Compostos permitem uma nova lancha voadora

A eletrificação global do transporte é uma evolução desigual, simultaneamente habilitada e impedida pelas inúmeras forças que governam o desenvolvimento da tecnologia e afetam tudo, desde automóveis e aeronaves não tripuladas até transporte ferroviário e embarcações marítimas. Essas forças de habilitação / impedimento incluem baterias de maturação rápida, mas pesadas, supervisão do governo que às vezes é lenta para se adaptar, princípios de gravidade e fricção, requisitos rígidos de segurança dos passageiros, seguradoras ansiosas e desenvolvimento desigual de materiais leves.

Ainda assim, as inovações em materiais, processamento, hardware e software estão tornando possíveis produtos que apenas alguns anos atrás eram inconcebíveis, e pode não haver melhor exemplo disso do que o Sete , uma nova lancha totalmente elétrica, de alto alcance e totalmente composta, sendo fabricada pela Candela Boats (Lidingö, Suécia) usando soluções de matriz de resina fornecidas pela Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, França).

Como chegamos aqui

A Candela Boats foi fundada em 2014 pelo CEO Gustav Hasselskog que, embora engenheiro de formação, já havia trabalhado como consultor e no mercado de produtos químicos de consumo. Como ele mesmo admitiu, Hasselskog “ficou entediado” com o mundo do trabalho corporativo e decidiu que queria encontrar um trabalho mais significativo. Ele largou seu emprego corporativo em 2014 e durante o verão se retirou com sua família para uma casa localizada em um dos arquipélagos que circundam Estocolmo, na Suécia.

“Tínhamos um barco de 25 pés com motor V-8”, lembra Hasselskog, acrescentando que ir a qualquer lugar e conseguir qualquer coisa exigia uma viagem de barco até Estocolmo, que custava pelo menos US $ 50 por viagem. “Era um pouco estranho gastar tanto dinheiro em um barco”, diz ele. Hasselskog começou a fazer algumas contas, imaginando o que seria necessário para tornar a navegação recreativa mais eficiente. “O que descobri”, diz ele, “é que não foi abordado o tema para tornar os barcos mais eficientes e elétricos”.

Hasselskog começou a estudar mais o mercado marinho recreativo. Ele estudou bateria e tecnologia de propulsão elétrica, determinando o que seria necessário para dar a um barco de planejamento uma autonomia de pelo menos 50 milhas náuticas - uma meta que ele considerou razoável. Até agora, a aplicação de propulsão totalmente elétrica em motos aquáticas tem sido prejudicada pela falta de potência e falta de alcance, principalmente por causa do atrito da superfície da água que um barco deve superar. Além disso, para aumentar o alcance ou a potência de um barco planador, é necessário adicionar baterias, o que também aumenta o peso e, por extensão, o arrasto. Em suma, Hasselskog descobriu, não era possível tornar um barco planador mais eficiente. “Um barco planador é um beco sem saída. Você não pode torná-lo mais eficiente ”, diz ele. “Frustrar é a única maneira.” Então, Hasselskog vendeu a casa de verão da família no arquipélago e, em 2014, Candela Boats nasceu.

Foiling é inerentemente instável devido à complexa termodinâmica envolvida. A Candela Boats desenvolveu um sofisticado sistema de sensores e controles para manipular as folhas e garantir uma viagem tranquila e segura. Fonte | Candela Boats

Frustrar não é para os fracos de coração

O principal desafio de frustrar está na instabilidade inerente de um barco se movendo através e sobre água, mas não na superfície da água. Uma folha - ou, mais precisamente, um hidrofólio - é uma estrutura em forma de asa presa ao fundo do casco de um barco. A lâmina atravessa a água perpendicularmente à direção da viagem e, usando os mesmos princípios do voo da aeronave, a uma certa velocidade fornece sustentação suficiente para elevar o barco completamente para fora da água. O atrito do casco é assim eliminado, deixando o arrasto da folha e o ar como os únicos resistores.

As folhas podem ter uma variedade de formatos, mas em todos os casos devem fornecer uma superfície plana plana que atravessa a borda da água primeiro. E, como uma asa de aeronave, o ângulo de ataque de uma lâmina na água pode ser ajustado para aumentar ou diminuir a sustentação. As folhas também podem ser implantadas em uma variedade de profundidades de água, mas a profundidade tem um efeito na eficiência. Por exemplo, a película perfurante relativamente rasa é mais estável, mas menos eficiente. A foiling mais profunda é mais eficiente, mas menos estável.

Em qualquer caso, "voar" sobre a água apresenta um ambiente hidrodinâmico muito diferente em comparação com aquele enfrentado por um barco planador na superfície da água. Fora da água e navegando sobre folhas de alumínio, um barco se comporta de maneira muito diferente - a distribuição de peso, curvas, resistência ao vento e águas turbulentas devem ser administradas com cuidado.

A tecnologia de Foiling, embora tenha mais de 100 anos, até agora tem sido usada principalmente em grandes iates de corrida e algumas balsas de passageiros. Os iates de corrida de foiling são normalmente tripulados por grandes equipes bem treinadas para gerenciar uma estrutura de foiling dinâmica e rápida. As balsas de Foiling contam com foiling de perfuração de superfície, que, como observado, é mais estável.

Hasselskog decidiu tornar sua lancha o mais eficiente possível e, portanto, optou por foils profundos . O desafio seria fazer um barco de laminação profunda operar com facilidade, perfeição e segurança, independentemente de quem esteja ao volante. Fazer isso exigiria o desenvolvimento de um sistema de controle de metalização sem precedentes e uma estrutura de barco que não é apenas leve, mas projetada especificamente para foiling.

Construindo a folha perfeita

Os Sete tem 7,7 metros de comprimento, 2,4 metros de largura, pesa 1.300 quilos e tem capacidade para seis pessoas. Ele usa duas folhas, a maior das quais está implantada a cerca de 2 metros da frente do barco. O desenho da lâmina primária é relativamente simples:duas escoras passam pelo casco para a água e se prendem em ângulos retos a uma lâmina que tem 2,35 metros de comprimento, 200 milímetros de largura e 25 milímetros de espessura. A folha - também chamada de folha ∏ invertida - é orientada perpendicularmente à direção de deslocamento. Os suportes de folha são acionados por motor para mover para cima e para baixo para abaixar e elevar a folha. Quando o barco não está girando, a lâmina está totalmente retraída e nivelada com o casco do barco. Em velocidades de metalização, a película é implantada na água a uma profundidade máxima de 550 milímetros.

Quando o Sete não está no modo de laminação, as duas escoras laranja que se conectam e acionam a laminação para puxá-la rente ao casco. A folha branca e laranja é visível aqui, logo abaixo do casco e logo acima do nível da água. Fonte | Candela Boats

Na parte traseira do barco há uma segunda lâmina em T menor que também atua como leme. Ele está conectado a um motor elétrico de 55 quilowatts que aciona um eixo de transmissão no leme que gira uma hélice na extremidade do leme. O motor é alimentado por baterias recarregáveis, localizadas na seção mais avançada do casco, para fornecer equilíbrio quando o barco está afundando. Os Sete começa a frustrar a 14-15 nós, cruza a 22 nós, tem velocidade máxima de 30 nós e alcance de 50 milhas náuticas.

Teodor Hällestrand, gerente de produto da Candela Boats, diz que os suportes e as folhas são compostos de fibra de carbono / epóxi e representam um desafio significativo de engenharia de design. Para fornecer o controle necessário para um passeio suave, Candela precisava ser capaz de ajustar o florete às mudanças nas condições do barco. Isso requer um sensor / sistema de controle altamente dinâmico emparelhado com uma folha altamente responsiva. “A folha é reta, mas queríamos poder torcê-la na água, dependendo da velocidade, ângulo de rotação, ângulo de inclinação e ângulo de guinada”, diz Hällestrand. “Podemos entender como o barco está posicionado e, em seguida, ajustar a orientação para tornar o passeio o mais suave possível.” Isso é realizado pelo sistema de controle, que ajusta dinamicamente as escoras para alterar o ângulo de ataque da folha ou torcer a folha, especialmente para virar.

Hasselskog diz:“Precisamos ser capazes de torcer a lâmina frontal ou fornecer um ângulo de ataque diferente”. Todas essas ações acontecem sob carga, diz ele, “então precisamos de um material com baixa rigidez torcional, mas com alta rigidez à flexão”. O resultado é um “plano de layup bastante elaborado” que usa fitas de fibra de carbono unidirecionais (UD) (principalmente ± 45 graus) para fornecer os recursos de rigidez e flexão necessários. A folha usa fibra de carbono de módulo padrão de uma variedade de fornecedores e infundida com resina epóxi SR1710 fornecida pela Sicomin Epoxy Systems. A película é curada à temperatura ambiente, seguida por uma pós-cura de 40 ° C.

Não é seu casco comum

Em nenhum lugar está Seven O afastamento dos padrões de projeto de barcos planadores é mais aparente do que no casco - tanto no projeto quanto na engenharia. O mais notável é o fato de que, embora apresente um casco quebra-ondas em forma de V padrão na frente do barco, o casco é plano da parte frontal à popa. Hasselskog aponta várias razões para isso.

O interior do Seven O casco mostra as longarinas e nervuras que são cortadas de laminados de compósito de fibra de carbono / epóxi e, em seguida, coladas no lugar com adesivos e fixadores mecânicos. Essa arquitetura permite que a Candela Boats monte rapidamente os cascos e oferece flexibilidade para se adaptar às mudanças de projeto. Fonte | Candela Boats

Primeiro, diz ele, "só precisamos da forma de V para perfurar as ondas". Ele também protege as folhas quando o barco não está dobrando. Em segundo lugar, achatar metade do casco simplifica a fabricação e economiza muito peso. Terceiro, diz ele, o fundo plano torna o barco incrivelmente estável no cais para embarque / desembarque. “É como uma barcaça”, observa ele.

Dentro do casco, no entanto, é onde Candela trabalhou para fazer o Seven não apenas estruturalmente sólido, mas adaptável a uma manufatura eficiente e relativamente alta. Hällestrand diz que o casco é comparável em design a uma fuselagem de aeronave - uma pele em torno de uma treliça de longarinas e costelas. Como a folha, o casco é infundido, usando a mesma fibra de carbono UD e epóxi SR1710, fabricado em ferramentas compostas também feitas com SR1710. A espessura do casco abaixo da linha d'água é de 3 milímetros; a espessura do casco acima da linha de água é de 2 milímetros.

Marc Denjean, gerente de exportação da Sicomin, diz que o SR1710 é um sistema epóxi de desempenho que oferece “propriedades mecânicas muito acima da média”. A Sicomin também fornece um primer epóxi de alta espessura moldado, o que significa que o casco é desmoldado e pronto para a pintura.

Para construir as longarinas e as nervuras, a Candela começa com painéis de fibra de carbono / epóxi laminado sólido de 3 mm de espessura e, em seguida, maquina-os com CNC para moldá-los, dependendo de onde o laminado está sendo colocado no casco. Para construir a estrutura do casco - longarinas e nervuras - essas formas cortadas são então montadas e fixadas umas às outras e ao casco com colagem e fechos mecânicos.

A bateria do Seven está localizado na seção dianteira do casco, para fornecer o equilíbrio necessário quando o barco está no modo de foiling.

Fonte | Candela Boats

Este processo de projeto / fabricação de corte e montagem laminado, diz Hasselskog, provou ser altamente eficiente e permite que a Candela Boats construa a estrutura do casco em apenas 40 horas. Também permite que a empresa ajuste facilmente as estruturas internas para fazer alterações no projeto, sem a despesa e o tempo necessários para modificar os moldes. “É fácil aumentar a escala, fazer alterações ou construir uma nova estrutura apenas alterando o código de usinagem”, diz ele.

O resultado final

De acordo com a visão original de Hasselskog, a eficiência do Sete é difícil de vencer - é 4-5 vezes mais eficiente em termos de energia do que um barco planador movido a gás comparável e converte 90% de sua energia química em energia mecânica. Além disso, o custo de propriedade do Sete , segundo Candela, é 95% menos do que uma lancha movida a gás.

A empresa tem 190 pedidos do Seven e espera montar 40 barcos em 2020. Hasselskog diz que atualmente Candela é projetista e montadora de barcos apenas. A fabricação de estruturas compostas está sendo feita por terceiros, mas Hasselskog diz que Candela pode trazer esse trabalho internamente, pois busca otimizar os processos de fabricação e, em última análise, reduzir a pegada de carbono da empresa. “Precisamos reduzir nossos custos e isso significa fabricar com mais eficiência”, diz Hasselskog. “Ainda não chegamos lá, mas estamos na direção certa.”