Categoria: Sem categoria

Uma das grandes vantagens do uso de materiais compostos é a possibilidade de construir estruturas com geometrias complexas com facilidade, depositando os tecidos de fibra sobre os moldes com dupla curvatura.

Quando se trabalha com estruturas sandwich, no entanto, é necessário realizar a conformação do núcleo de alguma forma. O uso do corte GS é uma opção para geometrias complexas, mas implica em um aumento no tempo e custo de processamento do núcleo e, mais grave do que isso, em um grande consumo de resina que deve ocupar todos os espaços vazios entre as células quadriculadas, aumentando o peso da estrutura por todo o seu ciclo de vida.

Alguns construtores preferem fazer uso de uma técnica chamada termoformagem, que consiste aquecer as placas de espuma PVC até uma certa temperatura que permite que elas sejam conformadas em um molde com a curvatura da superfície sobre a qual as placas serão posicionadas.

A primeira informação essencial que o construtor deve obter para realizar esse processo, é a temperatura máxima de processamento de cada material sandwich. Essa característica varia de acordo com a série de espuma PVC utilizada, mas é muito comum que fique próximo aos 80°C, sendo que algumas espumas desenvolvidas para serem utilizadas em conjunto com sistemas prepreg possuem a capacidade de resistir até 150°C.

Como as espumas PVC são construídas com polímeros termofixos, submeter esse material a temperaturas mais altas que o sugerido pelo fornecedor degrada o núcleo de forma definitiva, prejudicando suas propriedades mecânicas e impedindo o retorno ao potencial original.

Com a temperatura adequada em mente, existem algumas formas de realizar a termoformagem. Alguns construtores preferem aplicar calor somente nas regiões onde as curvaturas devem ser realizadas, mas o procedimento mais adequado é construir um pequeno forno para aquecer toda a placa de forma homogênea e não permitir deformações localizadas nem causar concentradores de tensões criados por meio de transientes térmicos.

Outra maneira, bastante utilizada em construção prepregs, é prender a espuma sobre o molde, aplicar vácuo e em seguida aumentar a temperatura lentamente até o patamar desejado. Todo cuidado deve ser tomado para garantir que a espuma utilizada tenha estabilidade dimensional para não deformar ou modificar suas dimensões durante o processo de aquecimento, pois ela vai estar sujeita a uma pressão relativamente alta durante o tempo que vai receber calor.

Depois de conformadas na geometria desejada, as espumas devem ser numeradas e armazenadas até o momento de sua utilização. É importante destacar que, assim como o aquecimento do material deve ser feito de forma lenta e gradual, o retorno para temperatura ambiente deve ser feito da mesma maneira em um procedimento parecido com o da pós-cura de laminados.

Muitas vezes é necessário que as espumas sejam tratadas em um processo de estabilização e posterior relaxamento para evitar modificações indesejadas durante a pós-cura do laminado. Mais informações sobre esse tipo de técnica de construção pode ser encontrada no livro Manual de Construção de Barcos.  

A criação da fibra de vidro e o desenvolvimentos dos plásticos durante a Segunda Guerra Mundial foi o que permitiu a construção da primeira estrutura em materiais compostos que foi o veleiro feito pelo engenheiro Ray Greene no ano de 1942.

A história dos materiais compostos foi mais uma vez revolucionada na década de 1960 com as fibras de carbono, cuja criação se iniciou no século XIX durante o desenvolvimento das lâmpadas incandescentes, muito antes de a humanidade buscar materiais de reforço para plásticos termofixos.

O princípio das lâmpadas incandescentes é transformar energia elétrica em energia luminosa através do efeito Joule, por meio do aquecimento de um filamento em uma ampola de vidro onde havia sido formado vácuo. Sem a presença de oxigênio, chamas não eram iniciadas e o filamento se tornava incandescente ao ser aquecido, emitindo luz visível ao olho humano.

O material que forma esse filamento é o que determina a intensidade e duração da luminosidade. Quanto maior a resistência elétrica e ponto de fusão do material, mais intensa e durável é a luminosidade que ele é capaz de produzir. Foi nesse contexto eu os inventores Sir Joseph Wilson Swan e Thomas Edison criaram as primeiras versões das fibras de carbono, fabricadas a partir da carbonização de algodão. Apesar do conceito revolucionário, o processo utilizado por eles era bastante ineficaz e produzia fibras com apenas 20% de carbono e quando o tungstênio se mostrou uma opção mais viável, as fibras de carbono foram abandonadas para essa aplicação.

As fibras de carbono a base de derivados do petróleo, como se conhece hoje, foram produzidas pela primeira vez por acidente em um laboratório em Ohio, quando Roger Bacon tentava determinar o ponto triplo do carbono aquecendo filamentos de rayon em argônio.

O processo criado por Bacon continuava sendo extremamente ineficiente e foi somente no início da década de 1960 que Akio Shindo, no Japão, conseguir sintetizar as fibras a partir de poliacrilonitrila (PAN) alcançando um teor de 55% de carbono em um processo que, pela primeira vez, era interessante também do ponto de vista econômico.

A partir de então, cientistas e empresas no mundo todo continuaram o desenvolvimento do material que começou a ser utilizado na indústria aeroespacial na década de 1970 para fabricação de foguetes, já que o suas propriedades mecânicas eram conservadas mesmo em altas temperaturas.

A partir da década de 1990, aeronaves comerciais como o Boeing 787 e os Airbus A350 e A380 também começaram a ser produzidos em larga escala com esses materiais. Atualmente, é possível produzir reforços em grandes volumes com até 95% de teor de carbono, que apresentam resistência à tração de até 4.000 MPa e módulos de elasticidade maiores que 400 GPa.

É muito comum que construtores amadores não relacionem a construção de embarcações com a fibra de carbono porque os custos são muito mais elevados do que a construção típica com fibras de vidro e resina poliéster. No entanto, esse material é cada vez mais utilizado em aplicações náuticas que requerem alta resistência e baixo peso.

Além de integrar a construção de embarcações de regata desde a década de 1970, a fibra de carbono é muito utilizada em peças como hard top e casarias de embarcações de recreio, já que permitem a diminuição do peso dessas peças que ficam muito acima do centro da gravidade da embarcação, trazendo não só benefícios relacionados ao consumo de combustível durante a navegação como também à estabilidade transversal e conforto dos passageiros.

Com a popularização desse tipo de material, melhoria nos processos de manufatura e aumento na escala de produção, as fibras de carbono devem continuar a conquistar espaço nas mais diversas aplicações e é possível que sejam as substitutas naturais das fibras de vidro nas próximas décadas. Mesmo hoje, os construtores que buscam redução de peso devem avaliar as fibras de carbono como uma opção em seus projetos.

Apesar da popularização dos softwares de computer aided design (CAD), o plano de linhas se mantem como uma boa representação gráfica bidimensional das embarcações e compreender as informações nesse tipo de documento é essencial para aqueles que desejam construir e projetar embarcações.

As embarcações são representadas em três vistas plotadas na mesma escala e são chamadas de plano de alto, plano de linhas d’agua e plano de balizas. Em princípio, a interseção de dois planos seria o suficiente pra caracterização do casco, mas a utilização de três facilita a visualização e permite organizar as informações de maneira mais eficiente.

O plano de alto normalmente é representado na porção superior do desenho, apresentando as seções longitudinais da embarcação. Não existe uma norma que determina o número exato de seções que devem ser ilustradas, o projetista é que deve definir quantas são necessárias para caracterizar a embarcação.

O plano de alto ainda pode ser cortado por linhas horizontais que indicam a altura das seções apresentadas no plano de linhas d’água, que apresenta a vista superior da embarcação. Além da geometria, as seções de linha d’água podem ser utilizadas para calcular a área de flutuação e podem ser utilizadas para calcular o volume da embarcação.

Como as embarcações são majoritariamente simétricas, é muito comum que apenas uma das metades dos perfis de linha d’água sejam apresentados, assim como apenas metade do perfil das balizas.

É muito comum que linhas verticais numeradas atravessem os planos de alto e de linhas d’água, indicando a posição das seções transversais apresentadas no plano de balizas, normalmente representado no lado direito do desenho, tradicionalmente ao lado do plano de alto, mas sua posição pode variar para que a escala das demais vistas possa ser maior dentro do espaço disponível.

O lado direito do plano de balizas apresenta as seções da proa até a meia-nau, enquanto às do lado esquerdo apresentam as seções da meia-nau até a popa. Essa vista que apresenta as seções transversais da embarcação e o projetista ou construtor consegue facilmente visualizar a geometria da embarcação.  Muitas vezes são as balizas são as bases para a construção das embarcações, logo a sua representação no plano de linhas é essencial.

Informações adicionais que comumente aparecem no plano de linhas das embarcações incluem a curva de áreas seccionas e uma tabela de cotas. A curva de áreas seccionais é plotada junto ao plano de linhas d’água e o construtor utiliza o calado de projeto para traçá-la. Cada ponto representa a área submersa na baliza que está presente naquela determinada posição e a área abaixo da curva representa o volume deslocado da embarcação.

Por fim, a tabela de cotas apresenta as dimensões principais da embarcação, incluindo comprimento total, comprimento na linha d’água de projeto, boca, calado de projeto, deslocamento e qualquer outra informação que o projetista julgar fundamental.

Para saber mais sobre como desenvolver e interpretar planos de linhas, é possível consultar o Manual de Construção de Barcos.

O acabamento superficial do casco é um aspecto fundamental da construção náutica e um dos fenômenos que mais ameaça essa característica é o print-thru, que é que a impressão visível das fibras de reforço ou material de núcleo no gelcoat.

Qualquer construtor de embarcações vai destacar que o reparo desse tipo de defeito exige uma grande alocação de recursos. O trabalho é manual, demorado e pode não apresentar o resultado desejado. É interessante, então, conhecer as causas e formas de prevenção para evitar que esse tempo de produção seja dedicado à atividades de retrabalho.

A principal causa do fenômeno é a diferença entre os coeficientes de expansão térmica da resina e da fibra. Qualquer material sofre alterações em suas dimensões em função da variação de temperatura e, em geral, quanto maior a temperatura, maiores são suas dimensões. Porém, a taxa de deformação da resina quando acometida pelo calor da reação exotérmica de cura é muito maior do que a deformação da fibra. Quando a temperatura volta a cair, a resina se contrai e cria uma tensão residual que é aliviada ao longo de vários meses e até mesmo anos.

Durante esse período de alívio da tensão residual, a impressão das fibras pode se tornar visível e prejudicar o acabamento da superfície meses após a construção da estrutura. É por esse motivo que o reparo logo após o desmolde da peça pode não resolver o problema completamente, já que ele pode reaparecer muito tempo após a conclusão da fabricação do barco. É muito mais efetivo atacar as causas e utilizar mecanismos para suavizar o fenômeno.

A resina poliéster é a mais popular na construção náutica por conta de seu excelente custo benefício, mas ela apresenta alta contração após a cura, ou seja, cria tensões residuais que acabam deixando a peça suscetível ao print-thru. Além disso, a quantidade de ésteres presentes em sua molécula faz com que seja muito suscetível à hidrólise, o que diminui sua resistência química. A utilização de outras resinas com menor contração e maior capacidade de proteger as primeiras camadas de reforço é bastante indiciada e as resinas estervinílicas são normalmente escolhidas para exercer esse papel.

Obviamente, a resina epoxy se sairá melhor em todos esses aspectos, mas seu custo e, muitas vezes, a necessidade de realizar pós-cura, acaba afastando os construtores náuticos que utilizam reforços de fibra de vidro. A resina estervinílica se oferece como uma opção de melhor custo benefício nesse aspecto.

Apesar de ajudar, a troca de resina não resolve o problema porque a contração pode ser amenizada, mas está presente qualquer que seja o material. Esse fator combinado com o uso de pressão nos métodos de vacuum bag e infusão a vácuo faz com que sejam necessários outros mecanismos para amenizar essa questão, começando com a laminação do skin coat, normalmente composto de duas camadas de manta de 300 g/m² seguidas por mais duas de 450 g/m². O peso adicional de um laminado que não contribui estruturalmente para a estrutura é o preço a se pagar para obtenção de um acabamento primoroso.

As fibras não são os únicos elementos a serem impressos na superfície do gelcoat, que também pode ser marcado pelos groovings dos materiais de núcleo. Se o skin coat não for o suficiente para impedir isso, é necessário recorrer ao uso de núcleos de poliéster como o Soric TF, desenvolvido para ser um print blocker. Outra alternativa para o construtor pode ser alterar a espessura e profundidade dos groovings utilizados e até mesmo alterar a configuração utilizada.

O print-thru é um fenômeno que não causa prejuízos estruturais, mas definitivamente é uma dor de cabeça para o processo de construção náutica, causando centenas de horas de retrabalho em uma linha de produção em série. Apenas o conhecimento e a prática farão com que construtores consigam evitar ou amenizar esse tipo de problema.

O post da última semana descreveu os materiais consumíveis necessários para a laminação utilizando o processo de vacum bag. O processo de infusão a vácuo, apesar de com partilhar a maior parte dos materiais com o processo anterior, possui algumas diferenças.

As semelhanças, no entanto, estão no uso da tacky tape, bolsa de vácuo e peel ply. Os materiais utilizados são os mesmos e são selecionados da mesma maneira, sempre em função da temperatura de pico da cura exotérmica da resina.

As diferenças começam com o breather, que normalmente não é utilizado pois na infusão o gradiente de pressão tem o papel de inserir a resina no laminado, portanto não há excesso de resina a ser absorvido. Esse consumível aparece somente em infusões realizadas com duas bolsas, com o objetivo de distribuir a vazão de ar uniformemente por toda a superfície do molde.

O release film, ou filme perfurado, é utilizado apenas em dois casos. O primeiro é a infusão de laminados sólidos e o segundo é nas regiões onde são montadas as linhas de resina. Na laminação por vacum bag, o filme perfurado era responsável por ajudar na desmoldagem dos demais consumíveis e por controlar a resina que sairia do laminado.

Na infusão, o filme perfurado ainda é um elemento facilitador da desmoldagem d os demais consumíveis, mas também é responsável por controlar a quantidade de resina que entra no laminado e, por essa razão, sua área aberta costuma ser maior e variar entre 1,0 e 1,5%.

Outro consumível utilizado na infusão é o flow media, chamado também de tela de infusão, que possui alta permeabilidade e distribui rapidamente a resina pela superfície do laminado. Isso facilita muito a impregnação de locais com baixa permeabilidade e torna possível a infusão de laminados sólidos.

As linhas de entrada de resina são elementos essenciais para a realização de uma infusão de sucesso. A montagem dessa estrutura ocorre logo acima do peel ply e se inicia com o posicionamento de uma faixa de filme perfurado ao longo de todo o seu comprimento.

Acima do filme perfurado é aconselhável que se coloque uma faixa de flow media para que a resina se disperse facilmente ao longo de toda linha. Já a linha de resina em si é construída com um spiraduto envolvido em peel ply. O peel ply protegerá a bolsa de vácuo do contato com partes pontiagudas do spiraduto, evitando perfurações e vazamentos.

No centro da linha de resina, ou onde o plano de infusão determinar, deve ser posicionada uma conexão T que estará conectado à mangueira cristal que fará o transporte da resina. Essa mangueira deve ser preparada para ser submetida a pressão negativa, de modo que não colapse no momento em que a bomba de vácuo seja ligada. A fim de evitar vazamentos, a conexão da mangueira com o T deve ser isolada com tacky tape.

A saída de vácuo é construída de forma similar com spiraduto envolto em peel ply e uma conexão T ligada a uma mangueira cristal que é conectada à bomba de vácuo. Em geral, as linhas de vácuo são posicionadas em cima de um freio, ou uma área de baixa permeabilidade que serve para desacelerar o fluxo de resina e que normalmente será retirado da peça final. O freio evita que a resina entre na saída de vácuo e diminua a pressão aplicada à peça.  Para facilitar a desmoldagem da linha, é comum que uma faixa de release film seja posicionada abaixo da linha de vácuo, apesar de não ser absolutamente essencial. Outro elemento importante para a infusão são os registros, que controlam o fluxo de resina e de ar dentro da peça e devem estar conectados às mangueiras.

O construtor deve ter em mente que o custo dos consumíveis representa apenas uma pequena fração do valor total dedicado a construção em composites e que a integridade da peça final depende da confiabilidade desses materiais durante o processo de infusão, então sua seleção deve ser feita de maneira criteriosa pensando nas temperaturas e esforços que eles irão suportar. Mais detalhes sobre o uso correto desses materiais podem ser vistos no vídeo sobre o Teste de Permeabilidade.

O uso de vácuo para compactação de laminados aumenta o teor de fibras e diminui os vazios presentes nas estruturas, melhorando sua confiabilidade e propriedades mecânicas. Por essa razão, muitos estaleiros costumam adotar os métodos de laminação por vacum bagging ou infusão a vácuo.

Para construir embarcações utilizando esses métodos, é preciso mais do que apenas as fibras e resina. Para que aplicar pressão negativa no laminado é necessário utilizar uma classe de materiais chamada de consumíveis, que são utilizados durante o processo de compactação e descartados após a laminação.

Apesar de compartilharem muitos desses materiais, existem algumas diferenças entre o conjunto de consumíveis necessários para os processos de vacuum bag e de infusão a vácuo. O post dessa semana é dedicado a explorar os materiais necessários para o primeiro processo e, na próxima semana, serão caracterizados os materiais necessários para infusão a vácuo.

A primeira característica que o construtor deve ter em mente ao selecionar os materiais consumíveis é a temperatura que eles devem suportar, que depende da temperatura de pico que a resina alcança durante a cura exotérmica. Existes conjuntos de consumíveis que suportam temperaturas entre 100 e 200°C além daqueles desenvolvidos para pós-cura, que podem alcançar até 250°C. Em geral, os construtores de embarcações podem utilizar produtos que operam na faixa entre 120 e 180°C.

Ao preparar a laminação, o primeiro material que deve ser posicionado no molde é a tacky tape, uma fita adesiva emborrachada dupla face com 3 mm de espessura e 12 mm de largura. Sua função é fixar a bolsa de vácuo no perímetro molde sem permitir vazamentos, possibilitando a aplicação da pressão de vácuo sobre o laminado. A fita deve ser aplicada sobre uma superfície limpa e livre de desmoldante, além de ficar bem protegida durante todo o restante da montagem e laminação.

Depois da laminação das camadas de tecido de fibra, o próximo consumível a ser posicionado é o peel ply, um tecido desmoldante de fibras de poliamida ou poliéster. Suas principais funções são permitir a desmoldagem dos demais materiais consumíveis após a laminação e garantir que a face do que não está em contato com o molde tenha um acabamento superficial satisfatório.

A maior parte dos tecidos peel ply possuem tracers vermelhos e pretos que contrastam com o laminado e ficam visíveis mesmo após a impregnação dos reforços, quando a parte branca do material se torna transparente.

Depois do peel ply, o constructor deve posicionar o filme perfurado, chamado também de release film, já que ele também facilita a desmoldagem do restante dos materiais consumíveis. Sua principal função no processo de vacuum bag é controlar a quantidade de resina que é retirada do laminado e absorvida pelo breather.

A área aberta é uma variável importante nesse tipo de material e deve ser definida a partir da quantidade de resina que o construtor deseja retirar do laminado, da viscosidade dessa resina e da intensidade do gradiente de pressão utilizado. Em geral, filmes perfurados com áreas abertas até 0,3% são utilizados para laminações por vacuum bag.

O breather, por sua vez, é uma material absorvente feito a partir de fibras de poliéster não tramadas. Ele é responsável por distribuir o vácuo por toda a superfície da peça e por absorver a resina que passa pelo filme perfurado. A homogeneidade desse material é de extrema importância porque variações em sua espessura significam uma variação na quantidade de resina retirada do laminado. Isso faz com que o teor de fibra seja diferente dependendo da região do estrutura, o que é indesejável.

Entre o filme perfurado e o breather é interessante que seja posicionado um spiraduto de ½” ou ¾” que seja capaz de ajudar na distribuição da sucção causada pela bomba de vácuo. Ele deve estar ligado a uma conexão T que estará conectada a uma mangueira cristal e a um trap, onde a resina que deixar o laminado ficará armazenada. Todo esse conjunto de consumíveis deve estar preparado para suportar pressões negativas e não deve colapsar quando o vácuo for aplicado.

Por fim, acima de toda essa sequência de materiais, deve ser posicionada a bolsa de vácuo que é um filme de nylon com capacidade de elongação de 300% antes de se romper, além de uma resistência à tração de 55 MPa. Ele é fixado nas bordas do molde por meio da tacky tape de forma que não ocorra nenhum vazamento de ar, fenômeno que é monitorado assim como o explicado no post sobre Integridade do Molde.

O custo extra que o construtor tem para adquirir esses materiais é mais do que compensado pelo ganho de qualidade no laminado e economia de tempo de produção. Na próxima semana o post do blog abordará as particularidades dos consumíveis utilizados para realização da infusão a vácuo e mostrará como se montam as saídas de vácuo e entradas de resina.

A construção das estruturas de materiais compostos como se conhece hoje só foi possível com o desenvolvimento das fibras de vidro em meados de 1940. As fibras de carbono apresentam uma revolução igualmente significativa para os composites estruturais, sendo um reforço mais forte, mais leve e mais durável que qualquer outro material disponível no mercado atualmente.

Desde a década de 1970, a indústria é capaz de produzir fibras de carbono a base de polímero de poliacrilonitrila (PAN) em grandes volumes, mantendo o desempenho, qualidade e consistência necessárias no processamento de materiais desenvolvidos para indústria aeronáutica, para onde elas foram originalmente desenvolvidas.

Na indústria náutica sua aplicação é destinada à peças que necessitam de uma eficiência estrutural muito alta ou que precisem ter baixo peso para que o centro de gravidade da embarcação não fique muito alto e prejudique a estabilidade da navegação. Ou seja, não são apenas os barcos de regata que fazem uso desse tipo de reforço, mas muitos estaleiros acabam utilizando fibras de carbono para construção de casarias e principalmente de hard tops.

Assim como existem diferentes variedades de fibra de vidro, existem diferentes variedades de fibras de carbono. A diferença entre elas se concentra principalmente na combinação entre resistência à tração e módulo de elasticidade, como indicado no Gráfico 1.

As fibras de carbono de módulo padrão, conhecidas no mercado como fibras de Standard Modulus, possuem módulos de elasticidade até 230 GPa ou um pouco superior. São as fibras de carbono com melhor custo-benefício considerando tanto a resistência à tração quanto a rigidez do material, com fios construídos com 1k a 24k filamentos.

As fibras de módulo intermediário, ou Intermediate Modulus, possuem módulos de elasticidade que variam entre aproximadamente 290 e 330 GPa. Existe uma grande variedade dessa classe de fibras de carbono, que também são conhecidas como High Strength porque apresentam a melhor resistência à tração. A diferença entre os conceitos de resistência e módulo de elasticidade já foi abordada em vários tópicos e detalhes no blog. 

As aplicações das fibras de módulo intermediário são bastante amplas, incluindo as áreas aeroespacial, industrial, entre outras. Por sua ampla gama de opções, elas apresentam diversos preços e propriedades para atender as diferentes demandas desses mercados. Os fios dessa classe de fibras de carbono são construídos com uma quantidade de filamentos que varia ente 6k e 36k.

Por fim, as fibras de carbono de alto módulo, também chamadas de High Modulus, podem alcançar módulos de elasticidade de até 640 GPa. São normalmente utilizadas em aplicações onde a expansão térmica é um fator crítico, já que seu coeficiente de expansão é muito baixo. Isso inclui estruturas aeroespaciais e até mesmo artigos esportivos de altíssimo desempenho. Os fios das fibras de carbono de alto módulo são compostos por uma quantidade de filamentos que varia entre 3k e 12k.

Ao selecionar o melhor tipo de fibra de carbono para o seu projeto, o construtor deve também verificar qual o tratamento superficial a fibra recebeu, já que isso definirá qual o sistema de resina será compatível com os filamentos. Em geral esse tipo de reforço é compatível com sistemas de resina epoxy e, mais raramente, com resinas estervinílicas e poliéster.

As subclassificações dentro dos tipos de fibra de reforço são mais algumas das inúmeras variáveis que o construtor deve estar atento no momento de selecionar os melhores materiais para seu barco.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Muitos dos avanços tecnológicos da história foram impulsionados por grandes conflitos da humanidade. A história do desenvolvimento da resina poliéster, da invenção da fibra de vidro e até mesmo do uso de painéis sandwich já foram contadas no blog e estão intimamente ligadas aos acontecimentos da II Guerra Mundial. O post de hoje fala sobre como todos esses avanços criaram os elementos necessários para a construção do plástico reforçado com fibra de vidro, materiais que hoje dominam a indústria náutica.

Antes do desenvolvimento dos plásticos termofixos, os barcos eram em sua maioria construídos com materiais orgânicos como madeiras e peles de animais. Plywood estava começando a se popularizar no século XX, mas havia um ímpeto para a criação de um método que pudesse realizar a construção de toda a embarcação de uma só vez e permitir a moldagem de geometrias complexas com duplas curvaturas.

O responsável pelo criação desse procedimento é o engenheiro Ray Greene que, apesar de ter construído milhares de embarcações durante sua vida, gostava de se definir como um inventor e não como um construtor de barcos. Seu amor por embarcações se aprofundou principalmente depois que seu pai comprou uma propriedade no Michigan próxima da Transverse Bay, onde ele e seus irmãos aproveitavam tudo que a baía tinha a oferecer.

Seu vontade de entender os fenômenos da química criou episódios interessantes desde sua infância, quando destruiu a pia da cozinha tentando produzir refrigerante em sua casa utilizando gelo seco e desprezando a expansão dos gases em um recipiente fechado. Seu rigor e vontade de alcançar o melhor resultado possível podem ser explicados a partir da admiração que tinha pelo seu pai, que trabalhava como chefe de metalurgia e diretor de pesquisa em uma companhia em Ohio.

Herman Greene era seu incentivador ao mesmo tempo que era extremamente exigente com seu trabalho. O primeiro barco que Ray construiu quando tinha 12 anos foi imediatamente jogado fora depois que ficou pronto, já que seu pai ficou decepcionado com o resultado. Por outro lado, Herman deu as ferramentas e o apoio necessário para que o filho pudesse fundar o estaleiro Ray Greene & Company na garagem da família em 1929, o que permitiu que fabricassem os barcos que pagariam pelo seu curso superior em engenharia mecânica e química. Posteriormente, seria o que também permitiria que os irmãos de Ray fossem para faculdade após a morte de seu pai em 1934.

Foi na Universidade de Ohio que Ray começou a estudar resinas sintéticas, justamente com o objetivo de criar um método que permitisse a construção de embarcações leves e resistentes. As primeiras tentativas foram realizadas utilizando plásticos que necessitavam de curas em condições controladas de temperatura e pressão em autoclaves, limitando o tamanho das embarcações.

O resultado que buscava foi alcançado durante o desenvolvimento de sua tese de mestrado que originalmente se chamava “Choosing Plastics for Boat Building”. Ao receber o primeiro rascunho, seu orientador questionou se o trabalho era sobre engenharia mecânica ou arquitetura naval e sugeriu uma pequena mudança no título que se tornou “Chooosing Plastics for Large Objects”, sem mencionar em nenhum momento que o primeiro grande objeto construído em composites foi um barco.

Todas as matrizes poliméricas que Ray havia experimentado até o momento eram frágeis e apresentavam pouca resistência, deixando evidente a necessidade de um material de reforço. Depois de tentar uma infinidade de opções, suas conexões com a Owens-Corning lhe renderam a metade do primeiro lote de fibra de vidro que a empresa produziu em 1941.  

Por meio de colegas pesquisadores que trabalhavam na American Cyanamid, Greene conseguiu também um galão da primeira resina termofixa capaz de ser curada em temperatura ambiente. Sendo o primeiro homem no mundo com esses dois elementos em mãos simultaneamente, ele foi o responsável por criar os procedimentos para construção da primeira grande peça estrutural de plástico reforçado com fibra de vidro, dando o primeiro passo em direção aos composites como se conhece hoje em 1942 e revolucionando a indústria náutica.

Décadas mais tarde, seu orientador contou que o tema de sua tese, a seleção de plásticos para construção de peças estruturais, foi motivo de dúvida entre os professores do departamento, que permitiram que o trabalho prosseguisse apenas por conta do entusiasmo do estudante. Vários fabricante de polímeros na época responderam aos pedidos de Ray Greene informando que a ideia de utilizar plásticos em peças estruturais era simplesmente impossível.

Com seu ímpeto de cientista-físico-inventor, conhecimento profundo sobre construção náutica e disciplina desenvolvida pelos altos padrões de exigência de seu pai, Ray Greene não encontrou apenas uma maneira de construir embarcações com plásticos reforçados com fibra, como criou uma indústria que revolucionou a construção de estruturas de alto desempenho.

O livro Processo de Infusão a Vácuo traz mais informações e curiosidades sobre a história dos materiais compostos, além de informações sobre as propriedades mecânicas dos composites e sobre os principais processos de fabricação.