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Project Cars #98

Project Cars #98: como se faz um monocoque de fibra de carbono?

Olá, pessoal! Equipe Ecocar novamente no FlatOut! para compartilhar um pouco mais do nosso trabalho desenvolvido e o que temos aprendido. Então fique com a gente!

 

Tubular x Monocoque

Houve grande discussão sobre como seria a estrutura do nosso protótipo e, após vários debates, concluímos que seria mais interessante construirmos um chassi do tipo monocoque, que como o nome diz é feito de apenas uma parte, a qual possui função estrutural e aerodinâmica (chassi e carenagem juntos). A estrutura tubular desvincula essas duas partes, oferecendo apenas a parte estrutural, sendo a carenagem feita de outra forma separadamente.

As vantagens do chassi de monocoque de fibra de carbono em relação a um chassi tubular metálico são que, como a fibra de carbono possui uma densidade bem menor que os metais, há grande redução na massa do veículo. O monobloco também é mais distribuído que o chassi treliçado e pode distribuir melhor os fluxos de carga e oferecer maior rigidez por unidade de massa. Além disso, como a estrutura de compósitos acompanha a carenagem, o compartimento do piloto torna-se mais espaçoso.

Entretanto, o monocoque possuí algumas desvantagens em relação ao chassi tubular: seu custo é muito elevado e sua construção é muito complexa para uma escala reduzida de produção, enquanto o chassi tubular é bem mais fácil e barato de se construir.

É válido dizer ainda que caso alguma região do monobloco seja comprometida, é necessário trocar a estrutura inteira, enquanto no chassi treliçado basta trocar os tubos comprometidos, por fim, devido aos tubos e à geometria que compõe a estrutura, o chassi tubular possuí maior resistência à flexão e à torção.

 

Laminação do Honeycomb

A fim de aumentarmos a resistência do monocoque de fibra de carbono, podemos utilizar Honeycomb para reforçar determinadas áreas que demandam maiores esforços no projeto.

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Camada de Honeycomb

O Honeycomb é um material que como o próprio nome sugere lembra uma colmeia e pode ser fabricado de aramida (Kevlar), polipropileno ou alumínio. Sozinho, é uma estrutura maleável de pouca utilidade estrutural mas se utilizada como material de núcleo para um “sanduíche” de fibra de carbono ou fibra de vidro, torna-se uma placa rígida extremamente resistente e leve que se encaixa no tipo de material que buscamos para um protótipo de alta eficiência.

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Esquema do “sanduíche” de Honeycomb

A placa já laminada de fibra de carbono não é vendida comercialmente, então nossa solução é confeccioná-la na própria oficina, comprando os materiais separadamente, já que a terceirização do serviço não cabe no nosso orçamento.

O processo de laminação é feito colando-se as camadas de fibra de vidro ou carbono em cada lado do honeycomb, laminando diretamente a fibra de vidro sobre a estrutura. Para obter melhores resultados, o melhor é laminar a vácuo como fizemos no monocoque.

O resultado final é uma placa leve e rígida, ou se laminarmos o honeycomb diretamente no monocoque, teremos uma estrutura muito mais rígida do que um monocoque somente com fibras de vidro e de carbono. Na imagem, uma laminação com honeycomb feita diretamente na peça. Uma das vantagens desse procedimento é a obtenção de estruturas rígidas mesmo que elas não sejam planas.

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Por tratar-se de um compósito, o honeycomb é responsável pela rigidez da peça enquanto a fibra é responsável pela resistência à tração ou compressão da mesma.

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Tabela comparativa de rigidez, força e peso para fibra e fibra com honeycomb

Na Tabela acima podemos comparar o ganho em força e rigidez da fibra com Honeycomb em relação a fibra laminada sozinha, como podem ver, o ganho é significativo enquanto o aumento de peso é mínimo.

 

Resina/Endurecedor

A resina utilizada no projeto foi a resina epóxi, a resina epóxi é um plástico termofixo que se endurece quando misturado a um catalizador, a resina deve possuir um “tempo de trabalho”, o qual é o tempo útil para podemos utilizá-la na aplicação ao molde, suficiente para que todo o trabalho seja feito, além disso, deve-se evitar a formação de bolhas na resina pois elas acabam com o acabamento do projeto, deixando a superfície mal formada e se existirem um grande número de bolhas pode ocorrer até problemas relacionados às propriedades mecânicas do material.

 

Laminação à Vácuo

A laminação é uma técnica usada para fabricar materiais de múltiplas camadas por meio da adição de lâminas do material desejado. Isso é feito para obter propriedades melhores ou misturar diversas características, tais como dureza, isolamento térmico ou acústico e aparência. No caso da laminação usada para fazer a carenagem de automóveis, ou as rodas dos carros da Koenigsegg, ou os eixos da direção dos carros de F1, é feito o processo de laminação a vácuo.

Vídeo da laminação das rodas Koenigsegg:

Esse procedimento também foi utilizado para a construção da carenagem do nosso carro, foi um trabalho bastante complicado, principalmente por nunca termos utilizado essa técnica antes. Antes de tudo, foi necessário comprar o isopor e usiná-lo no formato do nosso protótipo, esse isopor é então chamado de Plug, que não é nada mais do que um modelo em escala real ou uma forma da peça final que se deseja. A resistência e durabilidade dele deve ser determinada a partir da quantidade de moldes que serão feitos e o quanto ele deve durar, além disso, um tratamento superficial deve ser feito, a fim de melhorar o acabamento superficial do molde e protegê-lo de resinas corrosivas e solventes.

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Na imagem, um exemplo de laminação feita sobre o próprio isopor. Apenas duas camadas de fibra de carbono foram suficientes para aguentar massas superiores a 100kg!

Para o nosso projeto, utilizamos um isopor de alta densidade, o qual é bem diferente do isopor comum que vemos normalmente. Esse isopor pode ser modelado da forma como queríamos com a ajuda de uma fresadora CNC e, diferente dos isopores de baixa densidade, ele não se desfaz tão facilmente. Utilizamos o isopor branco pois o nosso orçamento não cobria o isopor azul que seria o mais indicado para o processo. Além disso, para um melhor acabamento do molde é necessária uma camada superficial de massa plástica, mas como esta corrói o material passamos antes algumas camadas de resina epóxi e lixamos para então aplicar a massa. Após repetir esse processo algumas vezes, pudemos prosseguir com a laminação.

Logo em seguida é feito o molde, a qual é a peça definitiva para a criação do carro. O molde consiste na aplicação de uma série de materiais em sequência em cima do Plug: primeiro é passada uma camada de desmoldante, o qual ajuda na remoção do molde após o processo de laminação. Em seguida aplica-se resina em todo o molde e cobrimos a superfície com fibra, no nosso caso foi usado fibra de carbono, a qual é mais barata. Repetimos a aplicação de resina/fibra várias vezes até obtermos a dureza necessária. Nas fotos: a parte externa do molde (com a presença de rebarbas de fibra e pouco acabamento superficial) e a parte interna (bastante polida e perfeita para ser usada).

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Por fim, é feito um último procedimento para a obtenção da peça desejada. Primeiro aplica-se o desmoldante e as camadas alternadas de fibra e resina na parte interna do molde. Após a aplicação do número desejado de camadas, é colocado sobre a superfície interna do molde um forro chamado de peel ply, o qual é responsável pela dispersão da resina e distribuí-la igualmente durante a laminação a vácuo. Em seguida é colocado um feltro para a equalização do vácuo no molde e o plástico de vedação. Esse plástico é fixado nas bordas por meio de uma espécie de massa de modelar amarela, a qual pode ser vista nas figuras abaixo:

Essa massa garante que não haverá nenhum vazamento de ar pelas bordas do molde e pode ser facilmente removida após o fim do procedimento. Agora, a parte principal, é necessário utilizar uma bomba de vácuo para produzir o vácuo dentro do molde e garantir o efeito “sanduíche” no processo. No nosso caso, utilizamos uma bomba de vácuo de um de nossos professores, essa bomba é capaz de criar pressões tão baixas quanto 0,01kPa ou 0,0001 atm. Bombas mais modernas podem chegar até 0,00001 atm, ou seja, 10 mil vezes menor que a pressão atmosférica! Lembrando que quanto menor for a pressão, melhor é a laminação.

Depois de tudo montado, é necessário tomar cuidado para que a bomba não aspire a resina junto (o que poderia estragar a bomba) e deixar ela funcionando por um período de 6 a 8 horas. Empresas grandes possuem um enorme forno chamado autoclave, o qual reduz esse tempo de espera.

O grande momento chegou, é hora de retirar o carro de dentro do molde! E esse trabalho é bem mais trabalhoso do que parece, pois ao contrário do que pode se pensar, a estrutura não sai tão fácil como um pudim sairia da forma. Há uma grande preocupação em quebrarmos ou danificarmos o carro caso seja feita muita força ou até mesmo estragar o molde, o qual tem validade indefinida.

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A sensação de finalmente termos o carro em mãos é ótima! O peso total dele foi inferior a 5kg! Sendo metade desse peso em fibra de carbono/vidro e a outra metade em resina e endurecedor.

Muito obrigado a todos do FlatOut e não deixem de nos acompanhar no nosso Facebook! Qualquer dúvida ou sugestão, mande para nós: [email protected]

Até o próximo post!

Por Carlos Eduardo Ramponi, Project Cars #98

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