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.

Cisalhamento Interlaminar

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.

Detalhes Estruturais

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.  

Junção de Painéis K-Lite

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.

Termoformagem

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 História das Fibras de Carbono

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.

Plano de Linhas

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.