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A resina poliéster atualmente está presente em quase 90% de todas as embarcações fabricadas em composites no mundo, principalmente por seu baixo custo em comparação com as demais opções. Como existe uma grande variedade de matrizes poliéster à disposição, com diversas propriedades físicas e mecânicas, é possível formular uma resina específica para cada tipo de aplicação.

Para a construção náutica, os métodos de spray-up, laminação manual e infusão à vácuo são os que mais utilizam a matriz poliéster. Como cada processo possui características distintas, são necessárias formulações diferentes. As resinas de spray-up, por exemplo, precisam de um tempo de gel pequeno e viscosidade suficiente para manter os fios picotados aderidos ao laminado. Já as resinas de laminação manual normalmente possuem alta viscosidade e o tempo de gel médio (em torno de 20 a 30 minutos), enquanto as resinas de infusão precisam ter a viscosidade baixa (aproximadamente 200 cps) e o tempo de gel alto para que de tempo de impregnar todo o laminado.

O processo de cura da resina poliéster é talvez a parte mais importante da fabricação de laminados para a indústria náutica. É importante controlar bem a temperatura inicial e final da resina, assim como o tipo e a quantidade de catalisador utilizado.  O catalisador mais comum é o peróxido de metil-etil-cetona, conhecido como MEKP, que normalmente é misturado a resina na proporção de 0,8% a 2,0%, em peso. É muito importante respeitar as taxas de catalisação informadas por cada fabricante para que não haja problemas na cura da resina.

A temperatura e umidade do ambiente de laminação também são fatores extremamente importantes. Resinas poliéster não apresentam um bom desempenho abaixo de 18°C e quando a temperatura ambiente está abaixo desse limite, é necessário aquecer a resina entre 22°C e 25°C. Além de problemas na catalisação, a temperatura baixa eleva muito a viscosidade da resina, podendo causar falha de impregnação e impedir o fluxo de resina no laminado no caso de infusão a vácuo. Altas temperaturas causam o efeito contrário, começando com a redução significativa do tempo de gel e a diminuição drástica da viscosidade. Durante a laminação, deve ser observado também que o valor da umidade relativa não ultrapasse 85%.

Durante os últimos anos da construção em material composto as fibras de reforço apresentaram um avanço que possibilitou o uso da tecnologia de laminação a vácuo ou pelo processo de infusão, proporcionando a produção de peças com resistência superior à maioria dos materiais de engenharia conhecidos.

Dentro da estrutura do material composto, as fibras são responsáveis pela transferência das tensões através da matriz de resina. Dentre todas as características das fibras de reforço, o tipo de filamento, a interação da sua superfície com a matriz de resina, a quantidade de resina e finalmente a orientação do reforço são as que irão determinar a performance final do laminado.

O grau de interação superficial da fibra com a resina controla as características de adesão entre elas e no final proporciona a coesão do laminado, o que é altamente influenciado pelo tipo de tecelagem, trama e tratamento superficial. Tipos de reforço com maior poder de compactação no processo de infusão irão fornecer maior fração em volume de fibras e maiores propriedades mecânicas. Neste processo, o alinhamento das fibras é fundamental para reduzir os espaços vazios a serem preenchidos pela resina. Laminados produzidos com baixa tecnologia de tecelagem irão produzir espaços vazios entre os cabos e reduzir o grau de compactação.  É um engano pensar que um tecido produzido em um tear simples pode fabricar um produto de qualidade que o construtor use todo o potencial do laminado.

O diâmetro das fibras também é importante e, como regra geral, quanto menor o diâmetro, melhor será a adesão entre as fibras e a matriz de resina, melhor a compactação e menor o índice de porosidade e, finalmente, maior a resistência. Geralmente quanto maior a quantidade de fibras, maior a resistência do laminado, entretanto a partir de 70% de fração em volume a matriz de resina não consegue manter a coesão das fibras e a tendência é haver redução das propriedades mecânicas.

A fibra de vidro que normalmente se utiliza na fabricação de barcos é conhecida por uma gama de nomes diferentes mas que, na verdade, significam a mesma coisa.  Dependendo do lugar ou de quem está falando, você poderá escutar termos como fibra de vidro, fiberglass, plástico reforçado com fibra de vidro ou suas abreviaturas FRP, GRP ou PRFV.  Em todos os casos, esses termos e abreviaturas significam a utilização de fibras de vidro em conjunto com uma resina. 

A história das fibras de vidro começou em 1836, quando foi patenteado na Europa um método de tecer vidro maleável. Em 1839, tecidos de fibra de vidro foram então colocados pela primeira vez em uma exposição industrial e, por volta de 1840, essa mesma fábrica começou a receber seus primeiros pedidos. É lógico que o material não resistiu à competitividade de outros produtos industrializados de sua época e logo desapareceu. Eu diria que o motivo foi o preço muito alto. Levou praticamente um século até que esse material ressurgisse no mercado mundial para utilização em isolamento de cabos e condutores elétricos. A partir de 1940, o desenvolvimento das resinas sintéticas promoveu uma ampla utilização para esse tipo de fibra e suas aplicações abriram uma grande variedade de mercados.

As fibras de vidro são produzidas a partir do vidro em forma líquida, que é resfriado a alta velocidade. Através do controle de temperatura e velocidade de escoamento do vidro são produzidos vários tipos de filamentos com diâmetros variados. Os filamentos de diâmetro contínuo são tratados para melhorar a sua adesão e resistência à abrasão e umidade. O tipo de tratamento dos fios é determinado, em uma fase seguinte, de acordo com sua aplicação.

Atualmente as espumas de PVC são um dos tipos de núcleo mais utilizado na construção de peças estruturais de materiais compostos. As últimas formulações disponíveis têm oferecido enormes vantagens para a construção de laminados de alto desempenho. Algumas espumas de PVC oferecem quase o mesmo desempenho estrutural e o baixo peso que os honeycombs, com a facilidade de ser uma estrutura macroscopicamente sólida o que permite a laminação direta sobre sua superfície, e o mais importante, com um custo menor.

As espumas de PVC podem permitir uma deformação por cisalhamento em até 50%, conhecidas como Divinycell® e Maricell®, possuem elevada resistência à compressão e ao cisalhamento, além de possuírem excelente resistência química e tem uma temperatura de operação que varia entre –40°C e 120°C. Além disso, sua formulação e produção fazem com que tenham 100% de células fechadas, o que impede a absorção de água.

Esse material é produzido a partir de uma mistura de polímeros e resinas à base de PVC em um processo computadorizado que garante a precisão na formulação dos componentes químicos. A partir deste ponto, a mistura é colocada em pequenas formas metálicas, onde passa por um processo de aumento de temperatura e pressão. Logo após, é expandida com vapor d’água, curada em ambientes climatizados e estabilizados termicamente, antes de ser levada para processamento e corte. O processo de fabricação de uma espuma deste tipo consome de três a quatro semanas até os blocos estarem prontos para serem trabalhados. Dependendo da densidade, o tempo pode chegar a oito semanas.

Essas espumas de PVC são fabricadas em diversas densidades, as mais comuns são 40, 45, 60, 80, 100, 130, 160, 200 a 250 kg/m³. Cada densidade é codificada por uma cor diferente. Assim, as espumas de 45 kg/m³ têm cor azul, as de 60 kg/m³ cor amarela e as de 80 kg/m³ cor verde. Suas espessuras variam de 3 até 75mm e podem ser adquiridas em chapas planas ou cortadas em blocos de 40 x 40mm, coladas em uma tela de fios de vidro (GS – Glass Scrim).

É lógico que existe uma variedade imensa de outros produtos feitos a partir deste material e eles podem ser solicitados de acordo com sua aplicação específica. Existem vários tipos de corte disponíveis no mercado como DC, GSN, GSNS ou GSH. As espumas com cortes para infusão são projetadas para atender a permeabilidade da resina dentro do laminado. A configuração do corte longitudinal e transversal também possibilita que o projetista possa direcionar a frente de resina para onde ele achar mais interessante ou onde houver uma maior concentração de fibras com baixa permeabilidade.

Poucas pessoas podem imaginar que por trás do brilho do acabamento no gelcoat dos barcos, uma infinidade de variáveis esconde um processo cheio de truques e armadilhas que só alguns construtores conhecem.  O gelcoat é a camada mais externa do casco de um barco, geralmente branca, mas esta pode ser de qualquer cor. Aplicada em primeiro lugar dentro do molde, antes das laminações das camadas de fibra, a espessura média dessa camada é de, aproximadamente, 0,6 milímetros. Sendo tão fina, não dá margem para erros na sua formulação ou aplicação.

Construtores experientes, que geralmente produzem laminados de fibra de vidro de boa qualidade, podem listar uma série de problemas com gelcoat e com boas razões. Na maioria das vezes, laminados de fibra de vidro e resinas poliéster podem curar com catalisador MEKP nas mais diversas proporções e em quase todas as condições de temperatura e umidade, embora produzam laminados de qualidade suspeita. Gelcoats são, na verdade, uma mistura de resina poliéster e uma série de cargas minerais. Em sua utilização, são muito sensíveis a qualquer tipo de variação, podendo produzir incríveis surpresas após a desmoldagem das peças.

Além da proporção de catalisador, outra variável também difícil de se controlar é a espessura do filme de gelcoat. Se aplicado muito grosso, várias rachaduras poderão aparecer em muito pouco tempo. Se aplicado muito fino, provavelmente haverá uma série de defeitos de enrugamento a serem corrigidos após a desmoldagem do casco e o construtor irá gastar horas e mais horas reparando, repintando e polindo a peça.       

Essa variação crítica de espessura é algo em torno de mais ou menos dois décimos de milímetro. Geralmente, os construtores consideram a aplicação de gelcoat muito mais delicada que a laminação, porque a maior parte dos fabricantes desse tipo de material não sabe exatamente o que mistura, a maior parte dos vendedores não sabe o que diz e a maior parte dos gelcoteadores não sabe o que faz. Pode parecer engraçado, mas experimente passar duas horas ao lado do gelcoteador de uma fábrica que produza barcos, ou mesmo qualquer outra peça de fibra de vidro.

Na maior parte das vezes, desenvolver um conjunto de moldes para a produção de um determinado modelo não é algo simples, muito menos rápido. A maioria dos grandes estaleiros tem sua própria divisão de fabricação de moldes, onde também são editados os manuais de construção, especificando como cada modelo deve ser contruído.  No caso de pequenas fábricas, o negócio fica mesmo por conta de uma equipe de técnicos qualificados, encarregados das seções de modelagem. Subcontratar outra empresa para desenvolver moldes e protótipos ainda não é uma idéia que faça sucesso, mas existe hoje um pequeno número de empresas que já prestam esse tipo de serviço.

Antes de mais nada, o aspecto econômico da fabricação dos moldes é fundamental. Eles são geralmente construídos quando se pretende fazer uma série de peças. No caso de barcos, mais do que quatro ou cinco unidades já são suficientes para que a maioria dos construtores opte pela fabricação de um barco através de moldes.  Esse também pode ser o caso de um grupo de pessoas juntando-se para a construção amadora de um mesmo projeto. No caso dos one-off ou protótipos, gastar tempo e dinheiro com modelos não é inteligente porque a qualidade de um barco construído nesse sistema  pode ser tão boa ou mesmo muitas vezes superior aos fabricados em série.

Normalmente, as pessoas vêem os desenhos dos antiderrapantes e outros detalhes de produção seriada e acreditam que isto representa um bom acabamento. Na verdade, estes detalhes apenas tentam melhorar a velocidade de construção de um barco produzido em série. Alguns desses modelos têm de ser produzidos em escalas de 20 a 30 por semana com um conjunto de vários moldes. Neste ponto, pode-se imaginar que não se tem tempo mesmo de pensar em modificar qualquer pequeno detalhe de construção ou acabamento sem prejuízo da produtividade.

Decidindo-se finalmente pela fabricação de um conjunto de moldes, o construtor deve escolher que tipo de construção, materiais e sistemas de moldagem que melhor se adaptam à construção desse novo modelo. Outro fator importante é descobrir qual é a experiência anterior do construtor e o que ele espera do produto final que os moldes produzirão.  Não adianta desenvolver um conjunto top quality de moldes se o construtor está disposto a construir um barco utilizando materiais de baixa qualidade.

Geralmente, um conjunto de moldes não se resume apenas a casco e convés, mas também devem estar incluídos contamoldes do interior, banheiros, peças do comando, fly bridge, targa, liners dos tetos, da cozinha, os sistemas de longarinas e das bases dos motores. O custo aproximado para desenvolver um conjunto completo, com quase vinte moldes de uma lancha de 34 pés pode chegar a mais de 150 mil dólares, isso sem levar em conta alterações de projeto que são comuns e podem fazer com que os preços subam considerávelmente. Outro detalhe é que o custo total não varia linearmente com o tamanho do barco. Se você pretende saber, por alto, quanto custará um molde, a conta mais rápida e também aproximada é calcular o valor do molde sendo de seis a oito vezes o valor final da peça acabada. Note que isto é apenas uma aproximação, já que o custo de um molde inclui também projeto, engenharia, detalhamento, design, modelagem, plug e, finalmente, o molde. Há um longo caminhao a ser percorrido. Se custo indiretos forem incluídos nesta conta, o valor dos moldes pode chegar facilmente a dez vezes do valor da peça. Somente uma boa planilha de custos, que inclua todo o processo produtivo dos moldes pode determinar o preço e o tempo gasto para se chegar ao produto final.

A fibra de carbono representa uma evolução para a construção de material compostos assim como o desenvolvimento da fibra de vidro pela Owens Corning representou uma revolução para o início da fabricação das primeiras fibras de vidro. Isso porque ele é mais leve, mais forte e mais durável que qualquer outro material disponível no mercado atualmente.

A fibra de carbono foi desenvolvida no início da década de 60 por um consórcio de cientistas americanos, ingleses e japoneses. No entanto, foi patenteada no formato atual somente por volta de 1970, quando foi utilizada para fabricação de foguetes na indústria aeroespacial pela sua grande resistência e por suportar as altas temperaturas de reentrada na atmosfera terrestre. Sua primeira aparição na indústria náutica foi em 1979, para a fabricação de barcos a vela de regata e seu preço era superior a 200 dólares o quilo na época. Nas décadas seguintes começou a ser utilizada na fabricação de aviões comerciais como o Boeing 757, 767 e o Boeing 777, década de 90. Hoje, o Boeing 787 e os Airbus 350 e 380 são fabricados utilizando toneladas de fibras de carbono e seu preço está na faixa de 20 dólares por quilo.

As fibras de carbono são produzidas e comercializadas com diversos tipos de resistência, com espessura 10 vezes mais fina que um fio de cabelo e agrupadas em conjuntos de 3 mil a 50 mil filamentos. O preço de cada configuração, é claro, difere bastante das formas mais acessíveis encontradas na internet.

Em uma visão simplificada, as fibras de carbono são produzidas a partir de uma série de cristais alinhados e utilizada na fabricação de tecidos para a construção de carros elétricos, geradores eólicos, aeronaves, barcos e bens de consumo em geral. Estas características permitem que se fabrique um laminado com a metade do peso e cinco vezes mais resistente que um outro construído em alumínio ou fibra de vidro.

Devido a própria evolução dos materiais e métodos de construção, as fibras de carbono são a evolução natural para a substituição das fibras de vidro nas próximas décadas. Hoje muitos equipamentos são produzidos a partir deste produto, que cada vez ganha mais adeptos. Mesmo com um custo inicial maior, as características das fibras de carbono têm cada vez mais espaço em produtos presentes no cotidiano.

Apesar de muita gente já ter visto e escutado sobre fibras de carbono, poucos sabem como elas são fabricadas. Embora as fibras de carbono tenham a cor preta, existem vários tipos similares, mas não idênticos. A qualidade das fibras de carbono depende da quantidade e alinhamento dos cristais de carbono, podendo ser incrivelmente mais forte que o aço com apenas uma pequena fração do peso e apresentar preços que diferem em até 500%.

A fibra de carbono para aplicação em materiais compostos de alta performance é produzida a partir da transformação de uma molécula de acrílico, pela ação de calor em uma atmosfera sem oxigênio, em um composto de cristais de carbono. O processo começa combinando um monômero de acrilonitrila (PAN) com alguns ácidos para criar um sub polímero da família das fibras de Rayon. Esta mistura inicialmente em forma sólida é dissolvida em agentes orgânicos para formar uma pasta viscosa da cor branca (ao contrário da cor final preta das fibras). Esta gelatina então é então imersa em um liquido coagulante e centrifugada para promover a secagem e o estiramento das fibras e em seguida enroladas em bobinas.

Em seguida, estas fibras esbranquiçadas passam por vários fornos com temperatura acima de 300°C, para serem oxidadas, e depois novamente por outros fornos para serem carbonizadas a uma temperatura superior a 900°C.  Neste estágio as fibras já possuem mais de 90% de cristais de carbono e dependendo do tipo de cozimento elas podem chegar a ter 99% de carbono em sua molécula. As fibras então sofrem um banho para remover a contaminação da carbonização e são tratadas com uma cobertura superficial para que elas possam aderir na matriz de resina durante o processo de laminação.

As colmeias, conhecidas como honeycombs, foram desenvolvidas principalmente para o uso na indústria aeronáutica e aeroespacial, embora exista hoje uma linha desses produtos destinados à construção de barcos. Os honeycombs podem ser construídos de papel impregnados com resina, fibra de vidro, carbono, fibras aramidas, polietileno e alumínio.

Embora o conceito do uso de uma estrutura em forma de colmeia como material sandwich este tipo de material não se presta ao uso no processo de infusão pois todo o interior da célula seria impregnado ou preenchido com resina o que elevaria imensamente o peso da estrutura final.

Materiais de núcleos tipo colmeia possuem uma maior capacidade de compressão e cisalhamento do que qualquer outro com densidade equivalente. Esta é a razão de seu uso em aplicações onde baixo peso e rigidez são importantes.

As células dos honeycombs podem ter vários tipos de configuração, mas as mais usuais são as células hexagonais, triangulares e quadradas. Todas elas possuem boas propriedades mecânicas com baixas densidades, resistência ao impacto e à fadiga. Além disso, as de alumínio e fibras aramidas do tipo Nomex são resistentes ao fogo e possuem temperatura máxima de operação perto de 150°C. As densidades mais usuais das colméias do tipo Nomex são 32, 48, 64 e 96 kg/m³ com células hexagonais que podem ter as seguintes dimensões: 1/8, 1/16 e ¼ de polegadas. 

A matéria-prima básica de colmeis do tipo Nomex é um papel produzido a partir de fibras aramidas e recoberto com uma resina fenólica de alta resistência à temperatura. Há vários materiais que compartilham propriedades estruturais desse tipo, mas as de fibra aramida do tipo Nomex são as que possuem o melhor desempenho.

Uma das variações deste material, que tem tido uma boa aceitação em estruturas de alta performance, são as colméias fabricadas a partir de uma fibra para-aramida ou equivalente, impregnadas com resina fenólica. Este tipo de honeycomb é superior à do tipo Nomex e pode ser encontrado nas densidades 32, 40,48, 72 e 96 kg/m³, e suas propriedades mecânicas são aproximadamente 25% maiores que as do Nomex.

As propriedades mecânicas de todos os materiais do tipo honeycomb são listadas nas direções “L” (longitudinal) e “W” (transversal) e dependendo do tipo de construção e formato de célula, elas podem variar em até 100%. Durante a construção deve ser observada a colocação correta da direção da placa de honeycomb de modo que os requisitos de resistência em ambas as direções sejam atendidos.

Embora alguns construtores iniciantes possam pensar que é possível construir um bom barco com apenas alguns rascunhos ou esboços, deve-se ressaltar que a representação correta e mais indicada  das linhas de um barco é feita a partir de planos. É necessário que as linhas e parte do plano de construção sejam desenhados sempre em escala e plotados de forma que o construtor possa obter, nestes desenhos, todas as informações necessárias à construção do casco. Alguns projetos são ainda oferecidos em escala natural, o que, sem dúvida, facilita a construção, com seus desenhos prontos para serem passados como gabarito para o material das cavernas a ser recortado.

Desenhos em escala natural, geralmente plotados em filmes de mylar, são necessários para aquisição de gabaritos quando um ou mais barcos são feitos utilizando o mesmo plano de construção, ou então na construção de cascos de veleiros de regata, em que o desenvolvimento das linhas deve estar em conformidade com as tolerâncias  das dimensões de alguma regra de performance.

Já se foi o tempo que era necessário ter uma sala de risco dentro do estaleiro, onde certamente o mais qualificado carpinteiro era responsável por desenhar e suavizar as linhas longitudinais do casco. Com a introdução do computador, existem alguns casos em que não há necessidade da representação em escala natural das linhas do casco, uma vez que softwares sofisticados podem fazer o carenamento de toda a superfície em poucos segundos.

Tão importante quanto a temperatura é o nível de umidade durante a laminação. Qualquer quantidade de água, mesmo na forma de vapor, que venha a entrar em contato com um laminado não curado afetará o processo de polimerização da resina e a colagem com as fibras, reduzindo as propriedades físicas e químicas do laminado. Os níveis de umidade que o construtor deve tentar manter na sua fábrica dependerão novamente do grau de sofisticação da laminação.

O uso de desumidificadores e aquecedores na construção de laminados de alta performance é justificável, pois removerá vários litros de água por dia, dependendo do tamanho da área de laminação. Do mesmo modo, todos os materiais de laminação devem ser guardados em condições secas e climatizadas. Cuidado extra deve ser tomado no armazenamento e transporte do material de laminação, quando se mantêm condições controladas de temperatura e umidade.

Nunca se esqueça de que a umidade se condensa no interior dos rolos de fibra quando trazidos de um ambiente frio para um ambiente quente, e que mesmo uma quantidade pequena de condensação é suficiente para evitar a colagem da resina na fibra. Fibras tipo aramida e fibras de carbono são sensíveis, também, à absorção de moléculas de água. O construtor deve certificar-se de que os rolos destes materiais estejam completamente secos antes de serem utilizados.

Historicamente o conceito de estruturas sandwich foi formulado em 1820 por dois franceses, mas somente 110 anos depois foi posto em prática em pequenos aviões que utilizavam faces de asbestos e papelão prensado como material sandwich. Durante a Segunda Guerra Mundial, o avião britânico Mosquito, foi provavelmente o primeiro projeto a usar comercialmente, e em série, o conceito de estruturas sandwich. Boa parte não estrutural do avião era fabricada em chapas sandwich de laminados de madeira compensada fina e balsa, contudo a decisão de escolher este tipo de estrutura e estes materiais foi devido à falta de outras opções e pela escassez de materiais durante a guerra.

Como ilustração, o nome deste tipo de estrutura é devido a um inglês John Montagu, o IV Conde de Sandwich e primeiro Lorde da Marinha inglesa em 1762. Durante a revolução americana, ele passava a maior parte do tempo sobre sua mesa e intercalava pequenas refeições entre as reuniões de estratégia. Este lanche era constituído de uma fatia de carne entre duas faces de pão, e a partir daí tanto o tipo de comida como o de estrutura ganharam o seu nome.

Bem, de qualquer maneira o conceito e os materiais somente foram colocados em prática comercialmente a partir de 1940 com o intuito de reduzir peso em embarcações militares. E somente em 1950, com o aparecimento de resinas e fibras sintéticas, entraram no mercado a madeira balsa e as primeiras espumas de PVC.

Os princípios da construção tipo sandwich foram desenvolvidos a partir da teoria de vigas em forma de “I”. Naquela época, descobriu-se que uma viga podia ficar mais rígida e mais leve com a eliminação de algum material supérfluo, deixando dois flanges horizontais separados por uma alma vertical que os mantinha ligados rigidamente. Essa descoberta foi a causa da queda de uma barreira no desenvolvimento de vários tipos de estrutura e muitas aplicações da engenharia moderna são baseadas nesse princípio. A construção sandwich em um laminado oferece as mesmas vantagens que uma viga “I” em uma estrutura metálica, mas em vez de uma alma e dois flanges, a construção em sandwich faz uso de um material de núcleo de baixa densidade, que é faceado em ambos os lados por laminados sólidos de fibra.

Foi em meados de 1960 com grande parte da teoria escrita e publicada que a tecnologia começou a ser utilizada em escala industrial. A primeira estrutura naval de grande porte somente foi fabricada nos meados da década de 1970, com a construção de uma série de corvetas pela marinha da Suécia. Apesar das diversas vantagens que os laminados de fibra exibem sobre outros materiais, a resistência à flexão não é um dos pontos mais fortes dos plásticos reforçados devido ao baixo módulo de elasticidade.