componentes de bicicletas e associados produzidos em materiais poliméricos e compósitos de matriz...

Materiais Não Metálicos

Componentes de Bicicletas e Associados Produzidos em

Materiais Poliméricos e Compósitos de Matriz Polimérica

Autores: António Postiga

Filipe Giesteira

Beatriz Ribeiro

Orientador: Engº António Marques

Ano Curricular: 2015/2016

Assinatura: _________________________

_________________________

_________________________

Conteúdos

Resumo .......................................................................................................................................... 2

Abstract ......................................................................................................................................... 3

Índice de Figuras ........................................................................................................................... 4

Índice de Tabelas ......................................................................................................................... 10

Notas Históricas .......................................................................................................................... 11

História da Bicicleta ................................................................................................................ 11

História dos Pneus e Câmaras de Ar usadas nas Bicicletas..................................................... 15

Identificação e estudo de componentes atualmente fabricados nestes dois tipos de Materiais ... 17

Introdução ao capítulo ............................................................................................................. 17

Selim ....................................................................................................................................... 18

Espigão .................................................................................................................................... 20

Correias ................................................................................................................................... 21

Pedais ...................................................................................................................................... 22

Manípulos de travagem/transmissão ....................................................................................... 24

Grips ........................................................................................................................................ 25

Revisão Bibliográfica dos materiais usados para a produção dos Componentes Selecionados .. 26


Elastómeros ............................................................................................................................. 27

Generalidades dos Elastómeros ........................................................................................... 27

Borracha Natural ................................................................................................................. 29

Estireno Butadieno (SBR) ................................................................................................... 30

Isobuteno-isopreno (butil) ................................................................................................... 31

Termoplásticos ........................................................................................................................ 32

Generalidades dos Termoplásticos ...................................................................................... 32

Poliestireno (PS) .................................................................................................................. 35

Policarbonato (PC) .............................................................................................................. 40

Termoendurecívies .................................................................................................................. 42

Componentes e Associados de Bicicletas Produzidos em Materiais

Poliméricos e Compósitos de Matriz Polimérica

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MNM 2015/2016

Generalidades dos Termoendurecíveis ................................................................................ 42

Resina Epoxídica ................................................................................................................. 46

Compósitos de Matriz Polimérica ........................................................................................... 55

Generalidades de Compósitos ............................................................................................. 55

Compósito de Matriz polimérica reforçada com Fibra de Carbono .................................... 64

Revisão Bibliográfica dos Principais Processos de Fabrico usados na produção dos

Componentes Selecionados ......................................................................................................... 70


Pré-impregnados ..................................................................................................................... 71

Resin Transfer Molding .......................................................................................................... 79

Estudo dos Componentes Selecionados ...................................................................................... 82


Pneus ....................................................................................................................................... 83

Câmara-de-ar ........................................................................................................................... 86

Quadro ..................................................................................................................................... 88

Generalidades ...................................................................................................................... 88

Materiais usados na sua construção .................................................................................... 90

Processo de Fabrico ............................................................................................................. 95

Capacete ................................................................................................................................ 108

Conclusões ................................................................................................................................ 110

Trabalhos Futuros ...................................................................................................................... 111

Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 112



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MNM 2015/2016

Resumo

A sociedade atual olha para a bicicleta como um meio de transporte, veículo desportivo, ou

mesmo como um aparelho de lazer. Na realidade, a generalidade das pessoas utiliza a bicicleta

sem sequer pensar como surgiu, com quem e, muito menos, como é feita ou de que é composta.

A bicicleta tem agora um papel importante nas ações e planos de mobilidade sustentada (ou seja,

num plano de mobilidade que visa satisfazer de forma sustentável, e em prol de um bem comum,

as necessidades dos utilizadores). Logo cabe aos designers, fabricantes e investigadores desta

área, o desenvolvimento de projetos que tornem este veículo mais eficiente e, mais importante, o

tornem apelativo ao público em geral, de modo a satisfazer as necessidades de uma sociedade em

constante mudança e cada vez mais exigente. (da Silveira 2010)

No âmbito da unidade curricular de Materiais Não Metálicos, mais especificamente

integrado na aprendizagem de Materiais Poliméricos, os autores propõem-se então a dar algumas

respostas relativamente a este meio de transporte, respostas estas que serão redigidas num

documento essencialmente de estudo e aprendizagem que procura relaciona-las com a ciência dos

polímeros e materiais compósitos.

Para tal, inicia-se este projeto com uma breve história, não só do veículo como um todo,

mas também procurou-se dar algum ênfase a componentes cuja história evolutiva é indissociável

da bicicleta, como os pneus e as câmaras-de-ar.

Feita esta contextualização histórico-cultural da evolução deste veículo, iniciamos o estudo

apoiado na ciência dos polímeros e compósitos propriamente dita. Uma vez que a elaboração de

um trabalho que contemplasse todos os componentes fabricados em polímeros ou em compósitos

de matriz polimérica não seria exequível no tempo disponibilizado, os autores fizeram uma

primeira abordagem sobre os componentes que admitem ser fabricados em algum destes dois

tipos de materiais. Esta primeira análise teve como objetivo despertar os elementos do grupo para

a dimensão do campo de aplicações destes dois materiais.

De seguida, procedeu-se à seleção de um conjunto de componentes que pela sua

importância neste mecanismo de conversão de movimento, teria todo o interesse em serem alvo

de um estudo mais aprofundado. É pretendido, assim, esclarecer o leitor acerca da utilização de

elastómeros, termoplásticos, termoendurecíveis e compósitos de matriz polimérica nos veículos

em questão, através de uma investigação cuidada, sobre o tema, e confrontada com a capacidade

crítica que os próprios autores adquirem ao longo das aulas de Materiais Não Metálicos. Também

houve a preocupação nesta seleção de abordar precisamente todo o espetro dos materiais

compósitos e poliméricos.

Todo este trabalho culminará na efetiva análise e compreensão dos processos de fabrico

através dos quais se obtém os componentes em estudo.

De forma a respeitar a sequência cronológica e lógica da série de eventos que juntos

definem este trabalho, houve a necessidade de criar um capítulo intermédio de revisão

bibliográfica. Este capítulo permitiu à equipa de trabalho adquirir a bagagem necessária para

poder interpretar de forma crítica a informação referente ao capítulo final, bem como confere

bases para uma correta e sistemática compreensão por parte do leitor dos conceitos abordados.

Numa outra perspetiva, esta revisão bibliográfica vem de alguma forma reforçar a caraterística

deste documento de se afirmar como ferramenta de estudo e consulta.



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MNM 2015/2016

Abstract

People from nowadays have a particular way to see the bicycle as a given way of

transportation, a given sports tool or a given way to have fun. They take it as guaranteed. Actually,

most of people use it without even knowing the way it was created or who created it, not even

what it’s made of. In the present time, the bicycle is too important in the sustained mobility

planning. This means that the designers, manufacturers and investigators of this subject must

develop projects that provide efficient and appellative bicycles to satisfies the needs of a

constantly evolving society. (da Silveira 2010), (Mota 2003)

Within the Non Metallic Materials discipline, most specifically, the Polymeric Materials

subject, the authors intend to give the answers to these questions, showing, as much as possible,

the relation of this type of vehicle with the polymeric materials.

To do so, this paper begins with the bicycle, and some of its components (like tires and air

chambers) story.

Concluded the historical and social context, it will proceed with a study about the polymers

science and composites. Of course it would be impossible to make a complete study about all the

polymers and composites in time to deliver the paper, so the authors made an approach of this

matter related with the bicycle. That, obviously, woke up the group’s minds for the gigantic this

world is.

Then, the authors selected some of the most important components of this vehicle, which

they thought would be the more interesting to spell out. This way, they try to clarify the reader

about elastomers, thermoplastics and polymer matrix composites. This involved a careful research

and critical skills acquired through the Non Metallic Materials lessons. This work will have its

highlights in the manufacturing processes analyses and understanding.

To make sure the chronological and logical sequence would be maintained, the authors

recognized the need of a literature review chapter, which aloud them to acquire the

indispensable knowledge and, specially, the critical skills they needed to understand the

research for the last chapter and also to make sure the reader himself would understand the

whole paper. From another point of view, this literature review reinforced the goal to make this

paper in a solid tool to study and consultation.



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MNM 2015/2016

Índice de Figuras

Figura 1: Primeiro esboço do mecanismo a que hoje designa-se por Bicicleta, cuja autoria é

atribuída, por alguns historiadores, a Gian Caprotti (Herlihy 2004) ........................................... 11

Figura 2: Réplica do que se pensa que seria um celerífero da época (Wikipedia 2015) ............. 12

Figura 3:Velocipede produzido na fábrica familiar de Michaux (Wikipedia 2015) ................... 12

Figura 4: Penny Farthing, desenvolvida e fabricada por Eugene Meyer (Wikipedia 2015) ....... 13

Figura 5: Safety Bike, desenvolvida por John Kemp Starley (Wikipedia 2015) ........................ 14

Figura 6 – Adaptação do pneu ao triciclo por John Boyd Dunlop (Wikipedia 2015) ................. 15

Figura 7 – Criação reveladora do sucesso da patente dos irmãos Michelin (Geocities 2015) .... 16

Figura 8 - Enchimento da parte inferior do molde com poliuretano (How It's Made 2014) ....... 18

Figura 9 – Prensagem da lâmina sobre as tiras de material da cobertura (How It's Made 2014) 18

Figura 10 – Desenrolamento da fita adesiva e sua aplicação sobre as peças da cobertura (How

It's Made 2014) ............................................................................................................................ 19

Figura 11 – Estrutura do selim (How It's Made 2014) ................................................................ 19

Figura 12 – Selim final (How It's Made 2014) ............................................................................ 19

Figura 13 - Espigão em compósito de fibra de carbono (imagem cedida pela Felt®) ................ 20

Figura 14 - Correia dentada montada numa bicicleta single speed (Budnitz 2014) .................... 21

Figura 15 – Introdução do refletor no pedal (Royalciclo 2008) .................................................. 22

Figura 16 – Fixação do pedal ao seu eixo (Royalciclo 2008) ..................................................... 22

Figura 17 – Linha de verificação (Royalciclo 2008) ................................................................... 23

Figura 18 – Manípulo d e travagem em PVC e alumínio (imagem cedida pela Shimano®) ...... 24

Figura 19 - Grips fabricados por injeção de um elastómero termoplástico (imagem cedida pela

Lizard Skins®) ............................................................................................................................ 25

Figura 20 - Estrutura química do poliisopreno ............................................................................ 29

Figura 21 - Estrutura química possível para uma borracha de estireno butadieno ...................... 30

Figura 22 - Estrutura química do isobuteno-isopreno ................................................................. 31

Figura 23: Comparação entre a diferença de comportamento mecânico (Dureza e Rigidez) nos

Termoplásticos e Termoendurecíveis. (Design 2015) ................................................................. 32

Figura 24: Comparação da Temperatura de transição Vítrea (Tg – Glassing temperature) entre

os Termoplásticos Amorfos e os Semicristalinos. (Design 2015) ............................................... 33

Figura 25: À esquerda temos a representação simbólica do monómero de estireno onde o radical

R está representado no sistema de notação IUPAC, e à direita a representação completa do Anel

de Benzeno. Imagens construidas pelos autores, baseadas em (António, Lucas et al. 2013) ..... 35

Figura 26: Esquema ilustrativo da estrutura de uma macromolécula genérica do copolímero de

HIPS. Imagem construida pelos autores, baseada em (Cheremisinoff 1989) ............................. 36



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MNM 2015/2016

Figura 27: Registo fotográfico da etapa de pré-expansão. Cortesia da Futureng® ..................... 38

Figura 28: Registo fotográfico da evolução temporal da etapa de moldação final das células de

EPS já estabilizadas, e do fenómeno de “soldadura” com obtenção de uma espuma rígida de

material polimérico. Cortesia da Futureng® ............................................................................... 38

Figura 29: Ilustração do Monómero de Policarbonato. Os anéis de Benzeno são representados

no sistema de notação IUPAC. Imagem construída pelos autores, baseada em (Antunes 2007) 40

Figura 30: Relação entre as várias famílias de polímeros. Esquema construido pelos autores,

baseado em (Goodman 1999) e (Kricheldorf, Nuyken et al. 2004) ............................................ 42

Figura 31: Gráfico genérico do método de obtenção de forma aproximada do tempo de cura de

uma resina. (Goodman 1999) ...................................................................................................... 44

Figura 32: Representação esquemática do grupo epoxídico oxirano. Imagem da construida pelos

autores, baseado em (Morgan 2005) ........................................................................................... 46

Figura 33: Representação da estrutura atómica do grupo epoxídico glicidil, também muito

frequente em resinas epoxídicas. (Morgan 2005) ....................................................................... 46

Figura 34: ilustração da reação química simplificada do epicloridrina com o bisfenol A (ordem

representada). O produto final consiste numa família de epoxidos com n a variar entre 0 a 12.

Imagem construida pelos autores, baseado em (Morgan 2005). Ambas as representações

simplificadas dos anéis são possíveis. ......................................................................................... 46

Figura 35: Exemplos ilustrativos de possíveis aplicações construtivas das resinas epoxídicas.

Em que da esquerda para a direita temos: Raquete da Avant® em compósito laminado de fibra

de carbono de matriz em resina epoxídica, e forqueta rígida de bicicleta de estrada da Essor®

em matriz epoxídica reforçada com fibra de carbono. ................................................................ 49

Figura 36: Robo industrial a aplicar resina epoxídica desenvolvida pela Dow Automotive

Corporation®. A adesão será feita entre a porta e o próprio chassi do carro. Dow Automotive

Corporation® .............................................................................................................................. 50

Figura 37: Revestimento protetor de convergente de águas sanitárias. Cortesia da George

Green® ........................................................................................................................................ 50

Figura 38: Aplicação de um coat intermédio a um navio mercante. Estas resinas também podem

ser usadas como primários. Cortesia da Hempel® ...................................................................... 50

Figura 39: Piso industrial em resina epoxídica da Weg®. Por vezes este tipo de aplicação das

resinas epoxídicas são consideradas como casos de coating ou revestimento. ........................... 51

Figura 40: Reparação da quilha de uma embarcação de vela ligeira em madeira. WEG System®

..................................................................................................................................................... 51

Figura 41: Reparação de utilitários, no caso uma cadeira de interior, usando um kit de resina

amador da WEG System® .......................................................................................................... 51



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MNM 2015/2016

Figura 42: Sequência ilustrativa da técnica de injeção de resina para reparação de fendas em

betão. Imagens cedidas pela WEG System® .............................................................................. 51

Figura 43: Exemplo de ligação de omponentes de natureza distinta, neste caso temos um

componente eletrético essencialmente metálico a ser ligado por uma resina epoxídica a um

componente polimérico. MsterBond® ........................................................................................ 52

Figura 44: Exemplo e esquema representativo de um isolamento elétrico realizado com recurso

a uma resina epoxídica. MasterBond® ....................................................................................... 52

Figura 45: Organograma de um sistema de mistura epoxídico genérico. Esquema construido

pelos autores, baseado em (Goodman 1999) ............................................................................... 52

Figura 46: Esquema ilustrativo da classificação do tipo de compósitos baseado na natureza dos

reforços. Material construído pelos autores baseado em (Cha 2013), (António, Lucas et al.

2013). .......................................................................................................................................... 55

Figura 47:Ferramentas de corte de compósito do tipo Cermet. Com matriz metálica de Níquel

(Ni) reforçado com partículas de Carboneto de Titânio (TiC). Ferramentas com revestimento (a

dourado) e sem revestimento (a cinzento) da Tungaloy Corporation®. ..................................... 56

Figura 48: Esquema representativo de um compósito de cermet cedido pela SANDVIK® ....... 56

Figura 49: Perfil das tensões de corte, devido ao esforço transverso, num perfil em I. (Gomes

2004) ........................................................................................................................................... 58

Figura 50: Representação simbólica de uma secção reta de uma viga retangular em estrutura

sandwich. Imagem construída pelos autores,, baseada em (Gagliardo and Mascia 2010). ......... 58

Figura 51: Pie chart que representa o volume de negócios relativo de compósitos reforçados

com fibra de carbono produzidos em função da matriz usada (estimativa global). Adaptado de

(Witten, Kraus et al. 2014) .......................................................................................................... 59

Figura 52: Esquema representativo de um processo de Deposição química por fase de Vapor

(CVD) em condições de isothermal Gradient. (Buckley and Edie 1993) ................................... 61

Figura 53: Ampliação sob a forma de esquema de uma garganta do sistema de escape de uma

nave aeroespacial produzida pela CTA. Evidenciando-se o uso de compósitos carbono-carbono

e de matriz polimérica reforçada com Fibra de carbono. (Rezende and Botelho 2000) ............ 61

Figura 54: Estimativa do consumo anual global de CRP em milhares de toneladas por ano.


Figura 55: Estimativa do Volume de Negócios global, gerado pelos CRP, para o ano de 2014.


Figura 56: Estimativa das receitas a nível global geradas pela Indústria do Desporto por setor

devido aos CRP. (Witten, Kraus et al. 2014) .............................................................................. 65

Figura 57: Estimativa do consumo de fibras de carbono mundial (em milhares de toneladas) por

ano. (Witten, Kraus et al. 2014) .................................................................................................. 68



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MNM 2015/2016

Figura 58: Esquema cronológico da relação entre as várias fases de evolutivas da resina e o seu

tempo médio de vida útil pré-cura. (FAA 2012) ......................................................................... 71

Figura 59: Esquema ilustrativo do modo de obtenção de propriedades isotrópicas recorrendo a

um unidireccional tape prepreg. (FAA 2012) ............................................................................. 71

Figura 60: Exemplo ilustrativo dos principais pradrões de woven fabrics. (FAA 2012) ............ 73

Figura 61: Esquema que pretende ilustrar as combinações mais frequentes, de tecidos obtidos

por técnicas têxtil de knitting. (FAA 2012) ................................................................................. 73

Figura 62: Carbon Sleeve, obtida por técnica de braiding de fibra de carbono 3k.

EasyComposites® ....................................................................................................................... 74

Figura 63: Esquema ilustrativo da técnica de braiding. (Composi 1994) ................................... 74

Figura 64: Esquema ilustrativo de uma linha de deposição eletrostática. Imagem trabalhada

pelos autores, baseada em (Wang, Zheng et al. 2011) ................................................................ 75

Figura 65: Maquina que engloba de forma continua a produção de pré-impregnados por hot

melting. LitzLer® ........................................................................................................................ 77

Figura 66: Esquema ilustrativo do processo de obtenção de pré-impregnados por técnicas de hot

melting. (Wang, Zheng et al. 2011) ............................................................................................ 77

Figura 67: Esquema ilustrativo da linha de impregnação por solução do polímero. (Campbell

2010) ........................................................................................................................................... 78

Figura 68: Ilustração do processo de Resin Transfer Molding. (Potter 2012) ............................ 81

Figura 69 - Elementos constituintes de um pneu de bicicleta (imagem cedida pela Schwalbe) . 83

Figura 70 - Processo de fabrico do semi-produto anterior à vulcanização (imagem cedida pela

Schwalbe) .................................................................................................................................... 84

Figura 71 - Conformação e vulcanização num molde metálico .................................................. 85

Figura 72 - Extrusão de um tubo de butil (How It's Made 2014) ................................................ 86

Figura 73 - Válvula incompleta introduzida na câmara-de-ar antes da vulcanização (How It's

Made 2014) ................................................................................................................................. 86

Figura 74 - Ilustração de uma câmara de ar obtida pelo processo alternativo explicado acima

(Eric Holroyd 1976) .................................................................................................................... 87

Figura 75: Mulheres defendendo o direito ao voto, cidade de Londres. (Zheutlin and

Londonderry 2006) ...................................................................................................................... 88

Figura 76:Quadro de competição de estrada, em material compósito de matriz epoxídica

reforçada com fibra de carbono, produzido por Play Cutting and Stacking Prepregs. Imagem

cedida pela Scoot® ...................................................................................................................... 89

Figura 77: Quadro da ICAN em material compósito de matriz polimérica reforçado com fibra de

carbono. ....................................................................................................................................... 89

Figura 78: Bicicleta de cidade com quadro em aço chromoly® anodizado da YMPEK®. ........ 89



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MNM 2015/2016

Figura 79:Bicicleta dobrável com quadro em aço da durban®. .................................................. 89

Figura 80: Esquema ilustrativo do conceito de Butting aplicado a um tubo oco. (Ribeiro 2013)

..................................................................................................................................................... 90

Figura 81: À esquerda temos um quadro em aço chromoly, cedido pela Colombus®, e à direita

um quadro em alumínio 6061 da Venzo®. ................................................................................. 92

Figura 82: Pormenor da consola e máquina de corte das folhas ou Layers de pré-impregnado.

Scott® ......................................................................................................................................... 95

Figura 83: Pormenor do display de visualização da consola do aspeto final do produto após

concluídas as operações de corte. Cortesia da Scott® ................................................................ 95

Figura 84: Aspeto final do conjunto de telas de pré-impregnados após corte mecânico por

máquina ferramenta programável. Scott® .................................................................................. 96

Figura 85: Aspeto de uma bladder flexível convencional utilizada na produção de quadros pela

Felt Bicycles® ............................................................................................................................. 96

Figura 86: Conjunto de moldes internos de EPS revestido com uma camada de Latex®, usados

para a pré-moldação das várias folhas de pré-impregnado. Scott® ............................................ 96

Figura 87: Discriminação das sequências da etápa de pré-moldação. Scott® ............................ 97

Figura 88: À esquerda temos em corte a interseção superior da coluna de direção de um quadro

em construção tubular, de um modelo descontinuado. À direita, novamente em corte, a mesma

seção mas de um quadro em construção monocoque. Ambos oos quadros fabricos em material

compósito de matriz polimérica reforçada com fibra de carbono. Scott® .................................. 98

Figura 89: Registo do aspeto prévio à cura da célula dianteira do quadro. Scott® ..................... 98

Figura 90: Na figura da esquerda temos a entrada do molde nos fornos dispostos em cascata de

maneira a otimizar o processo de cura. À direita temos em pormenor a alimentação pneumática

da internal bladder. (Imagens cedidas pela Scott®) .................................................................... 98

Figura 91: Aspeto do triângulo posterior após cura. Notar o acabamento superficial conseguido

com a aplicação da técnica de bladder molding. Scott® ............................................................. 99

Figura 92: Esquema que discrimina as várias etapas, a executar manualmente por parte do

operador, na aplicação do adesivo estrutural que irá garantir a correta e segura união das duas

células do quadro no bottom crank. Scott® ................................................................................ 99

Figura 93: Processo de ligação das duas células que formam o quadro. A verde realça-se as

zonas de ligação que serão posteriormente curadas. Scott® ..................................................... 100

Figura 94: À esquerda temos o aspeto interior da sala limpa de pintura de pintura. Na figura da

direita observamos em pormenor o processo de pintura por pistola pneumática, bem como o

equipamento necessário para a realização desta tarefa com segurança. Scott®....................... 100

Figura 95: Pormenor da aplicação manual dos decalques da marca. Cortesia da Scott® ......... 101



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MNM 2015/2016

Figura 96: Na imagem superior, está representada uma máquina de enrolamento de filamentos

de carbono para a produção dos fios híbridos de fibra de reforço (yarns). Na imagem inferior

observa-se em pormenor o entrançar dos fios de modo a obter um tecido tubular de CF (Carbon

Socks) ........................................................................................................................................ 102

Figura 97: Processo de moldação manual dos tecidos tubulares de material híbrido com

destaque para a construção por etapas do molde em cera nas figuras superiores. Time® ........ 103

Figura 98: Aplicação final de um granulado de material polimérico sobre as carbon socks para

obter uma superfície esteticamente mais elegante por orientação de padrões. TIME® ............ 103

Figura 99: Pormenor da pistola de ar quente utilizada para a pré-cura do binder de fixação. Para

esta operação é necessário a utilização de luvas de material refratário. TIME® ...................... 104

Figura 100: Imagem representativa do processo de selagem do molde metálico externo.

Destaque para o pormenor de injeção de material polimérico com função de vedação (silicone).

TIME® ...................................................................................................................................... 104

Figura 101: Pormenor da mistura de reagentes com a resina epoxídica pré-injeção. (TIME®) 105

Figura 102: Pormenor da máquina de injeção de resina e aquecimento do molde metálico para

cura da resina. TIME® .............................................................................................................. 105

Figura 103: Sequência de desmoldação do molde. Desde o seu transporte e abertura

automatizada, até à remoção efetiva do quadro do molda, esta etapa já realizada manualmente.

TIME® ...................................................................................................................................... 106

Figura 104: Pormenor dos jitos de alimentação, bem como do aspeto exterior do quadro. Este

apenas é conseguido devido à utilização de um binder que assegura a fixação inter-camadas..

ITME® ...................................................................................................................................... 106

Figura 105: Pormenor da técnica de sanding para preparação da superfície do quadro. TIME®

................................................................................................................................................... 106

Figura 106: Aspeto do adesivo estrutural, que consiste numa mistura não discriminada,

contendo uma resina epoxídica. TIME® .................................................................................. 107

Figura 107 - Identificação das partes de um capacete (imagem cedida pela Bell®) ................. 108

Figura 108 - Reforços na camada EPS (imagem cedida pela Specialized®) ............................ 108

Figura 109 - Granulado de poliestireno antes da expansão (How It's Made 2014) ................... 109

Figura 110 - PET moldado sobre o molde (How It's Made 2014) ............................................ 109

Figura 111 - Folha de PET pintada antes da conformação e molde metálico (How It's Made

2014) ......................................................................................................................................... 109



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MNM 2015/2016

Índice de Tabelas

Tabela 1: Principais propriedades mecânicas da Borracha Natural. (Design 2015) ................... 29

Tabela 2: Tabela comparativa entre as principais propriedades de utilização da Borracha Natural

e do Estireno Butadieno. (Design 2015) ..................................................................................... 30

Tabela 3: Tabela que reúne as principais propriedades mecânicas do PS. (Design 2015) .......... 35

Tabela 4: Tabela com as principais propriedades de resistência ao impacto do PS de uso

comum. (Design 2015) ................................................................................................................ 36

Tabela 5: Principais propriedades mecânicas do HIPS. (Design 2015) ...................................... 36

Tabela 6: Principais propriedades de resistência ao impacto do HIPS. (Design 2015) ............... 37

Tabela 7: Tabela comparativa das propriedades genéricas de densidade e preço por Kg destes

três tipos de PS. (Design 2015) ................................................................................................... 39

Tabela 8: Principais propriedades mecânicas do PC. (Design 2015) .......................................... 40

Tabela 9: Principais propriedades de resistência ao impacto do Policarbonato. (Design 2015) . 41

Tabela 10: Quadro resumo das principais vantagens e desvantagens das unidireccional tapes.

(Peters 2013) ............................................................................................................................... 72

Tabela 11: Quadro resumo das principais vantagens e desvantagens dos tecidos de reforço.

(Peters 2013) ............................................................................................................................... 72

Tabela 12: Tabela com os valores das principais propriedades mecânicas da liga de alumínio da

série 6061 sujeita a tratamento térmico T6. (Design 2015)......................................................... 91

Tabela 13: Principais propriedades mecânicas e densidade da liga de titânio Ti-3Al/2.5V.

(Design 2015) .............................................................................................................................. 93

Tabela 14: Principais propriedades de mecânicas e densidade do prepreg HMX®, usado pela

Scott® ......................................................................................................................................... 94



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Notas Históricas

História da Bicicleta

A bicicleta dos dias de hoje é, como a maioria das invenções, o resultado acumulado de

uma série de projetos e experiências que vão sendo feitas ao longo do tempo em função das

necessidades individuais ou de uma sociedade em geral, ou não raramente fruto de fortúnios

puramente aleatórios. Assim sendo, podemos afirmar que a invenção da bicicleta, em si, não pode

ser atribuída a um só nome, embora possa ser esboçada uma cronologia na qual se identifiquem

vários dos nomes que contribuíram para que hoje se apresente a bicicleta como nos é familiar.

O primeiro esboço para este objeto foi reconhecido em 1493 e, inicialmente, atribuído a

Gian Giacomo Caprotti, discípulo de Leonardo Da Vinci. No entanto, em 1998, este esboço foi

declarado uma fraude, embora o Professor Augusto Marinoni, lexicólogo e filólogo responsável

pela transcrição do Codex Atlanticus, tenha defendido a autenticidade daquele até ao fim dos seus

dias.

Assim, a conceção do primeiro dispositivo percursor do velocípede atual é geralmente

atribuída ao Conde Sivrac e ficou denominado como celerífero. Esta criação, de 1780, era toda

feita em madeira e baseava-se na união de duas rodas através de uma viga e num apoio para mãos.

O movimento era gerado pelo condutor que, alternando os pés no chão, impulsionava-o. Saliente-

se que, o celerífero não tinha um movimento muito fluído e a sua criação foi unicamente para

efeitos de tração. Na figura seguinte é possível observar um registo fotográfico deste mecanismo

rudimentar.

Figura 1: Primeiro esboço do

mecanismo a que hoje designa-

se por Bicicleta, cuja autoria é

atribuída, por alguns

historiadores, a Gian Caprotti

(Herlihy 2004)



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Figura 2: Réplica do que se pensa que seria um celerífero da época (Wikipedia 2015)

Em 1817, o alemão Karl Von Drais pegou no celerífero e acrescentou-lhe um guiador e

uma coluna de direção (tal como o próprio nome indica consiste num veio de seção reta

geralmente circular que orienta a roda da frente) e um elementar sistema de travagem. As

evoluções fomentaram maior equilíbrio em condução, curvar e travar. Com o êxito do projeto, o

Barão foi premiado com um Großherzogliches Privileg (semelhante à patente) a 12 de Janeiro de

1818 e em Abril, do mesmo ano, apresentou o seu produto, a draisiana, ao público, começando

no parque de Luxemburgo, em Paris. Com estes feitos, Karl Von Drais tornou-se o nome que,

ainda hoje, é mais ligado à origem da bicicleta.

No ano de 1839, o ferreiro escocês Kirkpatrick Macmillan procedeu à substituição da

madeira pelo aço, para além do que adaptou ao eixo traseiro, da draisiana, duas bielas ligadas por

uma barra daquele material. Este novo mecanismo de conversão do movimento gerado pelo

Homem em movimento do velocípede de forma mais eficiente constituiu um dos maiores saltos

na evolução deste veículo. Assim, considera-se que tenha criado o seu próprio veículo, com maior

estabilidade em condução e segurança exercidas pela roda traseira e, ainda, já movido a pedais, e

que ficou conhecido como dandy horse. Apesar da grande evolução no veículo, Macmillan nunca

patenteou o produto e este acabou a ser copiado e melhorado por outros.

Assim, em 1855, Ernest Michaux criou o triciclo, adaptando, ao dandy horse, mais uma

roda traseira, manivelas e pedais. Foi o seu pai, Pierre Michaux quem mais valorizou a ideia do

filho, procedendo à adaptação dos pedais fixos na roda dianteira de um veículo de duas rodas em

ferro. Este veículo ficou já conhecido como velocípede e tornou-se na primeira bicicleta a ser

construída. Apreciando o êxito em crescendo, Pierre Michaux montou a primeira fábrica de

bicicletas em série: Companhia Michaux.

Figura 3:Velocipede produzido na

fábrica familiar de Michaux

(Wikipedia 2015)



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Em 1862, em Paris, surgiu a preocupação de criar as primeiras ciclovias , no intuito de

diminuir o número de acidentes provocados pelo comportamento imprevisível dos animais de

tração das charretes e carroças perante os velocípedes. Nesse ano, Pierre Lallement partiu do

modelo da draisiana para a criação da primeira bicicleta, como a conhecemos hoje. Neste sentido,

procedeu à adaptação de uma pedivela (peça que liga o pedal à roda de transmissão).

Sete anos mais tarde, realizaram-se em França as primeiras corridas de velocípedes. O

vencedor foi Letourd que totalizou 34 Km entre Toulon-Caraman-Toulon em três horas e nove

minutos. Ficou dado o impulso para o ciclismo desportivo.

Em 1874, a bicicleta tornou-se um veículo com rodas de diâmetros diferentes, sendo que a

roda traseira teria o diâmetro mínimo possível, apenas para estabelecer equilíbrio, e a dianteira

teria aproximadamente a altura da perna interior do condutor. Esta foi uma tentativa de obtenção

de maior rendimento. Aqui salienta-se o nome do francês Eugene Meyer que ficou conhecido

como o pai das penny farthing (ou bicicletas altas, como também ficaram conhecidas).

Três anos mais tarde, foi desenvolvido o quadro, constituído por duas engrenagens dentadas

ligadas por uma corrente à roda traseira. Nesta altura, os pedais foram deslocados para a base do

quadro e presos à primeira engrenagem. Logo após a criação do quadro triangular por Humbert,

em 1884, que permitiu percorrer 100 km em cerca de quatro horas e meia, foi dada a contribuição

de John Kemp Starley, em 1885, que recuperou as rodas de igual diâmetro, sendo a traseira a

motora e montando uma transmissão por corrente horizontal. Para além destas melhorias, Starley

foi também o responsável pela introdução de pneus de borracha. A sua bicicleta ficou conhecida

como safety bike – em português: bicicleta de segurança – já que era mais segura e fácil de usar

do que as anteriores versões.

Figura 4: Penny Farthing,

desenvolvida e fabricada por

Eugene Meyer (Wikipedia

2015)



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A partir desta data, a bicicleta tinha já a imagem muito semelhante ao que é hoje e as

alterações têm sido graduais e acompanhando a evolução tecnológica. Nesta fase, vale a pena

salientar o pneu desmontável, da autoria dos irmãos Michelin, em 1891; a adaptação do sistema

de mudanças, em 1927, pelos irmãos Neddu através da sua empresa Vitória e, em 1990, a

suspensão hidráulica, integral ou parcial, bem como os travões de disco.

Atualmente tem-se assistido a uma diversificação das aplicações deste mecanismo. A

consequente adaptação deste conceito, trabalhado e aperfeiçoado ao longo de dezenas de anos

como se expos anteriormente, a estas diferentes exigências quer em termos de requisitos

mecânicas como aerodinâmicas ou de distribuição de massa é natural. De forma sintética é

possível dividir o tipo de bicicletas consoante a sua aplicação em:

Bicicletas de Corrida – Dentro destas teremos bicicletas de estrada de contra-relógio,

clássicas, de subida, etc.; bicicletas de desportos múltiplos como triatlo; bicicletas de pista

coberta; etc..

Bicicletas de Montanha – Consoante o grau de agressividade crescente podemos ter

bicicletas de XCM, XCO, downhill, freeride, dirtjump, etc...

Bicicletas de Lazer – Para além das bicicletas clássicas de cidade por todos conhecidas

temos bicicletas mais adaptadas ao quotidiano acelerado da sociedade do séc. XXI, como

bicicletas dobráveis, e ainda bicicletas de passeio como as muito em voga single-speed.

Bicicletas elétricas – Apesar de ainda em início de expansão já se encontra em grandes

superfícies bicicletas auxiliadas por motor elétrico a preços minimamente competitivos.

Figura 5: Safety Bike,

desenvolvida por John Kemp

Starley (Wikipedia 2015)



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História dos Pneus e Câmaras de Ar usadas nas Bicicletas

Conta a história que a invenção do pneu está intrinsecamente ligada a Charles Goodyear,

filho de um inventor, que, em 1839, descobriu como proceder à vulcanização. Em 1841, Charles

viria a registar a patente do processo. (Geocities 2015)

Estando a par deste processo, em 1888 John Boyd Dunlop arranjou uma forma para que os

seus filhos pudessem andar de triciclo evitando a trepidação e as quedas que as rodas de madeira,

ferro, materiais compostos ou borracha maciça originavam sobre o piso: colocou uma válvula

num tubo de borracha, encheu-o com ar, cobriu-o com lona e adaptou-o à bicicleta. (Wikipedia

2015) Apesar de este ser considerado o primeiro pneu da história, deve ser reforçado que o

incentivo terá sido dado por Robert William Thomson que, em 1846, já teria criado a câmara-de-

ar, embora tenha desistido da ideia dada a escassez de matéria-prima e qualidade do projecto.

Figura 6 – Adaptação do pneu ao triciclo por John Boyd Dunlop (Wikipedia 2015)

Após registarem a patente do pneu para automóveis em 1891, Édouard e André Michelin

conseguiram negociar o pneu com a fábrica da Ford, que acabava de ser instalada em Detroit,

USA. A partir deste momento, o produto tinha sido dado a conhecer ao mundo e tantas outras

marcas começaram a procura pelo pneu. (Geocities 2015)



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Figura 7 – Criação reveladora do sucesso da patente dos irmãos Michelin (Geocities 2015)

De salientar que, os primeiros pneus foram os pneus rígidos fabricados à base de

poliuterano e eram colados nas rodas. Com o aparecimento das câmaras-de-ar fabricadas em

borracha sintética à base de estireno butadieno, o pneu começou a ser produzido em borracha

natural ou sintética. Desde meados do século XX, a evolução dos pneus centra-se em diminuir o

seu peso, não comprometendo a tracção, resistência ao desgaste e resistência mecânica.



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Identificação e estudo de componentes atualmente fabricados

nestes dois tipos de Materiais

Introdução ao capítulo

Este capítulo consiste num compêndio de microestudos de componentes de bicicletas que

apresentem como solução construtiva, única ou não, materiais poliméricos e/ou compósitos de

matriz polimérica.

O objetivo principal dessa tarefa é criar uma nova perspetiva nos elementos do grupo de

trabalho e no leitor, sobre o campo de aplicações destes dois tipos de materiais em study cases

reais e familiares ao dia-a-dia de um engenheiro mecânico. O fato de tratar-se de um caso de

estudo tão familiar e palpável, um veículo que a maioria dos estudantes contacta diariamente,

possibilita a assimilação ainda mais rápida desta realidade.

Adotando uma abordagem de análise menos aprofundada, mas que efetivamente reflita esta

possibilidade quase inesgotável de conceber uma bicicleta praticamente apenas recorrendo a estes

dois tipos de materiais, o grupo de trabalho inicia agora essa tarefa. Naturalmente que o que aqui

procurou-se realizar foi uma espécie de exercício puramente teórico de viabilizar a produção de

um velocípede inteiramente em material polimérico e/ou compósito. Obviamente que esta

construção apresenta-se como meramente hipotética, já que muitos destes materiais são aplicados

em contextos completamente antagónicos. Por exemplo, seria do ponto de vista prático

impensável a coexistência, num mesmo mecanismo, de um quadro produzido em CRP (Carbon

Fiber Reinforced Plastics) para alta competição e de pedais em material polimérico com baixas

propriedades mecânicas usados para redução de custos.

É então nesta perspetiva que se dá então início a este capítulo, procurando-se realizar em

primeiro lugar uma breve exposição e explicação funcional do componente. De seguida

lançaremos exemplos de soluções construtivas destes componentes nestes dois materiais, suas

limitações, objetivos e público-alvo. Por fim serão referidos os principais processos de fabrico

que permitem a sua obtenção.



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Selim

O selim é o assento da bicicleta e constitui um dos três principais pontos de apoio do

ciclista, sendo os outros dois o guiador e os pedais. Cabe ao selim suportar o peso da parte superior

do corpo do ciclista, pelo que além do conforto que deve proporcionar, o selim deve também ser

algo flexível e rígido. (MadeHow 2015, Wikipedia 2015)

O primeiro passo para a produção de um selim está à responsabilidade do designer, que

tratará de projectar o modelo em papel e, posteriormente, em computador. De seguida, é feito um

protótipo para proceder a alguns testes. Após aprovação deste protótipo, passa-se então à

produção do selim propriamente dito.

Um operário coloca uma base, feita à

base de fibras de carbono, na parte de cima de

um molde, enchendo a parte de baixo do

mesmo, aquela que dará forma ao selim, com

poliuretano.

O molde é fechado e mantido a uma

temperatura de cerca de 60º C. Nestas

condições, é activada uma reacção química que

fará com que o poliuretano expanda. Passados

cinco minutos, um operário retira o selim do

molde e remove os excessos de poliuretano das

bordas com o auxílio de uma faca. Enquanto o

poliuretano cura, é executada a cobertura do selim. Para esta fase é necessário que o operário corte

o material a utilizar em tiras. De salientar que este material é feito à base de microfibras que

garantem a flexibilidade e durabilidade da cobertura. O trabalhador coloca umas lâminas com três

formas diferentes sobre as tiras e uma prensa estampa-a, obtendo assim três peças que, juntas,

originarão uma cobertura com a forma desejada.

Figura 9 – Prensagem da lâmina sobre as tiras de material da cobertura (How It's Made 2014)

A etapa seguinte pode ser feita de duas formas diferentes. Na primeira, um operário coze

as diferentes partes da cobertura do selim para obter a forma final.

Figura 8 - Enchimento da parte inferior do molde com

poliuretano (How It's Made 2014)



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A segunda é chamada de

soldagem de forma e implica que um

operário raspe as bordas das peças e

uma máquina desenrola uma fita

adesiva, aplicando-a sobre essas

bordas. O operário terá, então, de as

sobrepor, numa prensa, com exactidão

para que um sistema de vácuo remova

o ar garantindo a posição exacta das

formas a não formação bolhas na

cobertura, durante o processo. A prensa

mantém a cobertura a cerca de 93º C até

que as peças fiquem totalmente unidas.

O próximo passo é a criação de

elementos gráficos, obtidos por um

laser que rasga umas tiras na cobertura. Por fim, um trabalhador pincela cola na parte de baixo da

mesma, enquanto outro posiciona o selim para a união dos dois. A colagem obriga à perfeição

para que, também nesta fase, não se formem bolhas entre a cobertura e o selim. O excesso de

cobertura é, depois, removido com uma faca.

O toque final é a estrutura na qual assenta

o selim. A maioria das estruturas é feita em fibra

de carbono ou ligas metálicas e, quando

concluídas, são testadas num dinamómetro. A

aplicação da estrutura no selim é feita por

colagem e auxílio de uma máquina que dobra o

selim assegurando o encaixe perfeito deste na

estrutura. Por fim volta a dobrar o selim, para que

este recupere a forma original. (How It's Made

2014)

Figura 10 – Desenrolamento da fita adesiva e sua aplicação sobre

as peças da cobertura (How It's Made 2014)

Figura 11 – Estrutura do selim (How It's Made 2014)

Figura 12 – Selim final (How It's Made 2014)



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Espigão

O espigão é o componente responsável por efetuar a ligação entre o selim e o quadro, visto

que se o selim estivesse ligado diretamente ao quadro não haveria maneira de ajustar a sua altura.

A possibilidade de ajuste da altura do selim é necessária, e o ajuste é realizado através da alteração

da posição do espigão.

Figura 13 - Espigão em compósito de fibra de carbono (imagem cedida pela Felt®)

Este componente é normalmente fabricado em aço ou alumínio, mas também podem ser

utilizados outros materiais como titânio ou em compósito de fibra de carbono. O espigão tem de

suportar principalmente esforços de compressão, de maneira a que o seu dimensionamento em

compósito de fibra de carbono tem de ser cuidadoso visto que este material oferece

consideravelmente menos resistência à compressão do que à tração. Os esforços à flexão, embora

menores, terão também de ser tidos em conta, e a prova disso é que os espigões têm sempre uma

indicação da altura máxima a que devem estar posicionados.



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Correias

A necessidade de transmissão de movimento dos pedais para a roda traseira é normalmente

suprida através da utilização de uma corrente metálica, solução que se revela extremamente

funcional e fiável. No entanto, numa tentativa de eliminar a necessidade de lubrificação, surgem

como alternativa às correntes as correias dentadas.

Figura 14 - Correia dentada montada numa bicicleta single speed (Budnitz 2014)

O facto de as correias não oxidarem nem precisarem de lubrificação contribui para uma

bicicleta mais limpa, ótima para uso diário. Esta solução é também mais silenciosa e por vezes

mais leve. No entanto tem algumas limitações e resulta em alguns problemas em determinadas

situações. Talvez a mais importante limitação seja a impossibilidade da utilização de várias rodas

dentadas, tanto na roda de atrás como nos pedais, para obtenção de diferentes relações de

transmissão. Contudo isto pode ser ultrapassado através do uso de uma pequena caixa de

velocidades que se encaixa na roda traseira. Outras limitações estão relacionadas com a

dificuldade no manuseamento da correia (que é instalada sempre com grande tensão) e no escasso

número de oficinas que estão familiarizadas com o sistema. Em determinadas situações podem

acomodar-se impurezas entre a roda dentada e a correia como, por exemplo, neve ou pedras.

(Wikipedia 2015)

Este componente é constituído por um elastómero em conjunto com um tecido de reforço.

Originalmente o tecido de reforço utilizado era um têxtil em fibras naturais. No entanto, com o

desenvolvimento dos processos de produção de polímeros, estes reforços são agora constituídos

por vários materiais poliméricos. É comum a utilização de fibras de poliamida, de aramida, de

vidro e ainda de carbono no reforço. Quanto à evolução da utilização de elastómeros nestes

componentes pode-se dizer que se passou da utilização de uma simples borracha (fosse ela natural

ou sintética) para a utilização de elastómeros específicos em diferentes partes do componente de

modo a controlar as propriedades mecânicas e químicas. Atualmente são utilizadas borracha

natural e SBR, assim como borracha de poliuretano para melhoramento de propriedades

mecânicas e policloropreno para melhoramento da resistência química. (Gates 2015)



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Pedais

O pedal é a peça da bicicleta, ligada à manivela, na qual o ciclista assenta o pé e,

empurrando-a, propulsiona a bicicleta. Esta peça é a forma de comunicação evidente que o ciclista

tem com a bicicleta, uma vez que está ligado directamente à manivela. (Speedplay 2015) Os

materiais mais utilizados para o fabrico do pedal da bicicleta são o alumínio, o polipropileno e o

policarbonato. (Wikipedia 2015)

O processo de produção consiste na moldação por injecção do polímero. Neste processo, o

polímero escolhido passa pelo enchimento (fase de injecção), pela compactação, arrefecimento,

e então o molde é aberto e retirado o pedal com a forma desejada.

Um operário coloca um reflector, quando aplicado, em cada lado do pedal, enquanto são

produzidos os eixos do mesmo (normalmente em alumínio ou aço) numa outra máquina.

Figura 15 – Introdução do refletor no pedal (Royalciclo 2008)

Após este procedimento, um operário coloca os eixos numa máquina giratória e encaixa-

lhes o pedal.

Figura 16 – Fixação do pedal ao seu eixo (Royalciclo 2008)

De seguida, este é encaminhado para uma prensa que assegura que o eixo fica posicionado

na posição correta, prendendo-o ao pedal.



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Figura 17 – Linha de verificação (Royalciclo 2008)

Uma verificação de qualidade visual é efetuada por um operário. Alguns pedais serão

eventualmente enviados para realização de determinados testes de controlo de produção, e após

aprovação o pedal segue para a embaladora ou é integrado numa bicicleta. (Royalciclo 2008)



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Manípulos de travagem/transmissão

Os manípulos são os componentes que se localizam, normalmente, nos extremos do guiador

e permitem ao ciclista o total controlo do seu movimento. Ou seja, o velocípede pode acionar uma

das mudanças disponíveis – tornando a bicicleta “mais leve” ou “mais pesada”, conforme o que

desejar – e travar o movimento. (Wikipedia 2015)

Um dos processos de produção assenta na moldação por injecção, na qual o polímero é

introduzido em bruto na máquina de injecção e, após ser submetido à alta temperatura que o

processo implica e arrefecido, sai já com a forma pretendida. (MadeHow 2015)

Outro método utilizado é a moldação, aplicado em especial quando o polímero a trabalhar

é a fibra de carbono. Este processo consiste na sobreposição das folhas de tecido dentro do molde

com a forma do produto, com o devido cuidado de alinhá-las de forma a na posição correcta para

optimizar as propriedades mecânicas do material. De seguida, enche-se o molde com resina epoxy

e, na etapa seguinte, pode ser aquecido ou curado ao ar. Um subcapítulo do processo de moldação

da fibra de carbono é a moldação por compressão, na qual o molde – por norma de alumínio ou

aço – é pressionado. Trata-se de um procedimento bastante mais rápido que o anterior. (Wikipedia

2015)

Saliente-se que, a grande maioria dos manípulos para bicicletas não são feitos

exclusivamente de materiais poliméricos, sendo que há uma preferência notável pela combinação

de parte do manípulo em alumínio e o restante em PVC. Outro material algo utilizado nesta peça

é a fibra de carbono. (Shimano 2015)

Figura 18 – Manípulo d e travagem em PVC e alumínio (imagem cedida

pela Shimano®)



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Grips

Os punhos, ou grips, são componentes colocados no guiador que proporcionam aderência

entre as mãos do ciclista e o guiador, atenuam a transferência de vibrações da bicicleta para o

ciclista e dão uma sensação de toque muito mais confortável do que o material do guiador (metal

ou compósito de fibra de carbono).

Figura 19 - Grips fabricados por injeção de um elastómero termoplástico (imagem cedida pela Lizard Skins®)

Os grips são fabricados tanto em elastómeros termoendurecíveis como em elastómeros

termoplásticos, embora os termoplásticos sejam mais comuns, como será explicado abaixo. Sendo

um componente que não requer elevadas propriedades mecânicas, é normalmente utilizada

borracha de estireno butadieno em detrimento da borracha natural quando se selecionam os

elastómeros termoendurecíveis como material a utilizar. Já nos casos em que se utilizam

elastómeros termoplásticos o material escolhido é um copolímero de estireno-butadieno-estireno

(SBS), também conhecido como borracha Kraton, visto que esta companhia foi pioneira no

desenvolvimento deste tipo de borracha. (Kraton 2015)

Quando se usam elastómeros termoendurecíveis é necessária uma conformação e

vulcanização, de modo a que a borracha é inserida num molde e aquecida por alguns minutos até

se conformar e vulcanizar. Já nos elastómeros termoplásticos há a vantagem de poder conformá-

los facilmente após aquecimento, daí que o processo de fabrico utilizado é a moldação por injeção.

Isto explica o facto de os elastómeros termoplásticos serem mais comuns no fabrico deste

componente, já que utilizando moldação por injeção é possível obter maiores cadências de

produção por um custo menor. Tomando como exemplo a imagem acima, pode-se observar o

padrão de relevo complexo da borracha no punho que é facilmente obtido por injeção de um

elastómero termoplástico.



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MNM 2015/2016

Revisão Bibliográfica dos materiais usados para a produção

dos Componentes Selecionados


No subcapítulo anterior procedeu-se ao estudo prévio de identificação de componentes

presentes nas bicicletas que podem ser produzidos quer em materiais poliméricos, quer em

materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra de carbono com o objetivo já

várias vezes referido.

Contudo, de modo a desenvolver e aprofundar os conhecimentos lecionados ao longo desta

segunda parte da cadeira de Materiais Não Metálicos (Materiais Poliméricos+Compósitos) é

necessário reduzir um pouco mais o espectro de análise. Selecionando-se assim um conjunto de

componentes para a sua análise com maior pormenor.

O suporte teórico que permitiu-nos esta análise mais elaborada em termos científicos foi

precisamente redigido nos presentes capítulos de revisão bibliográfica. Um primeiro capítulo

baseado mais na ciência dos polímeros e materiais compósitos, onde se pretendeu abordar todo o

espetro dos materiais poliméricos e dar uma noção teórica geral dos materiais compósitos e suas

potencialidades. Num segundo capítulo de revisão bibliográfica, procurou-se abordar de forma

mais teórica os principais processos de fabrico que serão descritos no último capítulo.

O objetivo de apresentarmos agora esta suma de conhecimento é precisamente preparar o

leitor para os conceitos que serão abordados de forma mais expedita no último capítulo dedicado

à aplica-se prática de toda esta bagagem científica.

Obviamente que em termos cronológicos estes dois capítulos de revisão bibliográfica que

se seguem surgiram posteriormente à seleção destes componentes. Contudo, como forma de

organizar o trabalho de maneira mais estrutura e dar ao leitor a opção rever alguns destes conceitos

optou-se por colocar estes capítulos numa posição intermédia. Podendo, se o leitor assim o

entender, ser dispensados sem prejuízo de seguimento lógico.



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MNM 2015/2016

Elastómeros

Generalidades dos Elastómeros

Os elastómeros são polímeros amorfos que apresentam uma grande capacidade para se

deformarem no domínio elástico, reflexo da sua estrutura molecular, que é uma rede

macromolecular ligeiramente reticulada. Esta reticulação evita um fluxo permanente de

deslizamento entre as moléculas, o que faz com que estas regressem à sua posição original assim

que a tensão é retirada. Os elastómeros são utilizados então acima da sua temperatura de transição

vítrea, situação na qual as ligações covalentes que unem os monómeros permanecem intactas mas

as ligações de Van der Waals e de hidrogénio entre as cadeias estão rompidas, dando lugar a

ligações covalentes. (António, Lucas et al. 2013)

O nome “elastómero” é intermutável com “borracha”, embora o segundo seja

preferencialmente utilizado para designar compostos vulcanizados. Os compostos de borrachas

vulcanizadas são utilizados em várias aplicações no ramo da engenharia por propriedades como:

grandes deformações elásticas, tenacidade, resistência à fadiga, boa absorção de vibrações, etc….

(António, Lucas et al. 2013)

Os elastómeros podem então ser divididos em dois tipos: termoendurecíveis e

termoplásticos. Os elastómeros termoplásticos possuem moléculas que estão ligadas por

agregação física de partes da molécula em domínio rígido. Este tipo de elastómero é suscetível de

se dissolver sobre ação de certos solventes, mas pode ser reprocessado através de aquecimento e

moldação. Por outro lado, os elastómeros termoendurecíveis possuem moléculas unidas por

ligações químicas primárias. Estes elastómeros, apesar de absorverem solventes e incharem, não

se dissolvem, mas também não podem ser reprocessados pro simples aquecimento. (António,

Lucas et al. 2013) Os elastómeros mais utilizados são, sem dúvida alguma, os termoendurecíveis,

devido às suas propriedades mecânicas e químicas simplesmente superiores à dos termoplásticos.

No entanto, para aplicações sem grandes requisitos a nível de comportamente mecânico ou

químico, os elastómeros termoplásticos são uma excelente opção que permitem a utilização de

processos de fabrico com maior cadência de produção como a moldação por injeção ou a extrusão.

A histerese, uma propriedade intrinsecamente ligada aos elastómeros, consiste na

libertação de energia térmica por parte do elastómero quando lhe é retirada uma carga

anteriormente aplicada. Quando um elastómero é esticado rápida e repetidamente, é notável o seu

aquecimento devido à histerese. Esta é muitas vezes a causa da rutura de materiais elastoméricos,

como pneus. Quando um elastómero é esticado e aquecido nessa posição, verifica-se que este

tende a encolher. Os dois efeitos térmicos descritos são, juntamente, conhecidos como efeito de

Gough-Joule. (Semegen 2001)

Antes de serem utilizados, os elastómeros necessitam de passar por um processo

designado por vulcanização (ou cura) de forma a se converter o material em bruto num material

elástico e estável, com propriedades muito superiores. A vulcanização é um processo químico

ativado termicamente que parte de um polímero linear e culmina na criação de uma rede reticulada

tridimensional. A maior parte dos elastómeros são vulcanizados utilizando enxofre, em

quantidades que normalmente variam entre os 0,25% e os 5%. (António, Lucas et al. 2013) Como

ajuda na vulcanização são utilizados reagentes com as mais variadas funções, como: agentes de

vulcanização, aceleradores, ativadores, retardadores e inibidores de pré vulcanização. Merecem

destaque o óxido de zinco e o ácido esteárico pois estão presentes no processo de vulcanização

de diversas borrachas, nas quais se incluem a borracha natural e o estireno butadieno, que iremos

tratar a seguir. Tem sido realizado progresso considerável no ramo da vulcanização,



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MNM 2015/2016

nomeadamente no desenvolvimento de técnicas para: vulcanização com e sem enxofre,

vulcanização de borrachas saturadas e não saturadas, vulcanização de borrachas especificamente

funcionais, vulcanização por radiação e por ultrassons. Os dois últimos métodos são considerados

métodos físicos de vulcanização, uma área ainda em desenvolvimento. (Akiba and Hashim 1997)



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MNM 2015/2016

Borracha Natural

A borracha natural é um polímero de elevado peso molecular que é constituído

maioritariamente por isopreno (ao qual de juntam impurezas e água) cuja estrutura química é

representada na figura seguinte.

Figura 20 - Estrutura química do poliisopreno

Este elastómero provém geralmente da árvore Hevea brasiliens. Sendo a primeira borracha

existente, é surpreendentemente a melhor relativamente a propriedades mecânicas no geral,

tornando-se a borracha mais versátil disponível.

A resiliência e resistência à fadiga da borracha natural, efeitos ligados à sua baixa histerese,

são excelentes. Isto faz deste material um ótimo candidato para uso em condições cíclicas como:

apoios de pequenas ou grandes estruturas (motores e edifícios), sistemas de suspensão, isoladores

de vibração, pneus, etc…. Tem também boas propriedades de isolamento elétrico. Oferece baixa

resistência à oxidação e ataque por ozono, e embora estes defeitos possam ser ultrapassados com

aditivos, é preferível a utilização de borrachas sintéticas especializadas para certos tipos de

ambiente. (Semegen 2001)

Os produtos de borracha natural vulcanizada operam a temperaturas entre os -50 °C e os

100 °C, visto que a partir dos -50 °C a borracha começa a endurecer, atingindo o seu ponto de

transição vítrea aproximadamente a -75 °C. (Semegen 2001). O quadro seguinte apresenta

algumas das propriedades da borracha natural.

Tabela 1: Principais propriedades mecânicas da Borracha Natural. (Design 2015)

Propriedades mecânicas

Módulo de Young 0.0015 – 0.0025 [GPa]

Tensão limite elástica 20 – 30 [MPa]

Dureza 30 – 45 [HSA]

Temperatura de transição vítrea -75 °C

Elongamento 500 – 800 %



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MNM 2015/2016

Estireno Butadieno (SBR)

O estireno butadieno é a designação da família de polímeros sintéticos que derivam de

estireno e butadieno, com propriedades semelhantes à borracha natural. Uma estrutura química

possível é representada na figura seguinte.

Figura 21 - Estrutura química possível para uma borracha de estireno butadieno

Este elastómero surgiu de uma necessidade de haver um substituto para a borracha natural

na 2ª Guerra Mundial. As propriedades deste material são inferiores às da borracha natural,

podendo no entanto ser reforçado com negro de fumo, e assim atingir propriedades bastante

semelhantes. Este elastómero possui, no entanto, uma histerese mais elevada do que a borracha

natural, o que resulta numa maior possibilidade de falha dinâmica em condições de trabalho

cíclico.(Semegen 2001)

Como é ligeiramente mais barato do que a borracha natural, é utilizado em aplicações que

não necessitem de tão elevadas propriedades mecânicas, ou em aplicações de produção em massa

em que a diferença de preço é considerável e sejam aceitáveis propriedades mecânicas inferiores

comparativamente à borracha natural. Talvez o melhor exemplo seja a utilização deste elastómero

em pneus de automóveis, pois neste caso as propriedades mecânicas oferecidas pelo material

cumprem os requisitos de utilização e a diferença de preço face à borracha natural é extremamente

importante, visto que a produção em massa do componente traduz-se num gasto bastante elevado.

Tendo em conta que o SBR compete diretamente com a borracha natural, é simplesmente

lógico elaborar um quadro de comparação entre algumas propriedades dos dois materiais.

Tabela 2: Tabela comparativa entre as principais propriedades de utilização da Borracha Natural e do Estireno

Butadieno. (Design 2015)

Borracha natural Estireno butadieno

Módulo de Young 0.0015 – 0.0025 [GPa] 0.002 – 0.01 [GPa]

Tensão limite elástica 20 – 30 [MPa] 1.4 – 3 [MPa]

Temperatura de transição vítrea -75 °C -58 °C

Elongamento 500% – 800% 400% – 600%

Isolamento térmico e elétrico Bom isolador Mau isolador

Preço 2.65 – 2.93 €/Kg 1.83 – 2.02 €/Kg

Pode-se verificar que algumas propriedades do SBR não reforçado, como a tensão limite de

elasticidade, deixam um pouco a desejar face à competição. Assim sendo, este material precisa

muitas vezes de ser reforçado com negro de fumo. Há que ter em atenção, no entanto, que esse

processo representa um acréscimo no preço, que pode chegar aos 3,1€/Kg, e deixar de ser viável

a sua utilização como substituto da borracha natural.



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MNM 2015/2016

Isobuteno-isopreno (butil)

O isobuteno-isopreno é um copolímero que deriva do butileno e do isopreno,e cuja fórmula

química está representada na figura seguinte.

Figura 22 - Estrutura química do isobuteno-isopreno

Este elastómero é geralmente inferior em propriedades físicas em relação à borracha

natural, embora o processamento a altas temperaturas com determinados aditivos possa garantir-

lhe melhores propriedades à tração e reduzir a sua elevada histerese à temperatura ambiente.


Algumas das propriedades que tornam este elastómero uma má escolha para a maioria das

aplicações são também as que a o tornam a melhor solução para determinados problemas. A sua

baixíssima permeabilidade a gases pode revelar-se um problema em processos de fabrico, mas é

esta mesma propriedade pela qual este elastómero é conhecido e utilizado em aplicações como

câmaras-de-ar. A elevada histerese referida há pouco como um problema pode revelar-se uma

vantagem em situações de absorção de energia de impacto ou de vibrações. Outras propriedades

deste elastómero são a boa resistência à oxidação, ao ataque por ozono e ao envelhecimento, para

além de possuir excelente resistência química, à temperatura e à abrasão. (Coddington 2001,

António, Lucas et al. 2013)

As borrachas de butil tê como temperatura máxima de serviço aproximadamente os 120 ºC,

embora este valor possa ter aumentado até 180 ºC.Já a temperatura de serviço mínima ronda os -

50 ºC. (Coddington 2001)



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MNM 2015/2016

Termoplásticos

Generalidades dos Termoplásticos

Os Termoplásticos são polímeros que na sua maioria apresentam cadeias ligadas entre si

apenas por forças secundárias fracas e enradeamento mútuo, muitas vezes designados por

polímeros lineares. Ou seja, os monómeros que formam as extensas cadeias características de um

polímero estão ligados covalentemente, por ligações fortes e direcionais. Contudo as ligações

inter-cadeias são de natureza física por atração electroestática, e podem ser rompidas. Basta para

tal fornecer energia suficiente sob a forma de calor, aumentando a agitação das cadeias que se

deslocarão com maior facilidade relativamente umas às outras. É precisamente esta capacidade

de amaciar de forma acentuada o material por rotura das ligações físicas secundárias,

comportando-se este como um fluido visco-elástico, que diferencia os Termoplásticos dos

Termoendurecíveis (Thermosets). Em termos de propriedades mecânicas é também possível

associar valores médios de ductilidade e tenacidade superiores aos Termoplásticos e uma rigidez,

dureza e resistência mecânica geralmente superior aos Termoendurecíveis. (Antunes 2007)

Na figura seguinte pretende-se ilustrar as principais diferenças nas propriedades mecânicas

entre termoplásticos e termoendurecívies. De notar que alguns termoplásticos como o PEEK,

PMMA, geralmente copolímeros, apresentam propriedades mecânicas bastante interessantes.

Módulo de Young Instantâneo [GPa]0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Du

re

za

[H

v]

0

5

10

15

20

25

30

Resinas Fenólicas

Poliester

Resinas Epoxídicas

Poliamidas (PA) Poli-éter-éter-cetona (PEEK)

Politereftalato de Etileno (PET)Polimetil Metacrilato (PMMA)

Policarbonato (PC)

Poliestireno (PS)

Polietileno (PE)

Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS)

Policloreto de Vinilo (PVC)

Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)

Polipropileno (PP)

Politetrafluoretileno (PTFE)

Figura 23: Comparação entre a diferença de comportamento mecânico (Dureza e Rigidez) nos Termoplásticos e

Termoendurecíveis. (Design 2015)



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MNM 2015/2016

Os Termoplásticos podem ser classificados quando à sua capacidade para formar estruturas

cristalinas durante o arrefecimento do polímero fundido em:

- Termoplásticos Semicristalinos: Polímeros com capacidade para cristalizar

parcialmente, quando sujeitos a condições de arrefecimento favoráveis. Estes termoplásticos

trabalham geralmente a temperaturas superiores à Temperatura de transição Vítrea (Tg). A sua

relativa reduzida complexidade confere-lhes Tg geralmente inferiores às dos Termoplásticos

amorfos. Os termoplásticos baseados em flúor (PTFE), as poliolefinas (PE´s,PP,...) e as

poliamidas são exemplos de polímeros que podem cristalizar parcialmente quando sujeitos a

condições de arrefecimento favoráveis.

- Termoplásticos Amorfos ou Vítreos: Polímeros que não cristalização independentemente

das condições de arrefecimento. Geralmente apresentam-se como polímeros mais complexos em

termos químicos e com Tg superiores que os Termoplásticos Semicristalinos. Ao contrário do

Termoplásticos, estes trabalham geralmente a temperaturas inferiores à Tg. Nesta família de

polímeros encontram-se os termoplásticos baseados em estireno (PS’s, ABS, SAN), os vinílicos

(PVC) e outros como o PC e o PMMA. (Antunes 2007, António, Lucas et al. 2013)

No gráfico seguinte pretende-se evidenciar a diferença entre as Tg dos termoplásticos

amorfos e semicristalinos. Confirmando-se que na sua grande maioria a Tg será superior nos

termoplásticos amorfos, sendo a única exceção

Figura 24: Comparação da Temperatura de transição Vítrea (Tg – Glassing temperature) entre os Termoplásticos

Amorfos e os Semicristalinos. (Design 2015)



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MNM 2015/2016

O grau de cristalinidade obtido para um termoplástico genérico depende essencialmente

das condições de arrefecimento e de quatro variáveis químico-estruturais do material: Grau de

ramificação das cadeias, grau de polimerização, regularidade dos monómeros base, dimensão dos

grupos laterais e seu arranjo geométrico.

A capacidade para formar arranjos cristalinos diminui com a complexidade dos monómeros

base, o seu número, o grau de ramificação das cadeias, grau de polimerização e a existência e

complexidade geométrica dos grupos laterais. Em relação às condições de arrefecimento,

velocidades elevadas dificultam o processo de cristalização uma vez que diminui o tempo

disponível para alinhamento das cadeias. O processo de arrefecimento de termoplásticos, mesmo

potenciado (como o caso de Polietileno, homopolímero linear sem grupos laterais, arrefecido em

condições teoricamente ideais) nunca origina estruturas totalmente cristalinas. (Antunes 2007,

António, Lucas et al. 2013)



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MNM 2015/2016

Poliestireno (PS)

O poliestireno é um homopolímero pertencente à família das poliolefinas (polímeros que

apresentam como monómero uma olefina ou alqueno CnH2n). Contudo, do ponto de vista da

ciência dos polímeros e capacidade de cristalização e não tanto do ponto de vista químico, o PS é

geralmente associado ao grupo dos termoplásticos à base de estireno. Isto porque este polímero é

amorfo devido ao anel de Benzeno, ao contrário de outros elementos da família das poliolefinas

como PE e PP que apresentam graus de cristalinidade razoáveis. O radical genérico R consiste

então num anel hexagonal de Benzeno, C6H5. O Poliestireno é obtido pela polimerização por

adição do monómero de estireno cuja fórmula química é dada por (CH(C6H5)-CH2)n, . Na figura

seguinte ilustra-se a distribuição espacial e estrutura química do estireno.

.

Existem cerca de três tipos principais de Poliestireno: Poliestireno de uso comum,

Poliestireno de grande resistência ao impacto (HIPS) e Poliestireno expandido (EPS).

O Poliestireno de uso comum, apresenta propriedades mecânicas muito reduzidas. É usado

sobretudo pelo seu reduzido custo, moldação fácil e elevada transparência (efeito glass-like

sparkle) em produtos sujeitos a carregamentos mecânicos muito leves. Produtos como caixas

transparentes de CD’s, estrutura exterior das canetas, copos de vending machines, etc...

As tabelas seguintes evidenciam algumas propriedades mecânicas e de resistência ao

impacto do PS de uso comum.

Tabela 3: Tabela que reúne as principais propriedades mecânicas do PS. (Design 2015)



Tensão Limite elástica 28.7 – 41.4 [MPa]

Dureza 8.6 – 12.4 [Hv]

Elongamento 1.2 – 2.5 %

Figura 25: À esquerda temos a representação simbólica do monómero de estireno onde o radical R está representado no

sistema de notação IUPAC, e à direita a representação completa do Anel de Benzeno. Imagens construidas pelos

autores, baseadas em (António, Lucas et al. 2013)



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MNM 2015/2016

Tabela 4: Tabela com as principais propriedades de resistência ao impacto do PS de uso comum. (Design 2015)

Propriedades de Resistência ao Impacto (RI)

Resistência à fratura 0.7 – 1.1 [MPa*m^0.5]

RI com entalhe e T= 23ºC 2.86 – 3.15 [KJ/m^2]

RI com entalhe e T= -30ºC 1.9 – 2.1 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= 23ºC 8.6 – 14.9 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= -30ºC 3.87 – 4.27 [KJ/m^2]

Claramente o PS não é um polímero de elevado desempenho mecânico, podendo comparar-

se por exemplo a sua tensão limite elástica com a do PEEK que pode variar entre 87 – 95 [MPa].

Os valores de resistência ao impacto, elongamento e resistência à fratura surgem aqui mais com

o intuito de compara-los com os valores de desempenho HIPS.

Em termos estruturais o HIPS consiste num copolimero ramificado de forma aleatória

(Graft polymer). A cadeia base (liner Backbone) é formada por monómeros de estireno ligados

covalentemente (%estireno ≈ [85,95] %). Aleatoriamente surgem ramificações formadas

integralmente por segmentos de um aditivo modificador de impacto (IM- impact modifier).

Geralmente este IM consiste no elastómero de Polibutadieno (BR), sendo também usado por

vezes Borracha de estireno-butadieno (SBR) ou Borracha de etileno-propileno (EPDM). A

ilustração seguinte pretende evidenciar o aspeto de uma macromolécula genérica de HIPS.

As tabelas seguintes evidenciam as propriedades mecânicas e de resistência ao impacto

do HIPS.

Tabela 5: Principais propriedades mecânicas do HIPS. (Design 2015)



Tensão Limite elástica 19 – 41.4 [Mpa]

Dureza 5.7 – 12.4 [Hv]

Elongamento 40 – 65 %

Figura 26: Esquema ilustrativo da estrutura de uma macromolécula genérica do copolímero de HIPS. Imagem

construida pelos autores, baseada em (Cheremisinoff 1989)



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MNM 2015/2016

Tabela 6: Principais propriedades de resistência ao impacto do HIPS. (Design 2015)



RI com entalhe e T= 23ºC 7.34 – 11.6 [KJ/m^2]

RI com entalhe e T= -30ºC 4.03 – 6.75 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= 23ºC 92.2– 200 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= -30ºC 45.8 – 200 [KJ/m^2]

De notar a diferença de cerca de 30x na capacidade de elongamento do HIPS face ao PS

de uso corrente por introdução de um aditivo elastomérico. Algumas propriedades mecânicas

como a resistência mecânica ou módulo são ligeiramente afetadas mas sem expressão prática. A

resistência ao impacto do polímero é melhorada até 14x (caso da RI sem entalhe a 23ºC).

O Poliestireno Expandido (EPS) é que terá maior interesse do ponto de vista de

aplicabilidade em componentes de bicicletas. Nomeadamente no revestimento interior dos

capacetes de ciclismo e da maioria dos desportos motorizados.

O poliestireno expandido pertence ao grupo das espumas à base de poliestireno, existindo

outras como por exemplo o poliestireno extrudido (XPS). O EPS é obtido a partir de PS de uso

comum por reação física (não ocorrendo mudança de propriedades químicas do material) com um

agente expansor. O processo é dividido em cerca de três etapas:

Na pré-expansão o PS em contacto com vapor de água e sujeito a um ciclo térmico

(atingindo temperaturas desde 100ºC até 110ºC) (informação cedida pela ACEPE),

“incha” aumentando o seu volume em cerca de 50x. A densidade final das células varia

na razão inversa com a temperatura e tempo do ciclo térmico. Durante a reação com o

vapor de água as células são sujeitas a um movimento rotativo por ação de um tambor,

evitando assim a sua fusão e/ou soldadura. O produto intermédio consiste assim num

granulado de células fechadas que é armazenado para posterior estabilização.

A estabilização consiste precisamente numa etapa de repouso na qual as células ao

arrefecerem criam vácuo no seu interior, com consequente compensação por entrada de

ar atmosférico para o interior da mesma. Desta forma as células alcançam uma maior

estabilidade mecânica, durante o processo em média cerca de 24 horas.

Por fim, no processo final de moldação o granulado de EPS é insuflado em moldes com

a geometria próxima da final e em quantidades definidas para obter a densidade desejada,

e sujeito a nova reação com vapor de água. Desta vez ocorre a “soldadura” das células e

obtém-se um produto final ou um semi-produto.

(Informação cedida pela FuturEng e pela ACEPE)



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MNM 2015/2016

Na figura seguinte pretende-se ilustrar de forma sintética a 1ª etapa do processo de

produção de EPS.

Notar assim a reação com o vapor de água por ebulição de água no estado líquido bem

como a capacidade expansiva do PS granulado (matéria-prima).

No esquema seguinte pretende-se ilustrar agora a fase de moldação final não tanto a um

nível macroscópico do produto final obtido, mas dando ênfase ao processo de “soldadura” das

células de EPS que ocorre com perda de esfericidade das células (na presença também de vapor

de água).

Figura 28: Registo fotográfico da evolução temporal da etapa de moldação final das células de EPS já

estabilizadas, e do fenómeno de “soldadura” com obtenção de uma espuma rígida de material polimérico.

Cortesia da Futureng®

Figura 27: Registo fotográfico da etapa de pré-expansão.

Cortesia da Futureng®



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MNM 2015/2016

Quanto às propriedades de utilização desta espuma, é possível destacar uma combinação

de preço e densidade que obedece a uma relação de compromisso com as principais propriedades

mecânicas bastante interessante. Na tabela seguinte encontram-se os valores de densidade e preço

definidos para estes três tipos de PS.

Tabela 7: Tabela comparativa das propriedades genéricas de densidade e preço por Kg destes três tipos de PS.

(Design 2015)

PS de uso comum HIPS EPS*

Densidade [Kg/m^3] 1040 - 1050 1030 – 1060 18 - 22

Preço [€/Kg] 2.1 – 2.32 2.38 – 2.62 2.08 – 2.29

*Valores obtidos para o produto comercial Styropor20

É importante notar a grande diferença de densidades entre o EPS e os restantes

poliestirenos. Como é possível observar, o PS e o HIPS apresentam densidades muito

semelhantes, já o EPS apresenta uma densidade média de cerca de 45x inferior a qualquer um

destes dois. Ora, será precisamente este aspeto que torna o EPS muito atrativo para muitas

aplicações como isolamento térmico na construção civil, suportes para transporte de mercadorias,

isolamento térmico em transporte de refrigerados, etc... No caso em estudo, o EPS é usado como

absorsor de energia. A sua extrema reduzida densidade, associada a um custo bastante interessante

(muito próximo do PS de uso comum), possibilitam a sua instalação em capacetes de

variadíssimos desportos, sem nunca introduzir uma massa significativa de modo a alterar o centro

de gravidade do conjunto atleta + capacete + meio (bicicleta, skate, motociclo...).

Em termos de propriedades térmicas estes polímeros apresentam comportamentos que não

excedem a média dos termoplásticos comuns. Tratando-se de termoplásticos amorfos, apresentam

temperaturas de transição vítrea (Tg) elevadas, entre 85 – 99ºC. Para a maioria das aplicações

destes polímeros a problemática da temperatura de serviço terá menor relevância, isto porque ao

contrário de um material como o PEEK, estes estão condicionados a aplicações de uma forma

geral à temperatura ambiente. Está assim assegurado que o limite máximo da temperatura máxima

de serviço (70ºC) nunca será ultrapassado. (Design 2015)

Um último aspeto prende-se com a sua resistência à radiação UV. Os anéis de benzeno

captam essa radiação UV, provocando a descoloração progressiva do material. Na maioria das

aplicações, nomeadamente no forro interior de capacetes, este material não está sujeito a

incidência direta da radiação solar. Os poliestirenos têm capacidade para serem parcialmente

estabilizados à radiação por introdução de aditivos, contudo a sua eficácia é consideravelmente

reduzida. (Design 2015)



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MNM 2015/2016

Policarbonato (PC)

O Policarbonato é um polímero pertencente ao grupo dos termoplásticos de estireno.

Contudo o seu monómero é relativamente mais complexo, apresentando dois anéis de benzeno e

um grupo de carbonato (OCOO). Devido à complexidade do seu monómero, o Policarbonato é

um polímero amorfo, não cristalizando no seu arrefecimento. A fórmula química do seu

monómero é dada por (O-(C6H4)-C(C6H4)-CO)n e é representada na figura seguinte.

Em termos de comportamento mecânico, o PC é muitas vezes incluído na família de

polímeros de engenharia. Apresenta propriedades mecânicas como resistência mecânica e dureza

bastante razoáveis para um polímero. A sua utilização em carcaças para capacetes de proteção

será precisamente justificada pelo seu bom comportamento mecânico, bem como o seu

comportamento à fratura como se verá de seguida. Na tabela seguinte evidencia-se de forma mais

detalhada as suas principais propriedades mecânicas.

Tabela 8: Principais propriedades mecânicas do PC. (Design 2015)


Módulo de Young 2 – 2.44 [GPa]

Tensão Limite elástica 59 – 70 [MPa]

Dureza 17.7 – 21.7 [Hv]

Elongamento 70– 150 %

Quanto ao seu desempenho à fratura, por observação da tabela seguinte, é possível afirmar

que este material sofre bastante com a presença de entalhes, sendo necessária uma especial

atenção na etapa de conceção do produto para este aspeto. Um tópico a ter em conta no caso de

estudo será as entradas ventiladoras dos capacetes. Isto porque estas terão que ser evitadas ou

concebidas com concordâncias bastante generosas. Comparando a sua resistência ao impacto sem

entalhe com a do HIPS vemos diferenças até 3x. É de notar também a relativa insensibilidade à

temperatura. Tratando-se de um polímero amorfo, a sua Tg é muito superior à temperatura

ambiente (Tg= 160 – 205 ºC). Comportando-se assim o PC sempre de forma vítrea. Focando

ainda o aspeto das suas propriedades térmicas, este termoplástico pode suportar temperaturas

máximas de 128 – 144 ºC, muito longe da temperatura ambiente a que será sujeito ao longo da

sua vida útil. (Design 2015)

Figura 29: Ilustração do Monómero de Policarbonato. Os anéis de Benzeno são representados no sistema de

notação IUPAC. Imagem construída pelos autores, baseada em (Antunes 2007)



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MNM 2015/2016

Tabela 9: Principais propriedades de resistência ao impacto do Policarbonato. (Design 2015)



RI com entalhe e T= 23ºC 6.55 – 16 [KJ/m^2]

RI com entalhe e T= -30ºC 6.55 – 13 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= 23ºC 590– 600 [KJ/m^2]

RI sem entalhe e T= -30ºC 590 – 600 [KJ/m^2]

Em termos de principais aplicações, o PC é usado para capacetes de segurança (aplicação

em análise). coberturas de lâmpadas de automóvel e de candeeiros e até biberões. De grosso modo

consistem em aplicações que exijam uma confortável resistência ao impacto.

Por fim, o PC é compatível com a maioria dos processos standard de produção de peças

poliméricas em termoplásticos. Pode, assim, ser transformado por extrusão (extrusion), injeção

(injection molding), moldação por sopro (blow-molding), moldação rotacional (rotacional

molding) e termoformação (thermoforming)".



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MNM 2015/2016

Termoendurecívies

Generalidades dos Termoendurecíveis

Segundo (Carley 1993), termoendurecíveis (thermosets) são materiais resinosos ou

plásticos cuja fase final de produção é caracterizada por uma insolubilidade e infusibilidade

substancial. As resinas termoendurecíveis são geralmente líquidas em alguma fase da sua

preparação e são curadas por ativação térmica e/ou catalítica ou outros meios químicos. Após

cura completa, os termoendurecíveis não sofrem amolecimento por fornecimento de calor, ao

contrário dos termoplásticos. Alguns polímeros geralmente termoplásticos podem ser

transformados em termoendurecíveis por reação de reticulação. A própria análise semântica da

palavra fornece informação acerca destes materias. O prefixo “termo”, indica ativação térmica da

reação, apesar de atualmente existirem inúmeras resinas que curam à temperatura ambiente (room

temperature cure), e o radical “endurecível” aponta para a irreversibilidade da reação.

Não existe uma definição que encerre de forma clara e concisa todos os materiais

termoendurecíveis, citando (Goodman 1999), “the definitions are not scientific enough, more

exceptions to the rule exist than examples of the rule ”. Contudo, para a manipulação e uso destes,

ou o seu fabrico, é apenas necessário compreender determinadas definições ditas base tais como:

reticulação, cura, estágio de cura, etc. Numa perspectiva um pouco mais abrangente da que a

adotada até agora, os termoendurecíveis pertencem a uma família que relaciona-se com os

restantes materiais orgânicos da seguinte maneira.

Em termos históricos os primeiros passos para o desenvolvimento destes materiais deram-

se precisamente numa outra categoria de polímeros, os elastómeros. Goodyears nos Estados

Unidos, e Hancock em Inglaterra, descobriram em 1839 o processo de vulcanização. Estavam

assim lançados as primeiras experiências em torno das reações de reticulação. Contudo, foi só

apenas em 1909 que Baekland patenteou um processo de cura por ativação térmica e de pressão

de resinas fenolíticas. (Goodman 1999)

Química

Biopolímeros Plásticos Elastómeros

Materiais Orgânicos

Materiais Inorgânicos

Termoplásticos Termoendurecíveis

Figura 30: Relação entre as várias famílias de polímeros. Esquema construido pelos autores,

baseado em (Goodman 1999) e (Kricheldorf, Nuyken et al. 2004)



43

MNM 2015/2016

Tal como os restantes polímeros, os termoendurecíveis também podem ser sujeitos a uma

classificação mais abrangente consoante as exigências das suas aplicações. De modo genérico,

sem entrar em grandes particularizações, temos:

Termoendurecíveis de uso genérico – Propriedades mecânicas intermédias, baixa

resistência à temperatura, elevado coeficiente de expansão e preço reduzido. Ex: resinas

fenolíticas, poliesters insaturados e resinas amínicas;

Termoendurecíveis de engenharia – Propriedades mecânicas superiores, boa resistência

à temperatura e durabilidade interessantes. Ex: resinas epoxídicas e poliuretanos;

Termoendurecíveis especiais – Geralmente de elevado custo, apresentam um conjunto

de propriedades muito específicas que destacam-se das suas restantes propriedades

muitas vezes de valores intermédios. Ex: Termoplásticos reticulados, determinados

silicones, resinas bismaleimidas;

(Goodman 1999)

Focando a nossa atenção agora um pouco mais a nível da ciência dos polímeros. Já vimos

que a particularidade que caracteriza essencialmente os termoendurecíveis é a presença de uma

rede densamente reticulada. Esta reticulação dá-se por reação química entre cadeias lineares

poliméricas ou por construção de base por reação de reagentes monoméricos numa configuração

tridimensional. Quanto maior o número de grupos funcioanais presentes nos reagentes, maior será

o potencial de reticulação da reação. As ligações de reticulação dificultam ou mesmo impedem

movimentos macromoleculares ou escorregamento intermolecula. Definindo assim um conjunto

de propriedades comuns à maioria dos termoendurecíveis após cura. Entre as propriedades mais

comum é possível enunciar:

Processabilidade elevada. A maioria das resinas encontra-se à temperatura

ambiente no estado líquido e com viscosidades compatíveis com uma grande

parte dos processos de fabrico convencionais.

Custo ligeiramente inferior para polímeros de uso comum;

Propriedades mecânicas como módulo, resistência mecânica e dureza superiores

em relação aos polímeros termoplásticos. Este comportamento mecânico deve-se

sobretudo à mobilidade reduzidas das suas cadeias pelas ligações de reticulação;

Em termos de resistência ao impacto e elongamento os termoplásticos superam

em geral este tipo de polímeros;

Temperaturas de transição vítrea superiores (Tg). Geralmente estes polímeros

trabalham sempre a temperaturas inferiores às suas temperaturas de transição

vítrea;

Incapacidade de reciclagem por processos tradicionais. O que acarreta impactos

ambientes acrescidos, para além do efeito dos inúmeros solventes frequentemente

usados no processamente dos termoendurecíveis;

(Askeland and Fulay 2008)



44

MNM 2015/2016

A reação de cura, reação química em cadeia através da qual se estabelecem as ligações

cruzadas, abodece à relação tradicional de Arrhenius. Logo, a cinemática de cura depende

obviamente da temperatura a que os reagentes estão sujeitos. Quanto maior a temperatura, maior

será a velocidade de reticulação, logo menor será o tempo de cura. Como a maioria das reações

de cura das resinas comerciais são exotérmicas, também se observa um efeito da massa de

reagentes, que se traduz na estequiometria da reação. Estes dois parâmetros para além de

influenciarem a cinemática de cura, também se revelam dependência entre si. Ao longo da reação,

para além do ciclo térmico aplicado, dá-se um aumento da temperatura pela natureza da reação,

que precisa de ser devidamente controlado. (Kricheldorf, Nuyken et al. 2004)

Como se depreende do que foi enunciado, o estabelecimento de um correto ciclo de cura

implica a análise de inúmeros parâmetros, e por vezes o seu controlo exato pode não ser tão

simples. Durante o processo de cura, a resina passa por diversas fases ou estágios de cura. A

determinação exata do fim do processo de cura, que em termos teóricos correspondia ao

esgotamente dos grupos funcionais disponíveis, não é passível de ser realizada. Em termos

industriais, frequentemente convenciona-se uma taxa de referência para a alteração das

propriedades mecânicas da resina, a partir da qual o componente encontra-se praticamente curado.

Até porque obedecendo frequentemente a uma evolução logarítmica, a obtenção das propriedades

últimas pode exigir tempos de estágio incompatíveis com as exigências industriais.

O tempo de cura total perde asism algum interesse em termos de projeto de ciclo de cura

(cure schedule). Uma fração deste intervalo terá certamente um olhar mais atento por parte dos

engenheiros, esta designa-se por tempo de obtenção de resistência em verde (green strength).

Tempo que a peça necessita de estagiar no molde, de modo a poder ser removida sem prejuízo da

sua integridade estrutural. Juntamente com o tempo de pós-cura em forno ou autoclave formam o

já referido tempo total de cura. O grande interesse deste intervalo para obter a resistência em

verde, prende-se com questões de otimização das máquinas de produção (tooling machines). De

modo a compensar o elevado investimento que estas acarretam, o tempo que o componente

permanece em molde deve ser minimizado, aumentando-se assim a cadência produtiva.

Figura 31: Gráfico genérico do método de obtenção de forma

aproximada do tempo de cura de uma resina. (Goodman 1999)



45

MNM 2015/2016

Mesmo que seja necessário aumentar o tempo de pós-cura em forno ou autoclave, de

modo agilizar a otenção da resistência em verde, é mais rentável em termos económicos de gestão

da produção do que o contrário.

(Goodman 1999)

A classificação dos vários estágios de cura de uma resina também se reveste de grande

importância. A reação de cura de uma resina termoendurecível compreende as seguintes fases:

Estágio A – Estado caracterizado por ausência total de cura. Corresponde de

forma simplista à resina no seu estado termoplástico;

Estágio B – Pode ser entendido como uma fase intermédia de cura. Neste estágio

já se misturou as duas partes do sistema de reação e o potencial de reticulação

pode ter atingido valores médios de 30%. Por exemplo, no caso dos pré-

impregnados estes já podem ser manuseados. Em termos cronológicos surge

antes do ponto de gel (gelation point);

Estágio C – Este intervalo compreende o início de solidificação da resina, com

paragem de fluxo, até à cura total da peça. A partir do ponto de gel a resina inicia

um processo de endurecimento rápido passando por um composto altamente

viscoso até à formação de uma rede tridimensional reticulada sólida.

(FAA 2012)

(Goodman 1999)

Nota: É importante realçar que a classificação destes estágios depende de autor para autor, bem

como do processo de fabrico a que a resina estará sujeita. A designação anterior encontra-se em

muita bibliografia da especialidade e abrange de forma genérica uma grande variedade de

situações, admitindo a condição inicial de uma resina líquida. Podendo na prática omitir-se ou

introduzir-se novas fases.



46

MNM 2015/2016

Resina Epoxídica

Os primeiros produtos obtidos por reação resinosa foram sintetizados por Dr Pierre, Suíça,

e Dr. S.O. Greenlee, Estados Unidos, ambos na década de trinta do século passado. Desde essa

altura se tem desenvolvido extensos trabalhos e projetos acerca do tema. Tendo-se iniciado a sua

forte comercializção ao público a partir de 1947. (Goodman 1999)

Geralmente atrbuido ao produto final após cura da resina, o termo epoxido (epoxy, fora

do continente europeu) na gíria também pode ser usado para designar a mistura de reagentes

endurecedores com o poliepoxidos ou mesmo para designar este grupo de polímeros. Como

tentativa de diminuir as possíveis confusões concetuais que possam surgir, tal como (Goodman

1999) iremos adotar a seguinte terminologia europeia. Para o pré-polímero, antes da sua reação

de cura, iremos designa-lo por poliepoxido ou termoplástico epoxídico ou resina epoxídica. Aos

grupos funcionais que intervêm nessa reação de reticulação (crosslinking reaction), grupos

epoxidos. Ao material reticulado, resultado da cura, iremos designar por resina termoendurecida.

Os poliepoxidos (polyepoxides) consistem assim numa família de pré-polímeros ou

polímeros que têm em comum a presença de grupos epoxídos funcionais. Um dos grupos epoxidos

mais comuns pertence ao grupo dos éteres. Em termos moleculares consiste num anel químico

triangular, com um átomo de Oxigénio ligado a dois grupos radicais, e designa-se por oxireno.

Outra forma, não menos comum, de surgirem estes grupos é sob a forma de glicidil. Nas imagens

seguintes encontram-se as representações esquemáticas da sua organização atómica. (Morgan

2005), (Goodman 1999)

A reação de reticulação do polímero irá ocorrer precisamente nestes grupos epóxidos por

ação de um endurecedor ou agente de cura. Esta reação de cura por gerar também reações de

homopolimerização. Em que os grupos –OH das moléculas de pré-polímero reagem com os

grupos epoxidos. (Morgan 2005)

A família de resinas epoxídicas com maior expressão em termos de mercado, é claramente

as resinas à base de bisfenol A, sendo a mais simples destas a DGEBA (n ≈ 0.2). Abreviatura para

Diglicidil Éter de Bisfenol A. Consiste numa resina formada por reação de Bisfenol A com

epicloridrina em excesso. (Goodman 1999)

+

Figura 33: Representação da estrutura atómica do

grupo epoxídico glicidil, também muito frequente em

resinas epoxídicas. (Morgan 2005)

Condições de

reação alcalinas

Figura 34: ilustração da reação química simplificada do epicloridrina com o bisfenol A (ordem representada). O

produto final consiste numa família de epoxidos com n a variar entre 0 a 12. Imagem construida pelos autores, baseado

em (Morgan 2005). Ambas as representações simplificadas dos anéis são possíveis.

Figura 32: Representação esquemática do grupo

epoxídico oxirano. Imagem da construida pelos

autores, baseado em (Morgan 2005)



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MNM 2015/2016

Durante a reação de polimerização o HCL é eliminado, dando origem a uma série de

moléculas epoxídicas. Notar que n varia com as condições da reação, bem com as quantidades

relativas dos reagentes. A resina à base de bisfenol A muitas vezes designada por pura, isto é, em

teoria com n=0, apresenta valores médios de massa molecular próximos de 340. Este tipo de

resinas apresenta geralmente um tempo máximo de prateleira mais reduzido, devido à maior

facilidade de formar estruturas cristalinas. Resinas epoxídicas de elevada massa molecular (até

6000) têm sido sintetizadas em condições altamente alcalinas e com aumento da proporção

relativa de bisfenol A : Epicloridrina. Isto é, quanto mais a razão dos co-reagentes se aproximar

da unidade, maior será a massa molecular dos produtos.(Goodman 1999). Quanto maior a sua

massa molecular, maior será a sua viscosidade e menor será a percentagem relativa de grupos

epoxidos.

Em termos industriais, tem maior interesse fazer a distinção destas resinas de bisfenol A, a

partir do conceito criado de massa equivalente de epoxido ou massa molar de epoxido (EEM –

Epoxy Molar Mass). Que em termos físicos não é mais do que o massa equivalente em gramas de

resina que contém um grupo de epoxido. Cuja fórmula é enunciada de seguida:

𝐸𝐸𝑀 =𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎

𝑁º 𝑑𝑒 𝑎𝑛é𝑖𝑠 𝑒𝑝𝑜𝑥í𝑑𝑖𝑐𝑜𝑠

O EEM tem a sua maior aplicabilidade no cálculo das quantidades estequiométricas de

endurecedor ou agente de cura e resina. Para ter uma noção mais prática da ordem de grandeza

destes valores, em termos de EEM, as resinas DGEBA apresentam massas equivalentes de

epoxido próximas dos 190. Em termos simplistas, quanto maior o EEM, maior será a reistência

ao impacto, capacidade de adesão e elongamento com queda da exetermicidade da reação.

Contudo, o su tempo de vida em prateleira também diminui.

Para além das resinas à base de bisfenol A e F (as últimas não abordadas), existem

inúmeras outras resinas como as resinas Novolac, resinas trifuncionais, tetrafuncionais e resinas

cicloalfilicas. Cada uma com as suas vantagens, desvantagens, e propriedades funcionais

características. Fugindo ao plano traçado para este projeto a sua abordagem em pormenor,

podendo esta ser realizada por parte do leitor em referências como (Morgan 2005), ou

(Goodman 1999). É possível serem usadas combinações destas, de modo a obter as

propriedades finais após cura desejadas ou especificadas pelo projetista.

Antes de aprofundar mais a temática das resinas epoxídicas, façamos uma comparação

entre estas e as restantes concorrentes. Como principais propriedades de aplicação das resinas

epoxídicas temos:

Resina Termoendurecível que reúne as melhores propriedades mecânicas (resistência

mecânica, módulo, resistência ao corte e dureza) após cura; (António, Lucas et al. 2013)

Excelente capacidade de adesão e impregnação de superfícies e fibras devido à sua

polaridade. Boa relação com reforços do tipo fibras. Permitindo uma elevada

impregnação das fibras, especialmente das fibras de carbono e de vidro. Daí a sua

utilização em compósitos ditos avançados; (Goodman 1999)

Contração térmica após cura muito reduzida, o que permite tolerâncias geométricas e

dimensionais bastante apertadas bem como diminui os defeitos pós-cura; (Morgan 2005)



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MNM 2015/2016

Ausência de libertação de voláteis durante o processo de cura, ao contrário de resinas cuja

cura se dê por condensação, como as resinas fenólicas. A condensação destas provoca a

libertação de vapor de água. Esta volatilização de constituintes implica adaptações

tecnológicas ao seu processamento, bem como pode diminuir a capacidade de adesão;

Grande resistência a condições altamente alcalinas, solventes ligeiramente ácidos e óleos

industriais; (Goodman 1999)

Boa resistência a altas temperaturas, contudo são ultrapassadas pelas resinas melamínicas

(MF – Melamine Formaldehyde). (Design 2015)

Reduzida libertação de vapores com cheiros desagradáveis para o operador*

(ver tópicos de desvantagens);

Grande variedade de resinas, endurecedores e diluentes no mercado. Associada a uma

grande facilidade de, com diferentes combinações de sistemas de reação, cobrir um

enorme espetro de propriedades finais. Esta caraterística irá mais tarde surgir como uma

hipotética desvantagem, sendo justificada nessa altura;

Elevada impedância para isolamento elétrico; (António, Lucas et al. 2013) (Goodman

1999)

Procurando-se também dar um panorama geral das resinas termoendurecíveis. As

desvantagens, ou particularidades menos positivas destas resinas, serão enunciadas sempre que

possível duma forma comparativa:

Apresenta-se no mercado como uma das resinas mais caras. Em aplicações em que os

requisítos mecânicos não sejam tão elevados estas têm sido subtituidas por resinas de

Viniléster mais económicas; (António, Lucas et al. 2013), (Design 2015)

Elevada comnplexidade de processamento e preparação. A grande oferta quer de resinas,

quer de endurecedores, associada a um cuidado adicional na preparação dos sistemas

epoxídicos (necessidade de calculo das quantidades relativas de reagente) implica um

elevado conhecimento técnico por parte do operador. Para além do que as resinas

epoxídicas apresentam grande sensibilidade ao agente de cura. Surgindo assim no

mercado outras opções mais redutoras em termos de combinações possíveis para o

sistema de reação, contudo de preparação também mais simples. Como exemplo podemos

referir as resinas de viniléster ou até poliéster insaturado, cuja elaboração é

significativamente mais fácil, podendo ser preparadas pelo público comum. Como já foi

referido, esta particularidade pode ser considerada também uma vantagem. Isto porque

premite a um operador de elevada experiência, manipular com grande versatilidade as

propriedades mecânicas e térmicas finais da resina após cura; (António, Lucas et al. 2013)

Muitos dos diluentes usados para a redução da sua viscosidade apresentam um elevado

grau de toxicidade para o operador, podendo causar irritações dermatológicas graves.

(Design 2015). O quarto tópico, enunciado anteriormente, referia-se apenas à resina

propriamente dita, bem como à sua cura sem necessidade de recorrer a diluentes ou

solventes;



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Fraca resistência à radiação UV. A sua exposição a radiação UV com níveis energéticos

moderados provoca descoloração superficial; (Design 2015)

Baixa resistência química a ácidos orgânicos e a organoclorados (hidrocarbonetos ligados

covalentemente a pelo menos um átomo de cloro)

Redução de propriedades mecânicas sob condições de elevada temperatura e humidade

relativa (perdas significativas a partir de T>120ºC e H.R > 95% para a maioria das resinas

de epoxidos sem carga);

Elevada expansão térmica e reação de cura altamente exotérmica, sendo necessário um

controlo apertado do ciclo térmico a ser aplicado, bem como das quantidades relativas de

endurecedor e resina. Para que a temperatura atingida não provoque o que na literatura

inglesa é designado por resin cure cracking devido a um aquecimento descrontolado

(uncontrolled exothermic reaction).

A sua considerável viscosidade, com exceção das resinas modificadas ou com adição de

diluentes, necessitam de uma pós-cura, mais ou menos intensa, para obter as suas

propriedades mecânicas últimas; (Morgan 2005)

Informação não referenciada especificamente (Goodman 1999)

Quanto à sua aplicabilidade, podemos dizer que é uma das resias mais versáteis

disponíveis. As resinas epoxídicas apresentam cerca de cinco grandes campos de aplicação:

Construção;

Adesivos estruturais e bonding;

Coating ou Revestimento;

Reparação;

Indústria elétrica e eletrónica.

Na construção, o exemplo qua salta mais à vista é a sua aplicação em materiais compósitos.

Segundo (Morgan 2005) 90% dos compósitos avançados apresentam matriz numa resina

epoxídica. Estes compósitos variam desde aplicações de alto risco como para a indústria

aeronática, grandes componentes em volume, como cascos de embarcações de recreio, até

equipamentos desportivos como raquetes, componetes de bicicletas e pranchas dos mais variados

desportos. (Goodman 1999)

Figura 35: Exemplos ilustrativos de

possíveis aplicações construtivas das

resinas epoxídicas. Em que da esquerda

para a direita temos: Raquete da Avant® em

compósito laminado de fibra de carbono de

matriz em resina epoxídica, e forqueta

rígida de bicicleta de estrada da Essor® em

matriz epoxídica reforçada com fibra de

carbono.



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MNM 2015/2016

Como adesivos estruturais e técnicas de bonding encontram grande procura na indústria

automóvel e aeronáutica. Isto deve-se à sua grande capacidade de adesão e resistência ao corte.

Substituindo progressivamente processos tecnológicos mais dispendiosos e trabalhosos como a

rebitagem ou soldadura. Permitindo reduções de peso significativas e melhoria das

comportamentos mecânicos e resposta em caso de colisão. (Goodman 1999)

Segundo (Goodman 1999), cerca de 50% em massa das resinas de epoxido produzidas a

nível mundial encontam como aplicação coatings e resvestimentos. Percentagem que tem vindo

a diminuir continuamente com a absorção destas resinas pelo campo dos adesivos estruturais.

Propriedades como resistência à corrosão elevada, dureza superficial e grande capacidade de

adesão na maioria das superfícies tornam estas resinas especialmente atratívas para estas

aplicações.

Figura 36: Robo industrial a aplicar resina

epoxídica desenvolvida pela Dow Automotive

Corporation®. A adesão será feita entre a porta e o

próprio chassi do carro. Dow Automotive

Corporation®

Figura 38: Aplicação de um

coat intermédio a um navio

mercante. Estas resinas

também podem ser usadas

como primários. Cortesia da

Hempel®

Figura 37: Revestimento protetor de convergente

de águas sanitárias. Cortesia da George Green®

Nota: Estes revestimentos epoxídicos

são geralmente usados como layers

intermédias ou primárias devido à sua

reduzida resistência à radiação UV.

Originando o que na gíria designa-se

por envelhecimento da pintura.

Havendo um amaralecimento gradual e

até cracking da pintura.



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MNM 2015/2016

Para além das aplicações mencionadas estas também são usadas para pavimentação,

nomeadamente em pavimentos industriais.

A reparação de componentes já danificados, requer por parte de uma resina boa aderência

em qualquer superfície e propriedades mecânicas pelo menos idênticas ao do material base.

Muitos kits de reparação já se encontram acessíveis ao público. Pranchas de vários desportos (surf,

snowboard, etc...), cascos de pequenas embarcações e componentes vários encontram nas resinas

epoxídicas uma solução de reparação viável. Contudo, o seu campo de aplicação não é limitado

a corpos de pequenos volumes ou baixas solicitações mecânicas. Como será evidenciado nas

imagens seguintes, estruturas em betão podem também ter como solução reparativa a aplicação

deste tipo de resinas.

Figura 39: Piso industrial em resina epoxídica

da Weg®. Por vezes este tipo de aplicação das

resinas epoxídicas são consideradas como casos

de coating ou revestimento.

Figura 40: Reparação da quilha de uma

embarcação de vela ligeira em madeira. WEG

System®

Figura 41: Reparação de utilitários, no

caso uma cadeira de interior, usando um

kit de resina amador da WEG System®

Figura 42: Sequência ilustrativa da técnica de injeção de resina

para reparação de fendas em betão. Imagens cedidas pela WEG

System®



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MNM 2015/2016

Para finalizar o estudo das suas aplicações apenas falta mencionar o seu papel na indústria

elétrica e eletrónica. Estas prendem-se essencialmente com a sua impedância elétrica e térmica

bem com a sua resistência mecânica. Propriedades mais apreciadas em aplicações como placas

de circuitos integrados, discos isoladores, encapsulamento de componentes eletrónicos, etc... E

não tanto como propriedade utilização em aplicações de engenharia mecânica. Nas figuras

seguintes ilustram-se alguns destes exemplos.

Os sistemas epoxídicos são geralmente sistemas de duas partes. Tal como ilustrado no

esquema seguinte.

Parte A Parte B

*Aditivos cuja mistura pode ser quer no grupo A ou B

Figura 44: Exemplo e esquema representativo de um

isolamento elétrico realizado com recurso a uma

resina epoxídica. MasterBond®

Figura 43: Exemplo de ligação de

omponentes de natureza distinta, neste

caso temos um componente eletrético

essencialmente metálico a ser ligado por

uma resina epoxídica a um componente

polimérico. MsterBond®

Resina Epoxídica

Diluentes Reativos

Endurecedor

Aceleradores de cura

- Diluentes não Reativos ou solventes

- Cargas (Fillers)

- Pigmentos e corantes

- Aditivos reológicos

- Modificadores de propriedades

- Modificadores de processabilidade

Figura 45: Organograma de um sistema de mistura epoxídico genérico. Esquema construido pelos autores,

baseado em (Goodman 1999)



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MNM 2015/2016

Uma primeira parte formada essencialmente por um resina epoxídica que pode ser

misturada com um diluente reativo.

Estes são adicionados caso seja necessário uma redução da viscosidade da resina original,

como por exemplo, para processos de RTM de difícil impregnação das fibras por complexidade

geométrica. Estes diluentes reativos consistem em resinas epoxidicas de muito baixa viscosidade

e/ou resinas monoepoxídicas (com um único grupo epoxido). Daí a sua designação de diluentes

reativos, já que irão também eles reagir com o agente de cura. Influenciando tanto as propriedades

finais da resina, como as quantidades estequiométricas a calcular para a reação. Para além de

comportarem-se como solventes, estes promovem uma menor reticulação, diminuindo

propriedades como resistênica química e térmica, bem como prorpiedades mecânicas.

Consequentemente, estes geralmnente são aplicados em reduzidas concentrações.

O que geralmente designa-se por parte B do sistema de reação ou agentes de cura, consiste

num endurecedor e um sistema catalítico.

A cura da resina, segundo (Lee and Neville 1967), numa perspetiva de balanço

macroscópicco, consiste na transformação de um reagente com grupos epoxídicos funcionais em

estado termoplástico, num produto final termoendurecível sólido. A nível molecular, consiste

numa reticulação molecular, por ligação tridimensional mais ou menos densa entre as várias

moléculas. Esta reticulação pode se dar por uma reação de homopolimerização e/ou por

heteropolimerização. Na primeira os grupos –OH das moléculas de pré-polímero reagem com os

grupos epoxidos das restantes moléculas, ocorrendo assim reticulação entre estas. Na formação

de um heteropolímero, os reagentes de cura participam como reagentes co-reativos. Fazendo estes

parte, no final da reação, das ligações tridimensionais formadas.

Segundo (Goodman 1999) a designação de agentes de cura apenas deve ser aplicada, de

forma correta, ao sistema de cura. Dividindo-se este em agentes de cura catalíticos e co-reativos.

Aos químicos usados para reticulação por reação catalítica dita convencional, atribui-se a

designação de catalizadores. Estes entram em reações intermédias, não entrando apenas na reação

dita global do sistema. Pertencendo assim ao sistema catalítico, estes compostos apenas

aumentam a velocidade de reação. Os endurecedores, ao contrário dos catalizadores, entram de

forma física, na rede tridimensional final, designando-se assim como agentes de cura co-reativos.

Do mesmo modo que há inúmeras resinas epoxídicas, há uma enorme variedade de agentes

de cura, que contribuem de forma significativa para as características dos produtos finais. Dentro

dos endurecedores mais usados temos os:

Alcalinos - bases de Lewis, aminas primárias e secundárias alifáticas, adutos de aminas,

aminas cíclicas, aminas aromáticas, outras aminas e poliamidas;

Ácidos – ácidos de Lewis, fenóis, ácidos orgânicos, anidridos cíclicos entre outros.

Cada agente de cura endurecedor apresenta vantagens e desvantagens, bem como

propriedades de utilização características. A abordagem detalhada de cada um destes

endurecedores não será aqui realizada. Uma vez que foge à filosofia deste projeto, de fornecer

quer ao leitor quer aos próprios autores, uma ferramenta de estudo que aborde com um grau de

profundidade intermédio este tipo de resinas. Em termos de volume de utilização, as aminas são

claramente os reagentes de cura com maior expressão atualmente. Para uma abordagem detalhada

de cada um dos endurecedores (Hardeners), consultar (Lee and Neville 1967, Cheremisinoff

1989).



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MNM 2015/2016

O restante conjunto de aditivos, consoante o tipo de resina e endurecedor, bem como do

próprio fabricante, pode encontrar-se já adicionado a qualquer um dos lados do sistema de reação.

Se não foi viável uma abordagem em profundida dos elementos anteriormente referidos, existindo

uma infinidade destes compostos, muito menos será neste caso. Limitar-nos-emos a referir

algumas propriedades de utilização de cada um destes compostos.

Diluentes não reativos ou solventes - Ao contrário dos diluentes reativos, estes durante a

reação de cura ou reticulação, evaporam. Consequentemente estes solventes não são

integrados na estrutura reticular da resina termoendurecída sólida, não influenciando

assim significativamente as propriedades finais. Estes diluentes podem ser usados como

solventes na verdadeira assunção da palavra, ou ainda como produtos de limpeza de

moldes. Como exemplos destes podemos referir óleos de hidrocarbonetos e bisfenois.

Cargas (Fillers) - Convém esclarecer que estas cargas aqui consideradas não serão de

reforço (Reinforced Fillers), estes elementos de reforço entram no domínio dos

compósitos. As cargas típicas têm funções não estruturais, na sua maioria de maior

interesse para a indústria da eletrónica. As metálicas, constituidas geralmente por pós

metálicos, têm como função aumentar a condutividade térmica e elétrica. Cargas de

alumina, permitem aumentar a condutividade térmica da resina ou matriz caso esta se

encontre na forma de compósito. Já as de mica potenciam a resistência elétrica. São

também aplicadas cargas com outras finalidades, nomeadamente para a redução de custos

(carbonato de cálcio, sílica) ou ainda para lubrificação natural (pós de grrafite). É no

entanto prestar atenção ao fato de com o aumento da percentagem de cargas, normalmente

a viscosidade e dificulta o processo de conformação e por vezes a cura.

Pigmentos e Corantes - Para alem da função óbvia de conferir cor e opacidade à resina,

determinados pigmentos permitem retardar o aparecimento dos sinais de ataque da resina

por radiação UV. A principal diferença entre pigmentos e corantes, reside no fato do

primeiro não se dissolver no composto a tingir, sendo que esta distinção por vezes nem é

feita na literatura da especialdiade. Existem inúmeros compostos de coloração, sendo

possível apenas enunciar alguns a título de exemplo:

o Óxido de ferro (amarelo-vermelho)

o Óxido de crómio (verde)

o Óxido de zinco (branco)

o Indantreno (Azul)

o Preto de carbono (Preto)

Modificadores de Propriedades – Como principais modificadores temos outras resinas

como poliuretanos, silicones, acrilicos ou poliesters. O princípio base consiste na adição

de uma dada resina que apresente comportamentos mais favoráveis do que a resina

epoxídica base em relação à propriedade que se pretende melhorar. De entre as

propriedades que geralmente se pretende manipular encontram-se a resistência ao

impacto, adesão interlaminar e superfical e resistência ao corte.

Modificadores da processabilidade – Os principais elementos adicionados ao sistema de

reação têm como funções: desoxidação e desgasificação para minimizar a presença de

defeitos e vazios; e ainda a desfloculação para facilitar a desmoldação do componente.

(Goodman 1999)



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MNM 2015/2016

Compósitos de Matriz Polimérica

Generalidades de Compósitos

Segundo (Lee 1995) um compósito é um material multifásico, resultado de uma

combinação, mais ou menos complexa em termos tecnológicos, de materiais distintos. Esta

diferença pode ser relativa à geometria e/ou composição. Permanecendo os materiais base ligados,

mas mantendo sempre a sua identidade e propriedades. Estes materiais base comportam-se como

se de uma reação sinergética se tratasse, conferindo ao compósito propriedades superiores à dos

materiais base na sua forma isolada.

Na bibliografia atual existem cerca de duas classificações de compósitos mais comuns e

de algum modo complementares. São a sua classificação quanta à natureza da matriz, e quanto à

natureza dos reforços.

Existem essencialmente três tipos de reforços: Reforços de fase de Fibra, Reforços de

partículas e Reforços estruturais. O esquema seguinte pretende expor de forma sucinta estes três

tipos bem como lançar alguns exemplos. (António, Lucas et al. 2013)

Classificação dos Compósitos

quanto à natureza do seu reforço

Compósitos Reforçados

com Partículas Compósitos Reforçados

com Fibras (Fase) Compósitos Estruturais

Partículas de Elevada Dimensão. Ex: - Betão: Matriz- Cimento;

Reforço- Agregado

(Cascalho/areia);

- Mistura Asfáltica: Matriz-Betume;

Reforço-Pedra Britada e areia;

- Compósito dos Pneus: Matriz-

elastómero; Reforço-Partículas de

Negro de Fumo

Partículas Dispersas: Ex: - Cermet de Cu-W: Matriz- Cobre ;

Reforço- Partículas de W

- Matriz de alumina reforçada com

grãos de mulite para aumento da

resistência à fratura

Fibras Descontínuas:

- Alinhadas

- Aleatórias

Fibras Contínuas: - Unidireccional Tape

- Tecido Bidirecional (woven,

nonwoven, knitted, braided,

etc...)

- Entrelacamento 3D

Estruturas em Sandwich

- Interior em espuma

- Interior em favo de

abelha

Laminados

Ex:

- Trilaminado de SiC e

grafite na camada

interior

Figura 46: Esquema ilustrativo da

classificação do tipo de compósitos baseado

na natureza dos reforços. Material construído

pelos autores baseado em (Cha 2013),

(António, Lucas et al. 2013).



56

MNM 2015/2016

O reforço tem como principais funções a absorção dos esforços de carregamento,

apresentando geralmente resistências mecânicas e módulos superiores ao material da matriz.

Os compósitos reforçados com partículas de grande dimensão têm por objetivo aumentar a

resistência à abrasão da matriz e redução de custos. Propriedades mecânicas como resistência

mecânica e tenacidade podem ser ligeiramente aumentadas, mas nunca de forma significativa.

O objetivo do reforço com partículas dispersas depende essencialmente da natureza da

matriz. No caso dos Cermet’s (compósitos de matriz metálica reforçados com partículas de

cerâmicos técnicos) o objetivo principal consiste na melhoria significativa da dureza da matriz,

bem como do aumento da sua resistência por um processo análogo a uma precipitação estrutural

como acontece nas ligas de Alumínio da série 7XXX. As finas partículas dispersas na matriz

metálica irão dificultar o movimento das deslocações e a propagação da fenda, obtendo-se assim

um material de maior resistência mecânica e resistência à fratura.

O esquema seguinte ilustra de forma clara e sintética o modo como as partículas

cerâmicas, neste caso de Nitreto de Carbono, são envolvidas pela matriz

Olhando agora para compósitos de matriz cerâmica, técnicas como Grain Localized

Bridging (GLB) ou introdução de Heterogeneidades estruturais têm como objetivo a obtenção de

um compósito que conserve os bons desempenhos dos cerâmicos em termos de dureza e

resistência, mas que diminui-a a fragilidade intrínseca a estes materiais. As partículas dispersas

atuarão como microfissuradores (divisão da fissura em várias fendas de menor dimensão) e

deflectores da fissura (a presença de partículas dispersas obriga a fenda a percorrer caminhos mais

sinuosos, atuando como um absorsor de energia), aumentando assim a sua resistência à fratura e

tolerância ao dano. (Sarin 2014)

Figura 47:Ferramentas de corte de compósito do

tipo Cermet. Com matriz metálica de Níquel (Ni)

reforçado com partículas de Carboneto de Titânio

(TiC). Ferramentas com revestimento (a dourado)

e sem revestimento (a cinzento) da Tungaloy

Corporation®.

Figura 48: Esquema representativo de um compósito de cermet cedido pela SANDVIK®



57

MNM 2015/2016

Nos compósitos reforçados com fase fibra, esta pode ser de quatro tipos: Varões, Fibra

propriamente dita, monofilamentos e Whiskers. A diferença reside principalmente na ordem de

grandeza da dimensão do diâmetro do reforço. Geralmente os varões são de diâmetros da ordem

dos mm ou cm, e são basicamente materiais metálicos. As fibras podem apresentar diâmetros da

ordem de grandeza entre os 5 e 20 µm , podendo ser constituídas por materiais poliméricos (por

ex: Fibras de aramida), materiais cerâmicos (por ex: Fibras de SiC), materiais inorgânicos (por

ex: Fibras de vidro E, C, S), carbono (Fibras de Carbono HM, HR) e até mesmo materiais

orgânicos e naturais (Fibras de Celulose, etc...). Os monofilamentos (SiC, boro, etc...) são muitas

vezes inserido nesta classificação de fibras. Os whiskers monocristalinos são materiais geralmente

de origem artificial, existindo contudo Whiskers inorgânicos naturais. São elementos

monocristalinos, produzidos por um crescimento de grão induzido de modo que não haja

nucleação. Estes materiais sem defeitos cristalinos apresentam um excelente desempenho a

elevadas temperaturas. Como exemplos temos os Whiskers de SiC. Importa notar que o preço

médio aumenta no sentido pelo qual os tipos de reforços foram descritos. (António, Lucas et al.

2013),

Nota: Para mais informação sobre a tecnologia de entrelaçamento de fibras consultar o capítulo de revisão

bibliográfica correspondente aos Pré-impregnados.

Atualmente existe uma grande aposta na investigação de nanotubos de carbono (CNT’s)

bem como de nanoargilas, contudo este tipo de reforços foge a qualquer aplicação que este

trabalho tenha como objetivo o seu estudo. (António, Lucas et al. 2013)

Dentro dos compósitos estruturais, temos os compósitos laminados, que consoante o tipo

de material utilizado, estes terão diferentes objetivos. No caso dos laminados cerâmicos, mais

especificamente dos trilaminados de cerâmicos, o objetivo principal é o aumento da tenacidade e

tolerância à fratura destes materiais. Geralmente as camadas exteriores apresentam maior

resistência e dureza do que a camada interior, à qual cabe a função de potenciar a resistência à

fratura da estrutura. A introdução destes compósitos surge precisamente no âmbito das

técnicas/processos de melhoria da tolerância à fratura dos cerâmicos (onde se encontram várias

outras técnicas já aqui mencionadas). Exemplo destes materiais é o trilaminado de SiC e grafite,

estando esta última na camada interior do laminado (justificada pelo princípio anteriormente

mencionado). (António, Lucas et al. 2013)

A aplicação de compósitos em sandwich tem vindo a aumentar progressivamente no

decorrer do século. Indústrias de ponta como a aeronáutica já recorrem a painéis de pele de PEEK

reforçado com fibras de carbono e interior em favo de abelha de alumínio ou aramidas. Este tipo

de construção foi alvo dos primeiros estudos a partir de 1920, devendo-se o patenteamento do

conceito de compósito estrutural a Von Kármán (1924). (Gagliardo and Mascia 2010)

Geralmente um compósito de estrutura em sandwich é constituído por duas camadas ou

placas paralelas, designadas por peles, que envolvem no seu interior um material de elevado

volume e baixa densidade. Geralmente em favo de abelha ou espuma, este núcleo confere a

elevada rigidez característica destes compósitos, bem como absorve grande parte das tensões de

corte. Já as peles, potenciam o bom comportamento à flexão, absorvendo a maioria das tensões

normais, quer de tração ou compressão consoante o momento fletor aplicado. O comportamento

mecânico destas estruturas pode ser comparado, com alguma perda de generalidade e rigor, com

o comportamento de uma viga em I. Nas figuras seguintes pretende-se ilustrar precisamente estas

semelhanças físicas, bem como dar alguns exemplos deste tipo de compósitos. (António, Lucas

et al. 2013), (Gagliardo and Mascia 2010)



58

MNM 2015/2016

Notas: Uma análise pela Teoria de Timoshenko ou de ordem superior (é necessário

contabilizar as forças de corte provocadas pelo esforço transverso) poderia ser

aplicada à viga, sendo necessário considerar apenas a diferença de propriedades

mecânicas entre os dois materiais. Por outras palavras, aplicar-se-ia a teoria das

vigas compostas muito usada em engenharia civil. Tal como a alma da viga em I,

o núcleo em espuma ou favo de abelha absorve a maioria das tensões de corte.

Enquanto que os banzos, o equivalente às peles nestes compósitos, suportam

grande parte das tensões normais de flexão. (Gagliardo and Mascia 2010), (Gomes

2004)

Este exemplo de um caso de estudo destes compósitos não tem como objetivo

passar a mensagem de que a sua análise é de alguma forma tão simples como no

caso dos materiais metálicos de uso comum. A título de curiosidade foi realizado

um exercício meramente teórico de algumas semelhanças destes materiais com

casos relativamente comuns do dia-a-dia de um engenheiro. Obviamente que casos

mais complexos como painéis de material compósito em sandwich terão outro

tratamento teórico. Sendo que na maioria dos casos é necessário recorrer a métodos

de resolução numérica. Esta última particularidade do estudo de materiais

compósitos, mesmo com a evolução da capacidade de processamento dos atuais

computadores, apresenta-se como um dos principais dificultadores da sua

expansão; (Rezende and Botelho 2000)

A união do núcleo e das peles é realizada por um filme adesivo, que assegura a coesão dos

dois materiais, permitindo o funcionamento da estrutura como um todo. O núcleo em favo de

abelha apresenta várias soluções construtivas, como prensagem a quente ou por vácuo. Caso este

se apresente sob a forma de espuma, esta é geralmente produzida recorrendo a um expansor.


Figura 50: Representação simbólica de uma secção reta de uma viga

retangular em estrutura sandwich. Imagem construída pelos autores,,

baseada em (Gagliardo and Mascia 2010).

Figura 49: Perfil das tensões de corte, devido ao

esforço transverso, num perfil em I. (Gomes 2004)



59

MNM 2015/2016

Quanto à natureza da matriz, os compósitos podem ser classificados em compósitos de

matriz polimérica, metálica ou cerâmica. A função principal da matriz é distribuir o carregamento

aplicado, transferindo os esforços para o reforço, bem como assegurar a coesão das fibras. Em

alguma literatura menos cuidada do ponto de vista científico, para além de mencionada estas

funções base, é acrescentado que a matriz confere tenacidade ao compósito. O que nem sempre é

verdade, observando-se por exemplo os compósitos de matriz cerâmica. Ora, do ponto de vista da

ciência dos compósitos, é então plausível afirmar que a matriz, dependendo do seu material base,

influenciando as propriedades mecânicas como ductilidade, resiliência, módulo, ou até resistência

mecânica aumentando ou baixando o seu valor. Para além disso pode melhorar o acabamento

superficial do material, proteger de ataques químicos e desgaste as fibras e determinar a dureza

do compósito.

Atualmente não há dúvidas que em termos de volume de produção os compósitos de matriz

polimérica são os mais produzidos, daí muitas vezes atribuir-se à matriz o papel de potenciador

de tenacidade do compósito. (António, Lucas et al. 2013). O gráfico seguinte pretende ilustrar

precisamente esta realidade no caso particular dos compósitos reforçados com fibras de carbono

(fibra com maior expressão no setor da indústria das bicicletas de alto pereformance).

Nota: Não raramente, a designação de matriz cerâmica inclui matrizes de cerâmicos

vítreos, cerâmicos técnicos ou avançados, e o carbono. Contudo os compósitos

Matriz Carbono-Reforço Carbono têm ganho maior importância devido à redução

de custos de produção destes materiais. Daí a particularização feita para as matrizes

de carbono no estudo realizado em (Witten, Kraus et al. 2014). Continuando

contudo a ser apenas utilizados em aplicações muito específicas e restritas.

Em termos de volume de produção (em toneladas), as percentagens relativas são

ligeiramente alteradas. Isto justifica-se por custos dos processos produtivos

distintos bem como a existência de normas que apresentam critérios de inspeção e

controlo de qualidade com exigências também próprias de cada matriz. As matrizes

metálicas, cerâmicas e de carbono são geralmente usadas para componentes da

indústria aeroespacial ou de engenharia de elevada performance. (Buckley and

Edie 1993).

Figura 51: Pie chart que representa o volume de negócios relativo de compósitos

reforçados com fibra de carbono produzidos em função da matriz usada (estimativa global).

Adaptado de (Witten, Kraus et al. 2014)



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MNM 2015/2016

Apesar de se poder pensar que existem teoricamente um número de combinações de matriz-

reforço a tender para infinito, a relação matriz-reforço obedece a alguns parâmetros bem

definidos. Um fator de compatibilidade por vezes ignorado é a diferença entre o coeficiente de

dilatação da matriz e do reforço. Coeficientes de dilatação térmica muito distintos, principalmente

durante o processo de fabrico mas também em funcionamento, irão originar tensões internas que

podem diminuir consideravelmente o tempo de vida útil do material. Um outro aspeto a ter em

consideração é o objetivo com que é fabricado um determinado compósito.

Geralmente quando se trabalha com matrizes cerâmicas, pretende-se colmatar a sua falta

de ductilidade e tenacidade ao choque, reforçando-as para isso com fibras com um elevado

desempenho nesses aspetos (fibras de vidro (E), fibras de carbono e por vezes fibras de SiC). Este

tipo de compósitos encerra características favoráveis a campos de aplicação com elevadas

temperaturas de serviço (indústria aeronáutica e aeroespacial).

Já as matrizes metálicas são habitualmente de ligas leves, como alumínio, magnésio ou

titânio com dureza, rigidez, e resistência à abrasão reduzidas. Como elementos de reforço utilizar-

se-ão fibras de SiC ou alumina, filamentos de SiC ou boro e partículas de SiC ou alumina. Quer

sob a forma de fibras, monofilamentos ou partículas dispersas, o objetivo será aumentar a

resistência à abrasão, dureza e de maneira menos acentuada a sua estabilidade a altas temperaturas

por introdução de cerâmicos técnicos de elevado desempenho nestas propriedades. Devido à

elevada reatividade dos metais podem ocorrer fenómenos associados a altas temperaturas que

modificam a interface matriz-reforço, dificultando a sua adesão. Daí que a melhoria em relação

às propriedades térmicas da matriz não se dê na mesma proporção que as propriedades mecânicas.


Um caso particular dos compostos carbono-carbono, são os compósitos fibra de carbono-

matriz de carbono. Estamos a falar de compósitos de muito alta performance e de muito elevado

custo. O propósito do seu fabrico é a obtenção de materiais de muito elevada resistência e rigidez

mesmo a altas temperaturas (até 1700ºC), ótima estabilidade química a elevadas temperaturas,

baixos coeficientes de expansão térmica (de modo a diminuir as tensões internas induzidas

termicamente), boa resistência ao choque térmico e boa tolerância ao impacto. Para além do seu

preço impeditivo para inúmeras aplicações, estes materiais apresentam outras desvantagens.

Associado ao custa de produção surgem tempos da fabrico excessivos, tanto no fabrico da matriz

como das fibras. Fora ainda destas limitações económicas temos uma necessidade de revestimento

destes materiais por processos de coating, uma vez que apresentam resistências à oxidação

moderadas a muito elevadas temperaturas. (Chawla 2012)

As fibras de carbono são fabricadas pelos processos convencionais que serão referidos

posteriormente no subcapítulo destinado aos compósitos de matriz polimérica reforçados com

fibras de carbono. O aspeto mais interessante é precisamente a formação da própria matriz. Em

termos industriais existem duas formas de obtenção de uma matriz de carbono. Pelo processo de

Deposição química em fase de Vapor (CVD) ou pela carbonização de um sólido ou líquido

orgânico como uma resina polimérica.

O processo de CVD consiste na infiltração por deposição de um substrato de carbono que

reage com um hidrocarboneto gasoso. As reações químicas presentes são de elevada

complexidade e existem inúmeros processos tecnológicos para realizar esta deposição (isothermal

gradient, pressure gradiente, pressure pulsation, etc...) que fogem ao âmbito desta monografia.



61

MNM 2015/2016

A título de curiosidade ilustra-se o processo de CVD sem gradiente de temperatura.

(Buckley and Edie 1993)

(Chawla 2012)

A carbonização de uma matriz orgânica inicia-se de forma semelhante a um processo de

cura de uma fibra pré-impregnada de resina polimérica. Após a impregnação das fibras secas,

estas são curadas a temperaturas bem definidas para cada matriz. Seguidamente estas são sujeitas

a uma pós-cura com gradiente de temperatura positivo. Com o aumento da temperatura a fase

orgânica decompõe-se em produtos secundários voláteis e compostos de carbono. Findado o

processo de pyrolisis o material é sujeito a uma série de ciclos de impregnação e carbonização até

se atingir a densidade desejada. Na figura seguinte ilustra-se uma aplicação de alta

responsabilidade deste tipo particular de compósitos, onde se evidencia a necessidade de

resistência a elevadas temperaturas.

Figura 52: Esquema representativo de um processo

de Deposição química por fase de Vapor (CVD) em

condições de isothermal Gradient. (Buckley and

Edie 1993)

Figura 53: Ampliação sob a

forma de esquema de uma

garganta do sistema de escape

de uma nave aeroespacial

produzida pela CTA.

Evidenciando-se o uso de

compósitos carbono-carbono

e de matriz polimérica

reforçada com Fibra de

carbono. (Rezende and

Botelho 2000)



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MNM 2015/2016

Feita uma pequena introdução ao mundo dos compósitos, não podendo deixar-se de

referir que este apresenta ainda várias oportunidades a explorar, iremos agora focar-nos

precisamente no tipo de compósitos que vêm no segmento deste trabalho, os compósitos de matriz

polimérica.

As matrizes poliméricas podem ser constituídas de polímeros termoplásticos ou

termoendurecíveis. Sendo estas últimas, atualmente, significativamente mais usados que os

termoplásticos. Contudo, segundo (Witten, Kraus et al. 2014) a tendência é precisamente o

aumento da produção e consumo de compósitos de matriz termoplástica.

Uma matriz em termoplástico apresenta vantagens e desvantagens face às principais

concorrentes em termoendurecíveis. Em primeiro lugar as propriedades mecânicas e térmicas dos

termoplásticos obviamente que se farão sentir no compósito. Em média estas matrizes irão

conferir ao compósito melhores valores de tenacidade, perdendo para o termoendurecíveis em

propriedades como rigidez e resistência mecânica. A estabilidade mecânica a temperaturas mais

elevadas também será penalizadora para a maioria dos compósitos em matriz termoplástica. Como

exceção podemos enunciar as matrizes em PEEK, cuja temperatura máxima de serviço varia entre

os 239ºC e os 260ºC. (Design 2015)

Contudo, existem características tecnológicas de processabilidade que tal como referido

em (Witten, Kraus et al. 2014) estão a impulsionar a investigação e investimento neste tipo de

matrizes. Tópicos como:

Tempos de processamento mais reduzidos;

Ausência de reação química para solidificação (diminuindo problemas de saúde face à

produção de termoendurecíveis) (Harris 1953)

Tolerância ao dano e resistência ao impacto bastante interessantes;

Armazenamento pré-cura muito facilitado (não há necessidade de armazenamento em

câmaras frigoríficas);

Boa capacidade de conformação e soldadura (plastic welding of semi-products, obedece

à ISO472);

Boa reciclabilidade sem necessidade de envolver processos químicos.

Os compósitos de matriz polimérica em termoendurecível ocupam um espaço confortável

no espectro de utilização de materiais de construção desde finais do séc. XX. Ora, estas matrizes

apresentam naturalmente vantagens intrínsecas em relação às termoplásticas bem como

apresentam alguma superioridade por incapacidade de processamento destas últimas. Em

contraste com as matrizes termoplásticas estas são caracterizadas por:

Propriedades mecânicas como rigidez e resistência superiores;

Baixa absorção de humidade;

Boa estabilidade dimensional e comportamento a temperaturas elevadas;

Maior flexibilidade de design de geometrias complexas;

Custo geralmente inferior;

Grande espetro de oferta de sistemas de matrizes, fornecedores e processos

produtivos.

(Witten, Kraus et al. 2014), (Silva 2005)



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MNM 2015/2016

Contudo, foram as exigências de resistência ao dano cada vez mais apertadas, a necessidade

de cadências produtivas maiores e a ultrapassagem de alguns entraves produtivos da impregnação

das fibras (nomeadamente viscosidades elevadas após aquecimento, baixo fluxo de resina e ciclos

de transformação mais complexos e exigentes) que levarão à sua progressiva mas lenta

substituição pelas suas congéneres matrizes termoplásticas. (Silva 2005)



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MNM 2015/2016

Compósito de Matriz polimérica reforçada com Fibra de Carbono

Habitualmente designados na literatura técnica inglesa da especialidade por CRP (Carbon

Fibre Reinforced Plastics), este tipo de compósitos tem vindo a ganhar peso e influência como

material de eleição para uma miríade de aplicações. A figura seguinte pretende quantificar

precisamente esta evolução.

Notas: Os anos assinalados com (*) ou diferenciados graficamente por um tom de azul

mais claro, correspondem a projeções – estudo realizado no final do ano de 2014;

É possível observar um crescimento contínuo e progressivo da demanda por este

tipo de materiais, bem como projeções altamente positivas para o futuro deste tipo

de compósitos.

Detalhando agora as aplicações anteriormente referidas, podemos afirmar que tanto a

Indústria Aeronáutica/Aeroespacial como a Indústria do Desporto de Alta Competição foram as

primeiras a reconhecer o potencial destes materiais e a apostar em peso na sua aplicação.

Atualmente, com a evolução dos seus processos de fabrico e o aumento do número de produtores

e produtos disponíveis no mercado com consequente concorrência benéfica para o cliente e

indústria transformadora, este tipo de materiais tem já uma expressão muito significativa em

muito outras áreas. O aumento da capacidade de produção com elevadas cadências, possibilitou

a transferência de certos componentes da Indústria Automóvel ligada ao desporto de alta

competição (F1, carros desportivos, etc..) para o setor comercial comum e dos elétricos deste

setor. Com objetivos semelhantes aos da aeronáutica, com a agravante do fator corrosão, a

Marinha também recorreu aos CRP para o fabrico de muitos componentes presentes nas suas

embarcações como mastros e válvulas, bem como partes integrantes de embarcações. Na

construção civil a redução de custos dos CRC (Carbon Fibre Reinforced Concrete) tem

possibilitado a introdução destes materiais à partida mais direcionados para outras indústrias.

Figura 54: Estimativa do consumo anual global de CRP em milhares de toneladas por ano. (Witten, Kraus et al. 2014)



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MNM 2015/2016

O gráfico seguinte pretende quantificar esta distribuição das aplicações dos CRP em

termos volume de negócios, para além do que referir mais alguns exemplos das suas aplicações.

Notas: Volume de negócios em milhões de US$;

Volume total de negócios de 1700 milhões US$;

É possível constatar que o setor do desporto apresenta uma fatia significativa da

receita total gerada por estes materiais.

Analisando este panorama de forma mais centrada no tema do desporto, e tentando sempre

fazer um paralelo entre o volume de receitas gerado e o consumo efetivo, apresentamos o próximo

gráfico.

Figura 55: Estimativa do Volume de Negócios global, gerado pelos CRP, para o ano de 2014. (Witten, Kraus et al. 2014)

Figura 56: Estimativa

das receitas a nível

global geradas pela

Indústria do Desporto

por setor devido aos

CRP. (Witten, Kraus et al.

2014)



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MNM 2015/2016

Notas: Receitas em milhões de US$;

Volume de negócios total de 1470 Milhões de US$;

No caso da Indústria do Desporto não haverá grande discrepância quanto a este

aspeto. Contudo quando comparamos requisitos de segurança, regularidade de

inspeções e exigência das normas em vigor, de setores como a aeronáutica com a

construção civil ou mesmo com a indústria do deporto, de forma a evidenciar ainda

mais esta diferença, torna-se por vezes erróneo estabelecer este tipo de paralelismo;

Comparando com outros deportos é possível afirmar que os CRP já apresentam

uma expressão significativa na produção de componentes de velocípedes.

Na prática este tipo de compósitos tem a sua aplicação em componentes de bicicletas de

alta performance. Obviamente que a produção de produtos comerciais para a grande massa de

consumidores, que os adquire quer para fins de lazer, quer como meio de transporte, recorre a

materiais mais interessantes em termos de custo e cadência produtiva e custo da matéria-prima.

Já que as exigências de projeto estão mais orientadas para a vertente económica do que para o

comportamento mecânico do produto. Componentes como quadros e jantes de elevado

rendimento são produzidos em CRP, em detrimento de compósitos de matriz cerâmica ou

metálica abordados na subseção anterior. Esta seleção de materiais é justificada por:

Baixas temperaturas de serviço - as temperaturas máximas registadas à face da terra nunca

ultrapassaram os 58.5ºC desde que se tem registo;

Exigência de propriedades específicas elevadas - a densidade do material tem grande

importância por questões de competitividade do produto;

Rigidez específica elevada – de modo a diminuir ao máximo as perdas energéticas por

deformação elástica de componentes como o quadro ou as jantes, que afetam o

rendimento desportivo do atleta.

Referidas as propriedades de utilização deste tipo de materiais, com vista uma estruturação

lógica de pensamento, passaremos a abordar as propriedades e os meios produtivos dos materiais

base.

As fibras de carbono podem ser produzidas a partir da decomposição térmica de cerca de

três principais percursos orgânicos. As fibras de carbono produzidas a partir de fibras naturais

celulósicas, são geralmente mais caras devido às elevadas temperaturas de grafitização exigidas,

tornando o processo mais dispendioso. A decomposição térmica de alcatrão, origina fibras com

propriedades mecânicas significativamente inferiores às restantes. Ora, o percursor que reúne

melhores características, é o poliacrilonitrilo, sendo considerado o percursor de excelência para a

produção de fibras de carbono. Segundo (Witten, Kraus et al. 2014) a capacidade mundial de

produção de fibras de carbono (CF) à base de PAN era de cerca de 101200 toneladas por ano,

enquanto que à base de alcatrão era de pouco mais de 3400 toneladas por ano, sendo estas

produzidas essencialmente na China e Japão.



67

MNM 2015/2016

O processo de obtenção das CF à base de PAN compreende as seguintes etapas:

Formação de fibras de PAN por estiramento deste polímero, com consequente

alongamento e alinhamento das cadeias;

Ciclo térmico de oxidação destas fibras, em fornos de atmosfera oxidante (rica em

oxigénio) com temperaturas máximas de 300ºC. As condições termodinâmicas não se

limitam apenas ao aumento da temperatura, estando a fibra também sujeita a tensões de

tração; Este primeiro aquecimento tem como objetivo a reação dos grupos ativos de

nitrilo com consequente formação de uma estrutura em escada;

Ciclo térmico de Carbonização, agora em fornos de atmosfera neutra, as fibras são

sujeitas a temperaturas máxima de cerca de 1100ºC de modo a eliminar os átomos de

O,H e N restando apenas os átomos de carbono;

Ciclo térmico de Grafitização, na mesma em fornos de atmosfera neutra, a pirólise das

fibras obriga a temperaturas máximas até 1500ºC. O objetivo da pirólise centra-se no

aumento do grau de orientação molecular e da estrutura, obtendo-se materiais de

elevado módulo;

Tratamento Superficial, por reação das fibras com ácido nítrico ou sulfúrico, de modo a

potenciar a adesão da fibra com o reforço. Esta adesão é melhorada com a modificação

da interface fibra-reforço que consiste precisamente na superfície exterior da fibra.

(Morgan 2005)


As fibras de carbono são fibras altamente anisotrópicas, ao contrário por exemplo das fibras

de vidro. Esta anisotropia permite obter propriedades mecânicas excelentes no sentido da fibra,

com perda significativa quando analisadas na direção transversal à mesma.

Surge assim o conceito de utilização inteligente destas fibras, obrigando a um

dimensionamento rigoroso do produto e a um estudo prévio minucioso das possíveis cargas

aplicadas. Isto de modo obter-se sempre que possível fibras sujeitas nas suas direções

preferenciais. Para obter componentes mais isotrópicos basta cruzar diferentes alinhamentos de

fibras, geralmente a disposição escolhida é em matriz (fibras cruzadas a 90º). A configuração em

manta é claramente mais usada com outras fibras como por exemplo fibra de vidro.

As CF geralmente são classificadas quanto ao seu comportamento mecânico. Isto é, quanto

à propriedade que foi otimizada durante o seu processo produtivo, que é por fim quantificada no

rácio resistência-módulo. Designando este índice de mérito por β temos que:

𝛽 =𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 à 𝑡𝑟𝑎çã𝑜 [𝑀𝑃𝑎]

𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑌𝑜𝑢𝑛𝑔 [𝐺𝑃𝑎]∗ 10 % =

10∗𝜎𝑒

𝐸 %



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MNM 2015/2016

A etapa que define esta relação (para além de aspetos mais práticos como qualidade da

matéria- prima, exigências no controlo das condições do processo, etc...) será a pirólise. Quanto

maior a temperatura máxima do ciclo térmico, maior será o módulo da fibra, com consequente

perda de resistência mecânica e aumento ligeiro da fragilidade. Surgem assim:

Fibras otimizadas ao módulo:

Fibras otimizadas à tração:

(António, Lucas et al. 2013), (Design 2015)

Em termos de economia de mercado, segundo (Witten, Kraus et al. 2014) é possível

estimar uma demanda crescente por este tipo de fibras, tal como se evidencia no gráfico

seguinte.

Fibras de muito alto módulo (UHM) – E > 500GPa

Fibras de alto módulo (HM) – E > 300GPa e β < 1%

Fibras de módulo intermédio (IM) – E < 300GPa e β ≈ 1%

Fibras de baixo módulo (LM) – E < 100GPa

Fibras de alta resistência mecânica (HS)

σe > 3000MPa e 1.5 % < β < 2 %

Fibras de baixa resistência mecânica (LS)

σe < 3000MPa e β < 1.5 %

Figura 57: Estimativa do consumo de fibras de carbono mundial (em milhares de toneladas) por ano. (Witten, Kraus et al.

2014)



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MNM 2015/2016

Notas: O relatório presente foi elaborado no final do ano de 2014, estando os anos que

correspondem a projeções de consumo assinalados com (*) ou graficamente com

um tom de azul mais claro;

O gráfico especifica o consumo de fibras de carbono (CF), e não o consumo de

compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de carbono (CRP);

Analisando o gráfico conclui-se facilmente a existência de um panorama

altamente positivo para as CF, o que de algum modo é justificado pelas suas

propriedades mecânicas;

Analisando agora os sistemas matriciais compatíveis com estas fibras observamos que há

uma variedade relativamente grande destes no mercado. Olhando para os CRTP (Carbon Fibre

Reinforced Thermoplastics) polímeros como o PEEK ou Polimidas (PI) são utilizados como

matrizes neste tipo de compósitos. Contudo é importante realçar que atualmente a utilização deste

tipo de matrizes prende-se mais com aplicações para altas temperaturas, como componentes da

indústria aeroespacial, componentes de mísseis, etc... (Design 2015). Há no entanto empresas

como a Teijin® e a Torayca® que começam a introduzir outras matrizes termoplásticas em

componentes para a indústria automóvel e desporto alicerçando-se na reciclabilidade deste tipo

de materiais.

Dentro das resinas termoendurecíveis temos à disposição poliesteres e vinilester, mais

económicas mas com propriedades mecânicas inferiores às resinas epoxídicas. Estas últimas sim,

com maior expressão ao nível dos CRP. Estas principais resinas termoendurecíveis foram

devidamente abordadas no subcapítulo dos Polímeros termoendurecíveis, evitando-se agora nova

repetição. (António, Lucas et al. 2013)



70

MNM 2015/2016

Revisão Bibliográfica dos Principais Processos de Fabrico

usados na produção dos Componentes Selecionados


Alguns dos componentes tratados nesta monografia fazem uso de determinados processos

de fabrico genéricos que, depois de devidamente adaptados, são utilizados na fabricação do

devido componente. Estes processos de fabrico são, por si só, suficientemente complexos para,

por um lado, merecerem um texto explanatório e, por outro, para desviarem a atenção daquilo que

será o foco em capítulos mais avançados. Este capítulo consiste então num pequeno compêndio

de revisões de processos de fabrico utilizados na produção de alguns componentes numa tentativa

de não ocupar os capítulos dedicados a estes componentes com generalidades que poderiam gerar

alguma confusão para o leitor.

Em primeiro lugar explora-se, de forma sucinta e organizada, o vasto mundo dos pré-

impregnados. Procura-se explicar e abodar os conceitos fundamentais deste semiproduto cada vez

mais usado no setor desportivo do ciclismo. Os autores abordaram assim os seus principais

processos de fabrico, e as questões fundamentais como condições de conservação do produto,

tipos de reforços compatíveis com este semiproduto entre outros tópicos. Foi introduzido um

pequeno anexo que visa abordar de forma abrangente a forma que os reforços fibrosos podem

apresentar atualmente em mercado.

Por fim, devido à sua crescente importância quer como processo de fabrico de compósitos

quer de componentes em material polimérico termoendurecível, é abordado de forma teórica o

processo de transferência de resina RTM (Resin Transfer Molding). Aspetos como vantagens e

desvantagens são devidamente enunciados, procurando-se deixar para o capítulo da produção de

quadros os tópicos de natureza mais prática.



71

MNM 2015/2016

Pré-impregnados

Segundo (Lee 1992), um material pré-impregnado (prepreg), consiste num semiproduto

resultante da impregnação de um determinado tecido fibroso com uma resina parcialmente curada.

A resina encontra-se num estado evolutivo designado por estado B, que compreende o início da

reação de cura e um aumento significativo da viscosidade, permitindo assim o seu manuseamento

(ver estágios de reação de cura no capítulo de introdução aos termoendurecíveis). Para que a

matriz se mantenha neste estado é necessário armazenar o composto em câmaras frigoríficas a

temperaturas inferiores a 0ºF (≈ -18ºC, notar que °F = °C × 1,8 + 32). Para evitar contaminações

de pós atmosféricos e humidade, estes são selados e armazenados em sacos poliméricos em

semivácuo (moisture proof bags). O seu tempo de vida em armazem (storage life), não deve

ultrapassar o intervalo dos 6 meses a um ano, para que o estado de cura da resina não avance de

tal maneira que impossibilite a sua moldação e propriedades mecânicas. (FAA 2012), (Mazumdar

2001)

Este semiproduto é geralmente fornecido no formato de folhas em rolo, de espessura

variável consoante o fabricante, natureza da resina e disposição da fibra. Por exemplo em termos

médios estes valores variam entre 0.127 mm e 0.254 mm para pré-impregnados de matriz

epoxídica. (Mazumdar 2001)

A fibra de reforço, no mercado atual, pode se encontrar nas mais variadas formas. Desde

pré-impregnados de fibra unidirecional (orientação relativa de 0º, unidireccional tape), tecidos

(fabrics) com distintos padrões de interlooping até mantas de reforços (mats).

Os primeiros, permitem maior liberdade construtiva no sentido que é o próprio operador

que irá definir, consoante a secção do componente, as

diferentes orientações relativas. Quanto mais próximo

de 90º os ângulos relativos, mais isotrópicas serão as

propriedades, pelo contrário, ângulos mais próximos de

0º mais otimizado à flexão será a secção. Pela teoria

elementar da mecânica dos sólidos, orientações

alternadas de -45º 45º irão favorecer naturalmente bons

comportamentos à torção. Orientações estas que foram

estudadas previamente, e que, para cada seção e sua

solicitação, permitem otimizar o material consumido.

Contudo a fase de pré-forma é mais crítica, uma vez

que apresenta maior dependência do rigor do operador.

Na figura seguinte pretende-se ilustrar um tipo

característico de disposição destas folhas de pré-

impregnado, onde se constata a necessidade de

disposição de várias layers para se obter uma seção

isotrópica.

Figura 58: Esquema

cronológico da relação entre

as várias fases de evolutivas da

resina e o seu tempo médio de

vida útil pré-cura. (FAA 2012)

Figura 59: Esquema ilustrativo do modo

de obtenção de propriedades isotrópicas

recorrendo a um unidireccional tape

prepreg. (FAA 2012)



72

MNM 2015/2016

*Segundo (Morgan 2005) considera-se que um tecido em CF foi produzido recorrendo a

um padrão unidirecional quado mais de 90% em massa das suas fibras estão orientadas

paralelamente segundo um mesmo eixo.

Tabela 10: Quadro resumo das principais vantagens e desvantagens das unidireccional tapes. (Peters 2013)

Vantagens Desvantagens

Melhor eficiência do módulo e

resistência

Maior dificuldade para dar a pré-forma

manualmente

Maior liberdade de orientações Pior maquinabilidade após cura

Elevado volume de fibra Menor resistência ao impacto

Reduzido número de vazios e

descontinuidades

Necessidade de elevado número de layers

para obter secções isotrópicas e simétricas

Capacidade para automatizar a

etapa de pré-forma

Maior custo e mão-de-obra para moldação

manual

Baixa tendência para retenção

de voláteis

Maior dependência do rigor técnico do

operador

Folhas de pré-impregnado de

menor espessura média

Soluções do tipo de tecido de reforço, minimizam o problema de dependência do rigor

técnico do operador, bem como facilitam o processo de moldação das folhas de pré-

impregnado. Já que apresentam à priori estas orientações definidas pelo próprio

entelaçamento das fibras. Com perda de alguma liberdade de combinações relativas,

contudo com incremento da resistência mecânica. Estes fabrics podem ser produzidos

recorrendo a inúmeras técnicas de produção têxtil (textile technology). Desde woven

fabrics, knitted fabrics e braided fabrics. Estando sua distinção relaciona com conceitos

de tecnologia têxtil. (Morgan 2005).

Tabela 11: Quadro resumo das principais vantagens e desvantagens dos tecidos de reforço. (Peters 2013)

Vantagens Desvantagens

Moldação manual do tecido mais fácil

(mais maleável) e prática (orientação

relativa pré-definida) para o operador

Maior número de

descontinuidade da fibra

Capacidade de obter secções simétricas e

isotrópicas com apenas uma layer

Menor otimização do módulo

e resistência mecânica

Capacidade de ser usado fora do contexto

dos pré-impregnados. Por exemplo para

processos de transferência de resina

Maior tendência para

retenção de voláteis

Maior resistência ao fenómeno de fiber

wash

Custo mais elevado para

obtenção do tecido

Melhor resistência ao impacto Menor volume de fibra

Melhor comportamento a solicitações

imprevistas

Grande variedade de padrões e tipos de

tecido (woven, knitted, braided)

(Peters 2013)



73

MNM 2015/2016

No esquema seguinte ilustram-se a título exemplificativo alguns padrões de

entrelaçamento (weaves) de woven fabric mais comuns na indústria dos pré-impregnados.

Na gíria da especialidade, geralmente considera-se que os tecidos podem ser woven ou

nonwoven. E dentro destes últimos temos os tecidos obtidos por técnicas de knitting ou

stitching e braiding. Nos primeiros a posição relativa das fibras é assegurada pelo seu

entrelaçamento, mais ou menos complexo.

As técnicas de knitting ou stiching assemelham-se à sotura de feridas, em que se introduz

um segundo elemento, para assegurar a sua ligação. Neste caso os filamentos mais

utilizados são de poliesters ou aramidas.

A diferença entre as técnicas de weaving and braiding reside em dois aspetos: braided

fabrics podem estar ou não associados a entrelaçamentos 3D, enquanto que os primeiros

estão sempre associados a tecidos planares; nos primeiros, a fibra não altera de posição

absoluta no tecido, designaando-se as fibras horizontais por weft e as verticais por warp.

Figura 60: Exemplo ilustrativo dos principais pradrões de woven fabrics. (FAA 2012)

Figura 61: Esquema que pretende ilustrar as combinações mais frequentes, de tecidos obtidos por

técnicas têxtil de knitting. (FAA 2012)



74

MNM 2015/2016

As mantas são usadas mais com fibras de vidro e não tanto com fibras de carbono. Estas

últimas são usadas geralmente de forma continua, de maneira a tirar maior proveito das

suas propriedades mecânicas. Por vezes as mantas (mats) são consideradas como casos

particulares de nonwoven fabrics cujas fibras são fixadas com recurso a ligante

termoplástico ou termoendurecível. As principais vantagens das mantas são o seu custo,

e facilidade de obtenção de propriedades isotrópicas;

Alguns tipos de disposições da fibra são mais adequados para o fabrico de pré-impregnados como

as fitas unidirecionais, encontrando-se contudo pré-impregnados de tecido bidirecional.

(Mazumdar 2001)

Nota: Esta pequena introdução à tecnologia têxtil complementa o capítulo de Generalidades de compósitos.

Em termos de ciência dos compósitos, a definição no primeiro parágrafo deveria ser

aplicada a um dos tipos de pré-impregnados, os pré-impregnados de matriz termoendurecível.

Contudo, o fato de muita bibliografia ainda classificar desta maneira estes semiprodutos, revela

a expressão que estas matrizes ainda apresentam atualmente. Por outras palvras, os pré-

impregnados podem ser classificados consoante a natureza da sua matriz em:

Pré-impregnados de matriz termoplástica - As principais matrizes usadas atualmente são

à base de PC (Policarbonato), PA (Poliamida), PP (Polipropileno); para matrizes com

requisitos mais avançados temos os termoplásticos PEI (Poli-eter-imida), PEEK (Poli-

eter-eter-cetona), PSU (Polisulfona) e PPS (polifenileno sulfito);

Pré-impregnados de matriz termoendurecível – As resinas mais utilizadas para a sua

matriz são as resinas epoxídicas, fenolíticas e bismaleimidas;

(Silva 2005)

Figura 62: Carbon Sleeve, obtida

por técnica de braiding de fibra de

carbono 3k. EasyComposites®

Figura 63: Esquema ilustrativo da

técnica de braiding. (Composi

1994)



75

MNM 2015/2016

Dependendo da natureza da matriz e do tipo de reforço, as soluções tecnológicas dos

processos de fabrico de pré-impregnados irão variar. Neste subcapítulo apenas serão abordados

métodos de produção de fibras contínuas. As técnicas de produção de pré-impregnados de matriz

termoplásitca mais recentes e com grande potencial de expansão são: deposição eletrostática e

tecelagem híbrida. Já os pré-impregnados de matriz termoendurecível apresentam uma maior

variedade de processos de fabrico bem estabelecida, como solução por adição de solventes e hot

melting.

A deposição eletrostática tem como matéria-prima termoplásticos em formato de pós

(powders). Ar comprimido seco e tratado, é forçado a passar por um sistema de elétrodos que irá

ionizar os átomos presentes no ar (charging medium). O fluxo de ar ionizado atravessa um

recipiente poroso que contém os powders de material termoplástico sólido. Ocorre assim

transferência de carga para os pós, que por efeito de repulsão eletrostática entre estes formam uma

autêntica nuvem de partículas. De seguida, o material fibroso é conduzido através do recipiente,

sendo este instantaneamente revestido por pequenas partículas de resina. Por fim dá-se o ataque

térmico, que consiste na sua passagem por um forno de infravermelhos (infrared oven). Este

processo por deposição, para além de ser usado para a produção de pré-impregnados de matriz

termoplástica, também pode ser utilizado para prepregs de matriz termoendurecível. Sendo para

tal necessário fazer as devidas adaptações, contudo não é das soluções mais atrativas para esse

tipo de matrizes. De seguida enunciam-se as principais particularidades que tornam este processo

um dos processos mais versáteis usados com matrizes termoplásticas:

Uniformidade de revestimento (coating) elevada, justificada pelas leis da

eletrostática que “obrigam” os pós termoplásticos a “preferirem” zonas não

ligadas a outras partículas;

Grande capacidade para controlar a quantidade de fibra em massa, podendo

obter-se valores de resina entre 2% e 70%. Basta para tal manipular o tempo de

exposição na câmara que retem a nuvem de particulas ionizadas, ou a magnitude

da carga fornecida ao ar comprimido;

Resultados satisfatórios para um grande número de resinas termoplásticas;

Capacidade para deposição unilateral ou bilateral do substrato de fibra de reforço

Capacidade para deposição em tecidos (braided, woven, knitted) ou fibras

unidirecionais em tape;

(Technomic 1998)

No esquema seguinte pretende-se ilustrar o processo de fabrico de pré-impregnados descrito

anteriormente

Figura 64: Esquema

ilustrativo de uma linha de

deposição eletrostática.

Imagem trabalhada pelos

autores, baseada em

(Wang, Zheng et al. 2011)



76

MNM 2015/2016

A tecelagem híbrida tem como matéria-prima termoplásticos na forma de fibra. Surgindo

assim imediatamente dificuldades quase intrínsecas ao processo. Na medida que nem todos os

termoplásticos podem ser de forma viável convertidos em fibras. Limitando à partida o número

de resinas compatíveis, reduzindo a versatilidade do próprio processo. Esta solução de

impregnação difere da anterior na medida que a resina termoplástica é introduzida na fibra por

entrelaçamento. Na própria produção do tecido são utilizadas, para além da fibra de reforço

desejada, fibras que após fusão irão impregnar o reforço. Para além das dificuldades mencionadas,

acresce-se a limitação de impregnação apenas de tecidos (independentemente da técnica têxtil

usada). Em termos de cadeia produtiva consiste numa linha de tecelagem normal com as devidas

aplicações para a obtenção do tecido híbrido. No final desta fase o tecido híbrido é encaminhado

para um forno onde as fibras serão fundidas e com auxílio de rolos de pressão a matriz agora

líquida irá impregnar o reforço.

Os processos de solução por adição de solventes e impregnação por fundição do polímero

(hot melting) têm tido uma larga expressão na produção de pré-impregnados, particularmente com

resinas termoendurecíveis. Contudo, as propriedades típicas dos termoplásticos dificultam a sua

aplicação a estas matrizes. A continua investigação na área, e a melhoria das capacidades

tecnológicas tem permitido que as técnicas mencionadas anteriormente tenham ganho cada vez

mais importância. Como principais vantagens face aos processos de adição por solvente é possível

enunciar:

Ausência de necessidade de utilização de solventes;

Impacto ambiental mais favorável;

Impregnação “suave” (gentle coating), sem danificação das fibras; Compatível que uma grande variedade de termoplásticos; Capacidade de mudança de matriz rápida e prática, sem necessidade de limpezas de

elevado custo; Elevadas cadências de pordução; Ambiente de trabalho limpo e saudável (ausência de voláteis libertados pelos

solventes); Elevada repetibilidade dos processos; Utilização mais racional e eficiente da resina;

Para além das soluções tecnológicas anteriormente mencionadas existem muitas outras já

estabelecidas em mercado e algumas direcionadas para pequenas produções em laboratório para

ensaios. Por exemplo, uma técnica cada vez mais popular, designa-se por impregnação por

emulsão. Em que as fibras são mergulhadas numa emulsão líquida de polímero finamente

granulado. Após secagem numa torre para o efeito, pequenas particulas termoplásticas ficam

retidas no reforço. A remoção da solução líquida provoca a formação de vazios que terão de ser

eliminados, por aplicação de temperatura e pressão, numa etapa intermédia à fusão do polímero.

Por processos semelhantes aos anteriormente descritos dá-se a fusão dessas particulas levando à

impregnação da fibra. (Silva 2005)



77

MNM 2015/2016

A produção de pré-impregnados por impregnação de polímero fundido (hot melting)

apresenta uma cadeia produtiva com algumas semelhanças dos processos já referidos, tal como a

maioria dos processos com vista a obtenção de semiprodutos de pré-impregnados. Tanto tecidos

como fitas unidirecionais podem ser impregnadas recorrendo a este processo. O processo

compreende duas fases. Em primeiro lugar é extrudida resina sobre um substrato polimérico que

irá levar a resina no estado líquido até ao reforço. Num rolo de convergência dá-se contacto entre

o reforço e o filme polimérico que garante a impregnação por aplicação de pressão e calor como

se evidencia na figura seguinte.

A solução tecnológia de impregnação por polímero fundido ou em estado líquido sofreu

inúmeros aperfeiçoamentos. A introdução de um etapa paralela de obtenção de filmes

poliméricos, permite uma melhor distribuição da resina. Não raramente esta solução é apresentada

como um processo independente designado por impregnação por filme polimérico (hot-melt film

method) .

Esta via de processos de impregnação apresenta como principais limitações:

Elevados pontos de fusão de um grande número de termoplásticos (alguns cuja

propriedade de utilização é precisamente o seu elevado ponto de fusão, como por exemplo

o PEEK ), o que implica uma eficiência energética reduzida;

Elevada viscosidade mesmo em estado fundido;

Custo elevado do fabrico dos filmes poliméricos;

(Campbell 2010)

Figura 65: Maquina que engloba de

forma continua a produção de pré-

impregnados por hot melting.

LitzLer®

Figura 66: Esquema ilustrativo

do processo de obtenção de pré-

impregnados por técnicas de

hot melting. (Wang, Zheng et al.

2011)



78

MNM 2015/2016

Olhando agora para a produção de prepregs recorrendo a técnicas de solução por adição de

solventes. A linha de solução compreende três fases:

Numa primeira fase o polímero termoplástico no estado sólido é misturado com um

solvente adequado (é necessário um estudo detalhado para o solvente mais indicado

para cada polímero), produzindo-se assim uma mistura mais ou menos viscosa;

De seguida o reforço é mergulhado num banho de resina. O excesso de resina é

eliminado e as fibras compactadas por passagem em sucessivos rolos para o efeito.

O tecido já impregnado, faz uma estação num formo que cura parcialmente o

composto.

A última etapa é comum à maioria dos processos. Por ação de pressão e temperatura

fixa-se um filme bilateral ou unilateral de silicone ou polietileno destacável. Por fim

enrola-se em formato de rolo as folhas contínuas de pré-impregnado.

(Campbell 2010)

Figura 67: Esquema ilustrativo da linha de impregnação por solução do

polímero. (Campbell 2010)



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MNM 2015/2016

Resin Transfer Molding

Geralmente designado na literatura da especialidade por Resin Transfer molding process

(RTM), podendo-se por vezes também encontrar referências a este processo por Closed Mold

process, consiste numa tecnologia de conceção de peças em materiais compósitos ou materiais

poliméricos. Sendo que nestes últimos os termoendurecíveis apresentam claramente maior

expressão. (Morgan 2005). Ao longo do presente texto iremos aborda-lo mais na perspetiva de

produção de componentes compósitos, isto para de algum modo dar maior suporte ao capítulo

seguinte dedicado aos processos de fabrico. Inicialmente desenvolvido para a produção de bulk

pieces, foi necessário uma extensa investigação ao longo da última década para superar esta

incapacidade construtiva de componentes ocos e outras limitações como:

Complexidade das equações governativas que permitem a modelação e simulação

numérica de modelos de distribuição térmica e de fluxo de massa da resina com

aplicação concreta e corrente na indústria;

Dificuldade inicial na automatização e otimização do processo;

Atualmente este processo pode também surgir inserido no Flexible Resin Transfer Molding

process (FRTM), que pode ser analisado como um híbrido que associa o RTM com o Diaphragm

Forming. (Hammami and Al Zarouni 2006)

Em termos tecnológicos consiste na transferência de resina (geralmente

termoendurecível), por um ou mais pontos de alimentação (ports), para um molde metálico. Neste

molde já se encontram as fibras devidamente posicionadas nas superfícies de moldação. Sujeito

a pressões ditas intermédias (0.35 – 0.70 MPa), o molde é simultaneamente aquecido à

temperatura de cura da resina. Ou seja, com uma única operação fabrica-se o material compósito

e confere-se forma obtendo-se simultaneamente a peça. Uma vez que no final do processo o

material compósito já se encontra curado, é necessário um trabalho de projeto cuidado e atento

de modo a minimizar o número de operações posteriores de maquinagem. O RTM é usado com

maior frequência para a transferência de resinas termoendurecívies, como poliesteres,

vinilesteres, fenolíticas ou resinas epoxídicas. É contudo compatível com resinas termoplásticas

como resinas de acrílico modificado. As principais características que levaram o RTM a ser usado

desde em indústrias altamente exigentes como a aeronáutica e aeroespacial, e atualmente até na

produção dos principais componentes de bicicletas foram:

Grande repetibilidade do processo – a única etapa do processo de maior dependência de

mão-de-obra humana corresponde à disposição das fibras de carbono;

Cadências de produção e custos competitivos, de modo a cobrir o elevado capital inicial

de investimento - numa fase posterior à investigação inicial, e quando comparado com

processos pela via dos pré-impregnados;

Grande gama de resinas de alta qualidade desenvolvidas especificamente para este

processo – devendo-se esta variada oferta de mercado em grande parte à extensa

investigação neste campo;

Capacidade de obtenção de peças de geometria complexas e com volume razoável - ao

contrário do Compression Molding (CM) por exemplo;



80

MNM 2015/2016

Ambientalmente amigável, este processo também se mostra muito user friendly na

medida que é englobado nos processos de closed molding;

(Morgan 2005)

Para além das particularidades referidas, segundo (Potter 2012) aspetos como:

o A ausência da necessidade de manipular a viscosidade das resinas, tal como

observado nos processos que recorrem a pré-impregnados (prepreg) de modo a

controlar o fluxo de resina durante a consolidação, permite potenciar aspetos

como a resistência e rigidez da matriz;

o Moldação mias facilitada de alguns tipos de reforços de elevada espessura ou

mantas 3D em relação aos processos de produção de compósitos tradicionais;

o Porosidade baixa, bom acabamento superficial e a praticamente ausência de

vazios (voids);

Segundo (Morgan 2005) a melhor composição para a superfície de moldação de moldes para

este processo será de uma resina termoendurecível de vinilester misturada com um sistema de

resinas compatível com o compósito a produzir. De modo a permitir um bom acabamento

superficial e uma boa moldação, esta é geralmente revestida por uma camada de gel-coat. A caixa

na qual estão acoplados os sistemas de aquecimento e refrigeração (geralmente por tubos

embutidos no molde cujo líquido de aquecimento/refrigeração é água) é geralmente de uma liga

de alumínio. Soluções tecnológicas como a Vacuum Assited Resin Injection (VARI) podem ser

aplicadas a este processo base de modo a melhorar as propriedades mecânicas do produto final,

com consequente aumento do investimento inicial. A adoção ou não de soluções como a referida

será justificada por uma análise cuidada das exigências de projeto e variáveis como cadência e

custo produtivo.

A etapa de desmoldação, não depende apenas dos desmoldantes intrínsecos à resina

transferida ou daqueles aplicados como interface entre a superfície de moldação e resina. Uma

componente que influencia altamente esta etapa, e que efetivamente é executada muito antes,

consiste no projeto do molde para este fim. Ângulos de ataque compatíveis com a geometria,

baixa porosidade, bom acabamento superficial e limpeza regular (geralmente com álcool

polivinílico, PVA) entre ciclos são alguns dos aspetos a ter em consideração de modo à

desmoldação se processar de forma rápida e sem prejuízo para a integridade do produto. Os

principais agentes externos desmoldantes são a cera Carnuba e o silicone (geralmente para

matrizes epoxídicas), sendo que a primeira apresenta claramente maior expressão de utilização.

Os agentes de desmoldação internos à própria resina são mais utilizados em processos como a

pultrusão ou moldação de placas finas ou pós. Para além do que para muitas aplicações que exijam

pintura final ou fixação por adesivos a sua utilização é proibitiva.

(Morgan 2005)



81

MNM 2015/2016

Na figura seguinte pretende-se ilustrar de forma muita genérica o método de RTM,

evidenciando-se de forma mais específica para a produção de componentes de bicicletas no

subcapítulo destinado a esse fim.

Notar apenas que:

Tal como (Potter 2012) refere, o RTM pode ser entendido como uma filosofia de

produção, e não ser visto de uma perspetiva tão redutora como se de um processo

de fabrico de entre muitos existentes se tratasse. O conceito fundamental prende-

se com a separação da resina e reforço o mais tempo possível e até a uma etapa

mais adiantada possível no processo. Permitindo as inúmeras vantagens já

referidas face aos pré-impregnados. Tal conceito é ilustrado pela figura seguinte,

na qual se constata que só após todo um processo de moldação prévio do tecido

de fibra de carbono, é que se dá a impregnação das fibras secas. A resina pode ou

não ser pré-curada. Havendo literatura que na situação da resina não o ser,

designa este processo por R-RIM (Reinforced Reaction Injection Molding).


A obtenção de uma gama variadíssima de geometrias e atravancamentos é

facilmente deduzível pelo esquema. Bastando para tal a alteração do Design do

molde;

Como foi referido anteriormente e é perfeitamente evidenciado na figura, a

obtenção de ocos, exige aplicações produtivas um pouco mais engenhosas.

Técnicas como a Bladder Molding, em que um reservatório flexível de um

polímero é insuflado de modo a adquirir uma dada forma, permite solucionar o

problema de maneira bastante interessante. Esta bladder substitui a necessidade

de criar soluções com moldes internos rígidos para a obtenção de ocos.

Figura 68: Ilustração do processo de Resin Transfer Molding. (Potter 2012)



82

MNM 2015/2016

Estudo dos Componentes Selecionados


No capítulo seguinte iremos abordar de forma mais exaustiva um conjunto de

componentes de bicicletas e associados (neste caso apenas o capacete de proteção) que os

elementos do grupo acharam mais convenientes. Procurou-se com esta seleção abordar um maior

número possível de grupos de materiais, desde os elastómeros nas câmaras de ar e pneus, até aos

materiais CRP (Carbon Fibre Reinforced Plastics) nos quadros, passando pelos termoplásticos

usados na conceção dos capacetes. Bem como ao mesmo tempo respeitar o que se pode designar

por hierarquia de importância que estes componentes obedecem dentro da própria bicicleta.

Em jeito de preparação do capítulo seguinte enumera-se de forma resumida estes mesmos

componentes. Iremos então abordar:

Quadro – Após uma breve introdução ao componente são explorados os

processos de Integrated Molding Process (IMP) e Resin Transfer Molding

(RTM) usados na obtenção de quadros em material compósito de matriz

epoxídica reforçada com fibras de carbono;

Capacete – Introduzindo devidamente o componente e as suas especificidades

será analisado o seu processo de fabrico. Aborda-se assim a produção do casco

exterior, responsável por assegurar as propriedades mecânicas do componente.

Em relação ao forro interior à base de EPS, será abordado com maior enfoque a

sua moldação e união das duas camadas. Uma vez que a sua produção já foi

devidamente explanada no subcapítulo de revisão bibliográfica destinado aos

termoplásticos;

Pneus e Câmara de Ar - Estes componentes consistem no meio de ligação entre

o solo e o dispositivo de conversão de movimento. Dada a sua elevada

importância também terão lugar neste capítulo. Para além dos seus requisítos

mais comuns também serão abordados os seus processos de fabrico.



83

MNM 2015/2016

Pneus

Os pneus são dos componentes mais importantes numa bicicleta. Este componente é

responsável tanto pela segurança como pelo conforto do ciclista, visto que tem como objetivos

proporcionar uma boa aderência e absorver as irregularidades do piso. Assim sendo, é esperado

que os materiais que o constituem possuam algumas caraterísticas específicas como resistência a

trabalho cíclico (fadiga), tenacidade e resistência mecânica (de modo a resistir a tensões

resultantes da pressão do ar e das acelerações impostas à bicicleta). O piso do pneu é a parte

crítica, do qual se esperam algumas propriedades para além das já especificadas, como um atrito

elevado com o solo e boa resistência ao desgaste.

Os pneus de bicicleta consistem em três elementos básicos: a carcaça, o aro de talão e o

piso. A maior parte dos pneus tem também uma cinta de proteção contra furos, que só não é

utilizada em pneus leves de competição para reduzir o peso. Todos estes elementos estão

identificados na figura a seguir.

Figura 69 - Elementos constituintes de um pneu de bicicleta (imagem cedida pela Schwalbe)

A carcaça é a “base” do pneu. É normalmente utilizado um tecido têxtil feito com

poliamida (Nylon) que é coberto por borracha. É a carcaça que suporta as forças de pressão

realizadas no pneu. Dependendo da qualidade do pneu, a densidade de fibras do tecido pode

variar, sendo que quanto maior a densidade, maior a qualidade do pneu. Para pneus leves de

competição, como se pretende obter uma boa qualidade e baixo peso, é necessária a utilização de

fibras mais leves para se poder construir um tecido mais denso sem comprometer o peso.

(Schwalbe 2015)

O aro de talão define o diâmetro e dá forma ao pneu, e tem como função segurá-lo contra

a roda. Pode ser feito em aço, em poliamida aromática (Kevlar), ou ainda em fibra de carbono.

Os aros de Kevlar são ligeiramente mais caros que os de aço, mas são mais leves e permitem

dobrar o pneu, o que se revela útil para transporte (normalmente como pneu suplente). Os aros

em fibra de carbono são muito mais caros e são utilizados apenas em pneus de estrada de

competição de forma a aguentar as altas pressões utilizadas nestes pneus. (Schwalbe 2015)

O piso é responsável pela aderência ao solo e é a parte mais importante do pneu. É

composto por borracha natural e/ou estireno butadieno, assim como agentes vulcanizadores como

enxofre e óxido de zinco, e negro de fumo para reforço. Dependendo do produtor, outros aditivos

podem ser utilizados, por exemplo para retardar o envelhecimento e colorir. (Schwalbe 2015)



84

MNM 2015/2016

A cinta de proteção é opcional, mas a maior parte dos produtores opta por as incluir pois

não representam grande despesa e melhoram a durabilidade do produto. Estas cintas poderão ser

fabricadas em vários materiais, como por exemplo borracha natural e Kevlar. (Schwalbe 2015)

O processo de fabrico de pneus para bicicletas baseia-se na utilização de moldes metálicos

e requer um trabalho manual intensivo, auxiliado por máquinas. A borracha é misturada com

compostos comuns como negro de fumo, enxofre e óxido de zinco, e outros menos comuns como

óleo mineral e sílica. A mistura realiza-se laminando a borracha em cilindros, pois nesta fase esta

ainda é bastante maleável. Realiza-se o corte de um pedaço de tamanho correto do tecido de

poliamida para fazer a carcaça, que é seguidamente colocado num tambor, com as fibras

posicionadas a 45º em relação à direção de rolamento do pneu (uma carcaça de um pneu radial

terá também fibras perpendiculares à direção de rolamento). Um pano de borracha, obtido por

laminagem, é colocado por cima do tecido de poliamida. A seguir colocam-se os fios de aço ou

Kevlar sobre a carcaça (no caso do Kevlar dão-se várias voltas ao tambor para conferir resistência

suficiente) e o tambor expande, forçando os fios para dentro da borracha. É então efetuada uma

dobra da carcaça por cima dos aros, o que resulta em três camadas de carcaça. Por fim colocam-

se a cinta de proteção e o piso do pneu, exatamente no meio da carcaça. Este procedimento é

ilustrado na figura seguinte. (Schwalbe 2015)

Figura 70 - Processo de fabrico do

semi-produto anterior à vulcanização (imagem cedida pela Schwalbe)



85

MNM 2015/2016

Nesta fase o pneu ainda não tem forma e a borracha em bruto ainda não oferece as

propriedades necessárias ao bom funcionamento do produto, daí que será apenas lógico se

proceder à conformação do pneu e à vulcanização da borracha. O pneu semi acabado é envolto

num aro insuflável, sobre o qual são pressionados dois moldes que serão responsáveis por dar

forma ao piso, como se poderá observar na imagem seguinte. Os moldes e o aro são aquecidos

até à temperatura de vulcanização, que se situa aproximadamente entre os 170 °C e os 180 °C, e

deixados a essa temperatura entre 3 a 6 minutos. O calor faz com que as borrachas da carcaça e

do piso se unam, se expandam dentro do molde dando assim forma ao piso e vulcanizem.

Figura 71 - Conformação e vulcanização num molde metálico (imagem cedida pela Schwalbe)

Depois da produção são selecionados alguns pneus para controlo de qualidade. Procuram-

se manualmente por defeitos e verifica-se o peso. São também realizados testes de resistência a

furos, à pressão, e à fadiga. Neste último o pneu é deixado numa máquina a rodar durante

aproximadamente 3 dias seguidos, o que corresponderá a aproximadamente 50000 curvas.



86

MNM 2015/2016

Câmara-de-ar

As câmaras-de-ar são responsáveis por conservar o ar dentro do pneu a uma pressão acima

da atmosférica, normalmente entre 4 bar a 9 bar, garantindo assim que este se mantenha firme e

se comporte adequadamente nas diversas condições a que a bicicleta é sujeita. Assim sendo é de

esperar que o material utilizado no fabrico deste componente possua uma baixa permeabilidade

ao ar. Essa é a razão pela qual se usa borracha de butil, visto que esta borracha tem

aproximadamente um doze avos da permeabilidade ao ar da borracha natural.

Apesar de ainda serem vastamente utilizadas em bicicletas a, tendência atual é no sentido

de as deixar de utilizar, visto que o desenvolvimento nos pneus tubeless tem vindo a provar que

este tipo de pneus que não necessitam de câmara-de-ar é mais vantajoso em vários aspetos face

aos pneus que recorrem a uma câmara-de-ar.

Existem atualmente dois métodos para fabricar câmaras-de-ar que serão aqui devidamente

tratados. No entanto, comum aos dois métodos, é o processo de mistura da borracha de butil com

os agentes vulcanizadores tradicionais como o enxofre e o óxido de zinco, assim como negro de

fumo para reforço, que se processa em rolos de laminagem num processo semelhante ao descrito

anteriormente para os pneus. A borracha passa ainda por uma solução de carbonato de cálcio que,

depois de seca, evita que a borracha se cole a si mesma. Após arrefecimento da borracha e

secagem da solução, pode-se passar à fase de conformação.

O primeiro método existente para o fabrico de câmaras-de-ar consiste na utilização de uma

máquina de extrusão. A borracha é inserida aos poucos na máquina e é então extrudida como um

tubo que será cortado em comprimentos compatíveis com os diâmetros existentes para rodas de

bicicletas.

Figura 72 - Extrusão de um tubo de butil (How It's Made 2014)

Antes da vulcanização é realizado um furo no tubo e inserida uma válvula, e um operário

encarrega-se de conectar as duas pontas do tubo numa máquina que as aquece e une.

Figura 73 - Válvula incompleta introduzida na câmara-de-ar antes da vulcanização (How It's Made 2014)



87

MNM 2015/2016

A desvantagem deste método de produção é que a junta se encontra num plano radial, e

quando a câmara-de-ar é utilizada em pneus radiais a junta fica paralela às cordas reforçadoras da

carcaça, o que causa tensões que advêm das cordas adjacentes. Isto pode causar a rutura da

câmara-de-ar. De modo a resolver este problema surge um método alternativo que se inicia com

duas formas anelares de borracha. Estas formas são produzidas por aquecimento e posterior

compactação de borracha num molde. Após arrefecimento os anéis deverão ser unidos pelo

exterior. (Eric Holroyd 1976)

Na figura seguinte é possível observar uma das juntas (a exterior) das formas anelares que

fazem a câmara-de-ar.

Figura 74 - Ilustração de uma câmara de ar obtida pelo processo alternativo explicado acima (Eric Holroyd

1976)

Depois de conformada a borracha por qualquer um dos métodos descritos o passo seguinte

é a vulcanização. A câmara-de-ar é inserida num molde e insuflada (ou ao contrário), e a borracha

é aquecida até aproximadamente 180 °C e deixada a essa temperatura por aproximadamente 5

minutos.

Como com qualquer produto, algumas câmaras-de-ar serão selecionadas para testes de

controlo de qualidade, dos quais se destaca um teste de resistência a furos.



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MNM 2015/2016

Quadro

Generalidades

O quadro consiste num componente misto, de duas células reticuladas geralmente

triangulares, ligadas entre si por uma ligação rígida na convergência inferior do Quadro. Ambas

as células são constituídas por veios ocos de ligas metálicas ferrosas ou não ferrosas, ou mais

recentemente de materiais compósitos.

A célula traseira aberta, esta sim sempre de geometria triangular, irá albergar no interior do

garfo traseiro, a roda traseira. Um dos vértices do triângulo traseiro liga-se, por ação apenas de

forças de contato, de forma rígida mas desmontável por meio de uma sistema roscado, porca-

ponta de veio roscado, ao veio alojado no cubo da roda. Os outros dois vértices irão fazer a ligação

não desmontável com a outra célula.

A célula dianteira fechada, por força da tradição é geralmente de geometria triangular para

os velocípedes destinados ao público masculino, e de geometria curvilínea mais complexa para

os consumidores do sexo feminino. Esta distinção iniciou-se no final do séc. XIX, com a crescente

emancipação da mulher. Ativistas como Elizabeth Staton ou Susan Anthony, defendiam o uso

deste meio de transporte como parte integrante e fundamental da luta pelos seus direitos. O uso

de um meio de transporte tão prático e versátil, permitia à Mulher frequentar com maior

regularidade lugares como centros culturais e cafés, tratar de tarefas como assinar contratos ou

votar (quando legalizado o seu direito) até então restringidas ao Homem. Maria Pognon,

presidente da Liga Francesa de Direitos da Mulher, afirmava que a bicicleta era “igualitária e

niveladora”, ajudando a “libertar o nosso sexo”. Ora, com o aumento progressivo deste novo

público-alvo, houve a necessidade de rebaixar a barra horizontal da célula dianteira, de modo a

permitir a utilização de trajes como saias e vestidos sem comprometer a decência feminina.

(Hendrick 2006).

Na figura seguinte ilustra-se o que foi considerado por muitos o grande símbolo da

emancipação da mulher, estando muitas vezes a bicicleta associado a esse movimento.

Figura 75: Mulheres defendendo o

direito ao voto, cidade de Londres.

(Zheutlin and Londonderry 2006)



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MNM 2015/2016

Por questões de distribuição do carregamento mecânico, esta é geralmente de espessura

superior à anterior. Compreende ainda dois alojamentos, um para a coluna de direção, e outro

para o veio da pedaleira. Na figura seguinte é possível observar um quadro de competição de

estrada em material compósito, no qual se identifica perfeitamente a estrutura anteriormente

descrita.

Outros tipos de quadros são expostos a título exemplificativo, variando o seu design e

material consoante o tipo de aplicação.

Figura 76:Quadro de competição de estrada, em material compósito de matriz

epoxídica reforçada com fibra de carbono, produzido por Play Cutting and Stacking

Prepregs. Imagem cedida pela Scoot®

Figura 79:Bicicleta dobrável com quadro em aço da

durban®.

Figura 78: Bicicleta de cidade com quadro em aço

chromoly® anodizado da YMPEK®.

Figura 77: Quadro da ICAN em material

compósito de matriz polimérica reforçado

com fibra de carbono.



90

MNM 2015/2016

Materiais usados na sua construção

Quanto aos materiais usados no seu fabrico, os primeiros quadros de bicicleta tal como a

conhecemos hoje, foram produzidos em Aço.

Naturalmente que houve grande evolução na composição deste material, desde o clássico

aço ao carbono AISI 1040, passando pelo Chromoly® , (AISI4130) até ao desenvolvimento dos

Aços Reynolds. Estes últimos tiverem mesmo alguns modelos usados na construção aeronáutica

Britânica. A empresa de construção de bicicletas Reynolds®, definia cada modelo de aço quando

à sua composição, tratamento térmico, geometria e espessura do varão. Alguns destes modelos

como o Reynolds953®, introduzido em 2006, chegaram a ser designados na gíria por aços à prova

de ferrugem, de modo a realçar a sua resistência à corrosão e ao mesmo tempo a diferencia-los

dos aços inoxidáveis.

A grande desvantagem da utilização de aços ao carbono consistia na sua em geral fraca

resistência, quando comparada com outros aços, o que impedia a construção de quadros

recorrendo a técnicas de redução de peso como o butting. O butting consiste na produção de

varões ocos, cuja espessura das paredes internas varia. Permitindo obter espessuras mais

significativas nas zonas de soldadura para a obtenção das células e nos pontos críticos de

carregamento, e espessuras mais reduzidas nas zonas de menor solicitação mecânica.

Conseguindo-se assim reduções de peso na ordem dos 15%, como acontece no caso dos

Chromoly®, 0.5% a 1% de Cr e 0.2% a 0.3% de Mo (AISI4031). Na figura seguinte ilustra-se

esta solução construtiva com a representação em corte de vários tipos de butting.

Notar apenas que:

Há uma certa relação entre o custo de produção e o grau de butting do componente.

Quanto maior o grau de butting, isto é, quantos mais níveis de espessura interna do varão,

maior será a capacidade de reforço localizado obtendo-se assim uma redução de massa

do quadro ainda mais significativa;

Geralmente a estratificação do perfil longitudinal dos tubos ocos não se dá com

concordâncias tão pequenas. Apenas se representou com ângulos de ataque bem definidos

para uma melhor visualização do fenómeno.

O uso de ligas ferrosas foi progressivamente substituída pelo recurso a ligas não ferrosas

como as ligas de alumínio 6XXX e 7XXX ou ligas leves de titânio. Contudo, atualmente em

bicicletas cuja fiabilidade e durabilidade seja uma variável relevante, este tipo de ligas continua

a ser usado com bastante frequência. Bicicletas citadinas, bicicletas desmontáveis e bicicletas

Figura 80: Esquema ilustrativo do

conceito de Butting aplicado a um

tubo oco. (Ribeiro 2013)



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MNM 2015/2016

clássicas como “pasteleiras” ou “single-speed” são exemplos de veículos que recorrem muito a

este tipo de quadros, isto é, aplicações onde o quadro não seja usado para fins de competição em

que a massa específica tem que ser reduzida ao máximo.

Apesar de muitas vezes se recorrer a uma construção tubo a tubo, a produção deste tipo

de quadros é simples em termos tecnológicos e com cadências razoáveis, já que a soldadura dos

aços é um tema bastante dominado pelos técnicos da especialidade. A acrescentar a esta facilidade

construtiva podemos referir uma robustez própria destas ligas. Uma vez que apresentam limites

de fadiga relativamente altos quando comparados com os carregamentos a que estarão sujeitos

em serviço, fora defeitos de soldadura e corrosão, estes componentes têm um tempo de vida à

fadiga a tender para infinito.

Posteriormente ligas leves de Alumínio, procurando acompanhar as exigências de

competitividade do desporto, foram introduzidas. Tal implicou um redesenho do perfil dos tubos

do quadro, obrigando a varões com maior espessura e diâmetro quando comparados com os

concorrentes em aço. Isto para manter os valores de rigidez compatíveis com uma condução com

o mínimo de perdas energéticas por deformação do quadro. Fazendo um pequeno exercício

puramente teórico para justificar esta particularidade vejamos:

Tabela 12: Tabela com os valores das principais propriedades mecânicas da liga de alumínio da série 6061 sujeita a

tratamento térmico T6. (Design 2015)

Aço AISI 4031 (Revenido)

Densidade 7.81 – 7.84 [kg/m^3]

Módulo de Young 201 – 216 [GPa]

Resistência Mecânica 320 – 400 [MPa]

Em termos de propriedades específicas vem:

𝐸´ 𝑎𝑙 =76

2.7= 28.15 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔] 𝑅𝑒´ 𝑎𝑙 =

242.5

2.7= 89.81 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔]

𝐸´ 𝑎ç𝑜 =208.5

7.83= 26.63 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔] 𝑅𝑒´ 𝑎ç𝑜 =

360

7.83= 45.98 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔]

Nota: λ´ significa propriedade específica

O quadro, em termos mecânicos, pode ser analisado como uma estrutura articulada formada pela

associação de células triangulares. Basta para tal desprezar a transmissão de momentos nas

ligações rígidas bem como possíveis cargas aplicadas fora dos nós. Estas considerações são

claramente plausíveis no plano vertical do quadro. Vemos então que o dimensionamente crítica

será precisamente à rigidez, uma vez que apresentam valores de rigidez específica semelhantes.

Al 6061 T6

Densidade 2.67 – 2.73 [kg/m^3]

Módulo de Young 68 – 84 [GPa]

Resistência Mecânica 195 – 290 [MPa]



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MNM 2015/2016

Na figura seguinte pretende-se ilustrar precisamente a diferença de design dos quadros

em aço e dos quadros em alumínio.

De entre as mais utilizadas temos as 6061-T6 sujeitas a tratamento térmico com

envelhecimento artificial, e as 7005 que podem ser tratadas termicamente (quadros de gama alta)

ou não tratadas (quadros mais económicos mas também mais frágeis). Uma outra vantagem destas

ligas prende-se com a sua grande resistência à corrosão quando comparada com as ligas ferrosas

não inoxidáveis.

Ao contrário dos quadros em aço, o problema aqui da falha por fadiga já tem

obrigatoriamente que se colocar. Em termos médios as ligas de alumínio 6XXX e 7XXX

apresentam valores de tensão limite convencional de fadiga a 10^7 ciclos entre 57 – 210 MPa

consoante o tratamento térmico. Valores estes que podem ser atingidos com solicitações mais

intensas. Como é sabido, o alumínio apresenta uma estrutura CFC que não lhe confere uma

assintota horizontal na curva de Wöhler para elevados ciclos (Silva 2012). Em consequência deste

comportamento mecânico os quadros em ligas de alumínio estarão mais sujeitos a falhas por

fadiga e terão menor resistência em caso de queda ou grandes impactos.

Figura 81: À esquerda temos um quadro em aço chromoly, cedido pela Colombus®, e à direita um quadro em alumínio

6061 da Venzo®.



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MNM 2015/2016

Uma outra liga usada na produção de quadros de alta performance são as ligas de titânio.

As mais utilizadas na produção de quadros de bicicletas são as Ti-3Al/2.5V (com 3% de Alumínio

e 2.5% de Vanádio) e por vezes a Ti-6Al/4V (6% de Alumínio e 4% de Vanádio). Sendo que esta

última apresenta uma soldabilidade e maquinabilidade inferior. Estas apresentam resistências à

corrosão compatíveis com aplicações como pás de turbinas para gases a elevadas temperaturas,

pás de motores de Joule-Brayton ou fuselagens de aviões militares. Por outras palavras, para as

condições a que um quadro estará sujeito podemos afirmar que estas ligas são imunes à corrosão.

A elevada resistência mecânica destas ligas permite reduções de massa bastante significativas

face aos quadros em aço ou alumínio. A sua resistência à fadiga e ao impacto também ultrapassam

qualquer quadro nas ligas anteriores.

Tabela 13: Principais propriedades mecânicas e densidade da liga de titânio Ti-3Al/2.5V. (Design 2015)

Contudo, dado que o titânio é pouco abundante à superfície da terra, e o seu processo de

extração também não contribui para custos da matéria-prima interessantes para a indústria das

bicicletas, o uso desta liga não teve a expressão que muitos imaginariam. Para além disso

dificuldades como:

Necessidade de soldadura por processo TIG (Tungsten Inert Gás);

Complexidade de fabrico;

Dificuldade em operações de conformação e maquinagem como dobragem e

corte;

Elevada procura, por parte da indústria aeronáutica, desta matéria-prima;

têm viabilizado economicamente o seu uso apenas em quadros de alta performance sujeitos a

solicitações mecânicas que o justifiquem. (Ribeiro 2013)

Atualmente o seu uso prende-se essencialmente com a comodidade de condução e

resistência em caso de queda. Em comparação com os quadros em material compósito, este

apresenta valores de rigidez ligeiramente inferiores, de tal maneira que o comportamento do

quadro em condução é tal como refere Rob Vandermark, criador da Extra Light®, “You can use

body English with a ti bike because it has some springiness that lets the bike react to you”. Para

além do que o comportamento em caso de queda, especialmente de quadros em compósitos de

reforço unidirecional, é pouco fiável e pode haver rotura com delaminação que pode provocar

ferimentos no utilizador. Sendo este excecioalmente superior nos quadros em titânio.

Ti-3AL/2.5V

Densidade 4.47 - 449 [Kg/m^3]

Módulo de Young (E) 91 - 95 [MPa]

Resistência Mecânica (Re) 483 - 620 [MPa]



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MNM 2015/2016

A introdução dos compósitos de matriz polimérica reforçada com fibras de carbono teve

o seu início em 1986, com a construção do primeiro quadro parcialmente em CRP pela Kestrel®.

Sendo o primeiro quadro de Mountain Bike all-carbon construído pela mesma em 1988. Vemos

então que comparativamente com os restantes materiais de construção, estes surgirem numa fase

já bastante recente, sendo continuamente alvo de forte investigação. (Morgan 2005)

Olhando para as propriedades destes compósitos, tomando como exemplo a HMX® (pré-

impregnado de fibra de carbono de alto módulo de matriz maioritariamente epoxídica, cuja

composição não é discriminada) utilizada pela Scott® para a fabrico de quadros de bicicletas de

competição de estrada temos:

Tabela 14: Principais propriedades de mecânicas e densidade do prepreg HMX®, usado pela Scott®

HMX®

Densidade 1.54 [Kg/m^3]

Módulo de Young (E) 154 [MPa]

Resistência Mecânica (Re) 2950 [MPa]

Fazendo o mesmo exercício teórico realizado para as ligas de alumínio, temos:

𝐸´ 𝑝𝑟𝑒𝑝𝑒𝑔 =154

1.54= 100 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔] 𝑅𝑒´ 𝑝𝑟𝑒𝑝𝑒𝑔 =

2950

1.54= 1915.6 [𝐺𝑃𝑎 ∗ 𝑚3/𝑘𝑔]

Notar que:

Não é possível olhar para estes valores de propriedades específicas de forma tão

cega é direta. Isto porque as propriedades referidas são avaliadas na direção de

alinhamento das fibras no tecido. De modo a obter um comportamento mais

anisotrópico por partes do componentes, estes tecidos são cortados e dispostos

entre si com ângulos de 0º/90º ou outras combinações como -45º/45º;

O processo de moldação do compósito irá também ter bastante influência nas

propriedades mecânicas do componente final. Esta influência do processo de

fabrico nos materiais compósitos é um tópico alvo de fortes estudos;



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MNM 2015/2016

Processo de Fabrico

Neste subcapítulo serão analisados dois processos de fabrico de quadros em CRP. O

primeiro, desenvolvido pela Scott®, designado por IMP (Integrated Molding Process). Consiste

basicamente num híbrido Ply Cutting and Stacking Prepreg (PCSP) com uma tecnologia de

Bladder Molding Process (BM) (Morgan 2005). O segundo processo analisado, é o RTM, e é

apenas aplicado pela TIME® dentro de toda a indústria de produção de quadros. Estes dois

processos enquadram-se em filosofias de construção antagónicas. Daí a sua abordagem, na

tentativa de mostrar um pouco de cada uma destas realidades construtivas. O IMP segue a via dos

pré-impregnados, enquanto que o RTM preserva a individualidade quer da fibra quer da resina

até à transferência final. Contudo ambos convergem numa construção monocoque modular de

cada célula do quadro. A construção do quadro integral em monocoque já tentou ser

implementada no setor, contudo sempre sem grande sucesso. Umm das variáveis que constituiram

maior aposição foram as dificuldades tecnológicas de moldação e desmoldação.

Analisando em primeiro lugar o IMP. Como foi referido, este recorre a folhas de pré-

impregnados, com disposição uniaxial das fibras de carbono. Estas são já desenvolvidas pelo

fabricante em modelo de adhesive tape. Isto é, numa das camadas apresentam um ligante que

volatiliza durante a cura do pré-impregnado mas que permite a sua correta disposição e aderência

ao molde interno. O IMP inicia-se assim com o corte dos pré-impregnados:

Esta operação é altamente automatizada, sendo efetuada por máquinas ferramenta

programáveis;

Recorre-se a algoritmos que minimizem o desperdício de material e que permitem

a obtenção de geometrias com tolerâncias adequada

A eliminação quase por completo da mão-de-obra humana desta tarefa, com

exceção da disposição das folhas de pré-impregnado na mesa de corte por fixação

a vácuo, permite cadências de produção economicamente viáveis;

Figura: Esquema ilustrativo do conceito de Butting

aplicado aos varões que constituem o quadro de uma

bicicleta. (Ribeiro Pedro, 2013)

Figura 83: Pormenor do

display de visualização

da consola do aspeto

final do produto após

concluídas as operações

de corte. Cortesia da

Scott®

Figura 82: Pormenor da

consola e máquina de

corte das folhas ou

Layers de pré-

impregnado. Scott®



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MNM 2015/2016

O resultado final desta etapa, corresponde a um conjunto de folhas de pré-impregnados

que serão fixadas manualmente a um molde interno removível. Na figura seguinte ilustra-se um

estádio final da etapa de corte, onde se observa geometrias complexas e variadas destes pré-

impregnados, bem como o filme branco removível que protege a camada aderente. Em média,

estas prepreg sheets apresentam cerca de 65% a 70% em massa de fibra de carbono, sendo o

restante preenchido por um sistema de resina epoxídica e aditivos. (Milner 2014). Os pré-

impregnados usados são malhas unidirecionais (percentagem de fibras orientadas num mesmo

eixo superior a 90%). De modo a obter propriedades mais isotrópicas é necessário dispor os

segmentos recortadoos com orientações relativas distintas.

A pré-moldação é, como foi referido anteriormente, realizada manualmente. Moldes de

EPS revestidos com Latex® substituem a convencional câmara de ar usada no bladder molding.

O molde interno é completamente selado com a exceção do canal de admissão de pressão. Este

apresenta rigidez suficiente para suportar as várias camadas de pré-impregnado bem como alguma

pré-tensão introduzida pelo operador sem necessidade de insuflamento prévio. Para além do que

permite melhores acabamentos da superfície interna, nomeadamente nas concordâncias. Quando

comparamos com os bladder molds flexíveis, estes últimos geralmente conferem superfícies

enrugadas nas concordâncias entre tubos por impossibilidade de adaptação do material a essas

geometrias. Na figura seguinte ilustra-se estes moldes internos, fugindo o seu ciclo de fabrico em

paralelo à abordagem aqui realizada.

Figura 86: Conjunto de moldes internos de EPS revestido com uma

camada de Latex®, usados para a pré-moldação das várias folhas

de pré-impregnado. Scott®

Figura 85: Aspeto de uma bladder flexível convencional

utilizada na produção de quadros pela Felt Bicycles®

Figura 84: Aspeto final do

conjunto de telas de pré-

impregnados após corte

mecânico por máquina

ferramenta programável.

Scott®



97

MNM 2015/2016

Segundo os engenheiros de produção da Scott®, esta pré-tensão permite maior

reprodutibilidade do processo e uma disposição relativa mais rigorosa das várias camadas,

consequentemente com obtenção de melhores comportamentos mecânicos por parte dos seus

quadros. As folhas previamente cortadas são dispostas com alinhamentos relativos de 0º,20º e

45º, em camadas que podem chegar até à sobreposição de 8 folhas. Esta maleabilidade construtiva

de gradientes de espessura permite ao projetista grande otimização do quadro, com reforço nas

seções críticas, e redução de peso nas seções de menor solicitação. Isto, sem necessidade de

recorrer a técnicas como o butting que introduzem um aumento significativo do custo produtivo.

No esquema seguinte expõe-se de forma resumida as diferentes tarefas realizadas pelos

operados. Notar a grande dependência desta etapa de mão-de-obra e a necessidade de controlo

rigoroso dos ângulos de disposição das folhas de pré-impregnado. O estudo da sua disposição

ótima é ainda infelizmente realizado por um processo iterativo de tentativa erro, de modo a obter

os melhores comportamentos mecânicos. Sendo que são os próprios engenheiros da empresa a

fazer estas moldações em testes.

Uma única célula posterior do quadro contem mais de 220 folhas recortadas de pré-

impregnado. O quadro apenas é construído em monocoque quando analisado a nível celular. Isto

é, o triângulo anterior irá sofrer um processo exatamente idêntico, e posteriormente estas duas

células serão unidas recorrendo a um adesivo estrutural epoxídico, cuja composição por questões

de competividade de mercado não é obviamente revelada, e a uma técnica de Second Layer

Bounding. (Milner 2014)

Figura 87: Discriminação das sequências da etápa de pré-moldação. Scott®



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MNM 2015/2016

Comparando com uma construção clássica tubo a tubo, este processo de construção

apresenta vantagens quer a nível estrutural, quer a nível de implementação tecnológica do

processo. Permitindo redução de peso e aumento da rigidez do quadro, bem como cadências

produtivas mais interessantes para a própria indústria. Na figura seguinte pretende-se ilustrar

precisamente esta relação entre as propriedades mecânicas e solução construtiva.

Após a pré-moldação, segue-se então a cura recorrendo à tecnologia de Bladder Molding.

O molde interno revestido pelo compósito é introduzido num molde metálico de duas superfícies

de moldação que é devidamente fixado.

Aplicando-se uma pressão interna na Bladder até cerca de 12Bar, assegura-se um correto

equilíbrio de pressões. A cura do compósito é realizada a 130ºC com aplicação simultânea de

pressão, num ciclo térmico que dura aproximadamente 40 minutos. (Milner 2014)

Figura 90: Na figura da esquerda temos a entrada do molde nos fornos dispostos em cascata de maneira a otimizar o

processo de cura. À direita temos em pormenor a alimentação pneumática da internal bladder. (Imagens cedidas pela

Scott®)

Figura 89: Registo do aspeto

prévio à cura da célula

dianteira do quadro. Scott®

Figura 88: À esquerda temos em

corte a interseção superior da

coluna de direção de um quadro

em construção tubular, de um

modelo descontinuado. À direita,

novamente em corte, a mesma

seção mas de um quadro em

construção monocoque. Ambos

oos quadros fabricos em material

compósito de matriz polimérica

reforçada com fibra de carbono.

Scott®



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MNM 2015/2016

Seguidamente, concluída a cura do compósito, o molde metálico geralmente de aço ou

alumínio é aberto e a internal bladder retirada. Como o material já se encontra com as suas

propriedades finais, esta desmoldação não acarreta riscos de comprometer a integridade estrutural

do componente.

As operações de maquinagem posteriores devem ser minimizadas, já que o material

encontra-se com a sua resistência e dureza máxima. Apenas são alvo de maquinagem seções de

interface com outros elementos, como a caixa que alojará o veio da pedaleira, a caixa que alojará

a coluna de direção ou o tubo de alojamento do espigão do selim e imperfeições de rebordos.

Construídas as duas células individualmente, a sua ligação de forma rígida dá-se por

aplicação de uma dupla técnica. Uma primeira união é feita recorrendo a um adesivo epoxídico.

De seguida, por um processo semelhante ao descrito, é aplicada uma segunda camada de pré-

impregnado nas zonas de união, técnica designada por Second Layer Bounding. Notar que em

várias aplicações da indústria automóvel a aplicação do adesivo estrutural representada de seguida

já apresenta um elevado grau de automação.

Figura 91: Aspeto do triângulo posterior após cura. Notar o acabamento superficial conseguido com

a aplicação da técnica de bladder molding. Scott®

Figura 92: Esquema que discrimina as várias etapas, a executar manualmente por parte do operador, na

aplicação do adesivo estrutural que irá garantir a correta e segura união das duas células do quadro no bottom

crank. Scott®



100

MNM 2015/2016

Esta técnica de união de componentes apenas tem expressão na produção de quadros em

CRP. Já que como foi evidenciado anteriormente o processo comum tanto para as ligas ferrosas

com para as não ferrosas era a soldadura (havendo dentro desta, técnicas mais adaptadas a cada

tipo de liga). Isto especificamente no setor da construção de bicicletas. Uma vez que na indústria

aeronáutica e automóvel já se encontram inúmeras ligações entre compnentes metálicos

recorrendo precisamente a adesivos estruturais epoxídicos ou de outras resinas termoendurecíveis

(Ver revisão bibliográfica de resinas epoxídicas). (Goodman 1999)

O adesivo irá automaticamente iniciar um processo de cura à temperatura ambiente (room

temperature cure), contudo só após uma cura final em autoclave é que a ligação irá obter as suas

propriedades últimas. Como foi dito, para além do adesivo estrutural, como forma de reforçar a

ligação, bem como para obter aspetos estéticos mais apelativos, recorre-se posteriormente a uma

técnica de adição de uma segunda camada. Tal como o próprio nome indica, consiste na adição

de um segundo conjunto de camadas, envolvendo agora ambas as células em monocoque. Para

além dos benefícios mecânicos óbvios, confere um aspeto sólido e integral ao quadro, ao suavizar

as transições entre seções. Este novo componente leva uma cura em autoclave para garantir a

rigidez e resistência das ligações, permitindo a cura quer do pré-impregnado quer do adesivo

estrutural, bem como uma pós-cura da estrutura.

Finalizada a sua construção, o quadro é pintado numa sala limpa com tratamento de ar

independente, de modo obter acabamentos superficiais isentos de defeitos. O processo de pintura

é inteiramente manual por pistola pneumática.

Figura 93: Processo de ligação das

duas células que formam o quadro.

A verde realça-se as zonas de

ligação que serão posteriormente

curadas. Scott®

Figura 94: À esquerda temos o aspeto interior da sala limpa de pintura de pintura. Na figura da direita observamos em

pormenor o processo de pintura por pistola pneumática, bem como o equipamento necessário para a realização desta

tarefa com segurança. Scott®



101

MNM 2015/2016

Os decalques são aplicados à mão, sobre os quais são ainda aplicados um filme protetor

para maximizar a sua durabilidade.

Em jeito de conclusão, gostaria de realçar a forte componente de mão-de-obra necessária

para a implementação deste processo. Para além do custo da matéria-prima (que consiste já num

subproduto) e seu armazenamento rigoroso e dispendioso (em câmara frigorífica a -20ºC).

(Morgan 2005). Esta componente vem de algum modo justificar assim os preços do produto final,

que podem chegar aos 4400€ para quadros com suspensão para bicicletas de montanha e aos

3000€ para quadros rígidos de bicicletas de competição de estrada (Tabela de preços Scott 2014).

Toda a informação referente ao IMP não referenciada localmente, foi disponibilizada pela

empresa Scott®. Atualmente dona do processo patenteado descrito anteriormente.

Figura 95: Pormenor da aplicação

manual dos decalques da marca.

Cortesia da Scott®



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MNM 2015/2016

Olhando agora para o RTM aplicado na produção de quadros da Time®. A primeira

grande diferença surge na matéria-prima e no modo de obtenção da mesma. Ao contrário das

restantes empresas do ramo, a TIME® produz a sua própria fibra de carbono nas suas instalações.

Com isto assegura um controlo de qualidade mais rigoroso e adota uma estratégia de integração

vertical que permite uma maior coordenação das várias cadeias produtivas e necessidades

produtivas. Nas figura seguinte ilustra-se o processo de enrolamento das fibras de carbono

juntamente com uma pequena percentagem de kevlar® e Vectan®, cuja espessura varia entre

5µm a 7µm, para a obtenção de fio híbrido de maior espessura que será entrelaçado (weaving

process) para a obtenção do tecido. Este fio híbrido é produzido com o intuito de melhorar as

propriedades de resistência ao impacto (para o qual contribui o Kevlar®) e uma melhor absorção

das vibrações causadas pela irregularidade do piso (para o qual contribui o Vectan®) sem grande

prejuízo das ótimas propriedades de resistência mecânica e rigidez destas.

.

Os tecidos tubulares utilizados apresentam padrão (weave) unidirecional* e bidirecional.

Estes últimos, com orientações que variam entre 15º e 60º permitem resistências à torção

superiores quando otimizado este entrançamento (interlacing) (Morgan 2005) para ângulos

próximos dos 45º (Moura Branco, Silva Gomes). São então utilizados para componentes

habitualmente sujeitos à torção por carregamento assimétrico da pedalada do ciclista. Como por

exemplo para a produção dos tubos constituintes de forquetas ou das barras inferiores da célula

traseira do quadro. Os primeiros, estão otimizados para uma maior resistência à flexão,

apresentando obviamente propriedades mais anisotrópicas. A utilização individual ou conjunta

destes dois tecidos nas várias seções do quadro é alvo de um estudo prévio de modo a otimizar o

material utilizado.

Figura 96: Na imagem superior, está

representada uma máquina de enrolamento de

filamentos de carbono para a produção dos fios

híbridos de fibra de reforço (yarns). Na imagem

inferior observa-se em pormenor o entrançar

dos fios de modo a obter um tecido tubular de

CF (Carbon Socks)



103

MNM 2015/2016

Estes tecidos tubulares apresentam uma produção sem-fim, sendo cortados manualmente

consoante a sua aplicação. Por exemplo, o tubo superior do triângulo dianteiro necessita de

maiores comprimentos de tecido que os elementos tubulares do garfo da célula traseira.

Obtidos os diferentes tamanhos e espessuras do tecido tubular de CF, também designado

na gíria da especialidade por carbon socks, devido à sua geometria e flexibilidade. Estes são

colocados sobre moldes de cera ou metálicos. Estes últimos apenas são utilizados para

componentes lineares muito simples para permitirem a sua desmoldação. Os primeiros são

amplamente usados pois permitem a moldação de geometrias 3D complexas, com a possibilidade

de desmoldação simples por fusão do molde em cera, para além do que são economicamente mais

viáveis para pequenas séries. A moldação destas carbon socks, é inteiramente à mão, e exige

grande perícia do operador, havendo sempre necessidade de cozedura à linha nas uniões de duas

ou mais mangas tubulares de fibra.

O número de layers que serão dispostas dependerá da solicitação prevista em projeto para

essa zona, bem como se se trata de uma zona crítica de convergência de tubos como por exemplo

o anel da pedaleira (bottom Bracket Shell). Nesta zona em específico podemos ter até 30 camadas

sobrepostas. Enquanto que para uma zona de menor solicitação do quadro bastaria 5 a 8 destas

camadas de carbon socks. Tal como acontecia pela via dos pré-impregnados, assistimos a uma

grande liberdade de projeto ao termos a capacidade de dimensionar quase que de forma discreta

zona a zona consoante as suas necessidades.

A última camada de tecido fibroso é ligada com um adhesive binder para evitar distorções

dos padrões por manuseamento do componente e até mesmo na injeção (fenómeno designado por

fiber wash).

Figura 98: Aplicação final de um granulado de

material polimérico sobre as carbon socks para obter

uma superfície esteticamente mais elegante por

orientação de padrões. TIME®

Figura 97: Processo de moldação

manual dos tecidos tubulares de material

híbrido com destaque para a construção

por etapas do molde em cera nas figuras

superiores. Time®



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MNM 2015/2016

A injeção de resina ainda que a pressões

ditas intermédias, de modo a assegurar a

máxima inpregnação das fibras, provoca

movimentações destas, tanto maiores

quanto maior a pressão e velocidade de

injeção.

Este binder geralmente consiste num

termoplástico granulado que é

posteriormente fundido. Esta preocupação

tem uma componente estética, para que o

produto final tenha o aspeto característico

das telas em fibra de carbono. Contudo

permite assegurar que a orientação das fibras definida pelo projetista se mantenha mesmo após

injeção. Para que esta adira adequadamente, recorrendo a uma pistola pneumática de ar quente a

200ºC, funde-se o ligante termoplástico. Será a sua solidificação que irá assegurar a correta adesão

das várias camadas de fibra seca.

Fazendo ainda outro paralelo com o IMP descrito anteriormente, o fato de não haver uma ligação

física na construção destes elementos tubulares, ao contrário do enrolamento de folhas de pré-

impregnado, permite obter-se comportamentos mecânicos por parte destes quadros superiores.

Terminado o processo de moldação interna, é necessário preparar o molde externo

geralmente de alumínio para receber a transferência de resina. Este é devidamente limpo

recorrendo a um solvente orgânico alcoólico, e posteriormente à colocação do quadro este é

devidamente selado para que não haja fuga de resina. É importante referir que com o RTM

geralmente atingem-se pressões na ordem dos 3.5 a 7.5 bar. Contudo, ao contrário do IMP no qual

o fluido de pressão (ar) era retido na internal bladder, no RTM é o molde externo que efetua a

vedação. Havendo por isso maior preocupação com a montagem e selagem do mesmo.

Figura 100: Imagem representativa do processo de selagem do molde metálico

externo. Destaque para o pormenor de injeção de material polimérico com função

de vedação (silicone). TIME®

Figura 99: Pormenor da pistola de ar quente utilizada para a

pré-cura do binder de fixação. Para esta operação é

necessário a utilização de luvas de material refratário. TIME®



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MNM 2015/2016

Encontrando-se o molde metálico devidamente fechado e selado procede-se à

transferência da resina e posterior cura. De maneira a simplificar a comunicação, apenas se refere

a transferência da resina. Contudo, para além da resina é necessário também injetar catalisadores

de reação, agentes de cura e dependendo da viscosidade da resina e processo de fabrico, diluentes.

Pois, tal como foi referido no subcapítulo destinado às resinas termoendurecíveis, a sua

solidificação não se processa por arrefecimento da temperatura como no caso dos termoplásticos.

De maneira assegurar a impregnação total das fibras, o ciclo de aquecimento apresenta

um certo delay face ao ciclo de injeção. Estando a temperatura máxima de serviço limitada pela

temperatura de fusão da cera, 140ºC, a temperatura de cura nunca ultrapassa os 100ºC. O excesso

de resina injetada é extraído pelos canais de extração a branco, na figura seguinte. Com o intuito

de minimizar o número de espaços vazios e imperfeições (voids), esta dá-se com um gradiente de

pressão de vácuo até cerca de 4bar. Após a injeção, o sistema epoxídico fica a curar no molde

durante pelo menos 20 minutos.

Terminada a transferência da resina, segue-se a etapa de desmoldação do componente

agora curado. O processo de transporte do molde externo encontra-se, ao contrário das fases

anteriores, com alguma componente de automação em auxílio do operador. Isto é observado na

imagem anterior e nas duas imagens seguintes onde se verifica a existência de dois braços

hidráulicos robotizados que fazem quer o transporte do molde, bem como a sua abertura.

Figura 101: Pormenor da mistura

de reagentes com a resina

epoxídica pré-injeção. (TIME®)

Figura 102: Pormenor da máquina de

injeção de resina e aquecimento do

molde metálico para cura da resina.

TIME®



106

MNM 2015/2016

Na figura seguinte destaca-se o aspeto imediatamente depois da abertura do molde. Notar

a existência de jitos de alimentação. Estes, tal como nos vários processos de injeção de polímeros

ou até na fundição de ligas metálicas, têm como objetivo evitar os rexupes por contração térmica

durante o arrefecimento.

Ao contrário dos quadros fabricados por um processo de Play Cutting and Stacking

Prepreg, o RTM está muitas vezes associado a excessos de resina. É então necessário uma etapa

do que o que na literatura inglesa é designado por sanding. O sanding consiste numa sequência

progressiva de polimento do quadro, começando com um desbastamento com lixas de grão

superior, aumentando progressivamente o número de grãos por área da lixa. Eliminando-se o

excesso de resina e obtendo-se um acabamento superficial superior.

Figura 103: Sequência de desmoldação do molde. Desde

o seu transporte e abertura automatizada, até à remoção

efetiva do quadro do molda, esta etapa já realizada

manualmente. TIME®

Figura 104: Pormenor dos jitos de

alimentação, bem como do aspeto

exterior do quadro. Este apenas é

conseguido devido à utilização de um

binder que assegura a fixação inter-

camadas.. ITME®

Figura 105: Pormenor da técnica de

sanding para preparação da superfície do

quadro. TIME®



107

MNM 2015/2016

Após a cura individual de cada uma das células, é necessário a sua união rígida de modo

a obter-se por fim o quadro. Esta ligação efetua-se com recurso a um ligante polimérico. O ligante

que se observa na figura seguinte trata-se de uma mistura contendo um adesivo epoxídico irá fazer

a união após cura. As duas células são sujeitas a mais um ciclo térmico, agora em autoclave, que

permite a cura do adesivo epoxídico. Notar também que, devido à viscosidade da resina epoxídica,

durante este ciclo térmico a maior temperatura, também se processa uma pós-cura da resina. Nesta

fase, assiste-se a uma maior reticulação da matriz, obtendo-se agora as propriedades finais do

compósito.

Os processos de pintura e aplicação de decalques processam-se de maneira semelhante

ao referido para o processo implementado pela Scott®. Uma vez que do ponto de vista da ciência

e produção de materiais compósitos é uma etapa com menor importância, será agora omitida.

Importa por fim, tecer algumas considerações quando analisamos este processo de

produção, e relaciona-lo sempre quanto possível com o processo de IMP que aqui representou a

família dos pré-impregnados:

Grande necessidade de mão-de-obra, e poucas etapas com forte componente de

automação. Um pouco à semelhança do PCSP, mas neste o corte das layers de

pré-impregndo pode ser completamente automatizado. De modo a quantificar

esta grande dependência de mão-de-obra, olhando para dados estatísticos

observamos que por dia apenas são curados no máximo 8 quadros (conjunto das

duas células). Encontrando-se a média em torno de 6 quadros por dia de trabalho

fabril;

Custos de armazenamento idênticos a de um inventário comum. Ao contrário das

folhas de pré-impregnado que tem uma temperatura de conservação de cerca de

-20ºC. O que obriga recorrer a câmaras frigoríficas para o seu armazenamento. A

única varável que exigirá um controlo mais atento será o tempo de vida em

prateleira da própria resina (shelf lfe);

A capacidade de dimensionamento quase local que verificamos no processo

anterior, também aqui existe. A orientação relativa dos vários fios que constituem

o padrão de entrelaçamento, permite otimizar as propriedades mecânicas do

compósito para os vários tipos de esforços. Podendo potenciar a resistência à

torção com orientações de 45º, ou por exemplo favorecer a resistência á flexão

com padrões unidirecionais;

Toda a informação referente ao RTM aplicado à construção de quadros em material compósito

CRP foi fornecida pela TIME®. O seu processo de produção de quadros em termos de produção

é aberto. Outros componentes como os dropouts são produzidos por um processo semelhante ao

Compression Molding (CM), contudo, este ainda se encontra sobre proteção da patente.

Figura 106: Aspeto do

adesivo estrutural, que

consiste numa mistura não

discriminada, contendo uma

resina epoxídica. TIME®



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MNM 2015/2016

Capacete

O capacete tem como principal função

proteger a cabeça do ciclista em caso de

queda, embora também sirva outras funções

como tapar a luz solar e aumentar a

aerodinâmica.

Um capacete possui várias partes

(identificadas na imagem ao lado) feitas em

polímeros, sendo elas: a camada absorvente

da energia de impacto, o casco e as tiras.

Alguns acessórios e o forro podem também

ser fabricados em materiais poliméricos,

mas estas pequenas partes não serão

abordadas.

A camada absorvente da energia de

impacto, também conhecida como camada

EPS é, como o nome indica, feita em

poliestireno expandido (EPS) e é a parte

mais importante de um capacete visto que é

responsável por absorver a energia resultante do impacto e proteger a cabeça do ciclista, e sem a

qual um capacete seria um acessório puramente estético. No caso de uma queda espera-se que

esta camada quebre numa tentativa de absorver o choque, daí que quanto maior for a camada

maior será também a proteção. Muitas vezes é necessário inserir reforços dentro do EPS de modo

a mantê-lo unido no caso de uma quebra, como se pode observar na imagem ao lado. Nestes

reforços podem ser usados vários materiais,

tais como: poliamida, polipropileno ou ainda

metal. Isto acontece para se poderem abrir

maiores entradas de ar, o que terá como

consequência o casco não ser suficiente para

manter o EPS unido. O EPS pode ser

fabricado de modo a se obterem diferentes

densidades, e o capacete pode ter camadas

EPS com diferentes densidades em diferentes

partes de modo a que estas camadas partam

em determinada ordem. Atualmente, embora

seja muito pouco comum, existem também

camadas absorventes de energia que são

feitas noutros materiais como polipropileno

expandido ou poliuretano expandido. (Bike Helmet Safety Institute 2015)

O casco é normalmente fabricado em politereftalato de etileno (PET) embora, como acontece em

muitos outros componentes, também possa ser fabricado em compósito de fibra de carbono de

modo a se obter uma leveza menor. Como já referido, o casco tem como objetivo manter o EPS

unido após quebra. Para capacetes mais caros o casco pode ainda ser colocado no molde em que

o poliestireno será expandido, mas neste caso o material utilizado terá de ser substancialmente

mais resistente à temperatura (policarbonato, por exemplo). É possível até a obtenção de vários

cascos a diferentes níveis dentro do EPS. Esta técnica poderia ser utilizada com o fim de obter

capacetes mais resistentes, mas os fabricantes utilizam-na com o objetivo de aumentar as entradas

Figura 107 - Identificação das partes de um capacete

(imagem cedida pela Bell®)

Figura 108 - Reforços na camada EPS (imagem cedida

pela Specialized®)



109

MNM 2015/2016

de ar, eventualmente mantendo apenas as exigências legais mínimas. (Bike Helmet Safety

Institute 2015)

As tiras podem ser fabricadas em poliamida ou polipropileno, sendo a poliamida mais comum. O

objetivo das tiras é segurar o capacete na cabeça do ciclista tanto em andamento como durante

uma queda. (Bike Helmet Safety Institute 2015)

Neste trabalho iremos abordar apenas o processo de fabrico mais comum, que é o que consiste no

fabrico de um casco e de uma camada EPS em separado, com posterior inserção das tiras e

colagem.

Começando pela produção do casco, uma folha de politereftalato de etileno previamente pintada

é colocada num forno e aquecida até 65 °C. Um molde metálico com a forma desejada é

empurrado contra a folha de PET aquecida, o que faz com que a folha adote a forma desejada. As

imagens seguintes ilustram o estado da folha de PET antes e depois da conformação. (How It's

Made 2014)

Em

paralelo processa-se a produção de EPS, partindo de

grãos de poliestireno. Efetua-se uma passagem de ar

quente pelos grãos de modo a inchá-los, e segue-se um

arrefecimento para estabilização mecânica por umas

horas. O novo granulado de poliestireno com muita

menor densidade é então insuflado e compactado num

molde. No entanto é preciso ainda uma passagem de

vapor de água pelos grãos já conformados de modo a

consolidá-los, já que sem esta operação o molde desfar-

se-ia muito facilmente. (How It's Made 2014)

A produção das tiras é efetuada de forma quase totalmente automática, sendo que uma máquina

trata de cortar e coser a tira de poliamida. (How It's Made 2014)

Depois de todas a partes discriminadas estarem prontas, um operário é responsável por colar o

casco à camada EPS. As tiras são, por vezes, coladas entre a camada EPS e o casco, embora a

maneira mais comum de as ligar ao resto do capacete consiste em inseri-las em determinadas

ranhuras previamente existentes no capacete, visto que este método é bastante mais simples. (Bike

Helmet Safety Institute 2015)

Figura 111 - Folha de PET pintada antes da conformação

e molde metálico (How It's Made 2014) Figura 110 - PET moldado sobre o molde (How It's

Made 2014)

Figura 109 - Granulado de poliestireno antes

da expansão (How It's Made 2014)



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Conclusões

A bicicleta apresenta-se como uma grande invenção para humanidade. Como se procurou

mostrar, foi o resultado de uma lenta e progressiva evolução que levou ao mecanismo mais

eficiente de conversão de movimento que atualmente temos.

A presente equipa de trabalho encarou este projeto desde o seu início como uma

ferramenta didática que pretendia para além de conferir bagagem teórica aos seus elementos,

fomentar o espírito de iniciativa e interesse pela temática.

Os conhecimentos relacionados com a natureza dos materiais poliméricos e compósitos

transmitidos de forma clara pelo professor António Marques, foram ampliados e cementados, para

o qual contribuiu quer a vasta bibliografia de referência consultada, bem como erros e dificuldades

que foram ultrapassadas com o acompanhamento contínuo e sempre atento do professor.

Contudo, este trabalho não se resume a um compêndio teórico de informação sobre a

ciência dos materiais. A abordagem prática do processo de fabrico de vários componentes comuns

a todos os velocípedes, permitiu criar uma nova perspectiva sobre as vastas possibilidades dos

materiais compósitos e confrontar-nos com questões produtivas demasiado familiares para nunca

terem sido levantadas.

Atualmente existem diversas soluções construtivas para quadros de bicicletas de elevados

requisítos. As soluções abordadas diferem na filosofia de produção. Verificando-se contudo que

ambas resultam de um equilibrio de propriedades finais e aspetos produtivos. O mesmo se aplica

aos capacetes. Já nos pneus e câmaras-de-ar verifica-se o oposto: o processo de fabrico utilizado

é praticamente o mesmo em todo o lado e tem sido assim à vários anos. Significará isto que sse

encontrou um processo de fabrico quase perfeito, ou que talvez se devesse investir em procurar

outro tipo de solução?

Em suma, podemos concluir que a bicicleta é de facto um objeto de estudo interessante e

muito complexo se se decidir aprofundar o conhecimento sobre ela. Aquilo que por vezes pode

parecer um objeto bastante simples e historicamente estático com o qual contactamos diariamente

acaba por se revelar um objeto em desenvolvimento contínuo que faz uso dos mais modernos

materiais e técnicas de produção, principalmente quando focamos o ramo competitivo. Só o facto

de que se tem em conta o tempo, com resolução ao segundo, que um melhoramento no material

provoca numa corrida de kilómetros de distância prova-o.



111

MNM 2015/2016

Trabalhos Futuros

Ao longo da realização do presente trabalho, os elementos do grupo foram detetando

pequenos aspetos menos explorados ou ainda com grande potencial de desenvolvimento. Para

além de toda a bagagem científica e de cariz prático que os vários elementos de trabalho foram

adquirindo, surgem também novas questões e desafios. De seguida apresentam-se então todas as

considerações tecidas que, na nossa opinião, teriam relavância para serem alvo de pesquisa e

investigação quer por elementos da equipa, quer por técnicos da especialidade.

Um aspeto que seria interessante estudar, consiste nas aplicações e propriedades de

utilização de compósitos de matriz polimérica de material elastomérico. Elementos que para além

de requisitos mecânicos clássicos como rigidez e resistência, pedem propriedades de resistência

ao impato muitas vezes incompatíveis com essas exigências de projeto. Como aplicações

concretas referentes ao tema em estudo, poderiamos sugerir os garfos dianteiros também

designados por forquetas.

A estas, geralmente se pede o máximo de rigidez à flexão e torcional, nomeadamente para

aplicações de competição em estrada. Contudo, existem atualmente competições que em termos

técnicos exigem ao ciclista aspetos idênticos às corridas em estrada, mas que se realizam

propositadamente em terreno semi-irregular. Ora, as únicas bicicletas tecnologicamente

preparadas para essa tarefas são bicicletas hardtail com suspensão dianteira de baixo curso.

Naturalmente sobredimensionadas para este fim, estas estão preparadas para terrenos bastante

mais acidentados. A redução de peso hipotética por utilização de uma forqueta rígida em material

compósito de matriz elastomérica, poderia ser significativa. Sendo obviamente necessário

responder a questões como flexibilidade excessiva, resistência mecânica, tolerância à radiação

solar, etc...

Olhando agora mais para os processos de fabrico. Analisando em primeiro lugar os

processos de fabrico de quadros. Seria interessante estudar possíveis soluções de automatização

do processo de pré-forma das folhas de pré-impregnado.

Tal como foi referido ao longo do projeto, a utilização de matrizes termoplásticas de

elevada performance é praticamente insignificante na indústria do ciclismo, limitando-se

essencialmente a aplicações no setor aeronáutico. Possivelmente, ainda num futuro próximo, com

o avanço dos pré-impregnados de matriz termoplástica, poderemos assistir ao fabrico de quadros

recorrendo precisamente a estes semiprodutos. Mostrando-se a equipa de trabalho

suficientemente motivada para iniciar estudos neste campo.



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