A ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ALUMÍNIO E MATERIAIS COMPOSTOS PARA ESTRUTURA DE LANCHAS DE PATRULHA

ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ALUMÍNIO E MATERIAIS

COMPOSTOS PARA ESTRUTURA DE LANCHAS DE PATRULHA

 

 

RESUMO

Compostos de PRF, utilizando fibras de vidro, kevlar, e fibras de carbono apresentam excelente performance estrutural que podem ser otimizadas com utilização de processos de fabricação cada vez mais sofisticados principalmente quando se utiliza construções tipo sandwich onde é eliminada a adição de cavernas e longarinas, proporcionando a fabricação de uma estrutura muito leve e rígida. O custo de material para a construção em PRF é competitivo quando comparado ao alumínio e ao aço, no entanto a maior economia se dá na velocidade de construção, fácil repetibilidade e baixo investimento inicial.

Este trabalho trata da comparação entre os  materiais mais utilizados na construção de embarcações patrulha, fazendo uma comparação de resistência, custo de fabricação, velocidade final e performance. São comparados três tipos de embarcações na faixa de 10 metros,  cujo tamanho é muito comum em lanchas de patrulha costeira.

 

 

 

[pic 1]INTRODUÇÃO

 

Embarcações patrulha, apresentam características de alto desempenho e, ao mesmo tempo se exige delas um grande raio de ação e capacidade de enfrentar condições de serviço severas. Essas características fazem com que o material escolhido para a construção tenha resistência específica alta (resistência/densidade), eliminando materiais pesados como o aço. Possíveis explosões de minas  e choques, exigem do material empregado, além de excelente rigidez e resistência, boa resistência à fadiga e ao impacto.

 

Materiais compostos de PRF têm sido aplicados cada vez mais, não só em embarcações de recreio, mas também em embarcações de serviço e militares.  No entanto, ao contrário do senso comum, materiais compostos, mesmo empregando fibras exóticas como Kevlar, podem ter uma relação custo-benefício melhor que a dos metais. A construção de embarcações em PRF possui a vantagem de não requerer ferramentas industriais, como máquinas de solda, corte, esteiras e pontes rolantes. Com um mínimo de treinamento, pode-se preparar um laminador, enquanto que para o alumínio, necessita-se de grande especialização em soldagem. Os materiais compostos possuem características de alta produtividade, principalmente para a fabricação de um grande número de embarcações, o que é difícil obter para o alumínio e outros metais sem um acréscimo significativo no custo de produção. O PRF permite uma aplicação mais racional e uma variedade de propriedades mecânicas, aliadas a facilidade de construção, que os metais não possuem.

 

 

 

MATERIAIS PRF

 

As propriedades mecânicas dos materiais compostos  dependem não só de que tipo de material (fibras e resinas), mas também das técnicas de fabricação que por sua vez, permitem o controle do teor de fibras e propriedades finais do laminado. A temperatura e pressão de moldagem também tem uma profunda influência nas propriedades mecânicas do laminado. Outra vantagem dos materiais compostos é a ortotropia, que permite ao projetista e construtor direcionar as fibras de forma que possa ser otimizada a resistência individual de cada painel, ao contrário de materiais metálicos completamente isotrópicos . A figura 1 mostra o gráfico de Tensão x Deformação para diversos laminados com 40% de teor de fibra, comparados com o alumínio e o aço. 

 

Tensão/Deformação e Comparação de Resistência à Tração         de Laminados com 40% em Peso de Fibra

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Deformação, pol/pol

 

Figura 1, Tensão de Ruptura para Diversos Materiais

 

 

RESINAS

 

O tipo mais comum de resina utilizada em estruturas marítimas em PRF é a poliéster do tipo isofitálica ou ortofitálica. Esta última, apresenta o mais baixo custo porém, também o menor desempenho. A resina isoftálica possui melhor resistência à osmose que a ortoftálica. Resinas epoxy e éster-vinílica são preferidas em estruturas que exigem alta resistência, tenacidade e rigidez.  

 

 

FIBRAS DE REFORÇO  

 

Fibras de vidro do tipo E são as fibras mais utilizadas em construção de embarcações devido seu balanço de propriedades mecânicas e custo. As fibras de vidro do tipo S são utilizadas quando é requerida uma maior resistência. Fibras aramidas, mais conhecidas como Kevlar ou Twaron estão entre as fibras de maior resistência específica devido sua baixa densidade.  As fibras aramidas são bastante utilizadas em áreas de alto impacto devido a sua alta tenacidade. Fibras de carbono têm a maior rigidez e maior resistência à tração que os materiais citados acima. Quando as fibras de carbono são usadas exclusivamente, a construção tende a ser penalizada em custo, por isso, as fibras de carbono são usadas somente em aplicações de alta performance.  A Figura 2 e Figura 3 mostram a comparação entre a resistência especifica (resistência/densidade) e o módulo especifico (modulo /densidade) de diversos tipos de fibras e alguns materiais metálicos

Resistência Específica para Vários tipos de Fibras

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Figura 2, Gráfico de Resistência Específica para Diversos Tipos de Fibras  

Rigidez Específica para Vários Tipos de Fibras

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Figura 3, Gráfico de Módulo Específico para Diversos Tipos de Fibras

 

Propriedades de resistência à fadiga são particularmente importantes para o tipo de embarcação tratada neste trabalho. Lanchas de patrulha navegam até 2000 horas por ano e, muitas vezes, em condições adversas de mar. Isso implica em um número alto de ciclos de fadiga. Nas curvas S-N indicadas na Figura 4, pode se observar que o alumínio decresce rapidamente com os ciclos de fadiga, enquanto que os compostos de fibra de vidro e fibra de carbono, decaem pouco e tendem a um valor constante. Propriedades de resistência a fadiga de laminados em fibra de vidro são melhoradas com o uso de fibras de Kevlar.

Curva S-N para Compostos

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        Ciclos de Falha         

Figura 4, Curvas S-N para diversos materiais

Reforços de fibras são arranjadas em tecidos usando vários tipos de tramas. Tradicionalmente, a indústria naval tem usado tecidos tramados do tipo “woven roving” e manta. “Woven rovings” oferecem um bom compromisso entre baixo custo e resistência mecânica. A vantagem de tecidos multiaxiais compostos de fibras costuradas ao invés de tramadas é que o primeiro pode ser arranjado com suas fibras retas, sem sulcos e com maior resistência e menor consumo de resina, ou seja, é possível se obter um maior teor de fibra com tecidos multiaxiais. Por isso, esses tecidos têm desempenho superior aos laminados convencionais de manta e woven roving, como indicado na Figura  5 e Figura 6.