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É muito comum que posts no blog destaquem que a combinação de resinas poliéster e espumas de PVC são a opção de melhor custo benefício para construção náutica. As células fechadas desse tipo de núcleo contornam o ponto negativo de que as resinas poliéster possuem baixa resistência química e o conjunto entrega excelentes propriedades mecânicas para embarcações que navegam em regime de planeio. Sendo a resina poliéster um elemento tão importante da construção náutica, é necessário explicar como ela é formulada e quais são os principais tipos a disposição do construtor.

As resinas poliéster são formadas a partir de um processo chamado de esterificação, que é a reação química entre um ácido e um álcool que resulta na formação de um éster e uma molécula de água. O resultado dessa reação é uma pasta viscosa que é misturada com um solvente chamado estireno, que torna a resina um líquido e acaba tomando parte na molécula final da matriz polimérica após a cura.

 

O monômero de estireno é um tipo de molécula que possui uma estrutura química chamada benzeno, ou anel aromático. Como indicado na Figura 1, a junção do poliéster insaturado com o monômero pela ação de um catalisador forma o poliéster curado. A posição das cadeias de poliéster em relação ao anel aromático dá origem à diversos tipos de resina poliéster, dentro os quais vale destacar as resinas ortoftálicas e isotftálicas.

As ortoftálicas são muito utilizadas para laminação, mas suas propriedades mecânicas e químicas são bastante pobres porque é muito difícil obter polímeros de alto peso molecular já que suas cadeias são bastante curtas. Na prática, isso significa que esse tipo de resina possui um preço baixo, mas vai permitir que a água ataque suas moléculas e permeie o laminado, causando a delaminação ou separação física da resina com a fibra ou com o material de núcleo.

 

Uma solução com melhores propriedades são as resinas poliéster isoftálicas. Suas móleculas, apresentadas na Figura 3, são mais longas e permitem uma absorção melhor dos impactos e, consequentemente, melhores propriedades mecânicas. Em adição a isso, elas apresentam maior resistência térmica, o que significa um aumento de Tg e diminuição de fenômenos como o print-thru.

 

Como a diferença do custo dessas duas opções não é muito discrepante e as propriedades são significativamente melhores, as resinas poliéster isoftálicas são muito utilizados para construção náutica. Em combinação com Neo Pentil Glicol, sua resistência química é inclusive boa o suficiente para formulação de gelcoats.

A definição de resistência química em uma resina termofixa, assim como do fenômeno de hidrólise, será feita no post da próxima semana. Para saber mais sobre os diferentes tipos de resina poliéster, é possível consultar o livro Manual de Construção de Barcos.

Os tecidos bidireicionais conseguem preservar o alinhamento e orientação de seus filamentos de maneira muito mais eficiente do que laminados construídos com manta ou com fios picados, apesar de apresentarem propriedades mecânicas inferiores quando comparados com os tecidos multiaxiais.

Embora os tecidos biaxiais tenham ganhado muita popularidade para a fabricação de barcos, os tecidos bidirecionais de alta gramatura (300-400 g/m²) ainda são muito utilizados para construção de barcos de alta performance como kayaks e barcos de competição a vela. Os tecidos de baixa gramatura (150-200 g/m²) são muito utilizados para trabalhos de acabamento superficial, sendo capazes de criar uma camada com maior teor de resina além de proporcionar uma excelente aparência estética para peças que mantém a trama aparente.

Sua construção conta com filamentos de fibra (de vidro, aramida e carbono) tramados nas direções 0° (urdume) e 90° (trama) e a maneira como são tramados influencia o comportamento do tecido durante a laminação e as propriedades mecânicas finais do laminado. A trama plana é a mais comum, com um cabo passando por cima do outro alternadamente como mostra o esquema da Figura 1. Uma variação que também aparece no esquema é a trama basket, que utiliza um par de fios (2×2) para tecer a trama plana.

Esses dois tipos de tecidos bidirecionais são balanceados e se forem bem fabricados, apresentarão uma porosidade baixa (poucos espaços vazios entre os filamentos), o que pode ser uma vantagem quando se deseja fabricar laminados com um teor de fibras mais alto, entretanto esse tipo de trama apresenta baixa conformabilidade, o que torna sua laminação difícil em moldes com geometrias complexas ou dupla curvatura.  

Quando enfrenta esse tipo de situação, o construtor pode recorrer às tramas Twill e Satin, que se acomodam bem em regiões com curvaturas proporcionando tambem um alto teor de fibras. A configuração mais comum de trama Satin, ou sarja, é quando cada cabo cruza de cinco a oito cabos perpendiculares à trama, criando um aspecto cosmético muito interessante para aplicações onde a trama fica aparente.

Já a trama Twill é identificada facilmente pelo padrão diagonal que também é bastante utilizado em aplicações com trama aparente. O tipo mais simples é construído em 2×1, o que significa que a cada dois cabos da trama são atravessados por um cabo do urdume.  Quanto mais cabos forem utilizados na direção do urdume, mais diagonal será a inclinação.  

Por fim, apesar dos tecidos bidirecionais não possuírem a mesma eficiência estrutural que tecidos multiaxiais, continuam sendo boas opções para diversas aplicações. A maneira que seus filamentos estão arranjados configuram sua trama, que tem influência direta em suas características de estabilidade, porosidade, teor de resina e conformabilidade. É possível encontrar mais informações sobre os tecidos bidirecionais no livro Métodos Avançados de Construção em Composites.

Frequentemente os agentes desmoldantes são citados em posts do blog como uma das primeiras etapas da construção das embarcações, então é importante destacar quais são as opções a disposição do construtor e a importância desse elemento que possui profunda influência na qualidade final da peça, na preservação do molde e no tempo de produção.

O agente desmoldante é o primeiro produto a ser aplicado no molde, antes mesmo do gelcoat. Sua função é proteger a superfície do molde e garantir que a estrutura seja facilmente removida com a menor tensão de desmolde possível.

As principais características de desempenho de um agente desmoldante são o tempo de aplicação e o treinamento necessário que os operadores precisam para preparar o molde antes de cada laminação, a quantidade de ciclos de desmoldagem antes de ser necessário reaplicar o produto, a contaminação da peça final e a compatibilidade com todos os materiais do molde e do laminado.

As opções disponíveis no mercado se dividem primeiramente em agentes internos e externos. Agentes internos funcionam com a dissolução de produtos como ésteres de ácidos graxos, estearatos metálicos e ceras nas resinas termofixas. A teoria é que esses produtos migram para a superfície do molde durante a cura da resina, criando um filme de separação entre a peça laminada e o molde, garantindo a desmoldagem e economizando muito tempo ao remover a etapa de aplicação do release agent.

Porém, na prática ainda não existem agentes desmoldantes internos que tenham eficiência o suficiente para que os agentes externos sejam eliminados e, por essa razão, ainda não são muito populares especialmente na indústria náutica, que trabalha principalmente com três tipos de desmoldantes externos: ceras, PVA e semi-permanentes.  

Ceras de carnaúba são opção de melhor custo-benefício a disposição dos construtores e possuem fácil aplicação, apesar de consumir algum tempo. Depois da limpeza do molde, a cera deve ser aplicada com movimentos circulares e depois polida. Para moldes novos, essa etapa deve se repetir entre 5 e 10 vezes e depois a cada desmoldagem. Inevitavelmente, resíduos de cera ficarão aderidos ao laminado e uma etapa de limpeza é necessária antes de continuar a fabricação da embarcação.

O desmoldante PVA é um líquido a base de álcool polivinílico de baixa viscosidade. Depois de sua fácil aplicação, álcool e água evaporam deixando apenas um filme uniforme resistente a solventes e ao estireno que adere completamente à peça após o desmolde. A dissolução desse filme deve acontecer por meio da lavagem da peça com água antes de continuar os demais processos de construção.

Esses dois sistemas desmoldante são chamados de camadas de sacrifício, já que criam uma barreira física entre o molde e o laminado. Isso faz com que seja necessário um processo de limpeza das peças e/ou do molde, além da reaplicação do produto a cada processo de laminação, criando duas etapas que aumentam o tempo de produção. Uma maneira de reduzir esses pontos negativos é a utilizados de sistemas semi-permanentes, que podem suportar múltiplas desmoldagens.

É importante deixar claro que o desmoldante líquido é apenas uma das partes que compõe um sistema semi-permanente, que começa com a limpeza do molde e segue com a aplicação de uma solução primer e de um selante para então ser possível aplicar o desmoldante. Seu princípio de funcionamento é a criação de um filme inerte e durável quimicamente ligado à superfície do molde, garantindo múltiplas desmoldagens e evitando a contaminação do laminado.

Em geral, os construtores náuticos trabalham com agentes desmoldantes externos e as ceras de carnaúba são a opção de melhor custo-benefício em curto prazo, especialmente em projetos one-off. Fabricantes de embarcações seriadas podem recorrer às soluções semi-permanentes que, apesar de apresentarem um custo mais elevado e necessitarem de maior treinamento dos colaboradores, oferecem uma grande economia de tempo de aplicação e processamento da peça após o desmolde, maximizando a produtividade.

O gelcoat é um elemento importante não só na construção de embarcações, mas também na fabricação de peças que utilizam materiais compostos e precisa de um primoroso acabamento e alta resistência ao meio ambiente. Além de ter conhecimento sobre as sensíveis etapas de aplicação é importante que o construtor saiba quais os elementos que compõe a formulação de um gelcoat para que saiba o que procurar quando precisar adquirir o produto.

Gelcoats são formulados a partir de resinas termofixas combinadas com uma série de cargas minerais. Naturalmente, sua cura é promovida pelo endurecedor ou catalisador da resina utilizada. Apesar de diversas opções formuladas a partir de resinas epoxy estarem disponíveis, a construção de barcos utiliza quase exclusivamente gelcoats à base de resinas poliéster, que aderem bem aos laminados típicos utilizados nesse tipo de estrutura, além de apresentarem o melhor custo benefício.

Porém, nem todas as resinas poliéster são adequadas para essa aplicação. Como o gelcoat é a camada mais externa de um laminado, ele também é o elemento estrutural que mais tem contato com as condições extremas do meio ambiente e precisa ter alta resistência química para evitar que o fenômeno de osmose permita a entrada de água no laminado estrutural, que com o tempo pode afetar a estrutura do casco. Para esta finalidade as formulações de gelcoat na industria náutica utilizam quase que em sua totalidade as resinas isoftálicas.

É necessário observar que as resinas isoftálicas ainda apresentam o problema de baixa capacidade de alongamento o que significa que, se os paineis da embarcação tiverem deformacoes excessivas, o gelcoat podera apresentar rachaduras em sua superficie ao longo do tempo.

Uma solução é preparar uma mistura (blend) com resinas flexíveis, mas a consequência desta ação é justamente aumentar a absorção de água e facilitar o processo de formação de bolhas. É necessário encontrar um equilíbrio e a melhor solução é uma mistura de resina isoftálica com NPG (neo-pentil-glicol).

Posts anteriores indicaram que a aplicação do gelcoat pode ser realizada pela pintura a rolo ou por spray, destacando que a última opção é melhor e mais popular e utilizada por construtores profissionais. Os requisitos de viscosidade desses dois métodos variam drasticamente, portanto a formulação do produto também vai variar e o construtor deve buscar opções adequadas para o seu mecanismo de aplicação.

Outra questão importante na formulação do gelcoat é o balanço de cargas utilizado, que controla a viscosidade, tixotropia, as propriedades mecânicas, a contração, entre outras características.

A tixotropia é ajustada utilizando cerca de 2% ou 3% de cargas minerais formuladas a base de sílica. A contração de resinas poliéster pode alcançar até 8% e, se o gelcoat não for bem formulado, pode causar print-thru não apenas na desmoldagem da peça, como ao longo do seu ciclo de vida. Especialmente quando combinados com corantes de cores escuras que absorvem mais calor. Nestes casos é comum que as impressões das fibras apareçam no casco após alguns meses ou anos.

Para proteger o acabamento da ação dos raios ultravioletas, inclusive, é possível incluir filtros que evitam o amarelamento da superficie, conservando o aspecto original da peça.

Por mais que seja possível elaborar um gelcoat em um estaleiro da mesma forma que se formula uma massa de acabamento, a qualidade e uniformidade das opções disponíveis do mercado são incomparáveis. O construtor pode encontrar uma solução para cada uma das suas necessidades e deve conhecer os elementos do produto apenas para fazer a melhor escolha possível.

O principal requisito de qualquer projeto construído a partir de qualquer tipo de material é a capacidade de suportar determinada carga sem falhar e garantindo a integridade e segurança de seus usuários.

O processo de projetar estruturas e determinar as cargas atuantes sobre elas carrega simplificações e incertezas por natureza. Existem algumas maneiras de garantir a segurança da estrutura mesmo com essas incertezas e a mais tradicional delas é um modelo chamado de determinístico, que faz uso de fatores de segurança.

O fator de segurança, utilizado na Força Aérea dos Estados Unidos desde de a década de 1930, é um número que multiplica as cargas de projeto ou tensões máximas que um material deve suportar, dessa forma fazendo com que a estrutura seja superdimensionada e suporte condições não previstas em projeto.

Essa abordagem funciona muito bem para materiais isotrópicos que possuem comportamento bem determinado e modos de falha previsíveis, como é o caso dos metais. O comportamento de materiais compostos é mais disperso e os modos de falha são muito mais complexos, o que pode fazer com que os fatores de segurança diminuam a eficiência de uma estrutura sem de fato garantir a sua segurança.

O Gráfico 1 compara a resistência à tração de um material metálico e de um composite. Diversas amostras foram testadas para que fosse possível delinear o comportamento desses materiais nesse formato e fica claro que a resistência à tração de um material metálico varia muito menos do que a de um composite. 

Com esse comportamento disperso, utilizar fatores de segurança pode não garantir a segurança da estrutura, então uma abordagem probabilística de projeto é muito mais eficiente.

A teoria de probabilidade foi concebida em meados do século XVII, quando o físico, matemático e inventor Blaise Pascal foi desafiado a resolver uma charada: como seria possível igualar as chances de vitória de um jogo de sorte inacabado se um dos jogadores já estava liderando a disputa?

Em colaboração com seu amigo advogado e matemático Pierre de Fermat, Pascal descobriu a teoria da probabilidade e pela primeira vez na história uma pessoa poderia tomar decisões futuras com base em números de acontecimentos passados. Pelos próximos cem anos, matemáticos como Gauss e Bernoulli refinaram essa teoria e a tornaram um poderoso instrumento que hoje é base do projeto probabilístico de materiais compostos.

A ideia da abordagem probabilística é mapear todos os acontecimentos de um projeto em forma de uma curva de probabilidade e determinar uma probabilidade de falha aceitável. O Gráfico 2 exemplifica esse conceito, mostrando a resistência à tração de um laminado definida pela curva à direita e as cargas do projeto definida pela curva à esquerda. A probabilidade de falha é representada pela interseção entre as duas curvas, destacada em azul.

O processo de determinação dessas curvas características utiliza uma combinação de teoria e muitos ensaios mecânicos. A determinação de uma probabilidade de falha aceitável depende do tipo de projeto e, muitas vezes, é especificada em normas de sociedades classificadoras.

Esse tipo de estratégia é capaz de garantir a segurança de uma estrutura diminuindo sua probabilidade de falha a níveis aceitáveis para determinada aplicação. Isso é realizado levando em consideração os mecanismos de falha e funcionamento mecânico mais complexos dos materiais compostos, evitando que eles percam sua eficiência estrutural ao utilizar fatores de incerteza que foram concebidos para materiais isotrópicos.

O post da última semana explicou as etapas da construção de plugs e modelos, destacando o quanto o processo de acabamento é importante para qualidade dos moldes e das peças finais construídas a partir dessas estruturas. A verdade é que essa etapa é de extrema importância em qualquer peça laminada e dedicar a devida atenção para essa fase evita múltiplas horas de retrabalho que além de prejudicarem consideravelmente o ritmo de produção, aumentam o custo final das peças.

O gelcoat é a primeira camada de material aplicada ao molde depois da cera desmoldante, ou seja, é o primeiro passo na construção do laminado e apesar de não contribuir estruturalmente, além do acabamento possui a função de fornecer resistência química à embarcação. É um produto à base de resina poliéster combinada com uma série de cargas minerais para que seja possível alcançar as propriedades adequadas, incluindo viscosidade, tixotropia, coloração e resistência química.

A aplicação do gelcoat é um processo muito sensível que exige um bom aplicador, material de qualidade e equipamentos adequados submetidos periodicamente às atividades contidas no plano de manutenção. Existem muitos detalhes envolvidos nesta etapa para que seja possível garantir o melhor resultado possível.

O primeiro ponto importante é a formulação, que será detalhada em um post no futuro. De qualquer forma, o que o construtor deve ter em mente é que dificilmente conseguirá a uniformidade e a qualidade desejada formulando por si próprio o gelcoat, principalmente sem nenhuma experiência prévia. Existem excelentes opções no mercado para construção de embarcações, assim como linhas exclusivas para plugs, modelos e moldes que atenderão bem as necessidades de qualquer estaleiro.

A pistola utilizada para a aplicação do material também tem detalhes que devem ser observados cuidadosamente. Apesar de ser possível aplicar o gelcoat com pincéis e rolos de pintura, a qualidade do resultado final não tem comparação com a aplicação utilizando uma pistola ligada à uma rede de ar comprimido com bico de 4 mm. Pistolas de calibres menores não permitem a passagem de líquidos com a viscosidade do gelcoat, prejudicando sua deposição na peça.

Existem alguns modelos de pistola, incluindo as que conseguem gerenciar a mistura do gelcoat com o catalisador MEKP durante a aplicação, semelhante à lógica utilizada no processo de spray-up. Outra opção são as pistolas de caneco invertido onde o gelcoat já entra no recipiente catalisado e é aplicado dessa maneira.

É importante também utilizar a quantidade adequada de catalisador indicada pelo fabricante, entre 1% e 2% em peso. Quantidades menores podem não fornecer a energia necessária para completar a cura e quantidades maiores podem criar pontos de alta temperatura e causar defeitos na superfície da pintura.

O aplicador deve ter destreza e experiência o suficiente para conseguir alcançar a espessura de 0,6 mm com uma variação de dois décimos de milímetro, o que equivale a aproximadamente 0,8 a 1,0 kg/m² de gelcoat depois da aplicação das múltiplas camadas do produto. Espessuras maiores do que as mencionadas podem causar o surgimento de defeitos de enrugamento, que deverão ser reparados e repintados antes do polimento.

Inclusive, lixar e polir o gelcoat é uma atividade bastante trabalhosa. Para facilitar esse processo, a primeira camada de gelcoat deve ser misturado com uma solução de estireno com parafina. A parafina é um hidrocarboneto que não possui afinidade com a resina poliéster e, portanto, não se mistura quimicamente com o gelcoat. Após a aplicação, ela tende a migrar para superfície do laminado e formar uma pequena película que evita a oxidação do gelcoat, favorece sua cura e facilita muito o processo de lixamento e acabamento. Portanto, seu uso é indispensável e economiza horas de trabalho em acabamento.

A solução parafinada de estireno contém um teor de parafina que varia entre 12 e 15% e pode ser adquirida já pronta para uso. Os fabricantes de gelcoat normalmente possuem instruções sobre a quantidade de solução a ser misturada, mas esse valor fica em torno dos 5%.

Esses são alguns dos detalhes relacionados à aplicação de gelcoat em modelos e plugs, mas que podem ser adotados também para aplicação e acabamento do gelcoat em moldes e peças finais. Mais detalhes sobre esse processo podem ser encontrados no livro Manual de Construção de Barcos.

Após adquirir o projeto de uma embarcação, o construtor tem algumas questões a analisar antes de iniciar o processo de fabricação. Se ele não for utilizar métodos como Power Flex ou Strip Planking em espuma PVC, a primeira dessas questões será a escolha entre a construção de um plug, modelo ou molde temporário.

Modelos e plugs são conceitos muito similares em aspectos práticos, mas que possuem uma diferença em suas dimensões e servem dois tipos de propósitos. Os plugs são utilizados para construção de projetos one-off, ou de poucas unidades, e possuem as dimensões moldadas das embarcações, ou seja, as dimensões finais descontadas da espessura da estrutura.

Já um modelo possui as dimensões finais da estrutura e representa uma etapa intermediária que permite a construção de uma forma, ou molde fêmea, que por sua vez é utilizada para construção de embarcações em série. Apesar da diferença conceitual entre o plug e o modelo, a maneira de construí-los é bastante semelhante e começa com a montagem do picadeiro e posicionamento das balizas.

Atualmente, a maneira mais eficiente de construir as balizas é a partir do corte de chapas de compensado ou MDF em CNC, extraídas do modelo tridimensional do casco. Dessa forma é possível reproduzir fielmente a geometria desejada e em um intervalo de tempo muito menor do que seria necessário para riscar as chapas de compensado manualmente.

Com as balizas posicionadas, qualquer material pode ser utilizado para construção dos plugs e modelos, mas a madeira é a opção mais popular. O construtor deve ter em mente que essas estruturas devem ser preparadas para ter o peso de um molde ou de uma embarcação sobre elas e, portanto, devem ser bastante robustas.

Longitudinalmente, são então posicionados sarrafos de madeira simulando virotes de tamanho real, utilizando técnicas como a de strip-planking ou cold-molded. No caso de algumas grandes lanchas, se utiliza até mesmo compensado naval ou a combinação das três técnicas.

É importante que tanto o plug quanto o modelo continuem por alguns centímetros além da borda livre da embarcação para que o molde ou embarcação possam ser construídos com uma espessura constante até o fim. Uma boa prática é marcar uma linha ou flange para que seja possível retirar o laminado adicional com facilidade quando as peças forem retiradas do molde.

Depois de recobrir toda a superfície do plug ou modelo, é necessário cobrir toda a estrutura com uma massa de acabamento. Esta etapa é fundamental para a qualidade final e qualquer imperfeição nessa superfície acarretará em múltiplas horas de retrabalho, sobretudo se forem reproduzidos em um molde para fabricação de embarcações em série.

Depois da aplicação da massa e lixamento para alcançar a carenagem desejada, o próximo passo é aplicar as demãos de gelcoat ou tintas do tipo PU ou epoxy. Esse processo é bastante sensível para o sucesso da peça final e, dessa forma, o post da próxima semana discutirá esse assunto.

O sistema de vácuo é peça central para o sucesso da infusão à vácuo. O blog já discutiu diversas vezes múltiplas estratégias para a posicionar as linhas de vácuo e de resina, como realizar drop tests e detectar vazamentos no molde, mas a realidade é que para que tudo funcione de maneira adequada o construtor deve possuir bombas e filtros adequados e possuir clareza sobre quais são as funções que eles exercem em cada um dos métodos construtivos.

A bomba é o centro da rede de vácuo e ela deve ser capaz de retirar uma quantidade suficiente de ar do sistema para criar um gradiente de pressão adequado para infusão ou qualquer que seja o processo construtivo utilizado. Devido à confiabilidade, o construtor deve optar por bombas elétricas em relação às que são movidas por ar comprimido, embora as últimas possam ser utilizadas para peças pequenas e alguns reparos. Além disso, deve ser priorizado o uso de bombas de alto vácuo em relação às de alta vazão.

A vazão, ou velocidade que a bomba é capaz de retirar ar do sistema, é importante e não deve ser negligenciada, mas a capacidade de alcançar pressão próxima de 1 atm, ou 760mmHg, deve ser prioridade. Uma bomba com 25 m³/h de vazão é ideal para peças com até 20 m², mas vazões de 50 e 100 m³/h podem facilitar a remoção inicial de ar e agilizar o fechamento da bolsa de vácuo.

É muito comum que os fabricantes informem a vazão da bomba em unidades de CFM, ou pés cúbicos por minuto (cubic feet per minute). Para fins de comparação, 1 CFM equivale a 1,7 m³/h, então, o construtor deve procurar uma bomba de 15 CFM para alcançar a vazão de retirada de ar de 25 m³/h.

Existem opções de bombas refrigeradas a óleo e a ar, mas essas últimas SÓ conseguem alcançar um gradiente de pressão de até 0,8 atm, impedindo seu uso em processos de infusão a vácuo mas permitindo que sejam utilizadas para fabricação com a técnica de vacuum bag

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Para equalizar a remoção do ar e proteger a bomba de impurezas saídas do laminado, é essencial o uso de filtros popularmente conhecidos como traps (armadilha). Os traps possuem uma entrada para a bomba de vácuo e outra que se conecta a uma mangueira ligada à linha de vácuo montada no laminado. Dessa forma, qualquer impureza que deixar o laminado irá para lá antes de ir para bomba, impedindo a contaminação do equipamento principal.

A entrada que se conecta ao laminado pode se dividir em múltiplas tomadas com o uso de um manifold, possibilitando a montagem de diversas linhas de vácuo na peça a ser infundida. Deve-se observar apenas a limitação de vazão da bomba para que todas as entradas sejam capazes de retirar o ar de maneira eficiente da peça.

Muitos construtores enxergam o trap como um depósito da resina que invade as linhas de vácuo quando a frente de resina a alcança antes do início da gelificação, mas isso é altamente indesejado durante a infusão. Retirar resina não curada do laminado significa um risco de deixar os tecidos secos e prejudicar a segurança estrutural da embarcação POIS  LOGO que a resina invade a linha de vácuo, a pressão de compactação diminui consideravalmente, prejudicando a qualidade final do trabalho.

Apesar de o trap ser uma linha de defesa de proteção da bomba de vácuo, é ideal para o processo de infusão que o construtor trabalhe com freios, ou regiões de baixa permeabilidade, antes das linhas de vácuo para que a resina não consiga alcançá-las antes de seu tempo de gel.

No caso do processo de vacuum bag, no entanto, o trap realmente exerce esse papel de armazenar o excesso de resina que deixa a peça durante o período de compactação, mas no processo de infusão ele é responsável por distribuir as linhas de vácuo na peça e não necessariamente receber a resina que sai da peça, até por que a quantidade de matriz utilizada no processo é determinada com base no teor de fibra desejado na estrutura final.

Portanto, o construtor deve buscar bombas de alto vácuo com refrigeradas a óleo alimentadas por energia elétrica para realizar infusões ou executar o processo de vacuum bag. Deve também ter em mente que a função do trap nesses dois processos varia e que deve-se trabalhar ativamente para evitar que a resina alcance a linha de vácuo durante o processo de infusão.

A construção amadora se beneficia muito de métodos de construção one-off como Strip Planking em espuma PVC e Power Flex, que permite ainda que os benefícios do processo de infusão sejam empregados em embarcações construídas sem o uso de moldes. No entanto, é inegável o benefício na produtividade e custo que o uso de moldes traz para construção seriada de embarcações.

Antes de construir essas ferramentas, deve-se ter em mente qual o processo de fabricação das peças que serão retiradas dos moldes, o espaço de trabalho na fábrica e como será a estrutura de reforço.

Por exemplo, se o molde for projeto para o processo de infusão, sua porosidade deve ser baixa e ele deve estar preparado para suportar a aplicação de pressão. Se as peças forem passar pelo processo de pós-cura, o molde deve estar preparado para suportar os ciclos térmicos aos quais será submetido.

O espaço da fábrica combinado com as características da embarcação terá influência no projeto do molde uma vez que determina para onde ele deverá se movimentar durante a laminação e como será a desmoldagem da peça. É comum que os moldes sejam rotacionados para que os construtores tenham melhor acesso para aplicação do gelcoat e laminação do skin coat das embarcações. Já o desmolde da peça pode ser feito por meio do içamento após a cura ou pela separação das partes de moldes bipartidos. Sejam quais forem os casos, o molde deve ser construído com essas questões em mente.

O acabamento da superfície do molde é uma das suas características mais importantes. Qualquer defeito nessa etapa vai ser reproduzido e requerer trabalho nas dezenas ou até centenas de peças que serão produzidas a partir dele, portanto não se deve economizar em materiais ou tempo para criar o melhor acabamento possível.

Em geral, os cascos e conveses de embarcações são construídos a partir de molde fêmea, já que é importante que suas superfícies externas sejam bem-acabadas. A produção desse tipo de ferramenta deve ser feita a partir de um plugue ou de uma embarcação previamente produzida, mas nos dois casos a superfície deve estar livre de qualquer imperfeição.

O início da construção de um molde sobre o plugue ou modelo deve começar com a laminação manual do skin coat composto por duas camadas de manta de 300 g/m² mais quatro camadas de 450 g/m², totalizando 2400 g/m². As mantas mais leves fornecem um acabamento melhor, portanto são laminadas primeiro. Com esse propósito, alguns construtores laminam antes um produto chamado véu de superfície que é uma manta de gramatura muito baixa e que apresentará um teor de resina de 95% no laminado final. Apesar do resultado inicial ser um acabamento impecável, isso aumenta a probabilidade de distorções na superfície do molde por conta da contração da resina.

É ideal que tanto a resina quanto o gelcoat utilizados na construção de moldes sejam de linhas de produtos desenvolvidas para esse fim. Mesmo que os moldes não sejam submetidos à pós-cura, o processo de cura exotérmica das resinas poliéster utilizadas na construção náutica vai estressar a ferramenta, que deve ser construída com resinas com alto HDT (heat distosion temperature) que impedem que a fadiga térmica prejudique a qualidade da superfície do molde em um curto período de tempo.

A resistência química também é uma característica importante da resina, já que ela será constantemente atacada por monômeros de estireno. Por essas razões, é muito comum que se utilizem estervinílicas e epoxy, que também possuem HDT muito mais alto que a poliéster tradicional.

Depois do skin coat, devem ainda ser laminadas algumas camadas de tecidos bidirecionais de alta gramatura, totalizando cerca de 1800 g/m² de tecido e 900 g/m² de manta para estruturar o molde. Dessa forma é possível assegurar que o molde terá espessura e resistência compatível com as tarefas que deverá desempenhar.

Essas são algumas das questões mais importantes a serem levantadas no processo de projeto e construção de moldes para embarcações fabricadas em série. Mais detalhes são descritos no livro Manual de Construção de Barcos.

O blog já contou como foram desenvolvidos vários elementos importantes da construção em composites, incluindo as das fibras de vidro e carbono, além da resina poliéster e das construções sandwich. O processo de infusão a vácuo é outro tópico com uma história rica e interessante, centrada em um engenheiro francês chamado Henry Darcy. 

Henry Darcy foi o responsável por um dos mais audaciosos projetos de abastecimento de água na Europa no século XIX. Em tempo recorde, ele desviou uma fonte natural a 12 km de distância para um reservatório próximo de Dijon, sua cidade natal, utilizando um aqueduto natural que filtrava água por meio da gravidade.

A partir do reservatório, a água era distribuída por 120 hidrantes espalhados pela cidade de forma que nenhum cidadão tivesse que caminhar mais do que 50 metros para que pudesse ter acesso a água potável. Para entender o quanto o projeto era arrojado, é importante saber que em Paris as fontes eram distribuídas a mais de 300 metros uma das outras, na época.

A execução desse projeto foi incentivada por sua experiência crescendo na cidade, já que Darcy ficou doente por alguns anos em sua infância devido ao consumo da água putrefata que chegava até sua casa e causava surtos de cólera, tifo e uma série de outras doenças em toda população. Isso o fez ter uma profunda consciência social e prometer a seu irmão que faria tudo ao seu alcance para melhor o abastecimento de água do lugar em que nasceu.

Esse plano foi ameaçado com a morte de seu pai quando tinha apenas 14 anos. Ele quase teve que parar seus estudos, mas sua mãe se recusou a deixar isso acontecer e usou o fato de que Henry era um aluno brilhante para convencer a prefeitura da cidade a financiar sua educação.

Darcy então se graduou em engenharia civil pela École Polytechinique e aprofundou seus estudos em cálculo, mecânica dos sólidos e dos fluidos na École Nationale des Ponts et Chaussées em Paris, que tinha o objetivo de formar profissionais para promover o desenvolvimento da infraestrutura urbana da França. Isso forneceu as ferramentas que Darcy precisava para criar o projeto de abastecimento hídrico que foi referência não somente na França, mas em toda a Europa.

No fim de sua carreira e após ser reconhecido ao receber diversos prêmios dentro e fora de seu país, Henry Darcy dedicou-se a documentar todo o trabalho que havia executado em uma tese intitulada Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon. No apêndice D desse documento ele descrevia os experimentos que o ajudariam a formular a equação que governa o fluxo de um fluido através de um meio poroso.

Os experimentos encontraram a Lei de Darcy, que relaciona o tempo de saturação de um meio com determinada porosidade e permeabilidade com o a viscosidade do fluido e gradiente de pressão ao qual o sistema é submetido, como mostra a equação abaixo:

Por meio dessa descoberta, foi possível desenvolver e descobrir quais os parâmetros mais importantes no processo de infusão a vácuo, que funciona por meio da saturação de um meio de determinada porosidade e permeabilidade, sendo os tecidos e materiais de núcleo, com um fluido com determinada viscosidade, a resina termofixa. É a partir dela também que softwares modernos são capazes de calcular a velocidade da frente de resina em simulações de fluxo.

O livro Processo de Infusão a Vácuo em Composites traz mais detalhes sobre a história do aclamado engenheiro francês Henry Darcy e descreve com detalhes as variáveis da lei descoberta por ele no contexto da infusão a vácuo.

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. 

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.

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.

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 A_w utilizado. Para utilizá-la, é importante também saber a densidade ρ_f do filamento utilizado e a fração volumétrica v_f de fibra no laminado.

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 ρ_f  e da matriz ρ_m utilizadas para construção do laminado sólido.

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.

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.