Mês: fevereiro 2021

Uma das formas de se identificar as quantidades de fibra e resina dentro de um laminado e conseguir estimar os valores de resistência a tração, compressão, flexão e seus módulos de elasticidade é pelo cálculo de fração de volume e peso em um laminado. A estrutura básica de laminação é constituída por uma fibra de reforço, que pode ser vidro, aramida ou carbono e seus híbridos com uma matriz polimérica, seja ela poliéster, estervinílica ou epoxy.

Cada um destes materiais exibe uma densidade e um limite teórico para ser usado em conjunto, de modo que seja possível utilizar o menor valor possível de resina, mas ainda garantindo a impregnação de todas as fibras. Cada fibra apresenta uma característica diferente de “molhabilidade” em função do seu diâmetro e da compatibilidade com a resina. Quanto menor o diâmetro do filamento, maior a necessidade de usar resinas com melhor propriedade de adesão e maior pressão de vácuo sobre o laminado para que todas as fibras fiquem impregnadas e transmitam melhor os esforços entre si.

A fração em peso geralmente é aquela que o construtor usa para determinar a quantidade de fibra e resina em seu laminado, também conhecida como teor de fibra. Se o peso de cada produto dentro do laminado for conhecido, é possível então identificar a fração em volume da fibra e da resina por meio de formulações simples. A massa total, assim como o volume do laminado, pode ser descrita matematicamente como:

Equação 1

Equação 2

Onde V se refere ao volume, M a massa, o subscrito f a fibra, o m se refere a matriz de resina e o c ao composto inteiro. Dividindo os dois lados das equações por M_C e V_C, respectivamente, podemos obter as frações mássicas e volumétricas:

Equação 3

Equação 4

As frações mássicas e volumétricas são números que variam entre 0 e 1 que indicam quanto espaço ou massa elas representam no todo do laminado. Sabe-se que as frações mássicas são fáceis de se medir antes da fabricação do laminado com uma balança comum, por isso são muito úteis para calcular a densidade do composto. No entanto, a fração volumétrica é a variável utilizada para prever as propriedades do composto com base na micromecânica, por isso é importante ter uma forma de obter essa informação.

É possível identificar a fração em volume da fibra e da resina por meio da Equação 5, onde os subscritos f e m são intercambiáveis.

Equação 5

Na Figura 1, é possível encontrar a relação descrita pela fórmula anterior em um gráfico que diz respeito a três tipos de fibra muito comuns.

Figura 1 – Fração em volume em função da fração em peso

Como o principal fator na resistência e no módulo de elasticidade está associado à quantidade de fibra e resina dentro do laminado, no geral, quanto mais fibra, mais resistente é o laminado. Entretanto, uma quantidade reduzida demais de resina pode gerar um laminado seco e frágil, com baixa resistência a compressão, e uma quantidade grande demais irá produzir um laminado pesado e não econômico

Com isso, mesmo que o objetivo final fosse produzir um laminado com 100% de teor de fibra, esse número nunca poderia ser atingido, pois por melhor que as fibras fossem acomodadas, alinhadas e compactadas, ainda assim haveria espaços a serem preenchidos com resina. Isto só aconteceria se o laminado fosse unidirecional e todas as fibras fossem hexagonais e todas se tocassem por meio das arestas. Como as fibras têm uma forma quase circular, o agrupamento de três filamentos, por exemplo, iria criar um espaço vazio entre eles, proporcional ao diâmetro do filamento. Assim fibras com um menor diâmetro de filamento tendem a ter uma fração em volume maior e por esse motivo uma resistência maior.

A simulação numérica do processo de infusão é essencial para a fabricação de peças com alta resistência mecânica e eficiência econômica. A confiabilidade da simulação está diretamente ligada à qualidade dos dados de entrada no software, que incluem as características dos materiais e a geometria da peça a ser infundida.

A característica mais importante a ser determinada é a permeabilidade, que nada mais é que a resistência que o meio poroso apresenta à passagem da resina. Matematicamente ela pode ser determinada pela Lei de Darcy da seguinte forma:

 

A permeabilidade (K) depende, portanto, da viscosidade da resina (μ), da porosidade do meio a ser permeado (φ), do gradiente de pressão (ΔP) utilizado e do termo L²/t, ou seja, a posição da frente de resina ao quadrado dividida pelo tempo em que ela leva para chegar a tal posição.

Existem algumas maneiras de determinar a permeabilidade de forma experimental, mas a mais comum é utilizando a estratégia chamada edge injection, onde uma placa retangular é ensaiada e a entrada da resina ocorre em uma aresta enquanto a tomada de vácuo é aplicada na aresta oposta, como indicado na figura a seguir:

É importante deixar um espaço de 50 mm entre o fim do laminado e a saída de vácuo para se evitar a saturação da linha de vácuo. Para uma infusão perfeita, o gradiente de pressão deve estar acima de 0,9 atm e a viscosidade da resina deve variar entre os limites de 150 e 250 cps, independentemente do tipo de resina, seja ela estervinílica, poliéster ou epoxy.  A porosidade corresponde a fração de espaço vazio no meio poroso disponível para a resina ocupar. Cada tipo de reforço, diâmetro dos filamentos e o alinhamento das fibras, proporciona um valor diferente de porosidade.

Já a razão L²/t é o que se busca determinar experimentalmente. Para o ensaio de determinação da permeabilidade, é necessário utilizar o mesmo plano de laminação da peça que se pretende simular e construir. O teste deve ser feito em uma superfície plana e de preferência sobre um vidro onde se possa verificar a progressão da frente de resina nas duas faces do laminado. É importante que as condições de temperatura e umidade sejam adequadas para laminação. É sempre interessante realizar testes com temperatura controlada e testes nas condições reais onde a peça vai ser produzida.

A melhor opção para a dimensão das placas de teste é de 1200 mm x 600 mm, onde um freio de baixa permeabilidade é colocado perto da linha de captação de vácuo. Os tubos espirais que ajudam a distribuir a resina, as entradas de resina e saída de ar devem ser posicionadas da mesma forma que serão utilizados no projeto real e todos os materiais devem ser recobertos com uma camada de tecido desmoldante de nylon do tipo peel ply. A bolsa de vácuo deve então ser acomodada e fixada com a fita selante tipo tacky tape.

Vincos devem ser feitos na bolsa para permitir um melhor ajuste e evitar deformações. Não deve haver passagens livres entre a bolsa e as bordas do painel para não haver fuga da frente de resina. É sempre importante lembrar que a frente de resina permeia mais rápido onde existe menos resistência. Deve-se então conectar as mangueiras à entrada de resina e à saída de ar e garantir que não haja espaço para vazamentos.

É essencial que haja um cronômetro para acompanhamento do tempo que a resina leva para permear o laminado. É aconselhável também que o processo seja filmado ou fotografado periodicamente. Um medidor de pressão de vácuo instalado no sistema é aconselhável para acompanhar o nível de vácuo durante a infusão sendo, entretanto, necessário colocar algum obstáculo (uma camada de material) entre o medidor de pressão e o molde para que a aplicação do vácuo não colapse a bolsa ao seu redor e impeça o monitoramento da pressão. 

É necessário garantir que não haja uma queda significativa de pressão durante o teste e que a bolsa não apresente vazamentos. O objetivo do ensaio para determinar a permeabilidade do laminado é medir qual a distância que a resina é capaz de percorrer em intervalos regulares de tempo. Usualmente, a cada minuto deve-se marcar a posição da frente de fluxo.

Com as informações coletadas durante o teste, é possível calcular o valor de L² para cada uma das distâncias percorridas. O coeficiente L²/t pode ser então determinado pela equação:

Onde t_i é o tempo na i-ésima distância, chamada de L_i. Os símbolos t̅ e L̅ se referem às médias de tempo e distância, respectivamente, de todos os dados coletados. Após o cálculo do coeficiente L²/t, todas as informações necessárias para o cálculo da permeabilidade pela Lei de Darcy já foram determinadas.

Uma pergunta que recebemos quase que diariamente na Barracuda é “Qual o tipo de grooving (Corte) mais eficiente na construção náutica” e resposta é que não existe um corte que seja essencialmente melhor do que os outros. Existe uma grande variedade de groovings e suas eficiências dependem do processo de laminação e da geometria da peça a ser laminada.

O primeiro tipo de corte que podemos exemplificar é o GSP, que é a nomenclatura utilizada para placas planas sem nenhum tipo de ranhura. Esse tipo de placa é muito utilizada como núcleo de longarinas das embarcações, principalmente nas menores densidades como 40, 45 e 60 kg/m³.

A placa GSP tem uma variação chamada GSP Perfurada, indicada para laminação por vacuum bagging. As perfurações na placa permitem que todo o ar que possa ter ficado enclausurado nas primeiras camadas de tecido e também entre o tecido e o núcleo possa ser retirado.

A placa do tipo GSP Perfurada também pode ser utilizada na laminação com tecidos pré-impregnados (prepregs) mas é sempre necessário prestar bastante atenção na temperatura de distorção térmica do tipo de espuma que está sendo utilizado para que não aconteçam deformações durante a cura do prepreg, que precisa ser realizada em alta temperatura.

Outro tipo de corte muito comum é o DC, ou “Double Cut”, que é projetado para laminação manual e recebe ranhuras nas duas faces.

As ranhuras das placas DC são profundas e chegam a pouco mais do que a metade da espessura da placa e como o núcleo é fixado na camada externa do laminado com adesivo de colagem, essas ranhuras devem ser suficientes para que o adesivo preencha essa área e o excesso passe para a face de cima da placa através dos furos ocasionados pelo encontro dos frisos nas duas faces.

As placas ranhuradas para infusão recebem o nome de DCI, que significa “Double Cut infusion”. Nesse caso, as ranhuras são muito menos profundas que as das placas DC e devem ser suficientes para aumentar a permeabilidade do laminado e garantir que toda a peça possa ser impregnada com sucesso.

Esse tipo de placa também recebe perfurações para que a resina consiga fluir bem nas duas faces e as frentes de avanço de resina estejam sempre iguais nas faces de baixo e de cima da placa.

Esse tipo de corte deve ser muito bem feito, pois quando a qualidade do corte é ruim ou a espessura e profundidade dos frisos são grandes demais, esses frisos acumulam muita resina, o que gera acúmulo de calor e é muito provável que a peça fique com sua superfície marcada.

E, por último, outro tipo de corte também muito comum é o GS que é projetado para moldar em áreas curvas.

Esse tipo de placa é frisada somente em uma das faces e os frisos tem a profundidade quase igual a espessura da placa. A face de baixo da placa recebe uma tela de poliéster que garante que a placa não se separe quando flexionada.

Esse corte é muito utilizado em infusão a vácuo, principalmente em energia eólica e também para laminação manual. Quando utilizada no processo de infusão a vácuo, é muito importante que sejam realizados testes de permeabilidade na placa com cortes tipo GS, para garantir que todo o laminado seja impregnado.

Quando o objetivo é realizar uma grande infusão, um pequeno erro no dimensionamento ou posição das linhas de vácuo e resina pode causar a perda total da peça e um grande prejuízo. Por esse motivo a utilização de simulações computacionais se torna fundamental para garantir o sucesso do processo.

O objetivo da simulação é determinar com precisão o melhor layout de infusão e o tempo exato que a resina levará para impregnar todo o laminado. Como premissas, o programa leva em consideração a geometria da peça, a pressão de vácuo aplicada, a viscosidade da resina, a porosidade das matérias primas e a permeabilidade do laminado.

O sucesso da simulação depende da qualidade dos dados utilizados na simulação. Para começar, o modelo 3D da peça deve ser completamente fiel a peça final para que toda a geometria seja levada em consideração.

A diferença de pressão exercida pelo vácuo também deve ser fiel a utilizada na infusão final. Podemos simular uma super infusão levando em conta 1 atmosfera negativa de pressão sobre o laminado e na hora da infusão utilizarmos uma bomba de vácuo ineficaz e um molde cheio de vazamento que nunca serão capazes de entregar o resultado esperado.

Outro fator muito importante é a temperatura ambiente na hora da infusão, é sabido que as resinas costumam dobrar a viscosidade a cada 5°C a menos do que a temperatura informada no datasheet e reduzir na metade a viscosidade a cada 5°C a mais. Com isso é muito importante que a resina fique condicionada à temperatura mais próxima possível dos 25°C em fábricas situadas em lugares com temperaturas ambiente muito altas ou muito baixas.

Os dados de porosidade e permeabilidade precisam ser medidos através de testes práticos de infusão em corpos de prova. Esses testes precisam ser realizados em todos os tipos de laminados da peça e os dados gerados serão utilizados para alimentar a simulação de fluxo e com isso determinar a velocidade e comportamento da infusão em toda a peça.

Com todos esses dados corretamente inseridos, o programa irá utilizar uma versão da Lei de Darcy para determinar com exatidão o tempo final da infusão e o comportamento da frente de resina, possibilitando que o construtor não corra riscos durante a construção da peça final.