Autor: Barracuda Composites

Anteparas e longarinas fazem parte do grupo de elementos estruturais presentes em embarcações e têm processos de fabricação bastante simples, mas suas fixações e interações podem representar desafios para os construtores.

Anteparas são painéis planos que dividem a embarcação ao longo de seu comprimento. Além de influenciar o arranjo de um barco, também adicionam rigidez. Como os painéis são planos, é muito comum que sejam formados por painéis K-Lite construídos por infusão separadamente e depois sejam fixados no casco.

A Figura 1 mostra uma das opções para fixação da antepara, trabalhando diretamente sobre o casco da embarcação. É necessário utilizar um filler, chamado também de adesivo estrutural, formado por uma mistura de resina termofixa e microesferas. Depois de formar o filete com essa massa, é preciso laminar algumas tapes de tecido biaxial [±45] e é possível criar uma superfície suave para o fluxo de tensões.

A Figura 2 apresenta a opção de fixação de anteparas em barcos onde as faces finas podem criar uma grande tensão na junção. A solução é utilizar um filete de espuma PVC colado sobre o casco diretamente abaixo de onde é montada a antepara, com um ângulo de inclinação entre 30 e 45°, proporcionando uma perfeita transferência de tensões entre os dois painéis estruturais. 

As longarinas são vigas longitudinais que acompanham todo o comprimento da embarcação e sua continuidade é de extrema importância para o esquema estrutural de embarcações. Geralmente são laminadas utilizando tecidos unidirecionais e devem atravessar as anteparas, que devem ser recortadas para permitir sua passagem.

O recorte das anteparas deve ser preciso de modo que não haja espaços vazios na junção, como mostra a Figura 3. Novamente as linhas de colagem ser feitas por um adesivo estrutural, formando um filete com transição suave entre o fundo e a longarina e entre a antepara e o fundo. Mais uma vez os tapes de tecido biaxiais [±45] devem ser laminados para garantir a integridade da estrutura. Esse tecido é utilizado porque sua trama é a que se molda com mais facilidade dentre os multiaxiais e, se o construtor estiver utilizando resina poliéster, é importante utilizar tecidos combinados com manta.

Por fim, a Figura 4 mostra detalhes da montagem de anteparas que ficam acima de reforçadores longitudinais (longarinas) ou transversais (cavernas). Neste caso, tanto a colagem da transversal como a da longarina deve ser feita de forma suave para possibilitar a passagem ininterrupta das tensões. Este tipo de configuração é muito utilizado no convés de barcos grandes onde a casaria possui vigas longitudinais e transversais.

Para mais informações sobre detalhes estruturais de embarcações, é possível visitar outros posts dessa série no blog ou consultar o livro Métodos Avançados de Construção em Composites.

A função das fibras e da resina dentro de um laminado sólido são muito bem definidas. Enquanto as fibras de reforço fornecem resistência e rigidez à estrutura, a resina possui a função de dar suporte na geometria desejada além de transferir os esforços para as fibras. A transferência de esforços depende de algumas variáveis, como a capacidade de alongamento da matriz de resina e principalmente da resistência ao cisalhamento interlaminar.

Partindo do princípio de funcionamento dos materiais compostos, espera-se que a resina tenha pelo menos a mesma capacidade de alongamento que as fibras de reforço. Se isso não ocorrer existe um risco potencial de falha na estrutura, já que o laminado não suporta todo o esforço que a fibra é capaz de absorver e pode falhar com a delaminação e ruptura da matriz polimérica.

As fibras de carbono são as mais rígidas, com seu potencial de resistência máximo sendo alcançado com um alongamento próximo de 1,5%, enquanto as fibras de aramida deformam até 3% e as fibras de vidros variam entre 4% e até 6%. A Figura 1 mostra a capacidade de alongamento média de resinas termofixas.

Os dados deixam claro que as resinas epoxy possuem uma capacidade de alongamento muito maior do que as das resinas estervinílicas e, principalmente, que as poliéster. O projetista e o construtor devem ter essa questão em mente durante o dimensionamento estrutural e no processo de seleção de materiais da embarcação.

Além do alongamento, a resina deve possuir alto poder de adesão o que pode ser traduzido como alta resistência ao cisalhamento interlaminar, que é a medida de quanto a resina adere às camadas de reforço adjacentes e por quanto tempo ela consegue manter unidas as camadas de laminado.

Novamente as resinas epoxy apresentam uma resistência ao cisalhamento interlaminar muito superior às demais. Para mitigar esses efeitos e aumentar a adesão entre as camadas de tecido, construtores de embarcações utilizam camadas de manta de fibra de vidro entre uma camada de tecido e outra quando utilizam resinas poliéster.

Isso cria uma interface rica em resina que garante que a junção entre os elementos apresente a resistência o suficiente para segurança da estrutura. No entanto, isso acaba adicionando peso ao laminado e diminuindo a sua eficiência estrutural, mas garantindo um custo mais baixo do que o uso de resinas a base de epoxy.

Para amenizar o problema de adição de peso, devem ser utilizadas mantas da menor gramatura possível, algo entre 75 e 150 g/m². Existem inclusive tecidos multiaxias combinados com manta que adicionam apenas o peso necessário e ainda facilitam a montagem da laminação.

O cisalhamento interlaminar é mais uma das diversas variáveis que devem estar na mente de projetistas e construtores de embarcações. A peculiaridade dessa propriedade é que, diferente de diversas outras propriedades mecânicas, ela é muito mais dependente da resina utilizada do que da fibra de reforço.

Muitos projetistas se concentram em produzir planos de construção, indicando detalhadamente a sequência e direção das camadas de tecido, espessuras e densidades de núcleos, mas negligenciam o detalhamento de pontos críticos da construção de composites.

No entanto, após acertar o processo produtivo e o plano de laminação, os detalhes das uniões entre os elementos estruturais são pontos que podem determinar a segurança da embarcação e, se feitos da maneira correta, podem ajudar a reduzir seu peso.

Essa série de posts será dedicada a detalhar alguns desses pontos críticos e apresentar quais são as melhores soluções para construí-los. Apesar de retratarem a união de elementos náuticos, os exemplos são genéricos e podem ser aplicados em qualquer tipo de construção em composites. O primeiro deles se trata da montagem entre casco e convés.

Existem diversas opções de como esse procedimento pode ser realizado, dependendo do tipo de laminado utilizado, moldes e acabamento final que o construtor espera alcançar. Em geral, barcos produzidos em série tendem a utilizar fixadores de metais combinados com laminações internas.

A figura acima mostra duas soluções de fixação de casco e convés fabricados com laminados sandwich. À esquerda, a fixação é feita através de adesivo estrutural no plano do convés através de um rebaixo, e finalmente o trilho de borda é fixado com parafusos passantes. A parte interna da junção pode ou não ser laminada dependendo do grau de acessibilidade da junção.

A ilustração à direita mostra uma variação do exemplo anterior onde se utiliza o rebaixo na face superior do costado e o trilho de borda é montado com dupla fixação metálica. A terminação da espuma deve ser o mais próxima possível da linha de montagem para reduzir o efeito da mudança brusca de inércia entre o laminado sandwich e o laminado sólido.

É importante notar que a espuma PVC não possui resistência à compressão suficiente para receber fixadores, portanto as ferragens devem ser unidas aos painéis com adesivos estruturais e os parafusos devem ser posicionados diretamente nas partes metálicas ou em porções sólidas do laminado. Quando é necessário que sejam utilizados diretamente sobre o painel, o construtor deve realizar um insert de espuma poliéster de alta densidade.

A próxima opção à disposição dos construtores é ilustrada na figura abaixo e é bastante utilizada em barcos pequenos de produção seriada com difícil acesso pela parte interna utiliza o rebaixo na linha do casco. A montagem é feita com adesivo estrutural e depois terminada com trilho de alumínio ou aço, fixada por parafusos com acabamento metálico ou plástico e selante a base de poliuretano.

Existem ainda opções que utilizam somente adesivo estrutural, sem a presença de fixações metálicas. O primeiro detalhe mostra a colagem vertical simples com adesivo epoxy ou metacrilato, enquanto o segundo mostra a colagem com adesivo no plano horizontal com laminação interna.

Essas são algumas das opções disponíveis para execução desse tipo de procedimento de união, que prioriza a segurança e eficiência estrutural da construção com laminados sandwich. Outras estratégias estão presentes no livro Métodos Avançados de Construção em Composites.  

Os K-Lite são painéis sandwich de geometria plana com núcleos de espuma PVC, faces de tecidos multiaxiais de fibra de vidro laminadas com resinas poliéster utilizando o processo de infusão a vácuo. A eficiência desse tipo de material faz com que seja utilizado em reparos e até mesmo na construção de embarcações pelo método de Power Flex.

As propriedades mecânicas dos painéis K-Lite são excelentes, mas muitos construtores amadores possuem dúvidas sobre qual o procedimento correto para realização a junção desses painéis e garantir a integridade da estrutura. Existem algumas opções, como o uso de perfis metálicos pré-fabricados que realizam a junção mecânica dos painéis. No entanto, a colagem utilizando adesivos estruturais é a opção mais eficiente, pois possibilita a distribuição uniforme dos esforços e não cria regiões de concentração de tensão.

Esse processo é relativamente simples e pode ser executado em algumas etapas após pouco tempo de treinamento. As ferramentas utilizadas são comuns em estaleiros, incluindo misturadores de baixa velocidade, espátulas, rolos de lã para impregnação de resina e tira-bolhas para acomodar os tecidos. Os laminadores que realizam a colagem também devem estar com os equipamentos de proteção individual adequados para evitar que a resina entre em contato com a pele e olhos.

A fabricação de painéis K-Lite conta uma camada de peel ply em cada face que, além de ajudar no desmolde dos demais consumíveis, protege o painel e deixa a superfície com a rugosidade adequada para o processo de colagem. O primeiro passo para junção de dois painéis é retirar uma faixa de cerca de 50 mm de peel ply das extremidades dos painéis.

O construtor deve então aplicar um adesivo estrutural na linha de colagem entre os painéis. Um adesivo estrutural é uma resina combinada com cargas minerais que modificam sua densidade, viscosidade e tixotropia. As cargas normalmente utilizadas são uma combinação de microesferas ocas de vidro, que diminuem a densidade do adesivo, e sílica que aumenta a tixotropia e facilita a aplicação. Não existe uma proporção ideal de cada carga e o construtor pode comprar formulações prontas ou experimentar qual a melhor combinação para as suas necessidades.

Existem adesivos estruturais a base de resina epoxy e de resina poliéster. As propriedades mecânicas e de adesão das resinas epoxy são normalmente superiores, mas seu custo é maior do que os das resinas poliéster. Por outro lado, os adesivo poliéster são compatíveis apenas com painéis que foram laminados com essa mesma resina.

Após garantir que o adesivo estrutural é compatível com o painel aplicá-lo na linha de colagem, o construtor deve esperar sua cura e então laminar manualmente tapes de 50 mm de tecido biaxial [±45] de fibra de vidro com gramaturas entre 300 e 600 g/m². Uma boa estratégia é cortar os tapes no comprimento desejado, impregná-los de resina em um local separado das peças a serem coladas e apenas depois acomodá-los nas junções entre as placas.

Se o construtor estiver utilizando resina poliéster para laminação dos tapes, uma deve utilizar um camada de manta para que seja possível melhorar a adesão entre o tape e os painéis. Uma opção melhor é utilizar tecidos biaxiais combinados com manta, o que vai diminuir uma etapa de laminação e deixar a junção mais leve. A laminação dos tapes deve ocorrer dos dois lados da junções das placas e, dessa forma, o construtor consegue garantir a integridade de sua estrutura.

Após a cura da laminação dos tapes o construtor tem a estrutura de painéis planos consolidados da geometria que deseja. Apesar desse tipo de técnica ser muito utilizada para construção de embarcações, a colagem de painéis K-Lite é um processo com diversas aplicações incluindo a construção de motor homes, mobiliário, tiny houses, entre outros.

Mais informações sobre esse processo pode ser encontrada no livro Técnica e Prática de Laminação em Composites.

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.