Superando Desafios no Aliviamento de Navios com Materiais Compósitos

Compósitos de polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV) e fibra de carbono (PRFC) têm sido usados para construir embarcações marítimas por décadas, incluindo numerosos caça-minas de 40 a 60 metros e até embarcações maiores, incluindo a Corveta Classe Visby de 72 metros da Marinha Sueca e o iate à vela Mirabella V de 75 metros. O iate a motor Swift 141 de 141 metros (renomeado Yas) é uma fragata holandesa de aço reconstruída usando PRFV/PRFC em solares abaixo do convés e superestrutura de três conveses (veja "De fragata a gigaiate de luxo"), incluindo junta compósito-aço de convés.

E ainda, compósitos são raramente usados na construção naval. Isto é principalmente devido aos regulamentos Safety Of Life At Sea (SOLAS) emitidos pela Organização Marítima Internacional (IMO, Londres, Reino Unido), que exigiam que navios comerciais fossem construídos em aço até que o MSC/Circ. 1002 fosse emitido em 2002 permitindo designs alternativos.

"O regulamento exige que uma análise de risco seja realizada, mostrando que o design e construção alternativos são equivalentes ao aço", explica Stéphane Paboeuf, chefe da Seção de Materiais Compósitos da sociedade de classificação Bureau Veritas (BV, Nantes, França). "Este processo é longo, caro e a decisão final ainda pode ser negativa." Assim, embora compósitos ofereçam muitas vantagens para construção naval, os desafios de segurança contra incêndio e regulamentações têm sido barreiras ao uso.

Enquanto isso, proprietários, operadores e construtores de navios buscam soluções para sustentabilidade melhorada, incluindo peso mais leve para reduzir uso de combustível, emissões de gases de efeito estufa e calado do navio — este último para vias navegáveis interiores rasas. A resistência à corrosão inerente dos compósitos para reduzir manutenção também é atraente.

Em 2017, a IMO emitiu MSC.1/Circ., um novo conjunto de diretrizes para uso de compósitos PRF em navios comerciais. À medida que a avaliação da IMO destas diretrizes em 2021 se aproxima, uma quantidade incrível de atividade está ocorrendo. Dois consórcios europeus, FIBRESHIP e RAMSSES, apoiados pela rede europeia de 378 membros para Aplicações Leves no Mar (E-LASS), estão liderando esta onda de projetos de demonstração, que inclui convés compósitos, lemes, cascos, cabines modulares e superestruturas, reparos de remendo em aço e juntas soldadas compósito-aço. Juntos, eles visam superar as barreiras para construção naval leve com compósitos não apenas demonstrando a performance de fogo e estrutural de grandes estruturas e embarcações inteiras, mas também desenvolvendo novas rotas para certificação e métodos de produção, novas tecnologias de união e ferramentas de design. Eles também estão compartilhando informações via workshops contínuos, repositórios de conhecimento e bancos de dados de materiais/design. Um novo mercado pode estar se abrindo para compósitos marítimos, mas que soluções ele exigirá?

FIBRESHIP e RAMSSES

FIBRESHIP e RAMSSES foram iniciados em junho de 2017, financiados pelo programa Horizon 2020 da União Europeia. FIBRESHIP tem 18 membros e vai até maio de 2020, enquanto RAMSSES tem 36 membros e termina em maio de 2021. Ambos incluem empresas de toda a cadeia de suprimentos abrangendo centros de P&D, universidades, fornecedores de materiais e tecnologia, fabricantes de peças, empresas de arquitetura e engenharia naval, estaleiros, proprietários de navios e sociedades de classificação. Estas últimas são responsáveis por desenvolver regras específicas para construções individuais de navios baseadas nas diretrizes gerais da IMO. Elas são autorizadas por estados de bandeira (cada navio carrega a bandeira de um país) a auditar a construção do navio e garantir que estas regras sejam seguidas. "É importante que todos os stakeholders e usuários finais estejam envolvidos", diz Alfonso Jurado, chefe de P&D na Tecnicas y Servicios de Ingeniería (TSI, Madri, Espanha) e coordenador do projeto FIBRESHIP.

"O principal objetivo da FIBRESHIP é desenvolver capacidade de design e produção para grandes embarcações marítimas (mais de 50 metros de comprimento) com menos peso", continua Jurado. "Esta também é a principal motivação para minha empresa." A TSI está projetando a estrutura compósita de um navio de pesquisa pesqueira (FRV) de 85 metros de comprimento total (LOA), que servirá como demonstrador e, até agora, alcança quase 70% de redução no peso estrutural versus o navio de referência em aço. "Isso é incrível, oferecendo a real possibilidade de ajuda para o setor naval", ele diz. Uma seção de 20 toneladas deste FRV, medindo 11 por 11 por 8,6 metros (veja imagem de abertura), foi construída pelo estaleiro parceiro iXblue em La Ciotat, França, e exibida no segundo workshop público da FIBRESHIP em junho de 2019 (veja notícia com vídeo do demonstrador sendo fabricado).

Jurado explica que o FRV é o primeiro de três casos gerais de navios compósitos que a FIBRESHIP está desenvolvendo. Os próximos dois são navios porta-contêineres de 260 metros LOA e ROPAX de 204 metros, este último combinando a capacidade de carga de um navio roll-on/roll-off com as instalações de passageiros de uma balsa. "O FRV foi escolhido como demonstrador porque é menor com uma estrutura marítima mais convencional, e assim o mais viável de ser construído no futuro próximo", ele diz. "Proprietários de navios também mostraram interesse real em tal embarcação." Enquanto isso, a RAMSSES tem 13 demonstradores em andamento, 10 dos quais incluem compósitos, e também está perseguindo um navio totalmente compósito.

Jurado nota que as empresas participando nestes projetos veem o potencial para tais designs inovadores e novos produtos leves fornecerem vantagem competitiva para seus negócios assim como para a indústria naval de cada país. Mas o progresso não será assegurado apenas por grandes demonstradores. "Também devemos ter apoio das autoridades regulatórias", ele adiciona. "Um primeiro passo é engajar a IMO e adaptar o regulamento SOLAS atual aos novos requisitos e demandas da indústria naval. Sem isso, não podemos avançar porque companhias de seguro não farão seguro de navios de compósitos reforçados com fibra se eles não cumprirem requisitos mínimos e certificação de segurança, por exemplo."

Abordagem Fast Track to Approval (FTA) proposta para certificação de compósitos em navios comerciais sendo desenvolvida dentro do projeto RAMSSES, como apresentada durante o Seminário E-LASS de junho de 2019 (Vigo, Espanha). Fonte | RAMSSES e Stephane Paboeuf, Bureau Veritas

"A FIBRESHIP está perseguindo uma abordagem de longo prazo desenvolvendo novas regras, enquanto a RAMSSES está desenvolvendo uma abordagem de curto prazo usando regras e métodos existentes", explica Paboeuf na BV, que é a única sociedade de classificação parceira na RAMSSES, e uma de três na FIBRESHIP junto com Lloyd's Register (Londres, Reino Unido) e RINA (Gênova, Itália). "Na RAMSSES, estamos desenvolvendo um procedimento Fast Track to Approval (FTA) baseado em reutilização de dados de projeto para padronizar testes e fornecer orientação para design e aprovação." Este procedimento deve ser simples e facilmente legível por estaleiros, arquitetos navais e fornecedores. A aceleração versus o processo atual virá através de suportes sendo desenvolvidos em projetos demonstradores da RAMSSES, incluindo:

• um banco de dados de soluções pré-aprovadas e resultados de testes de materiais para evitar testes repetitivos,
• cenários de risco de incêndio cobrindo uma gama de aplicações similares para limitar o número e extensão de avaliações de risco, e
• ferramentas de análise e modelagem, incluindo modelos numéricos ou estatísticos que podem substituir testes físicos no futuro.

"Na FIBRESHIP, estamos trabalhando com Lloyd's Register e RINA para desenvolver um conjunto de regras prescritivas especificamente para grandes embarcações construídas com compósitos", continua Paboeuf. "Para performance estrutural, estamos definindo novos coeficientes de segurança para cargas locais e globais." RAMSSES e FIBRESHIP também propõem substituir os atuais níveis de classificação de fogo como A60, B30 e B15 com uma nova convenção REIxx, onde R especifica resistência ao fogo (capacidade de carga em incêndio), E designa integridade (prevenção de propagação de fumaça e chamas) e I define isolamento contra fogo. "O objetivo é alinhar melhor as classificações de fogo estruturais com os materiais compósitos sendo usados", explica Paboeuf.

Além disso, os dois projetos também estão lidando com avaliações de risco devido a propagação de chamas, produção de fumaça e risco de incêndio no espaço de origem, mas também no nível de segurança global do navio. "Para performance de fogo, estamos desenvolvendo uma abordagem de equivalência local, que lida com segurança contra incêndio em nível local baseada nas classificações de fogo dos anteparas e outras divisões estruturais em cada espaço da embarcação", diz Paboeuf. "A segunda abordagem, equivalência global, lida com incêndio em nível de embarcação, levando em conta todos os sistemas (proteção ativa e passiva contra incêndio, detecção, evacuação, etc.) que impactam a segurança contra incêndio da embarcação como um todo, não apenas cada espaço dividido."

"A adoção mais ampla de compósitos na construção naval será passo a passo", ele diz. "Começará com peças pequenas como convés e superestrutura, ou equipamentos como linhas de eixo e hélices, antes de progredir para construção de embarcações inteiras, que a princípio serão principalmente navios de propósito especial como embarcações de pesquisa e teste sísmico e embarcações de patrulha de alta velocidade."

Fig. 1 Embarcação compósita de 80 metros da RAMSSES
Damen Shipyard (DSNS) está desenvolvendo uma embarcação de patrulha offshore totalmente compósita no projeto RAMSSES. Seu demonstrador de seção de casco em escala real de 6 por 6 por 3 metros será construído em 2020 usando infusão de resina em colaboração com InfraCore Company (ICC) e Airborne International (AIR). Fonte | Damen Shipyard e RAMSSES

Demonstradores de embarcações totalmente compósitas

Além do FRV de 85 metros sendo demonstrado pela FIBRESHIP, uma embarcação de patrulha offshore de 80 metros de comprimento está sendo desenvolvida dentro da RAMSSES para ser o primeiro navio totalmente compósito SOLAS. Liderada pelo Damen Shipyard Group (Gorinchem, Países Baixos), esta obra leva adiante resultados de seu projeto Bluenose iniciado em 2014. Dentro do pacote de trabalho 17 da RAMSSES, a Damen está liderando a demonstração de uma seção de casco compósita em escala real de 6 por 6 por 3 metros desta embarcação feita usando infusão a vácuo, explica Matthias Krause, engenheiro de P&D no Centro de Tecnologias Marítimas (CMT, Hamburgo, Alemanha) e co-coordenador do projeto RAMSSES junto com CETENA (Gênova, Itália). "A Evonik desenvolveu uma nova resina para esta seção de casco demonstradora e ferramental de 6 metros de altura foi fabricado. A Damen também está trabalhando com a Airborne International (Haia, Países Baixos), um fornecedor da indústria aeronáutica que também construiu grandes estruturas infundidas." A Evonik (Essen, Alemanha) explicou seu papel em melhorar a resistência a impacto e comportamento à fadiga do casco infundido de fibra de vinil éster/vidro.

Outro parceiro neste demonstrador é a InfraCore Co. (Roterdã, Países Baixos), que está desenvolvendo novas aplicações para a tecnologia InfraCore usada pela empresa irmã FiberCore Europe (Roterdã) em mais de 1.000 pontes e comportas compósitas mundialmente. "Originalmente nos juntamos à Damen neste projeto para construir um helideck de 12 a 14 toneladas", explica o gerente de operações da InfraCore, Laurent Morel. "Agora estamos trabalhando com eles para construir os conveses, anteparas e estrutura do casco. Usaremos tanto infusão horizontal quanto vertical para produzir a seção do casco em um único tiro. Até agora, infundimos até uma altura de 9,8 metros." Uma vez concluído, este demonstrador será testado para performance estrutural e de fogo, com resultados e lições aprendidas alimentados nos novos módulos FTA da RAMSSES.

Convés leves

Compósitos já foram demonstrados no primeiro navio transportador de carros roll-on/roll-off a usar um convés de carga compósito, projetado e construído pelo Uljanik Group (Pula, Croácia) como parte do pacote de trabalho 14 da RAMSSES (veja "Baixo peso nos altos mares"), assim como um sun deck leve para um navio de cruzeiro fluvial de 110 metros (veja "Convés compósito reduz calado de navio fluvial") e um convés intermediário compósito para um navio de carga geral de 200 metros. "Um convés intermediário é um convés removível que você pode instalar para dividir o porão de carga para facilitar diferentes tipos de carga", explica Arnt Frode Brevik, gerente na Compocean (Sandvika, Noruega), um fornecedor de soluções compósitas que emergiu da indústria de óleo e gás.

"Temos trabalhado com Oshima Shipbuilding (Nagasaki, Japão) e DNV GL por vários anos para desenvolver um convés intermediário leve com o objetivo de reduzir o peso em 50% versus aço", diz Brevik. Isso resultou em um protótipo GRP de 9 por 2 metros que foi testado para impacto e cargas máximas e então exibido no NOR-Shipping 2017.

A Compocean estendeu agora este desenvolvimento a um novo projeto com Oshima, DNV GL e proprietário do navio Masterbulk Pte Ltd. (Singapura) para construir um protótipo de convés intermediário compósito em escala real de 27 por 12 metros, que será instalado no próximo ano e testado até final de 2021.

"A Oshima buscava otimizar itens para reduzir custos de combustível e manuseio", diz Brevik. "Embora não haja muitos conveses intermediários por navio, é uma peça fácil para começar quando introduzindo novos materiais porque não é parte da estrutura primária do navio." O design é baseado em uma chapa de fibra de vidro infundida com resina poliéster com enrijecedores tipo chapéu embaixo. "Usamos uma mistura de layup ±45 graus, 0 graus e 0 graus/90 graus para todas as peças mas em diferentes proporções. A estrutura do convés também precisa integrar muitos pontos de amarração para segurar a carga." A chapa será colada aos enrijecedores tipo chapéu usando adesivo estrutural enquanto parafusos serão usados em combinação com o sistema de amarração. Um suporte final de aço parafusado unirá o compósito à estrutura de aço do navio. "Também perseguiremos um design com juntas puramente adesivas no futuro", adiciona Brevik.

Fig. 2 Convés intermediário compósito
O novo design de navio de carga geral open-hatch 65k da Oshima Shipbuilding usará o protótipo de convés intermediário compósito da Compocean, que economiza 50% de peso vs. aço e será composto de múltiplos enrijecedores tipo chapéu FRP infundidos (inseto) colados a uma chapa superior FRP com conexões parafusadas do compósito à estrutura de aço do navio. Fonte | Compocean e DNV GL

Tendo recebido aprovação final da DNV GL para o design do convés intermediário em escala real, a Compocean produziu os moldes e começou testes de fabricação. "O convés compósito em escala real será construído por um parceiro na Malásia que o transportará via barcaça para o navio", diz Brevik. O próximo passo é visar muito mais redução de peso, por exemplo, tampas de escotilha compósitas sobre aberturas de carga (chapas planas sobre "caixas" verdes na renderização do navio acima). "Há sete grandes tampas de escotilha neste tipo de transportador", ele nota. "Obter aprovação da DNV GL para estas apresentará alguns novos desafios, mas o sucesso com o convés intermediário ajudará."

Superestrutura leve, cabines modulares

A RAMSSES tem seis pacotes de trabalho focados em superestruturas compósitas e componentes usados acima do convés principal, a maioria com demonstradores e resultados de testes a serem apresentados em 2020. O pacote de trabalho 16, liderado pelo Naval Group (Paris, França), está demonstrando um módulo de superestrutura compósito leve unido a um convés de aço. O demonstrador em terra representa um bloco padrão para uma embarcação de patrulha offshore. "A construção naval em materiais metálicos é baseada em construção em blocos para diminuir tempo e custos", explica Jurado. "Construir tais blocos usando compósitos apresenta questões com a necessidade de moldes grandes assim como técnicas de união e requisitos de segurança de juntas. A Fibreship estudou isso e desenvolveu algumas recomendações sobre união de blocos baseados em compósitos, incluindo a sequência de montagem." Na RAMSSES, o Naval Group investigou três tipos de estruturas sanduíche incluindo GF/poliéster/núcleo de balsa, epóxi FR/espuma PET e GF/poliéster/espuma reforçada com fibra 3D. Também está desenvolvendo um sistema de monitoramento de saúde estrutural (SHM) dentro da junta e painéis compósitos.

O pacote de trabalho 18, liderado por Chantiers de l'Atlantique (Saint Nazaire, França) está desenvolvendo uma solução modularizada para cabines de passageiros. "Estas tipicamente vêm sem piso porque são soldadas nos conveses de aço do navio", diz Krause. "A ideia é fazê-las de compósitos, pré-equipadas com todos os sistemas auxiliares como aquecimento e ar, elétrica, etc. Incluindo um piso compósito, estas poderiam ser inseridas em uma estrutura de aço (como uma gaveta) versus soldadas em um convés de aço sólido, economizando muito peso." Embora o projeto esteja avaliando compósitos para reduzir tempo de produção e montagem para paredes, tetos e unidades de banheiro, porque substituir o convés de aço economizaria estimados 125 quilogramas por metro quadrado, pisos compósitos são um foco principal. A Hutchinson (Paris, França) propôs usar sua espuma compósita reforçada com fibra mineral ZALTEX, que resiste a temperaturas de -190°C a 1.000°C.

O pacote de trabalho 13, liderado pelo construtor de navios de cruzeiro Meyer Werft (Papenburg, Alemanha), também visa processos eficientes para montagem, mas visando anteparas. O objetivo é construir dois demonstradores — um em terra, um offshore (teste marítimo) — onde paredes compósitas serão unidas a estruturas de aço e então submetidas a 80 testes mecânicos. Parceiro do projeto InfraCore realizou análise para definir requisitos para isolamento de calor e ruído, eigenfrequência (vibração), deformação e largura e altura máximas para paredes compósitas. "Fomos solicitados a desenvolver paredes internas e externas multifuncionais", explica Morel na InfraCore. "Para economizar tempo, custo e peso, devemos integrar isolamento e um bom acabamento interno com o painel estrutural leve. Há até 6.800 metros quadrados destas paredes em cada navio de cruzeiro. Temos uma abertura para colocar estes a bordo de um navio de cruzeiro em meados de 2020, que poderia ser as primeiras paredes compósitas aprovadas SOLAS em um navio de cruzeiro mundialmente."

No pacote de trabalho 10, a Podcomp (Öjebyn, Suécia) está desenvolvendo um painel interno/externo alternativo usando compósitos baseados em bio que devem ser retardantes de fogo e competitivamente precificados. Três conceitos sanduíche baseados em pré-impregnado GF/álcool polifurfurílico (PFA) da Composites Evolution (Chesterfield, Reino Unido) e diferentes materiais de núcleo foram examinados. Apenas um conceito passou no calorímetro de cone e outros testes de fogo realizados pelo RISE Research Institutes of Sweden (Borås). Agora está sendo otimizado para peso e custo.

Após tentar alumínio e soldagem por fricção, a Baltic Workboats (Nasva, Estônia) está agora avançando com compósitos para desenvolver painéis pré-equipados e enrijecidos para a casa de convés/superestrutura de barcos de trabalho de alumínio (pacote de trabalho 15). Design de painel, conexão com outros painéis e com o resto da estrutura da casa de convés, procedimentos de análise estrutural e solução de isolamento serão demonstrados, assim como técnicas de instalação a bordo.

Outra solução para superestrutura leve está sendo desenvolvida pela BaltiCo (Hohen Luckow, Alemanha), um produtor de equipamentos navais que tem uma nova startup para construir barcos completos usando fibra de carbono colocada por robô drapeada ao redor de estrutura de treliça. "Você constrói o esqueleto da estrutura que quer produzir, colocando estrutura transversal ou costelas de PRFV a cada meio metro, e então um robô enrola fibra de carbono ao redor", explica Krause. O objetivo é um sistema modular ultra-leve usando um processo altamente automatizado. A demonstração incluirá produção e montagem de dois módulos de casco e convés auto-sustentáveis em um catamarã solar não-SOLAS leve.

Juntas soldadas FRP-aço

"Acreditamos que o futuro da construção naval está em combinar compósitos FRP, aço e outros materiais em estruturas híbridas", diz Dr. Lars Molter, veterano de 10 anos no CMT. "Olhamos para colagem, mas não há um design de junta padronizado que você possa usar em todos os navios e não há regras gerais sobre como aplicar colagem adesiva em embarcações SOLAS. Também, você deve controlar o ambiente e processo de colagem." Ele nota que isso é difícil em meio à soldagem e corte que tipicamente domina a construção em estaleiros. "Perguntamos à DNV GL o que eles aprovariam para juntas de materiais dissimilares", diz Molter. "Eles disseram que estrutura primária tipicamente requereria um anexo mecânico; colagem pura não seria certificada facilmente sem fixadores redundantes."

Molter e CMT responderam com o projeto alemão FAUSST (Fiber and Steel Standard joint), que desenvolveu um tecido tricotado híbrido que transiciona de 100% fibras de vidro a 100% fibras de aço. Este último é soldado a um conector de aço (ex: chapa plana, perfil retangular, etc.), que pode então ser facilmente soldado na estrutura de aço de um navio (Fig. 3). A extremidade de fibra de vidro é unida à estrutura compósita usando infusão de resina. "Este design de junta oferece 100% de inspeção END porque você pode usar UT (ultrassom) ou raio-X na solda", diz Molter. FAUSST realizou testes mecânicos, ambientais e de fadiga neste tipo de junta e também obteve aprovação em princípio das sociedades de classificação, mas ainda havia muito trabalho para transformar a tecnologia em um produto comercial. Assim, Molter deixou CMT e fundou a HYCONNECT GmbH (Hamburgo, Alemanha) em 2018.

Fig. 3 Junta aço-FRP soldada HYCONNECT
Tecido híbrido aço-fibra de vidro FAUSST (canto superior esquerdo) é soldado por prensa a uma chapa de aço ou outro conector (canto superior direito) e pode então ser integrado em uma estrutura compósita via infusão de resina (canto inferior esquerdo). Tais estruturas compósitas híbridas são então facilmente soldadas na estrutura de aço do navio (canto inferior direito).
Fonte | HYCONNECT

"Nos encontramos com estaleiros, DNV GL e BV e estamos desenvolvendo um produto que pode ser certificado", diz Molter. "Você simplesmente encomenda suas peças compósitas com este sistema de junta e então pode soldá-las em seu navio. Essa é nossa visão. Projetamos a junta compósito-aço e então entregamos um produto que tem tecido soldado a um conector de aço (chapa, perfil, etc.)."

Ele explica que o design da junta e tecido serão certificados em um sistema escalonado: "Ao aplicar mais camadas de tecido FAUSST, há um aumento linear na capacidade de carga." Por exemplo, o produto base poderia ser quatro camadas de FAUSST com uma barra plana de 1 metro soldada a ele, classificado para certa carga de tração e flexão. Então haveria alguns produtos disponíveis à esquerda (ex: duas-três camadas total para classificação de carga menor) e direita (ex: seis camadas total para classificação de carga maior). "Ainda estamos finalizando estes detalhes, mas o objetivo é um sistema padronizado e fácil de usar", nota Molter.

A HYCONNECT adaptou a tecnologia de tecido para lidar com a diferença de rigidez e coeficiente de expansão térmica (CTE) entre aço e compósitos; o uso de fibras tricotadas para intertravamento mecânico com fibras unidirecionais para carregar carga através da junta; e a técnica requerida para soldagem por prensa de alta qualidade das fibras de aço ao conector de aço (veja "Conectando compósitos a aço"). "Esta solução é baseada em testes contínuos", diz Molter. "Como FAUSST consiste de sub-produtos padronizados prontos, pode ser fornecido rapidamente, dentro de dias." Protótipos estão sendo produzidos atualmente para clientes selecionados, e a HYCONNECT começará produção completa em 2020.

Lemes compósitos

Lemes de navios também estão sendo desenvolvidos como híbridos FRP-aço. Como parte do pacote de trabalho 12 da RAMSSES, a Becker Marine Systems (BMS, Hamburgo, Alemanha) está demonstrando um flap compósito leve para um leme de aço projetado para grandes navios porta-contêineres. Tais lemes tipicamente pesam mais de 200 toneladas, diz Jörg Mehldau, chefe de P&D na BMS. "Ao adicionar um flap articulado na popa, você pode reduzir significativamente a área do leme." A BMS pioneirou este leme com flap, que reduz dramaticamente o raio de giro do navio e melhora manutenção de curso e manobrabilidade, permitindo atracação sem assistência de rebocador. Um flap compósito não apenas reduz peso mas também permite formas mais funcionais assim como designs mais hidrodinamicamente e otimizados para carga.

Fig. 4 Flap de leme compósito
A Becker Marine Systems está trabalhando com a InfraCore para desenvolver um flap de leme leve, infundido com resina, para os maiores navios porta-contêineres. Medindo 11,8 metros de comprimento e 0,9 metro de largura com uma corda de 2,9 metros, o flap em escala real deve suportar 100 tons/m² de carga. Um demonstrador de 2 metros de altura será testado no 2º trimestre de 2020. Fonte | Becker Marine Systems

"O flap compósito que estamos desenvolvendo foi inspirado pela indústria da aviação", nota Mehldau. Para a RAMSSES, o caso de teste em escala real é visado a um dos maiores navios porta-contêineres (~400 metros de comprimento), um flap medindo 11,8 metros de comprimento e 0,9 metros de largura com uma corda de 2,9 metros (veja Fig. 4). "Calculamos as forças neste leme e flap usando fórmulas baseadas nas regras da DNV GL para este tipo de navio, peso e velocidade máxima", diz Mehldau. A BMS então conduziu design preliminar e análise de engenharia, assim como estudos de trade-off para manufaturabilidade e custo. "Primeiro favorecemos filament winding mas era muito caro", ele nota. "Para cada novo casco de navio, o leme é um design único." Assim, infusão de resina foi escolhida, assim como um design alternativo da InfraCore. "Foi o melhor para flexibilidade de produção, custo e performance estrutural combinados", explica Mehldau.

"Para mim, isso foi um encaixe natural para a InfraCore porque as comportas compósitas que construímos são muito similares", diz Morel. Ele nota que lemes de navios porta-contêineres devem suportar cargas de aproximadamente 100 toneladas por metro quadrado com área de superfície de 150 metros quadrados. Isso combina bem com a tecnologia baseada em infusão da InfraCore usada em tabuleiros de pontes com vãos de até 142 metros. Em vez de colar um núcleo estrutural de alta densidade às peles, a InfraCore usa um núcleo de espuma de baixa densidade apenas como forma permanente para múltiplas estruturas de teia em Z, duas flangeadas. Estas são sobrepostas, revestidas com tecidos multiaxiais e co-infundidas para formar uma construção robusta. A InfraCore construirá um demonstrador em escala 1:6, usando materiais de fibra de vidro e resina poliéster já certificados pela DNV GL para manter custos baixos.

Morel nota que o flap compósito leve da InfraCore é competitivo em custo, "porque lemes de aço de navios são bastante complicados de fabricar." Mehldau concorda, "juntamente com vantagens de custo de manutenção e operacional menores, vemos um caso de negócios bem-sucedido." O demonstrador de 2 metros de altura será finalizado no 2º trimestre de 2020, seguido por testes.

"Testaremos isso usando bancada de teste de laboratório e almofadas de ar, que podem aplicar até 8 bar de pressão igual a pelo menos 80 MPa de carga", diz Mehldau. "Mediremos tensões e deflexões para verificar nossas simulações e realizar um teste de carga de ruptura." Um demonstrador em escala de laboratório também será testado via testes marítimos em um navio de pesquisa no Rio Elba pela CETENA (Gênova, Itália) que serve como coordenadora do projeto RAMSSES junto com CMT.

Impulso adiante

"A perspectiva para compósitos em navios é boa porque muitos dos stakeholders do setor marítimo mostraram interesse na FIBRESHIP, RAMSSES e outros projetos", diz Jurado. "Os maiores desafios são a necessidade de novas regulamentações, aspectos de segurança contra incêndio, técnicas de colagem e redução de custos de construção naval." Para este último, ele cita manufatura automatizada em estaleiros como uma questão chave assim como construção de moldes e aquisição e armazenamento de materiais compósitos. "Compósitos já estão crescendo em navios", diz Krause no CMT, "mas começamos este trabalho há 20 anos, então é um processo lento. No entanto, agora temos esta massa crítica e a indústria está mais conectada via E-LASS."

Jörg Bünker, chefe de P&D, serviço de aplicação para produtos SAERTEX LEO FR na SAERTEX (Saerbeck, Alemanha), concorda: "Os drivers para reduzir peso estão se fortalecendo. Nos próximos cinco a sete anos, mais materiais compósitos serão vendidos para navios. Este é o momento certo para mais projetos porque a IMO precisa ver este interesse e esforço da indústria. Fornecedores devem mostrar novas soluções e estaleiros devem mostrar onde compósitos podem ser usados, mas ninguém pode fazer isso sozinho."