Autor: Barracuda Composites

A eficiência estrutural de um painel sandwich depende do nível de integração entre as duas faces e o material de núcleo. O elemento responsável por esta união é a linha de colagem entre estes três elementos, que garante a integridade global da estrutura.

Posts anteriores do blog descrevem a colagem do núcleo sandwich nos processos de laminação manual e a vácuo e mostram que nesses casos a junta adesiva é composta por uma massa de colagem. Quando se utiliza o processo de infusão a vácuo, no entanto, a junta adesiva é formada por uma quantidade de resina líquida que consolida as faces e o núcleo durante a injeção da matriz.

Uma das principais características dos materiais de núcleo sandwich que é muito pouco explorada é o resin uptake, que representa justamente essa quantidade de resina necessária para realizar a ligação das faces com o núcleo. Essa quantidade de resina varia em função da natureza do núcleo, do tamanho das células de sua microestrutura e de sua densidade. Mesmo que muitos materiais tenham célula fechada, existe ainda uma pequena espessura na superfície do material onde existem células abertas devido ao corte que têm seu volume preenchido por resina durante o processo de infusão. Dependendo do tipo de material sandwich e seu processamento, esta quantidade de resina pode ser até ter uma massa maior que a do próprio material sandwich e é muitas vezes esquecida pelos projetistas.

O resin uptake não altera somente o peso final da peça, como também a quantidade de resina necessária para sua fabricação e as propriedades específicas do núcleo. Por essas razões, sua determinação é de primordial importância tanto para o projeto estrutural quanto para o planejamento da fabricação da peça, pois tem impactos diretos no custo e no desempenho das estruturas fabricadas em materiais compostos. O custo da resina absorvida nestas pequenas células abertas pode ser consideravelmente alto e desconsiderado no custeio do processo.

Assim como a maior parte das propriedades dos materiais compostos, a melhor maneira para determinar o resin uptake de um material de núcleo é de forma experimental. O processo começa com o cálculo da massa e das densidades nominais das placas. Esse processo é seguido da infusão das amostras que passam pelo tempo de cura adequado e, após isso, são novamente pesadas.

É importante determinar a densidade nominal dos materiais de núcleo antes da infusão porque a densidade informada pelos fabricantes dos materiais está sujeita a uma variação em função da tolerância dos produtos.

Após a infusão das placas com as mesmas condições de pressão e temperatura, linhas idênticas de resina e vácuo e resina com mesmo valor de viscosidade, é possível determinar o resin uptake simplesmente subtraindo a massa dos núcleos antes e depois do processo de infusão.

Essa informação está presente no Gráfico 2 em g/m² e fica evidente que no caso das espumas quanto maior a densidade do núcleo, menor seu resin uptake. No caso da madeira de balsa esta regra não se aplica. É possível perceber ainda que as espumas de PVC absorvem uma quantidade menor de resina do que as espumas PET e que a madeira balsa. A razão disso é que o PVC possui células bem pequenas e fechadas, enquanto os dois outros núcleos têm células disformes e abertas que permitem que a resina permeie toda a sua estrutura interna e não apenas sua superfície.

O Gráfico 3 mostra como o resin uptake altera a densidade final dos núcleos sandwich, também chamadas de densidades aparentes. Um aumento mais drástico da densidade aparente significa uma diminuição mais significativa nas propriedades específicas do material sandwich e, portanto, uma diminuição da eficiência estrutural.

Por fim, o Gráfico 4 ilustra como o tamanho da célula da microestrutura de espumas PVC influencia a absorção de resina dos núcleos. Quanto maior o tamanho da célula, mais espaço a resina tem para ocupar e, portanto, maior o resin uptake.

Em resumo, as espumas PVC apresentam o menor resin uptake entre as opções de núcleo. Em comparação com as espumas PET, isso acaba aumentando ainda mais sua vantagem em relação às propriedades específicas. Em relação à madeira balsa, mostra que a quantidade de resina necessária para a fabricação do laminado é menor, diminuindo o custo da fabricação. Isso ainda se soma a maior durabilidade da espuma PVC e com a possibilidade do uso de resina poliéster, que possui um custo muito menor em comparação com a resina epoxy que a madeira balsa exige.

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.

O processo Power Flex é uma maneira de utilizar a eficiência mecânica e produtiva do processo de infusão para a construção de barcos one-off em cascos com o formato multichine. Nos posts anteriores foram abordados os conceitos e as etapas de construção dos painéis k-lite e fabricação e montagem dos picadeiros e cavernas.

O que se segue é o processo de consolidação e acabamento do casco, realizado por meio do posicionamento dos painéis k-lite utilizando abraçadeiras de plástico. As linhas de colagem devem então serem preenchidas com adesivo de base epoxy e sílica e a integridade estrutural da embarcação é garantida a partir da laminação manual de tapes de fibra de vidro nessas linhas. Depois é a vez da etapa de acabamento, composta pela aplicação de massa no casco, seguida do primer e da pintura.

O primeiro passo para a montagem do casco é fazer uma série de furações com diâmetros de 3-4 mm nos painéis para que seja possível utilizar abraçadeiras plásticas para juntá-los na posição correta. A abraçadeira deve produzir pressão suficiente para manter os painéis juntos até a cura do adesivo e o espaçamento entre elas deve ser suficiente para evitar o empeno das arestas do painel.

Quando as chapas estiverem posicionadas, as abraçadeiras devem ser retiradas para aplicação do adesivo sobre o topo das cavernas. Para garantir uma superfície livre de contaminação na etapa de aplicação de massa no casco, o peel ply dos painéis infundidos deve ser removido apenas na região onde o adesivo será aplicado. O adesivo utilizado deve ser à base de resina epoxy e sílica, para garantir a adesão entre os painéis e uma tixotropia que impeça o escorrimento entre as placas que, depois de receber o adesivo, devem ser posicionadas no local adequado e fixadas novas abraçadeiras de plástico.

Após a cura completa do adesivo, é hora de realizar a laminação dos tapes na superfície externa do casco. Para começar, é preciso retirar as abraçadeiras plásticas e verificar se as linhas de colagem estão perfeitas. O peel ply na região das laminações deve ser retirado também e uma lixadeira de fita com lixa de ferro #40 ou #60 deve ser utilizada para preparar a superfície.

Os tapes devem ser contínuos e ter as bordas do tecido preparadas para evitar ressaltos. Em um barco pequeno, um tape de tecido biaxial [±45] com gramatura de 200-300 g/m² é a melhor opção em termos estruturais. A resina de colagem normalmente é à base de epoxy, de modo que se obtenha uma união sólida e resistente. Resinas poliéster podem ser utilizadas e apresentarão facilidade de manuseio, mas devem ser testadas para determinar sua compatibilidade com a resina utilizada nos painéis.

Antes de iniciar a laminação, é necessário aplicar na superfície uma pequena quantidade de pasta de resina catalisada com sílica, o que facilita a colocação dos tapes e evita que eles escorreguem sobre a superfície seca.  Os tapes devem ser pré-impregnados sobre uma mesa de laminação antes de serem posicionado no casco e o peso de resina não pode ser superior a 50% do peso das fibras.

Depois de posicionado e acabado, uma tira de peel ply deve ser colocada em cima do tape para evitar que a resina fique exposta e para preparar a linha de colagem para receber o acabamento.

Após o posicionamento do peel ply em todas as linhas de colagem, é necessário virar o casco e realizar a laminação dos tapes na parte interna da mesma maneira. Só após a cura deles é que se inicia o acabamento com massa e tinta. É possível escolher entre massas de epoxy e de poliéster para o acabamento.

Seguindo a aplicação da massa, o casco deve ser preparado para receber o primer por meio do lixamento manual e contínuo de forma progressiva com lixas de ferro de #40, #60 e #80. Com o casco limpo e livre de resíduos, o primer deve ser aplicado em duas demãos cruzadas para garantir uma superfície uniforme e com brilho. Depois de sua cura, é necessário mais um lixamento do casco, dessa vez com lixas de ferro de #60 e #80 e então é possível realizar a pintura e acabamentos finais.

Para mais informações sobre o Power Flex, é possível adquirir o livro Técnica e Prática de Laminação em Composites, que descreve com detalhes o processo de construção do dingue Andorinha, projeto desenvolvido no escritório de Roberto “Cabinho” Barros, com fotos ilustrativas de todas as etapas.

O método Power Flex representa uma evolução sobre o processo de Strip Planking em Espuma PVC, como foi abordado no primeiro post dessa série. Desenvolvido para construção de barcos one-off com cascos em formato multichine, o método consiste basicamente em fabricar previamente painéis k-lite que serão consolidados no cavername por meio da técnica stitch and glue.

Painéis k-lite­ são placas sandwich com núcleo de espuma PVC e faces de fibra de vidro laminadas com resina poliéster por meio do processo de infusão a vácuo. Os painéis k-lite são mais rígidos e resistentes em comparação com placas sandwich construídas por laminação manual, já que o uso vácuo aumenta o teor de fibra e diminui a quantidade de vazios no laminado. O aumento do teor de fibra também diminui o peso do painel, aumentando a eficiência da estrutura.

Os planos para construção em Power Flex devem especificar a densidade e espessura da espuma nos diversos locais do casco, convés e estruturas internas, assim como a quantidade, peso e direção das camadas de fibra. A partir dessas informações é possível realizar a infusão dos painéis. Apesar de as placas de PVC serem comercializadas com no máximo 2400 mm de largura, é possível realizar a infusão de painéis de qualquer tamanho desde que se tenha uma superfície grande o suficiente para fazer o papel do molde.

A possibilidade do uso de uma superfície plana para a realização da infusão, como uma mesa com tampo de vidro, é uma vantagem da laminação de painéis planos em relação à laminação de geometrias curvas que exigem a construção de moldes que são caros e, por essa razão, adequados somente para construção em série de embarcações.

Além da estrutura para realização da infusão, não são necessárias muitas ferramentas além de um conjunto similar ao que muitos construtores já têm para realizar pequenos reparos. Em geral é preciso de martelo, formão, chaves de fenda, lixadeira e uma serra circular para realizar o corte e montagem do picadeiro, cavernas e painéis, que é basicamente o kit de ferramentas necessárias para construir qualquer tipo de barco.  

Adicionalmente, máquinas elétricas manuais como a serra tico-tico são interessantes por sua versatilidade e possibilidade de corte de placas de material composto. Para realizar a consolidação dos painéis por stitch and glue ainda é necessária uma máquina de furar que tenha um mandril que encaixe brocas de 3/8” ou 1/2”, além de ferramentas para realizar a laminação manual dos tapes.

A montagem do picadeiro exige também esquadro, nível, prumo de centro, uma boa linha com uns 30 m para fazer as marcações de linha de centro, uma trena de fibra sintética com no mínimo 20 m, uma trena metálica de pequeno porte com três ou cinco metros e um metro de madeira. Para as marcações de altura, uma mangueira plástica transparente de 10 mm (3/8”) de diâmetro servirá para medir o nível. A construção dessa estrutura fundamental é muito similar ao processo realizado no Strip Planking em Espuma PVC, descrito com detalhes na Parte 2 da série feita no blog sobre esse método.

As cavernas devem ser construídas a partir das dimensões moldadas da embarcação, ou seja, as dimensões finais do barco descontadas as espessuras dos painéis k-lite. Se o barco for pequeno, é possível realizar a impressão dos templates sobre papel e fazer o recorte com uma serra manual ou utilizando o corte computacional por meio de uma CNC.

Na construção com o método Power Flex, as cavernas que irão dar forma ao casco podem exercer o papel de anteparas transversais da embarcação. O construtor deve lembrar que no caso de construções em composite, principalmente aquelas em sistema sandwich, o uso de longarinas, reforços transversais e cavernas secundárias é na maioria das vezes totalmente dispensável devida a alta rigidez do casco.  

O layout de montagem varia de projeto para projeto, mas o construtor deve estar atento para tentar reduzir a quantidade de trabalho posterior. Se for possível, deve colocar todas as cavernas e reforços internos nas posições corretas sobre o picadeiro e certamente isso irá reduzir o tempo de construção. É necessário primeiro colocar as cavernas na posição longitudinal adequada antes de posicioná-las verticalmente e então realizar sua fixação, normalmente feita com o uso de parafusos e porcas por ser uma opção rápida, limpa e que depois será fácil de ser removida.

Com os painéis infundidos, as cavernas devidamente posicionadas e todo o conjunto de ferramentas descrito disponível para o construtor, o próximo passo é a montagem dos painéis ­k-lite sobre o cavername. Este processo será explorado no post da próxima semana, que também discutirá quais são as etapas necessárias para realizar o acabamento do casco.

A construção de barcos one-off é muito comum entre construtores amadores que não desejam replicar o mesmo projeto em quantidade suficiente para que o custo da construção de um molde se justifique. Cascos multichine também são uma estratégia popular, já que a geometria simples facilita e acelera a construção.

Algumas semanas atrás, o blog abordou o método de Strip Planking em Espuma PVC, processo eficiente e ideal para cascos com muita curvatura e em especial veleiros, já que diminui os custos relacionados aos materiais principalmente por possibilitar o uso de resina poliéster. Além, é claro, de que a construção sandwich em espumas PVC pode ser mais leve e ter propriedades mecânicas e durabilidade muito melhores do que as de madeira e compensados navais utilizados no strip planking tradicional.

Durante o desenvolvimento da construção de um casco utilizando o método e Strip Planking em Espuma PVC percebeu-se que seria possível tornar o processo ainda mais rápido se as placas que cobrem grandes áreas planas fossem previamente laminadas e depois consolidadas por meio da abordagem stitch and glue que originalmente também é utilizada com madeira compensada.

Levando em conta que as placas planas em sandwich seriam laminadas previamente, porque não utilizar um método mais eficiente, que produz laminados com melhores propriedades mecânicas, mais leves e com uma qualidade melhor? Dessa reflexão nasceu o método Power Flex, que utiliza painéis pré-fabricados diretamente instalados sobre um cavername temporário do barco e tem como vantagem a produção de barcos por um processo mais rápido, econômico e eficiente.

Esses painéis são chamados K-Lite, laminados sandwich construídos com duas faces rígidas de fibra de vidro com núcleo de Divinycell pelo processo de infusão a vácuo, o que permite não só a perfeita compactação dos materiais, mas também possibilita o uso de resina poliéster.

Para comprovar a eficácia do método Power Flex, os engenheiros da Barracuda construíram o dingue Andorinha, projeto do escritório do renomado projetista brasileiro Roberto “Cabinho” Barros, concebido especialmente para incentivar construtores amadores. O processo de construção foi detalhadamente documentado e está descrito no livro Técnica e Prática de Laminação em Composites.

Nas próximas semanas os posts do blog comtemplarão todas as etapas e detalhes do método de Power Flex, capaz de construir embarcações elegantes e eficientes com uma longa vida útil. Serão exploradas as etapas de laminação dos eficientes painéis K-Lite, de montagem do picadeiro e cavernas, da montagem dos painéis sobre as cavernas, da laminação dos tapes de costura e colagem e de acabamento final do casco.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

O processo de infusão a vácuo, certamente não é um processo novo, mas é um dos que apresenta melhor custo benefício para a produção seriada de embarcações. Suas raízes estão ligadas ao trabalho de pesquisa do francês Henry Darcy que, em seu último trabalho intitulado “Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon”, realizou um experimento que descreveu a equação que rege o fluxo de um fluido atravessando um meio poroso.

A primeira patente desse processo foi registrada em 1940 e ficou conhecida como Método Marco e desde então houve tremenda evolução e o método ganhou diversas variações, ficando conhecido por diversas alcunhas, como VARTM, SCRIMP, VIP, LRI, entre muitas outras abreviações que também indicam particularidades em cada um desses processos. A sequência de laminação requer apenas o peel ply e a bolsa de vácuo, dispensando o uso do filme perfurado e o breather, necessários para o processo de vacuum bag.

Em todas as suas formas, o processo de infusão preserva o princípio de utilizar vácuo para puxar a resina líquida através do reforço seco. Isso confere diversas vantagens para a fabricação de peças seriadas, a começar pela produtividade de poder trabalhar com os reforços secos. Não precisar manusear resina em forma líquida também possibilita maior limpeza durante a laminação e diminui o desperdício. Uma grande vantagem da infusão a vácuo também é o controle que se tem sobre o processo, que é regido pela equação de Darcy:

O tempo t de infusão de um painel laminado depende da porosidade φ e permeabilidade K do meio a ser preenchido pela resina de viscosidade μ sob um gradiente de pressão ΔP.  Essa informação permite realizar um controle e um planejamento da produção que nem a laminação manual nem por vacuum bag são capazes de proporcionar. A utilização de um gradiente de pressão perto de 1 atm responsável por distribuir a resina pelo laminado garante não só uniformidade no teor de fibras das peças, mas também um aumento nessa propriedade e uma diminuição no teor de vazios, melhorando o desempenho mecânico de uma estrutura construída com materiais compostos.

A partir de uma equação que rege o fenômeno, é possível também utilizar softwares para planejar o processo e definir qual a melhor estratégia de infusão antes mesmo de iniciar a produção de uma peça por meio de flow models.

Em suma, a infusão a vácuo é capaz de construir mais rápido, com mais resistência e menor peso do que a laminação manual. Em um primeiro momento, pode parecer um processo complexo e com muitas variáveis, mas depois de dominar o processo, o construtor amador ou profissional vai ser capaz de fabricar com muito mais eficiência. O novo livro de Jorge Nasseh, intitulado Processo de Infusão a Vácuo em Composites compartilha com leitor todos os aspectos práticos e teóricos do método, com uma linguagem e ilustrações didáticas que apenas décadas de experiência com processamento de  composites são capazes de produzir.

O último post da série sobre o processo de Strip Planking em Espuma PVC, método desenvolvido pelo departamento de engenharia da Barracuda Advanced Composites, abordará o posicionamento dos strips e a laminação do casco. Depois de passar uma visão geral do método, o post anterior abordou a confecção e posicionamento das cavernas sob o picadeiro. A partir de agora, com a montagem da estrutura da embarcação realmente, fica evidente o ganho de produtividade que o método em PVC entrega em relação ao método tradicional em madeira.

Após o ajuste as cavernas, é necessário que seja instalado um virote longitudinal de madeira marcando a linha de borda da embarcação. Esse virote deve ser livre de empenos, ter a mesma espessura das chapas de espuma e apresentar cortes perfeitamente transversais espaçados entre 200 e 400 mm, sendo fixado nas cavernas com pregos ou parafusos. É nele que a primeira ripa de espuma será fixada com parafusos e a partir dela que a construção se desenvolve.

As ripas de espuma devem ser cortadas em uma serra circular com as larguras determinadas pelo projetista. Como as placas de PVC têm no máximo 2400 mm de comprimento, muitas vezes será necessário que se façam emendas longitudinais nas ripas. Já no post sobre a visão geral, se destacou que uma das vantagens do Strip Planking em PVC era que as ripas podem ser coladas de topo com resina poliéster, proporcionando uma redução de custo e tempo de fabricação em relação aos strips de madeira que devem ser colados com adesivo epoxy e encaixados a partir de perfis machos e fêmeas que precisam ser usinados. As emendas longitudinais na madeira devem ser feitas em chanfro de pelo menos 8:1 o que é realmente trabalhoso.

Além do adesivo de poliéster, as extremidades dos strips devem ser fixadas com o auxílio de pregos costurados de forma oblíqua, evitando o deslocamento após a colagem. Depois da preparação das ripas, é necessário aplicar desmoldante sobre as cavernas. Uma solução simples e rápida para restar etapa é simplesmente cobrir o topo das cavernas com uma fita plástica transparente.

É chegada então a hora de posicionar o primeiro strip no virote de madeira que indica a borda da embarcação. Após o alinhamento da ripa na popa do barco com uma sobra de cerca de 200 mm, deve-se conformar a ripa ao longo das cavernas e verificar que na proa também há uma sobra de 200 mm. Feito isso, é preciso fixar a ripa de espuma com parafusos auto-atarraxantes, capazes de abrir progressivamente uma rosca em espumas com densidades entre 60 e 80 kg/m³.

Depois da ripa estar fixada pelos parafusos, ela deve ser presa à caverna com pregos, que devem ser montados por meio de um pequeno bloco de madeira compensada de 4 mm de espessura, e 40×40 mm de área. Após esta etapa, a segunda ripa já pode ser posicionada com o uso de adesivo, utilizando uma regra geral de que cada metro de ripa de PVC com 20 mm deve receber entre 60 e 80 gramas de adesivo.

Com duas pessoas trabalhando, é possível catalisar massa para colagem de três ou quatro ripas de cada vez, utilizando a quantidade que sobrar para realizar o rejuntamento das ripas. Depois da colagem de uma ripa, é necessário sempre realizar a fixação nas cavernas com pregos, seguida da limpeza do excesso de massa entre as ripas e inserção de pregos para a junção. Esses pregos devem ter entre 2 e 3 mm de diâmetro, comprimento de 40 mm e um espaçamento de 200 mm entre eles.

É comum que as primeiras ripas do costado sejam fáceis de serem posicionadas, mas chegando perto da intersecção do fundo com o costado, a geometria das ripas começa a mudar e o construtor pode optar por continuar o trabalho reduzindo o comprimento das ripas ou pode iniciar a montagem das ripas pela linha de centro do barco, possibilitando o início de duas frentes de trabalho.

Concluído o chapeamento do costado, a ripas vindas da linha de centro vão começar a terminar em escala sobre a última ripa do costado. Neste ponto o construtor deve ajustar a próxima ripa sem o adesivo. Colocar a ripa faceando a ripa inferior e com o auxílio e uma outra ripa como régua marcar o ângulo de corte e realizá-lo utilizando uma faca ou estilete para um corte limpo e preciso.

O fechamento da proa é uma das partes mais difíceis da construção em strip planking, já que o perfil da roda deve ser sempre ajustado para acomodar as mudanças dos ângulos e a posição das cavernas deve ser precisa para não criar ondulações no casco. Na maioria dos casos, é aconselhável adicionar cavernas intermediárias para facilitar a colocação das ripas. Se o espaçamento das cavernas for de 700 mm, é interessante diminuí-lo para 350 mm nas primeiras duas cavernas para poder proporcionar uma montagem suave e garantir as linhas de proa do barco.

Assim que o Strip Planking estiver concluído, é hora de retirar com cuidado os pregos de costura e os pregos e arruelas do contraplacado, aparar as ripas da última baliza de ré e preparar uma massa para calafetar todas as pequenas juntas entre as ripas que ainda podem estar abertas e as regiões em que os pregos podem ter deixados marcas nas espumas. Quando esse processo estiver concluído, a superfície de espuma deve ser lixada e mais uma vantagem do uso de PVC fica evidente nesse processo.

É muito mais rápido e fácil lixar uma superfície de espuma com tacos de madeira com lixa do que realizar o mesmo processo nos strips de madeira. Deve-se começar com uma lixa de ferro grão 40 e prosseguir o acerto fino no costado e na roda de proa com lixa grão 60 e 80. É muito importante que o lixamento seja feito de forma primorosa para que o acabamento final da embarcação seja de ótima qualidade e evite que muita massa seja aplicada de pois da laminação.

Após o lixamento, é possível começar o preparo para a laminação que se inicia com o pré-corte e pesagem dos tecidos, sempre se certificando de que os overlaps não ultrapassem 50 mm e seguindo atentamente as instruções do plano de laminação. Sabendo o peso total de fibras que será utilizado em conjunto com o teor de fibra de vidro adequado, o construtor é capaz de calcular a quantidade de resina a ser utilizada em uma laminação manual, incluindo uma taxa de 5% para eventuais perdas.

Para garantir que a superfície externa esteja preparada para o acabamento, é possível inserir uma última camada de laminação de peel ply, opcional para barcos construídos em resinas poliéster, mas mandatório para construção em epoxy.

Após a cura da laminação externa, é necessário virar o casco e laminar a parte interna para que os painéis sandwich sejam consolidados. O processo todo de construção de um casco por meio do Strip Planking em espuma de PVC pode ser executado em um período de algumas semanas, representando um ganho em custo e produtividade muito grande em relação ao Strip Planking de madeira, isso sem contar que o casco será mais leve e muito mais durável.  No final este tipo de construção é mais rápida, mais forte, mais durável, mais leve e mais econômica!

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Essa semana continuamos com a sequência de posts abordando o processo de Strip Planking em Espuma PVC, desenvolvido pelo departamento de engenharia da Barracuda Advanced Composites. Depois de passar uma visão geral do método, vamos falar agora especificamente do corte e posicionamento das cavernas.

A construção e posicionamento do picadeiro têm a fama de serem uma das etapas mais complicadas do processo. O picadeiro é a base da construção e deve ser forte o suficiente para suportar o peso das cavernas e do laminado do casco sem apresentar empeno e deformação. Pode ser construído de madeira, aço ou alumínio entretanto a madeira é provavelmente o material mais simples de se utilizar e oferece um bom desempenho quando são utilizados perfis de 6”x3” de madeira de boa qualidade, sem empenos, sem nós e sem umidade.

Como regra prática, pode-se adotar que o picadeiro deve ter uma largura equivalente a 60% da boca máxima do barco. Sua altura vai evitar que as etapas posteriores do projeto sejam executadas em posições desconfortáveis que podem até comprometer a estética do barco. Em geral, a altura da linha de borda deve ter pelo menos 300 mm sobre o piso do estaleiro para facilitar o trabalho posterior de montagem das ripas, laminação e acabamento. O comprimento do picadeiro deve ser um pouco maior do que o do barco, permitindo que seja possível trabalhar no espelho de popa.  

Depois de construir e posicionar o picadeiro, é hora de posicionar as cavernas. Hoje em dia, é muito comum que o projetista envie as seções do barco em padrão digital e as seções sejam cortadas por controle numérico (CNC) e o processo pode ser finalizado em algumas horas. No entanto, é importante que alguns detalhes sejam destacados.

Em primeiro lugar, as dimensões da caverna devem considerar o desconto do ripamento de Divinycell e a laminação. Para plugs que necessitam de ripas intermediárias para montagem de alguma curvatura ou diferença de espessuras, os encaixes já devem estar entalhados nas cavernas e é papel do construtor inserir isso no desenho de corte.

Uma boa opção de materiais para construção das cavernas são placas de MDF de pelo menos 15 mm de largura. Espessuras menores não vão suportar o peso sobre elas e as bordas tendem a abrir quando fixadas com parafusos e pregos. O corte em CNC permite que se façam furos de passagem que deixar as cavernas mais leves e fáceis de serem manuseadas.

Antes de posicionar as cavernas, as posições longitudinais devem ser marcadas no picadeiro com precisão. Um erro na posição das cavernas significa uma deformação no casco, portanto é muito importante que esse processo seja feito de forma precisa, com trena de fibra com comprimento suficiente para não haver emendas ao longo do comprimento do barco. Outra opção é utilizar um medidor ótico para garantir total precisão. Hoje em dia existem várias ferramentas auxiliares de posicionamento e nivelamento para que a montagem tenha 100% de precisão.

Assim que for colocada na posição, a caverna deve ser travada com auxílio de grampos e seu nível lateral deve ser verificado com linha, mangueira de nível ou mira a laser. A caverna deve ser fixada em sua posição apenas depois do seu ajuste no nível vertical, que normalmente começa no centro do barco.

Outro ponto crucial é a colocação da roda de proa. Ela deve considerar o ângulo de fechamento das ripas de Divinycell e seu perfil deve descontar proporcionalmente esta angulação. Para quem tem familiaridade em ler um plano de linhas isto não será problema.

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O método de construção em strip planking em espuma PVC, desenvolvido pelo departamento de engenharia da Barracuda Advanced Composites, tem os mesmos fundamentos do método utilizando madeira, que foi um dos primeiros processos utilizados para construção amadora de barcos a vela e para a construção de modelos e moldes.  Nas próximas semanas os posts do Blog de Manual de Construção de Barcos vão explorar esse método, começando aqui por uma visão geral que elucida todas as vantagens e etapas do processo, e depois abordando a confecção e posicionamento das cavernas e colocação das ripas de espuma.

Esse processo é ideal para construção de embarcações one-off com o mínimo de ferramentas possível e baixo investimento inicial. É mais indicado para barcos com grande parte de superfícies planas, mas é possível produzir superfícies com dupla curvatura. No método tradicional de strip planking, a madeira desempenha toda a função estrutural e as camadas de fibra aplicadas na parte externa do casco têm apenas função de proteção contra umidade. No strip planking em PVC, a espuma tem a mesma função estrutural de um material sandwich, provendo resistência à compressão e ao cisalhamento e garantindo um casco muito mais leve do que se tivesse sua estrutura construída em madeira.

Além disso, barcos construídos com compostos sandwich tendem a não ter qualquer espécie de reforço longitudinal ou transversal, ou pelo menos não tanto quanto os usados em projetos de laminados sólidos e madeira. Barcos projetados e construídos em strip planking de madeira tendem ser dotados de uma série de cavernas transversais (90°) para compensar o uso de ripas longitudinais (0°) utilizadas no casco.

O processo de construção de strip planking em PVC começa com o posicionamento das cavernas, seguido do corte e posicionamento dos strips que são colados um nos outros com uma massa a base de resina poliéster. Depois disso, a superfície externa das espumas é preparada para laminação e acabamento antes do casco ser virado e laminação interna ser iniciada para a consolidação do painel sandwich.

As espumas de PVC utilizadas para construção dos strips possuem densidades que variam entre 60 a 100 kg/m³ para a maioria dos projetos, com espessuras entre 10 e 50 mm, sendo que espessuras até 80 mm podem ser fornecidas caso seja necessário. As ripas de espuma devem ser cortadas com serra circular com uma boa lâmina e dispensam a usinagem de perfis macho e fêmea, como exigido paras as ripas de madeira, já que a colagem lateral é feita de topo, o que acaba reduzindo significativamente o trabalho de montagem.

Inclusive, as ripas de madeira devem ter entre 20 e 25mm de largura e as de espuma podem variar entre 50 e 200mm, a depender do desenho das seções. A largura das ripas deve sempre ser maximizada de forma a diminuir o peso do adesivo, sendo inclusive possível que o construtor use placas com até 1200 mm de largura em barcos a motor com grandes superfícies planas.

As facilidades de montagem e colagem das ripas de PVC fazem com que seja possível diminuir consideravelmente o tempo de construção. Um barco pequeno de 25 pés pode ser montado em oito horas de trabalho, enquanto a construção em madeira levaria semana ou meses. Além disso, com o uso de madeira é obrigatório o uso de resina epoxy para a colagem das ripas e laminação da camada externa de fibras. A espuma PVC permite o uso de resina poliéster para laminação e colagem, o que diminui o custo e permite a construção de um laminado relativamente rígido.

O acabamento é outro aspecto onde o strip planking em PVC leva vantagem sobre o processo que utiliza madeira. Antes da laminação externa das camadas de fibra é necessário que a superfície do casco esteja perfeitamente aparelhada e por melhor que sejam as juntas de madeira, algum ajuste ainda será necessário. E lixar madeira é um processo muito mais trabalhoso do que lixar espuma rígida.

A seleção dos tecidos deve ser feita com base nos planos de construção criados pelo projetista, mantendo sempre as mesmas gramaturas e direções no caso de alguma adaptação. Tecidos biaxiais são sempre a melhor opção para construções one-off e têm a vantagem de permanecerem estáveis ao longo da laminação, diferente de tecidos woven roving, por exemplo, que criam superfícies irregulares. Em barcos muito grandes onde as camadas de fibra ultrapassam 3 kg/m², o construtor pode optar por utilizar um número maior de camadas de tecidos mais finos, que irão fornecer um acabamento quase perfeito.

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