Características de Resinas de Infusão

O processo de infusão a vácuo traz uma série de benefícios para construção de embarcações que vão muito além do aumento da eficiência estrutural, já que permite a realização da laminação em um ambiente muito mais limpo e organizado. A versatilidade do processo faz com que seja possível construir estruturas a partir de moldes fechados ou até mesmo com painéis planos por meio do Método Power Flex.

Um dos principais elementos que determinam o sucesso da infusão é a resina utilizada. As duas principais características a serem observadas são o tempo de gel e a viscosidade, que são extremamente sensíveis às condições ambientais no momento da fabricação.

O tempo de gel compreende o intervalo entre a mistura da resina com o catalisador e o aumento exponencial de sua viscosidade, que representa sua passagem do estado líquido para o gelatinoso e, posteriormente, sólido. O Gráfico 1 indica que quanto maior a temperatura inicial da resina, menor é o tempo de gel. 

Gráfico 1. Tempo de gel em função da temperatura inicial

O construtor deve buscar um tempo de gel que seja suficiente para que a resina percorra o caminho designado pelo plano de infusão e entre em estado de gel antes de alcançar as linhas de vácuo, o que causaria uma queda no gradiente de pressão e prejudicaria a compactação do laminado durante o restante do processo de cura da resina.

Quando se fala de resina poliéster insaturadas, amplamente utilizadas para infusão de estruturas náuticas, o tempo de gel pode ser controlado pela concentração de catalisador e pelo armazenamento da resina em uma temperatura inicial adequada. No entanto, a temperatura do ambiente, ou do molde mais especificamente, possui grande influência em outra característica extremamente importante da resina, sua viscosidade.

Fisicamente, a viscosidade representa a resistência de um fluido ao escoamento, mas pode ser interpretada também como a “espessura” de um líquido. O tempo de infusão é diretamente proporcional à essa propriedade, que pode dobrar de valor com uma redução de 10°C na temperatura da resina, como indicado pelo Gráfico 2.

Gráfico 2. Viscosidade de um sistema de resina em função da temperatura

Resinas de laminação manual podem ter até 450 cps de viscosidade, o que tornar a infusão inviável já que o gradiente de pressão não tem força o suficiente para vencer essa resistência ao escoamento e não consegue transportar a resina através do laminado de maneira eficiente. Resinas de infusão, então, devem apresentar viscosidade entre 100 e 200 cps no momento da impregnação.

Moldes de estruturas mais complexas como pás eólicas podem apresentar um sistema de aquecimento para controlar esse aspecto da resina, mas em geral construtores de embarcações são reféns das condições ambientais. É importante, então, realizar a infusão de estruturas dentro das condições ideais de temperatura, que variam entre 20°C e 30°C.

Essas são duas das principais características das resinas de infusão, mas não são as únicas. O pico exotérmico, o teor de sólidos, o intervalo de pico e mais detalhes sobre a formulação de resinas termofixas podem ser encontrados no livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites.

Espessura de Laminados Sólidos

A rigidez de uma estrutura é o produto entre o módulo de elasticidade do material que a compõe e o momento de inércia da seção transversal. O momento de inércia, por sua vez, aumenta exponencialmente em função da espessura t de um laminado.

A melhor maneira de determinar qualquer propriedade de materiais compostos é experimentalmente, ou até mesmo na prática nas condições reais de fabricação. No entanto, existem algumas ferramentas que podem auxiliar construtores e projetistas a estimarem essas propriedades e realizarem ensaios mais assertivos, já na janela mais adequada de experimentação.

Uma dessas ferramentas é a Equação 1, que permite estimar a espessura t de um laminado sólido com base no número de camadas n do tecido de gramatura Aw utilizado. Para utilizá-la, é importante também saber a densidade ρf do filamento utilizado e a fração volumétrica vf de fibra no laminado.

Equação 1. Cálculo da espessura de um laminado sólido

O número de camadas e a gramatura do tecido utilizado são variáveis fáceis de serem determinadas e normalmente são apresentadas no plano de laminação da estrutura. A densidade do filamento varia de acordo com o material utilizado, sendo aproximadamente 2,7 g/cm³ para fibras de vidro e 1,65 g/cm³ para fibras de carbono. Essa informação deve ser sempre confirmada com o fornecedor do material.

A fração volumétrica de fibra em um laminado é um número entre 0 e 1 que indica qual a porcentagem do espaço que a fibra ocupa em relação ao volume total do laminado. Não é fácil obter esse número na prática como é obter o teor de fibra, também chamado de fração mássica de fibra, que é simplesmente o peso de fibra divido pelo peso total do laminado.

A Equação 2 permite converter a fração mássica de fibra em fração volumétrica informando as densidades da fibra ρf  e da matriz ρm utilizadas para construção do laminado sólido.

Equação 2. Conversão do teor de fibra em fração volumétrica

O teor de fibra depende principalmente do processo de fabricação utilizado e varia de acordo com o indicado no Gráfico 1. Métodos como spray-up e laminação manual apresentarão uma variação nesses valores em função do operador que está realizando o processo, mas processos mais sofisticados como a infusão e prepregs são capazes de obter teores mais alto e variabilidades menores.

Gráfico 1. Teor de fibra em função do processo construtivo

Assim como outras diversas propriedades mecânicas e físicas dos materiais compostos, é possível estimar a espessura de laminados sólidos em função das propriedades dos constituintes e parâmetros do processo de fabricação. É possível encontrar mais informações e uma discussão mais profundo desses parâmetros no livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites.

Uso de Fibras de Carbono para Redução de Peso

Os últimos posts refletiram sobre a importância da redução e distribuição do peso em uma embarcação, discutindo alguns mecanismos para reduzir o peso de peças acima da linha d’água possibilitando maior controle sobre a posição vertical do centro de gravidade e, consequentemente, sobre o conforto da navegação.

Os mecanismos discutidos incluíram a retirada do skin coat das peças e eliminação das camadas de manta que não apresentam benefício estrutural, embora elas contribuam para o aspecto cosmético das embarcações. Esses procedimentos são bastante simples e não modificam de forma significativa o custo final dos materiais empregados, entretanto, se o construtor precisar de uma redução mais drástica ele pode recorrer a materiais mais sofisticados como as fibras de carbono.

Os tecidos de fibras de carbono estão disponíveis na mesma variedade de formas que as fibras de vidro, incluindo tecidos uni e bidirecionais, além dos multiaxiais. Esses reforços são mais resistentes e rígidos em comparação com outros tipos de fibra, além de serem mais leves. O resultado é a possibilidade de criar um laminado muito mais eficiente, ou seja, capaz de resistir aos esforços aos quais a embarcação é submetida com muito menos peso.

As faces de um laminado sandwich submetidas a esforços de flexão devem suportar tensões de tração e compressão, portanto é importante entender o comportamento das fibras de reforço nesse contexto. O Gráfico 1 compara a resistência específica à tração de alguns tipos de fibra de carbono e de vidro, mostrando que elas são várias vezes mais resistentes que as fibras e vidro.  

Gráfico 1. Resistência à tração específica

O Gráfico 2 faz a mesma análise em relação à compressão, mostrando que as fibras de carbono superam tambem as fibras de vidro em larga margem. A fibra de vidro S é apresentada no gráfico para fins de comparação, mas deve-se ter em mente que o material massivamente utilizado na construção náutica é a fibra de vidro tipo E, que possui o menor desempenho mecânico entre as fibras.  

Gráfico 2. Resistência à compressão específica

Por fim, o Gráfico 3 apresenta o módulo de tração das fibras, mostrando que as fibras de carbono produzem, em média, laminados com 5 vezes mais rigidez à flexão que as fibras de vidro.

Gráfico 3. Módulo de tração específico

Com essas informações, é fácil entender que é possível construir estruturas mais leves e resistentes utilizando fibras de carbono do que com fibras de vidro, aumentando ainda mais o controle que o construtor tem sobre a posição do centro de gravidade. No entanto, existem duas importantes questões que construtores e projetistas devem ter em mente quando utilizam esse mecanismo para redução de peso.

A primeira questão é que, embora mais resistente à tração e compressão, as fibras de carbono possuem um comportamento ligeiramente inferior às fibras de vidro em relação à resistência ao impacto. Por serem mais rígidas, não distribuem os esforços de forma tão rápida quanto às fibras de vidro, o que pode ser minimizado quando se utiliza lamiados sandwich.

De qualquer forma, é muito comum que a camada externa de um laminado com fibra de carbono tenha um tecido de fibra de vidro para combinar os benefícios dos dois materiais e tornar a estrutura mais segura.

O segundo ponto é que a rigidez de uma estrutura é definida como o produto do módulo de elasticidade do laminado pelo momento de inércia de sua seção transversal. O momento de inércia aumenta exponencialmente com a espessura do laminado e, por conta da densidade menor, a espessura final de um laminado de fibra de carbono é menor do que um construído com fibra de vidro, o que acaba diminuindo a rigidez e aumentando a deflexão da estrutura. Isso é facilmente contornável utilizando núcleos de maior espessura, mas o construtor deve se manter atento para levar esse fato em consideração.

O uso de fibras de carbono é mais um dos mecanismos a disposição do construtor para diminuir o peso de estruturas, o que é extremamente importante sobretudo em partes da embarcação acima da linha d’água.

A utilização de laminados de fibra de carbono pode não só diminuir o peso final de uma embarcação, mas também melhorar significativamente o conforto do passageiro durante a navegação. Dessa forma, é de extrema importância que construtores e projetistas tenham ciência desse recurso durante o desenvolvimento do projeto construtivo de uma embarcação.

Mecanismos Para Redução de Peso

O post da última semana discutiu como diminuir o peso de uma estrutura também diminuir a intensidade das forças atuantes, além de abordar a importância que a distribuição dos pesos tem não só no projeto estrutural, como no comportamento de outros parâmetros de projeto da embarcação, incluindo a estabilidade transversal.

É muito comum que embarcações de passeio que naveguem em regime de planeio possuam um ambiente que fica acima da casaria, chamada de hard top. Essa estrutura está submetida à elevadas acelerações verticais e está muito acima da linha d’água, o que significa que sua massa deve ser a menor possível para não elevar exageradamente o centro de gravidade e para que a intensidade das forças atuantes seja a menor possível.

Para conseguir diminuir a massa desse elemento, o construtor deve refletir na composição típica dos laminados estruturais de embarcações. Após a aplicação do gelcoat no molde, existe a laminação do skin coat, seguido das camadas de tecido estruturais normalmente combinados com mantas e dos materiais de núcleo.

O skin coat é composto por múltiplas camadas de manta normalmente laminadas com resinas estervinílicas. Ele possui a função de fornecer resistência química e garantir o excelente acabamento dos laminados, evitando o print-thru das fibras e dos groovings do material de núcleo. O skin coat não possui nenhuma contribuição estrutural para as peças e é um laminado pesado, já que é construído com mantas e rico em resina.

Ele faz sentido na construção de cascos que estão em contato direto com o mar e precisam de proteção química para evitar que os laminados estruturais tenham contato com a água e umidade. Essa função não é crítica para peças como o hard top, que estão afastadas das maiores fontes de umidade da embarcação.

Para remover o skin coat e ainda assim evitar o print-thru, os construtores podem recorrer à espumas com cortes mistos. Na face interior, o corte deve ser desenvolvido para facilitar a permeabilidade da resina durante a infusão e possuir perfurações passantes para o transporte de ar e resina para a face exterior, que pode ser completamente plana.

Para garantir que os tecidos da face externa tenham adesão adequada ao material de núcleo, o construtor deve utilizar uma resina com alto poder de adesão durante o processo de infusão a vácuo, que deve ocorrer com um gradiente de pressão muito próximo de 1 atm. Para isso, o molde deve ser ter baixa porosidade e ser adequadamente testado, assim como todo o setup de infusão deve ter passado pelo drop test.

Existem resinas poliéster de infusão com adesividade o suficiente para serem aplicadas nessas situações, o que também possibilita o uso de tecidos sem manta, construídos somente com filamentos contínuos que possuem alta eficiência estrutural. Dessa forma, mais algumas camadas de manta e a resina que as acompanham são eliminadas do plano de laminação.

Esses são alguns dos mecanismos à disposição dos construtores para redução de peso de um elemento estrutural que está sujeito a elevadas acelerações verticais e pode ter grande influência na posição do centro de gravidade vertical da embarcação e, consequentemente, no conforto da navegação. Por não utilizarem nenhuma matéria-prima diferente, esses mecanismos não elevam o custo da construção e ainda consomem uma quantidade menor de resina.

Distribuição de Peso em Uma Embarcação

A eficiência estrutural dos materiais compostos foi extensivamente discutida em várias ocasiões no blog, mostrando que é possível construir embarcações mais fortes e mais leves, especialmente quando são utilizados núcleos de espuma PVC e processos de fabricação sofisticados, como a infusão a vácuo. Existe uma série de benefícios decorrentes dessa eficiência, principalmente em embarcações de planeio com estruturas pesadas em pontos muito altos, como é o caso de casarias e hard tops.

Para começar a discuti-los e mostrar que são mais complexos do que simplesmente economia de combustível ou aumento da capacidade de carga da embarcação, é necessário compreender que qualquer projeto náutico ou naval é feito em espiral e a mudança em uma das características altera o comportamento de todas as outras.

Para começar a entender a relação da embarcação com seu peso, é preciso entender que uma embarcação é uma viga livre-livre auto equilibrada. Isso significa que suas extremidades não possuem restrição de movimentos e seu equilíbrio é decorrente do balanço das forças de gravidade e de empuxo da água. Em lanchas que navegam em regime de planeio, existem forças hidrodinâmicas que também entram nessa equação.

A física define que a intensidade de uma força é igual ao produto da massa de um corpo por sua aceleração. Quando a embarcação está parada ou navegando em regime de deslocamento, está submetida à aceleração da gravidade. Em um regime de planeio que envolvem forças hidrodinâmicas, existem ainda uma aceleração vertical decorrente desse regime dinâmico. As intensidade das forças que atuam na embarcação, então, são diretamente proporcionais à sua massa.

Essa questão ilustra bem o caráter iterativo do projeto de uma embarcação. Em termos simples, quanto mais pesada uma embarcação é, maiores são as intensidades das forças que ela tem que suportar e, consequentemente, mais robusta deve ser a estrutura. Então, usar materiais mais leves diminui o esforço ao qual a estrutura está sujeita, principalmente em embarcações de planeio onde as acelerações verticais podem dobrar o valor da gravidade navegando ainda com conforto. 

Além do peso total, a distribuição dele ao longo da embarcação é tão crítica quanto a massa da embarcação. O controle da posição do centro de gravidade vertical influencia a estabilidade transversal, conceito chave para a segurança da embarcação. Quanto mais alto esse ponto estiver, menor a estabilidade da embarcação. Quanto mais baixo, maior a velocidade que que a embarcação volta para sua posição de repouso inicial, o que pode ser desconfortável para os passageiros.

Encontrar um ponto de equilíbrio é essencial e também complexo, principalmente em lanchas que possuem não somente a casaria mas também hard tops com controles de direção e, portanto, muito peso em pontos muito altos da embarcação.

Já a distribuição longitudinal dos pesos define os ânngulos de trim e banda, o que influencia o arranjo da embarcação, o conforto dos passageiros e até mesmo a facilidade que uma embarcação possui em passar do regime de deslocamento para o regime de planeio.

Em posts futuros, serão discutidos recursos a disposição dos construtores para que seja possível diminuir o peso em estruturas chaves da embarcação para que a posição do centro de gravidade possa ser controlada com mais facilidade. 

Detalhes Estruturais – Fundo e Costado

Independente do regime de navegação da embarcação, seja planeio ou deslocamento, a interseção entre os painéis do fundo e do costado é um ponto crítico da estrutura. É ali que ocorre a transferência de tensões entre o fundo e o costado que podem variar em até 500% em embarcações de planeio. Por esta razão, o construtor deve buscar o arranjo mais rígido possível para proporcionar uma transição contínua das tensões geradas pelas cargas de impacto do fundo.

A primeira opção é apresentada na Figura 1, onde ambos os painéis, do fundo e costado terminam com a espuma em chanfro de 30° e deixa o plano do chine sólido com uma espessura adicional provida pelo overlap entre os tecidos do fundo e do costado. Nesta configuração, deve ser acrescentados tapes de 45° com overlap progressivo no fundo e costado para aumentar o momento de inércia da área sólida.

Figura 1

A Figura 2 apresenta uma variação, utilizando a espuma do costado montada diretamente sobre o plano do chine e o fundo é terminado com a espuma em chanfro. Nesta configuração também é necessário a adição de camadas de superposição no chine de modo a aumentar o momento de inércia da área sólida.

Figura 2

Por fim, o próximo detalhe é o que promove maior rigidez à junção entre os laminados do fundo e do costado, pois mantém o momento de inércia constante ao longo da passagem das tensões entre os dois planos. Neste detalhe ainda é adicionado um filete de espuma de PVC com um laminado na trama de 45° para criar uma transição perfeita do fluxo de tensões.

Figura 3

Esses são os parâmetros que o construtor deve ter em mente ao planejar a fabricação de um casco e algumas opções de configuração. É essencial ter ciência dessas variáveis e conhecerem a melhor maneira de construir esses detalhes para garantir a segurança e eficiência da embarcação.

Colagem Manual de Núcleos Sandwich

Os benefícios da construção sandwich na eficiência estrutural de embarcações depende não só da integridade do material de núcleo e dos materiais que compõe as faces, mas também da interface de colagem entre esses elementos que garante a transferência de esforços.

Quando se utiliza o processo de infusão a vácuo para fabricação de grandes estruturas, a resina absorvida pelo núcleo faz esse papel de criar uma ancoragem entre a espuma e suas faces. Quando se utiliza o processo de laminação manual, no entanto, o construtor pode recorrer à utilização de um adesivo de colagem e um compactador pneumático.

Além desses produtos, esse procedimento precisa de uma balança digital, um dosador de catalisador, um misturador e uma espátula dentada. A massa de colagem pode ser formulada a partir de resinas poliéster combinadas com cargas minerais e, por conta da periculosidade dos produtos, o laminador deve estar devidamente protegido.

Após pesar a massa, deve-se utilizar o dosador catalisador para coletar a quantidade adequada de catalisador, que varia entre 1,00% e 2,00% no caso de massas a base de resina poliéster.

Após adicionar o catalisador na massa, é necessário misturar a substâncias com uma batedeira de baixa velocidade e/ou misturadores manuais. É essencial garantir que a mistura fique homogênea e que o catalisador esteja misturado por todo o volume de massa adesiva.

A massa adesiva deve ser depositada por toda a superfície de colagem. Com uma espátula dentada, o aplicador deve formar um filme uniforme de adesivo por toda a área de colagem, com espessura que varia com o tipo de corte e espessura das placas.  

O núcleo de espuma PVC deve ser posicionado e aplicador dele acomodá-lo e ajustá-lo sobre a área cuidadosamente de forma manual.

O compactador pneumático deve ser ligado em uma linha de ar comprimido e o laminador deve utilizá-lo para pressionar o núcleo longitudinalmente em apenas uma direção, buscando garantir a entrada de adesivo nas ranhuras (groovings) das placas e retirar todo o ar aprisionado entre a massa de colagem e a espuma.

Após percorrer toda a área em baixa velocidade e garantir que a massa de colagem penetre todos os groovings, o laminador pode utilizar uma espátula para retirar o excesso de adesivo e observar se todos os espaços estão completamente preenchidos.

Se todo o procedimento for executado corretamente, a interface entre o laminado e o núcleo de espuma não terá nenhum defeito ou espaço vazio causado por aprisionamento de ar.

A execução correta desse processo vai garantir a integridade da estrutura e um fluxo eficiente dos esforços entre os elementos dos painéis sandwich, aumentando a segurança da navegação e diminuindo eventuais problemas, como delaminação.

Colagem Manual de Núcleo Sandwich

Detalhes Estruturais – Reforços L e T

A estrutura de uma embarcação de materiais compostos, independente de navegar em regime de deslocamento ou planeio, é formada por um conjunto de painéis delimitados por reforços transversais e longitudinais.

Esses reforços são um conjunto de anteparas,  longarinas e cavernas. Em outro post sobre os detalhes estruturais da construção de embarcações em material composto foi apresentado uma longarina com perfil “hat section”, como mostra a figura abaixo.

Entretanto esse tipo de perfil pode ser substituído por outros modelos de reforçadores mais eficientes, produzidos com uma configuração específica de lay-up pelo processo de infusão a vácuo. A primeira opção para essa substituição é o perfil e L, presente na figura abaixo.

O reforçador em L é uma tendência na aeronáutica que fabrica esses perfis otimizados com almas com núcleo de espumas PVC e faces laminadas com tecidos triaxais de orientação [0/±45]. Já os flanges são construídos de laminados com várias camadas de tecidos unidirecionais. Esses perfis devem ser fabricados por meio de infusão a vácuo para que seja possível alcançar um teor de fibras de 70% em peso. A colagem do perfil na estrutura deve ser feita com filete de massa de microsfera e laminação secundária utilizado tecidos biaxiais a +45/-45 graus.

A largura da alma e do flange, assim como a altura do perfil, devem ser determinadas na fase do projeto estrutural da embarcação, que deve definir qual o módulo da seção requerido para cada um dos perfis. As normas de sociedades classificadoras auxiliam o projetista a ter um norte para iniciar essa tarefa. Esse tipo de configuração fornece uma grande resistência á flexão dos perfis, além de prevenir a flambagem que é muito comum em perfis “hat section”.

Outra opção é o perfil T apresentado na figura abaixo, que deve ser apoiado em dois filetes de espuma PVC. Ele pode ser construído a partir da montagem de dois perfis em L com a laminação contínua dos flanges ou montado a partir das duas linhas de colagem entre a alma e o flange utilizando uma placa pré-fabricada em tecido triaxial e um perfil sólido em tecido unidirecional.

Os filetes utilizados na colagem deve ter dimensões que possibilitem o fluxo contínuo e suave das tensões provenientes do casco. Esse tipo de perfil também também ser utilizado em vigas do convés principalmente em locais de grande concentração de esforços como o piso do convés de barcos ou helidecks.

Esses perfis são exemplos de como é necessário conhecer as propriedades dos materiais e as técnicas de diversos processos de fabricação.  Estas configurações podem facilitar a construção de elementos simples que tornam as embarcações muito mais eficientes do ponto de vista estrutural e do ponto de vista da linha de produção, o que é muito importante principalmente na produção seriada de embarcações.

Kits de Espuma

Não importa o processo de fabricação que o construtor opte por executar, a preparação e organização dos materiais é fundamental para o sucesso da laminação e qualidade da estrutura final. O planejamento e pré-corte de fibras e materiais de núcleos melhora a produtividade e reduz desperdícios inerentes ao processo de fabricação.

Nesse contexto, fornecedores de materiais de núcleo podem oferecer aos seus clientes kits de espuma personalizados para determinados projetos, com o conjunto de materiais de núcleo cortados de acordo com a necessidade do cliente.

O desenvolvimento do kit começa a partir do pedido do cliente, que então recebe visitas de uma equipe técnica que busca entender suas necessidades e características do molde e do laminado.  O protótipo do kit então é fabricado a partir da planificação da geometria do molde.

Um trabalho conjunto entre o cliente e o fornecedor ocorre para seleção adequada da espessura, densidade e groovings dos núcleos de espuma. Essas variáveis dependem do plano de laminação, do método de fabricação e da geometria final da peça e as duas partes devem compartilhar informações para conseguir alcançar o melhor resultado possível.

Evidentemente, modelos tridimensionais digitais da estrutura a ser construída facilitam muito o desenvolvimento do kit, mas é fundamental que o fornecedor verifique a compatibilidade do modelo digital com o molde real para que o protótipo seja o melhor possível.

As placas de um kit são numeradas e o cliente recebe um esquema indicando qual a localização de cada um dos elementos no molde final. Depois de receber o protótipo, os ajustes necessários são feitos e o kit final começa a ser produzido em série de acordo com a demanda do cliente.

O uso de kits torna o processo produtivo muito mais rápido e limpo, além de reduzir os desperdícios de matéria-prima e o consumo de resina, já que o processo de corte dos kits garante que os groovings sejam preservados de acordo com o especificado em projeto.

Sem dúvidas, a maior vantagem é a economia de horas de trabalho para montagem da laminação, que são muito significativas tanto na produção seriada de embarcações quanto em outras indústrias, como eólica, aeroespacial, de transportes, entre outras.

Detalhes Estruturais – Quinas do Costado e Sprayrails

O costado de uma embarcação é uma região que pode ter uma grande variedade de geometrias e detalhes, sendo quinas muito utilizadas como detalhes cosméticos e arquitetônicos. Em barcos mais antigos construídos em laminados sólidos, as quinas eram colocadas emparelhadas no costado para tambem prover alguma resistência adicional nos painéis, o que não é necessário em construções do tipo sandwich.

A Figura 1 mostra o detalhe onde a espuma do painel superior monta diretamente na quina do costado e a terminação do painel inferior é feita com chanfro. Neste tipo de montagem é necessário adicionar tapes de tecidos a 45° na junção para reduzir a diferença de momentos de inércia entre o laminado sandwich e a parte sólida.

A Figura 2 mostra a configuração onde se utiliza um perfil usinado de espuma de PVC para arredondar os cantos da junção. Esta comfiguração não necessita de reforço adicional pois o fluxo de tensões é praticamente constante durante todo o painel do costado.

Figura 1                          Figura 2                    Figura 3

A Figura 3 mostra o detalhe utilizado por vários estaleiros que utilizam o processo de laminação por infusão. Neste detalhe, tanto a espuma do painel inferior quanto do superior são transpassadas utilizando um enchimento de outra placa de espuma para completar o perfil final da quina. Está configuração proporciona um maior momento de inércia, agindo como um reforço extra no costado, além de promover um fluxo de resina constante durante o processo de infusão, o que não acontece em montagens estruturais que deixam laminados sólidos intercalados entre dois painéis sandwich.

Figura 4

Embarcações que navegam em regime de planeio ainda possuem sprayrails na divisão entre o fundo e o costado, ou muitas vezes no fundo do casco. Esses elementos têm a finalidade de gerar uma pressão de planeio extra no fundo. O laminado dentro do sprayrails pode ter reforços unidirecionais e a espuma de alta densidade deve ser colada com adesivo de modo a preencher todos os espaços vazios. Sobre a espuma do sprayrails deve ser adicionado um tape extra na trama de 45°, como indicado na Figura 4.

Realizar o planejamento da construção de elementos como as quinas dos costados e sprayrails, ou mesmo outros presentes nessa série de posts, é um desafio pois exige experiência para que a solução seja eficiente do ponto de vista estrutural ao mesmo tempo que seja de fácil execução para que o processo produtivo não saia prejudicado. Mais detalhes estruturais estão presentes no livro Métodos Avançados de Construção em Composites.

Espumas PET e Poliéster

As espumas PVC são as opções com maior eficiência estrutural e melhor custo benefício disponíveis para construção náutica, mas existem ainda outras opções que os construtores podem encontrar durante o processo de seleção de materiais, incluindo as espumas PET e poliéster.

As espumas PET são feitas a partir do mesmo termoplástico reciclável utilizado para manufatura de garrafas e alguns fabricantes utilizam recicláveis para fabricação desse produto como forma de buscar uma economia circular, diminuindo o impacto ambiental da atividade. No entanto, a partir do momento que a espuma se mistura com resinas termofixas, ela perde todas as suas propriedades recicláveis já que está associada com um material que não pode ser reaproveitado após o processo de cura.

Em relação às propriedades mecânicas, elas deixam um pouco a desejar em relação às espumas PVC. As espumas PET com densidade de 80 kg/m³ possuem propriedades equivalentes às das espumas de PVC de 55 kg/m³ enquanto as de de PET de 115 kg/m³ podem ser equiparadas com as de 75 kg/m³.  Isto gera uma diferenca de peso em mais do que 50%.

No entanto, o maior desafio mora no resin uptake, ou na quantidade de resina que a espuma absorve durante a sua laminação. Enquanto as espumas PVC possuem células fechadas, as espumas PET possuem células abertas por onde a resina facilmente permeia, tornando as suas propriedades específicas mais baixas e, consequentemente, prejudicando a eficiência estrutural.

Esses fatos não tornam o uso de espumas PET na construção náutica inviável, mas o construtor deve estar ciente de que do aumento de peso considerável na construção do casco e do convés se optar por esse tipo de material de núcleo. Esse peso adicional acompanha a embarcação por todo o seu ciclo de vida, aumentando o consumo de combustível necessário para navegação e/ou restringindo a velocidade de serviço.

O construtor deve se atentar principalmente às propriedades relacionadas ao cisalhamento, em especial a deformação. Enquanto espumas de PVC possuírem resistência cerca de 5 vezes maior do que às PET, elas ainda apresentam uma deformação de até 40% enquanto as espumas PET apresenta apenas um terço disso. Outra observação importante é que, quanto maior a densidade, maior é a capacidade de deformação das espumas PVC, enquanto acontece o contrário com as espumas de PET. 

Outra opção de material de núcleo são as espumas poliéster, conhecidas por sua alcunha comercial Renicell. Muito utilizadas em conjunto com as espumas de PVC, as espumas de são produzidas por meio de um processo de extrusão contínua de termoplásticos de policarbonato de alta densidade. Apesar de seu custo mais baixo, suas propriedades mecânicas tornam seu uso para fins estruturais inviável em densidades mais baixas.

A maior parte das aplicações se dá em densidades acima de 160 kg/m³, especialmente com espumas de 240 e 320 kg/m³. As regiões de aplicação são locais que devem suportar cargas de compressão muito altas ou que operam em uma faixa de temperaturas muito altas.

Espelhos de popa normalmente são construídos com esse tipo de espuma, que é capaz de produzir uma estrutura muito mais leve do que a madeira que também pode ser utilizada. Regiões que recebem ferragens também se beneficiam do uso de espumas de poliéster de alta densidade, já que o PVC não consegue alcançar a resistência à compressão necessária para ancorar esses elementos.

O livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites traz muitas informações sobre esses e diversos outros materiais de núcleo, incluindo espumas de PU e honeycombs.

Detalhes Estruturais – Anteparas e Longarinas

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.

Figura 1. Antepara fixada diretamente sobre o 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. 

Figura 2. Fixação de antepara no casco com filete de espuma de PVC

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.

Figura 3. Interação entre anteparas e longarina

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.

Figura 4. Anteparas montadas sobre reforços

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.