Mês: maio 2021

As vantagens do uso de estruturas sandwich vêm sendo exploradas aqui no blog ao longo das semanas, sobretudo quando as espumas de PVC são utilizadas como material de núcleo. Entre os benefícios do uso deste material é possível destacar o aumento da eficiência estrutural e as células fechadas que impedem a absorção de água.

No entanto, a construção das estruturas sandwich possui particularidades. Com o uso de vácuo em processos como o de infusão, é possível consolidar toda a estrutura, as duas faces e o núcleo sandwich, de uma vez. Quando o construtor utiliza dos processos de laminação manual e por vacuum bagging, a melhor estratégia é realizar a consolidação por etapas.

Em ambos os casos, o processo começa com a laminação e cura da face externa que, se necessário, deve passar por um processo de lixamento e limpeza. Para aumentar a produtividade do processo é essencial que as espumas sejam pré-cortadas antes da aplicação do adesivo de colagem.

O adesivo de colagem pode ser a base de resina poliéster ou resina epoxy combinadas com um agente tixotrópico, que pode ser uma mistura de sílica e microesferas. É importante observar que a resina epoxy pode ser utilizada em qualquer ocasião, mas a resina poliéster só pode ser utilizada se a resina de laminação também for de poliéster.

No processo de colagem manual, a placa deve ter corte GS para regiões com curvaturas acentuadas e corte DC para regiões planas. O adesivo de colagem deve ser aplicado em quantidade suficiente para preencher todos os espaços vazios e depois da colocação da espuma, ela deve ser compactada como um rolo vibrador até que seja possível ver massa de colagem na face oposta da espuma.

Garantir que não há espaços vazios fornece uma adesão de boa qualidade e não deixa espaços para entrada de água e umidade, que pode causar delaminações e comprometer a estrutura do laminado. Além disso, deve-se evitar espaços vazios como um todo no laminado, pois diminuem a qualidade estrutural da peça ao criar concentradores de tensão que podem propagar defeitos.

No processo de colagem manual utilizando o compactador pneumático o adesivo deve ser aplicado apenas na região em que a espuma está sendo colada. No caso da colagem a vácuo a espessura do filme adesivo deve ter entre 1 e 2 mm e ser deve ser aplicado em toda a superfície que se deseja realizar a colagem. Uma espátula dentada ou calibrada pode ser utilizada para garantir que a espessura do adesivo seja homogênea.

É importante que o tempo de cura do adesivo seja suficiente para sua aplicação, posicionamento das placas e posterior aplicação do vácuo. Como a utilização de vácuo ajuda a conformar a espuma, em regiões com curvaturas suaves é possível utilizar placas planas apenas com cortes e perfurações para permitir a passagem do ar entre as duas faces. Placas GS ainda devem ser utilizadas em regiões com curvaturas mais acentuadas.

Depois do posicionamento das espumas, ainda é necessário colocar uma camada de peel ply, um filme perfurado e breather antes de cobrir tudo com a bolsa de vácuo, que deve ter uma área 20% maior que a área de colagem para garantir uma boa acomodação. Tacky tape deve ser utilizada para selar a bolsa completamente antes da aplicação do vácuo, garantindo que não haja vazamentos. A pressão de colagem deve ficar entre 0.6 e 0.8 atm.  Após a cura completa do adesivo é possível retirar os materiais de vácuo que devem sair com facilidade pelo uso do peel ply.

E dessa forma é possível realizar a consolidação do núcleo utilizando processo de laminação manual ou a vácuo. A peça estará então pronta para a laminação da face externa. Para melhorar a ancoragem da face seguinte, assim como feito com a laminação dos reparos, sugere-se a utilização de tecidos combinados ou uma camada de manta entre o núcleo e próximo tecido.

A construção de embarcações utilizando estruturas sandwich apresenta uma série de vantagens. Os núcleos de espuma utilizados atualmente aumentam a eficiência e durabilidade da estrutura, além de reduzirem drasticamente o peso enquanto aumentam a rigidez das embarcações.

Diferente dos laminados sólidos, os materiais sandwich normalmente são capazes de absorver impactos e choques mecânicos e transferir a energia de deformação para face oposta, fazendo com que sejam frequentes as situações onde apenas um dos lados da estrutura seja afetada e necessite algum tipo de reparo.

Se esse for o caso, o processo é muito similar ao reparo de um laminado sólido, começando pela preparação da superfície, fabricação dos chanfros com proporção 12:1 em relação a espessura e a sequência de laminação utilizando tecidos biaxiais combinados em conjunto com sistemas a base de resina epoxy.

Quando também for necessário substituir o núcleo, a escolha deve ser sempre por uma densidade igual ou maior que a original. Não é necessário chanfrar o material sandwich, a não ser que ele possua uma resistência diferente do restante do casco. Se esse for o caso, o chanfro deve ter uma proporção mínima de 4:1. A nova peça de espuma deve ser colada ao reparo usando uma massa compatível com o restante da estrutura.

Além de danos por colisão, embarcações que utilizam compensado naval estão sujeitas ao apodrecimento da madeira pela entrada de água no laminado. Se isso acontecer, recomenda-se a madeira também seja substituída por espumas PVC, que possuem células fechadas que não absorvem água e umidade. Muitos barcos construídos no passado com madeira de balsa ou compensado naval amargam nos dias de hoje um apodrecimento generalizado da estrutura tanto do casco quanto do convés. Anteparas estruturais também são alvo de apodrecimento devido a umidade do ambiente marinho. Pequenas passagens por furos na instalação de ferragens no convés ou registros de saída e entrada de água no casco são candidatos a disseminarem a passagem de água para a estrutura de madeira, que em pouco tempo vai ser completamente saturada e entrar em colapso.  O processo de apodrecimento é lento, mas irreversível e quando constatado não há como reverter o colapso da estrutura a não ser substituindo por completo a madeira.

A densidade da espuma utilizada na substituição do núcleo depende da região do casco que está sendo reparada. Isso porque diferentes regiões estão sujeitas a diferentes cargas e portanto precisam de resistências diferentes. Como regra geral, quanto maior a densidade, melhores são as propriedades mecânicas da espuma. Quanto à espessura, o ideal é manter a mesma do núcleo original para que não se criem descontinuidades no casco.

Se ocorrer um dano grave que faça com que seja necessário realizar o reparo das duas faces mais a substituição do núcleo, o primeiro passo do reparo é a remoção das partes danificadas, como mostra a figura, tipicamente removendo uma porção extra de 12,5 mm de núcleo.

A superfície deve ser limpa para garantir que esteja livre de resíduos antes do lixamento e fabricação do chanfro, que deve permanecer com comprimento de proporção de 12:1 em relação à espessura das faces.

Um molde temporário de MDF ou compensado deve então ser posicionado, junto com uma estrutura que dará suporte à colagem do núcleo. Um tecido desmoldante, o peel ply, deve ser posicionado entre a peça e o molde para que seja possível realizar facilmente a remoção no momento adequado. Para colagem do núcleo, pode ser utilizado um adesivo a base de resina epoxy com agente tixotrópico de sílica ou uma massa de colagem a base de resina poliéster com microesferas.

Após a cura do adesivo, é possível realizar a laminação das camadas de reparo da primeira face. Ela deve ser executada da mesma maneira que reparos em laminado sólido, inclusive utilizando uma manta em contato com o núcleo para ancorar os reforços. As camadas devem se sobrepor em escala para acompanhar a inclinação do chanfro.

Depois da cura da face externa, o molde pode ser retirado com o auxílio do peel ply. O último passo é a laminação do reparo na face interna, seguindo os mesmos passos anteriores. A superfície deve ser preparada com chanfro novamente de proporção 12:1 e o mesmo número de camadas estruturais devem ser laminadas.

Mais informações sobre o processos de reparo podem ser encontradas no livro Manual de Construção de Barcos, uma fonte rica e ilustrada que descreve o passo-a-passo de todos esses procedimentos.

Materiais compostos oferecem o melhor desempenho estrutural para construção de embarcações, além de apresentarem alta durabilidade no ambiente hostil de operação. No entanto, quando submetidos a impactos, os composites não são capazes de absorver a energia e distribuí-la de forma eficiente ao longo da estrutura, o que os torna sujeitos a danos pontuais.

Esses danos podem ser catastróficos, em grades áreas, em pequenos pontos ou apenas cosméticos. Se os danos não forem catastróficos, é fácil e rápido realizar reparos seguindo algumas instruções simples. No post dessa semana serão descritos os procedimentos para reparo de laminados sólidos, enquanto a próxima semana será dedicada às estruturas sandwich.

Se os danos forem cosméticos, é possível realizar o reparo facilmente com a aplicação de massas poliéster ou epoxy com cargas ou aditivos. Um detalhe importante nesse tipo de situação é a necessidade do uso de uma resina compatível com a estrutura original para que ela possa refletir as deformações e tensões que a nova estrutura será submetida.

No caso de reparos em pequenas regiões, é preciso realizar um tap test para verificar a extensão do problema. O tap test é basicamente um teste feito com um pequeno martelo de cabeça redonda para determinar as diferenças de ruído na estrutura e verificar a presença de delaminações no interior do laminado e assim poder mapear a extensão do reparo.  Feito isso, deve ser feita a limpeza da superfície com acetona ou outro solvente para garantir que todas as impurezas serão removidas. É importante permitir um tempo para que todo solvente evapore e não haja resíduos sobre a área que será relaminada.  Todas as partes soltas devem ser cortadas antes do início do lixamento, onde um chanfro em “V” deve ser feito em volta de todo o local.

A sua angulação do chanfro é determinada em função da espessura da peça, sendo geralmente de 12:1 em laminados de até 6 mm. Este valor aumenta progressivamente para 15:1 em espessuras maiores que 12 mm, podendo chegar a 20:1 em áreas críticas sujeitas a grandes pressões. Isto significa que em um laminado solido de 12mm vai ser necessário um chanfro que tenha uma aresta para laminação secundaria de 180mm.  

Após o lixamento, a superfície deve passar por uma limpeza novamente. Nesse ponto, os procedimentos de reparo são um pouco diferentes em situações em que o construtor tem acesso a um ou aos dois lados do reparo.

Quando houver acesso por dois lados, o molde será temporário e pode ser construído em uma chapa de compensado ou MDF para que possa se curvar a geometria da embarcação, se necessário. A fixação pode ser feita com fitas ou com parafusos nas arestas e sua superfície deve ser preparada com desmoldante, para possibilitar a remoção depois que o reparo for finalizado.

Antes de iniciar a laminação, os tecidos devem ser pré-cortados e a resina deve ser catalisada. Os tecidos devem ser combinados ou intercalados com manta, em quantidade suficiente para o reparo ser nivelado com a superfície. Tecidos biaxiais com orientação de [±45] são boas opções pela facilidade de moldagem, mas se o plano de laminação for conhecido, é ideal utilizar a mesma sequência do laminado estrutural ou ao menos combinar os tecidos para o reparo apresentar a mesma rigidez do restante do barco.

A resina mais recomendada para reparos estruturais é a epoxy por possuir a melhor capacidade de adesão em qualquer superfície. Algumas resinas epoxy, especialmente aquelas curadas com poliamidas, tem baixa resistência mecânica extremamente baixa embora tenham um baixo custo. As melhores opções de resina epoxy são aquelas curadas com aminas e que tem uma proporção de mistura de 3:1 (300gr de resina para 100gr de endurecedor).

Com os tecidos pré-cortados e o molde em sua posição preparado com desmoldante, é possível começar a laminação com uma camada de manta sobre a área a ser reparada. Esta camada tem a finalidade de garantir que o reparo estrutural fique devidamente ancorado. Os tecidos estruturais então devem ser laminados em escala, ou seja, se o chanfro for de 120 mm e foram necessárias quatro camadas de tecido biaxial, cada camada deve sobrepor a anterior em 30 mm.

O reparo em regiões de grandes espessuras deve ser feito em etapas, não ultrapassando 4 mm por vez. Isso garante que não haja pontos de alta concentração de exotermia (calor), o que poderia prejudicar a cura ou as propriedades do laminado ao redor do reparo. Após a laminação das camadas de tecido, o construtor pode utilizar uma camada de peel ply para preparar a superfície para os processos de acabamento.

Depois da cura, é possível retirar o molde do lado interno e iniciar o reparo nessa região. O processo de lixamento deve ocorrer após a limpeza da superfície, mas o chanfro pode ter apenas metade da proporção anterior e são necessárias apenas 30% das camadas externas.

Se não houver acesso pelos dois lados, é importante que o molde não seja preparado com desmoldante, porque ele não será retirado após o fim do reparo. Portanto, deve ser fabricado com material compatível com a resina de reparo.

Grandes reparos devem ter a preocupação com manter a fidelidade da geometria original. Idealmente, o molde em que o barco foi construído deve ser utilizado para construção das novas superfícies, mas o bordo oposto do casco pode ser utilizado também ou, se não for possível, moldes temporários podem ser construídos em espumas PVC.

Os procedimentos para reparos em laminados sandwich serão explorados próxima semana, mas é possível encontrar mais detalhes sobre isso e sobre reparos em laminados sólidos no livro Manual de Construção de Barcos.

A mobília não faz parte dos elementos primários que garantem a segurança estrutural de embarcações, mas é um dos fatores que adiciona peso e esforços desnecessários ao casco e pode se beneficiar com uma construção mais eficiente utilizando materiais compostos.

As placas de compensado naval que são tradicionalmente utilizadas têm um peso médio de 15 kg/m² e não são a opção mais eficiente disponível para o construtor. Além de ser um material pesado hoje em dia, tem um custo consideravelmente alto se as placas forem de qualidade e resistirem bem ao ambiente marinho. Uma alternativa para construção de mobiliário são painéis sandwich com núcleo de espuma PVC.

A versatilidade das espumas permite o uso de placas sólidas GSP ou com cortes do tipo DCI. Nas placas sólidas, as faces de fibra de vidro podem ser coladas utilizando vacuum bagging, enquanto as placas DCI podem ser utilizadas para fabricação dos eficientes painéis k-lite,também utilizados no método Power Flex para a construção de cascos, conveses e anteparas estruturais.

Mobiliários leves e forrações podem ser construídos com espumas de espessuras entre 6 e 10 mm, enquanto peças maiores e pisos levam espumas entre 10 e 15 mm. As faces não precisam ter mais que 1 mm de espessura, o que pode ser alcançado utilizando um tecido de ado de 800 g/m². O resultado é que um painel sanduíche com núcleo de PVC tem o peso final igual a 1/5 das placas de madeira de compensado naval, além de apresentarem uma facilidade de processamento muito maior.

Barcos de regata, que priorizam o desempenho em relação ao custo, podem utilizar faces construídas com tecidos de 400 a 600 g/m² ou recorrer aos núcleos honeycomb. Nesse caso, o núcleo de polipropileno deixa a desejar por apresentar propriedades específicas inferiores as das espumas de PVC e exigir o uso de resina epoxy, que encarece e complica o processo de construção. Já os honeycombs de Nomex^® são uma opção interessante pela possibilidade de produzir painéis de 1 kg/m² quando as faces são construídas com tecido de fibra de carbono de 200 g/m².  

É possível fabricar esses painéis por meio do processo de laminação a vácuo com resina epoxy ou ainda utilizando tecidos de prepreg. Apesar do alto custo relacionado a essa estratégia, algumas toneladas são eliminadas em um barco de 80-100 pés.

A redução de peso da mobília por meio do uso de materiais compostos pode trazer uma série de benefícios para embarcações de recreio e regata. A começar pela economia de combustível ou aumento da capacidade de carga e até mesmo melhora na estabilidade da embarcação a partir da eliminação de pesos nos conveses superiores.