, o construtor deve utilizar uma resina com alto poder de adesão durante o processo de infusão a vácuo, que deve ocorrer com um gradiente de pressão muito próximo de 1 atm. Para isso, o molde deve ser ter baixa porosidade e ser adequadamente testado, assim como todo o setup de infusão deve ter passado pelo drop test.

Existem resinas poliéster de infusão com adesividade o suficiente para serem aplicadas nessas situações, o que também possibilita o uso de tecidos sem manta, construídos somente com filamentos contínuos que possuem alta eficiência estrutural. Dessa forma, mais algumas camadas de manta e a resina que as acompanham são eliminadas do plano de laminação.

Esses são alguns dos mecanismos à disposição dos construtores para redução de peso de um elemento estrutural que está sujeito a elevadas acelerações verticais e pode ter grande influência na posição do centro de gravidade vertical da embarcação e, consequentemente, no conforto da navegação. Por não utilizarem nenhuma matéria-prima diferente, esses mecanismos não elevam o custo da construção e ainda consomem uma quantidade menor de resina.

A eficiência estrutural dos materiais compostos foi extensivamente discutida em várias ocasiões no blog, mostrando que é possível construir embarcações mais fortes e mais leves, especialmente quando são utilizados núcleos de espuma PVC e processos de fabricação sofisticados, como a infusão a vácuo. Existe uma série de benefícios decorrentes dessa eficiência, principalmente em embarcações de planeio com estruturas pesadas em pontos muito altos, como é o caso de casarias e hard tops.

Para começar a discuti-los e mostrar que são mais complexos do que simplesmente economia de combustível ou aumento da capacidade de carga da embarcação, é necessário compreender que qualquer projeto náutico ou naval é feito em espiral e a mudança em uma das características altera o comportamento de todas as outras.

Para começar a entender a relação da embarcação com seu peso, é preciso entender que uma embarcação é uma viga livre-livre auto equilibrada. Isso significa que suas extremidades não possuem restrição de movimentos e seu equilíbrio é decorrente do balanço das forças de gravidade e de empuxo da água. Em lanchas que navegam em regime de planeio, existem forças hidrodinâmicas que também entram nessa equação.

A física define que a intensidade de uma força é igual ao produto da massa de um corpo por sua aceleração. Quando a embarcação está parada ou navegando em regime de deslocamento, está submetida à aceleração da gravidade. Em um regime de planeio que envolvem forças hidrodinâmicas, existem ainda uma aceleração vertical decorrente desse regime dinâmico. As intensidade das forças que atuam na embarcação, então, são diretamente proporcionais à sua massa.

Essa questão ilustra bem o caráter iterativo do projeto de uma embarcação. Em termos simples, quanto mais pesada uma embarcação é, maiores são as intensidades das forças que ela tem que suportar e, consequentemente, mais robusta deve ser a estrutura. Então, usar materiais mais leves diminui o esforço ao qual a estrutura está sujeita, principalmente em embarcações de planeio onde as acelerações verticais podem dobrar o valor da gravidade navegando ainda com conforto. 

Além do peso total, a distribuição dele ao longo da embarcação é tão crítica quanto a massa da embarcação. O controle da posição do centro de gravidade vertical influencia a estabilidade transversal, conceito chave para a segurança da embarcação. Quanto mais alto esse ponto estiver, menor a estabilidade da embarcação. Quanto mais baixo, maior a velocidade que que a embarcação volta para sua posição de repouso inicial, o que pode ser desconfortável para os passageiros.

Encontrar um ponto de equilíbrio é essencial e também complexo, principalmente em lanchas que possuem não somente a casaria mas também hard tops com controles de direção e, portanto, muito peso em pontos muito altos da embarcação.

Já a distribuição longitudinal dos pesos define os ânngulos de trim e banda, o que influencia o arranjo da embarcação, o conforto dos passageiros e até mesmo a facilidade que uma embarcação possui em passar do regime de deslocamento para o regime de planeio.

Em posts futuros, serão discutidos recursos a disposição dos construtores para que seja possível diminuir o peso em estruturas chaves da embarcação para que a posição do centro de gravidade possa ser controlada com mais facilidade. 

Independente do regime de navegação da embarcação, seja planeio ou deslocamento, a interseção entre os painéis do fundo e do costado é um ponto crítico da estrutura. É ali que ocorre a transferência de tensões entre o fundo e o costado que podem variar em até 500% em embarcações de planeio. Por esta razão, o construtor deve buscar o arranjo mais rígido possível para proporcionar uma transição contínua das tensões geradas pelas cargas de impacto do fundo.

A primeira opção é apresentada na Figura 1, onde ambos os painéis, do fundo e costado terminam com a espuma em chanfro de 30° e deixa o plano do chine sólido com uma espessura adicional provida pelo overlap entre os tecidos do fundo e do costado. Nesta configuração, deve ser acrescentados tapes de 45° com overlap progressivo no fundo e costado para aumentar o momento de inércia da área sólida.

A Figura 2 apresenta uma variação, utilizando a espuma do costado montada diretamente sobre o plano do chine e o fundo é terminado com a espuma em chanfro. Nesta configuração também é necessário a adição de camadas de superposição no chine de modo a aumentar o momento de inércia da área sólida.

Por fim, o próximo detalhe é o que promove maior rigidez à junção entre os laminados do fundo e do costado, pois mantém o momento de inércia constante ao longo da passagem das tensões entre os dois planos. Neste detalhe ainda é adicionado um filete de espuma de PVC com um laminado na trama de 45° para criar uma transição perfeita do fluxo de tensões.

Esses são os parâmetros que o construtor deve ter em mente ao planejar a fabricação de um casco e algumas opções de configuração. É essencial ter ciência dessas variáveis e conhecerem a melhor maneira de construir esses detalhes para garantir a segurança e eficiência da embarcação.

Os benefícios da construção sandwich na eficiência estrutural de embarcações depende não só da integridade do material de núcleo e dos materiais que compõe as faces, mas também da interface de colagem entre esses elementos que garante a transferência de esforços.

Quando se utiliza o processo de infusão a vácuo para fabricação de grandes estruturas, a resina absorvida pelo núcleo faz esse papel de criar uma ancoragem entre a espuma e suas faces. Quando se utiliza o processo de laminação manual, no entanto, o construtor pode recorrer à utilização de um adesivo de colagem e um compactador pneumático.

Além desses produtos, esse procedimento precisa de uma balança digital, um dosador de catalisador, um misturador e uma espátula dentada. A massa de colagem pode ser formulada a partir de resinas poliéster combinadas com cargas minerais e, por conta da periculosidade dos produtos, o laminador deve estar devidamente protegido.

Após pesar a massa, deve-se utilizar o dosador catalisador para coletar a quantidade adequada de catalisador, que varia entre 1,00% e 2,00% no caso de massas a base de resina poliéster.

Após adicionar o catalisador na massa, é necessário misturar a substâncias com uma batedeira de baixa velocidade e/ou misturadores manuais. É essencial garantir que a mistura fique homogênea e que o catalisador esteja misturado por todo o volume de massa adesiva.

A massa adesiva deve ser depositada por toda a superfície de colagem. Com uma espátula dentada, o aplicador deve formar um filme uniforme de adesivo por toda a área de colagem, com espessura que varia com o tipo de corte e espessura das placas.  

O núcleo de espuma PVC deve ser posicionado e aplicador dele acomodá-lo e ajustá-lo sobre a área cuidadosamente de forma manual.

O compactador pneumático deve ser ligado em uma linha de ar comprimido e o laminador deve utilizá-lo para pressionar o núcleo longitudinalmente em apenas uma direção, buscando garantir a entrada de adesivo nas ranhuras (groovings) das placas e retirar todo o ar aprisionado entre a massa de colagem e a espuma.

Após percorrer toda a área em baixa velocidade e garantir que a massa de colagem penetre todos os groovings, o laminador pode utilizar uma espátula para retirar o excesso de adesivo e observar se todos os espaços estão completamente preenchidos.

Se todo o procedimento for executado corretamente, a interface entre o laminado e o núcleo de espuma não terá nenhum defeito ou espaço vazio causado por aprisionamento de ar.

A execução correta desse processo vai garantir a integridade da estrutura e um fluxo eficiente dos esforços entre os elementos dos painéis sandwich, aumentando a segurança da navegação e diminuindo eventuais problemas, como delaminação.