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MateriaisPoliméricosparaCapacetes deMotociclistas
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Graduação em Design - Hab. em Design de Produto
Materiais e Processos II
Profª Ruth Marlene Campomanes Santana
2010/2
Para quêserve umcapacete?
Para quêserve umcapacete?
Lesões na cabeça e no pescoço são a principal causa de morte, lesão grave e invalidez entre usuários de motocicletas. Nos
países europeus, lesões na cabeça contribuem com cerca de 75% das mortes entre usuários de veículos motorizados de duas rodas; em alguns países de baixa e média renda, estima-se que as lesões na cabeça
sejam responsáveis por 88% das mortes.
Organização Pan-Americana da Saúde, 2007
dano no escalpofratura de crânioferimento no cérebroferimento no pescoço
combinação
QUATRO TIPOS DEFERIMENTOS NA CABEÇA
Para quêserve umcapacete?
2 tipos
por aceleraçãopor desaceleração
FERIMENTOS NO CÉREBROPara quêserve umcapacete?
FRATURA LATERALPara quêserve umcapacete?
Para quêserve umcapacete?Reduz a desaceleração
do crânio e o movimentodo cérebro;
Para quêserve umcapacete?
Absorve parte do choque,reduzindo a energiado impacto;
Para quêserve umcapacete?
Distribui as forças do impactopor uma superfície maior;
Para quêserve umcapacete?
Previne contato direto entre ocrânio e o objeto do impacto,agindo como barreira mecânica.
Como funciona
um capacete ?
Como funciona
um capacete ?
Um capacete é um equipamento de segurança constituído principalmente por um casco de material rígido, com função de resistir a objetos penetrantes, e uma camada de material espumado, para absorção de energia de impacto.
(SHUAEIB et al., 2002)
Protege olhos e facede objetos e ventoPermite boa visão
Protege a cabeçapela casca que dispersaa energia e o espumadoque absorve o impacto
Refina a audição Corta o ruído do vento
Sistema rápido de engatesegura o capacete na cabeça
Como funciona
um capacete ?
Casco rígido
Preenchimento ou espumado
Acolchoamentode conforto
Proteção de face adicional
Sistema de retenção outrava de fechamento
Viseira
Como funciona
um capacete ?
Crânio
Cérebro
Fluído cérebro-espinhal
Dura Mater
Como funciona
um capacete ?
Capacetes de rosto inteiroTIPOLOGIAS Como funciona
um capacete ?
estrutura completa
proteção de toda a cabeça
pode ou não possuir viseira
TIPOLOGIAS Como funciona
um capacete ?Capacetes de rosto livre
proteção superior e lateral
proteção limitada para a área do maxilar
pode ou não possuir viseira
TIPOLOGIAS Como funciona
um capacete ?Capacetes de meia cabeça
proteção superior e lateral
maior cobertura nas laterais
geralmente não possui viseira
TIPOLOGIAS Como funciona
um capacete ?Capacetes para área tropical
especificamente projetado para paísesque têm clima extremamentequente e úmido
conhecidos como coquinho
uso questionável
Como é fabricadoum capacete ?
Abordagem da energiade Mills
método baseado naequação da energia de densidade e, em seguida, naárea de contato e velocidade de impacto.
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Abordagem da energiade Mills
primeiramente aplicado para definir a espessura de acolchoamento de embalagens.
o método é aplicado em duas etapas
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Abordagem da energia de Mills
análises experimentais para gerar a curva de amortecimento (fadiga de compressão x tensão)
naquelas condições de espessura e processamento
método só pode ser aplicado a materiais espumados que tenham comportamento próximo ao da curva mestra da abordagem
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Método de comparação daenergia instantânea de densidade
Abordagem da energia de Mills
abordagem matemática que reduz o problema em elementos simples, onde o principal critério é a capacidade de absorção de energia da espuma do capacete
o foco está em estimar a área entre o capacete e o impacto, para então compreender a relação da absorção de energia e a fadiga por compressão
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Método de análise dodesign do capacete
Abordagem da energia de Mills
neste método é negligenciada a espessura da casca, não participando dos cálculos a serem efetuados
considera-se o capacete como esférico e analisa os esforços na seção de um trecho de uma casca esférica com espessura
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Método de análise dodesign do capacete
Abordagem da energia de Mills
a) a cabeça humana tolera acelerações de 250 G até 300 G, antes de sofrer ferimentos no cérebro;
b) a massa da cabeça, juntamente com o capacete, é de aproximadamente 5kg;
c) a maior força que pode ser aplicada à cabeça é de 15kN
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Método de análise dodesign do capacete
Abordagem da energiade Gibson e Ashby
primeiramente aplicado para definir a espessura de acolchoamento de embalagens.
utiliza a aproximação da energia por unidade de volume
o método é aplicado em duas etapas
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Abordagem da energia de Gibson e Ashby
considera que a espessura do espumado é definida por parâmetros projetuais ou de processamento, devendo ter entre 20mm e 30mm
selecionar o material que mais absorva energia e distribua a força que irá ser transmitida para a cabeça, localizando-o em gráficos já existentes
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Seleção do material espumado erefinamento do processo de seleção
a) a cabeça humana tolera acelerações de 250 G até 300 G, antes de sofrer ferimentos no cérebro;
b) a massa da cabeça, juntamente com o capacete, é de aproximadamente 5kg;
c) a maior força que pode ser aplicada à cabeça é de 15kN
Abordagem da energia de Gibson e Ashby
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Seleção do material espumado erefinamento do processo de seleção
Por este método, os melhores materiais espumados são:
a) EPS (densidade de 0,05 mg/m³ e absorção de cerca de 0,8 MJ/m³);
b) PU termofixo (densidade de 0,7 mg/m³ e absorção de cerca de 0,6 MJ/m³);
c) EPP (densidade de 0,08 mg/m³ e absorção de cerca de 0,7 MJ/m³)
Abordagem da energia de Gibson e Ashby
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Seleção do material espumado erefinamento do processo de seleção
para poder determinar a espessura da casca, é efetuado um teste resistência à penetração, o mesmo utilizado para a avaliação de capacetes já acabados
deste modo é possível determinar a espessura do casco do capacete, tendo em vista que esta deve absorver no mínimo 30% do impacto total sofrido
Abordagem da energia de Gibson e Ashby
SELEÇÃO DE MATERIAISComo é fabricadoum capacete ?
Seleção de materiais para acasca do capacete
Casco
Termoplásticos
Compósitos
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
moldados por processo de injeção
materiais mais comuns são o ABS e o PC e blendas destes
ABS ainda apresenta maiores vantagens que o PC devido a melhor desempenho em impactos, problemas menores de degradação, processabilidade maior e menor vulnerabilidade a solventes orgânicos.
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Termoplástico
são mais leves que os fabricados de compósitos
mais barato para produzir em grandes quantidades
minimizam as operações de acabamento
maior precisão na peça
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Termoplástico
porém necessita ser mais espesso para equiparar aos cascos de compósito, mesmo assim com capacidade de absorção de impacto relativamente baixa (comparada aos compósitos)
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Termoplástico
mais utilizado é a fibra de vidro
capacetes para atividades de maiores exigências é comum a utilização de aramida
independentemente do reforço selecionado os métodos de fabricação serão os mesmos
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos
menores custos em termos de máquinas e processos
uma maior resistência com menor espessura de casca
exige trabalho manual intensivo
menor precisão no resultado e necessidade de muitas operações de acabamento
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos
existem dois procedimentos mais comuns para a fabricação de capacetes de material polimérico compósito
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos
Utiliza de molde negativo e positivo, onde no negativo são inseridas camadas de resina (epoxi ou poliéster) e camadas de retalhos de fibra de reforço, de modo a formar um sanduíche. São geralmente efetuadas até 9 camadas, e posteriormente prensadas sob temperatura.
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos Procedimento A
Molde negativo e positivo. Parte de uma fina casca de resina no molde positivo que é coberta por uma peça de fibra de reforço de aproximadamente 100 cm x 45 cm. Esta é tensionada cobrindo toda a superfície. Após o tensionamento, o material é impregnado com resina polimérica e repetido o processo 4 vezes (5 camadas no total). Quando finalizadas, as camadas são prensadas sob temperatura.
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos Procedimento B
Casco
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
Compósitos Procedimento B
Preenchimento Espumado
EPS
EPE e EPP
PU expandido
PVDC
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
material mais utilizado no mercado devido a sua excelente performance e baixa densidade associada, além do baixo custo de produção para grandes quantidades
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPS
fabricados em processo de injeção
utiliza o pentano como gás de expansão
é depositado ainda quente no molde, onde expande mais e assume a forma desejada
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPS
só é possível produzir peças de no máximo um hemisfério
peças feitas em 2 seções diminuem o desempenho fina
problema da rigidez também dificulta na produção de peças com furos de ventilação
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPS
substitutos do EPS
se destacam pelo alto grau de flexibilidade que permite a fabricação de preenchimentos com mais de um hemisfério e furos já projetados no molde
excelente performance a impacto
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPE e EPP
Polipropileno Expandido pode ser processado de dois modos:
método de extrusão - injeção de gás expansor no cilindro da máquina extrusora
método de impregnação - utilização de uma autoclave em que é introduzido o polipropileno na forma de grânulos, sofrendo expansão pela injeção de gás.
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPE e EPP
material obtido é utilizado na produção de peças por um processo de injeção
em uma câmara é colocada a mini espuma dessa matéria-prima
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPE e EPP
por meio da elevação da temperatura e pressão com a utilização de vapor e ar comprimido, promove-se a passagem do vapor entre e no interior das mini espumas realizando a soldagem e moldagem da peça
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
EPE e EPP
material mais barato dentre os descritos
possui excelente desempenho em impactos múltiplos
é consideravelmente mais pesado que o EPS
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
PU – Poliuretano expandido
é processado de modo ligeiramente diferente.
molde de 2 cavidades, primeiramente é gerado um filme fino de laca da PU na cavidade superior (pré-aquecida)
Na cavidade inferior aloca-se a casca do capacete
o PU é depositado e o molde é fechado
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
PU – Poliuretano expandido
após o processo de expansão, o capacete é retirado inteiro, com o PU alocado ao casco
trata-se de um material frágil, há as mesmas limitações de modelagem encontradas no EPS.
Preenchimento espumado
FABRICAÇÃOComo é fabricadoum capacete ?
PU – Poliuretano expandido
Seleção de materiais
ferimentos de cabeça
Polipropileno
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Fotografias
Capa - http://www.flickr.com/photos/grantuking/Para quê serve um capacete? - http://www.flickr.com/photos/45688285@N00/Como funciona um capacete? - http://www.flickr.com/photos/kerryburnout/Como é fabricado um capacete? - http://www.flickr.com/photos/40961295@N03/Contra-capa - http://www.flickr.com/photos/matthoult/Capacete tipologia 1, 2 e 3 - Taurus HelmetsCapacete tipologia 4 - Harley Helmets
CRÉDITOS
Ilustrações
Estrutura Capacete - Motorcycle Safety FoundationSistema cérebro-espinhal - Organização Pan-Americana de SaúdeÁreas afetadas - RICHTER et. al (2001)Processamento Compósito - SHUAEIB et al. (2002)
Organização Pan-Americana da Saúde. Capacetes: manual de segurança no trânsito para os gestores e profissionais de saúde. / Organização Pan-Americana da Saúde; Organização Mundial da Saúde; Solange Pedroza. – Brasília : Organização Pan-Americana da Saúde, 2007.
SHUAEIB, F. M.; HAMOUDA, A. M. S.; HAMDAN, M. M.; RADIN UMAR, R. S.; HASHMI, M. S. J. Motorcycle helmet - Part I. Biomechanics and computation issues. Journal of Materials Processing Technology 123 (2002) pp 406 a 421. Elsevier, 2002.
SHUAEIB, F. M.; HAMOUDA, A. M. S.; HAMDAN, M. M.; RADIN UMAR, R. S.; HASHMI, M. S. J. Motorcycle helmet - Part II. Materials and design issues. Journal of Materials Processing Technology 123 (2002) pp 422 a 431. Elsevier, 2002.
SHUAEIB, F. M.; HAMOUDA, A. M. S.; HAMDAN, M. M.; RADIN UMAR, R. S.; HASHMI, M. S. J. Motorcycle helmet - Part III. Manufacturing issues. Journal of Materials Processing Technology 123 (2002) pp 432 a 439. Elsevier, 2002.
MAARTENS, Nicholas F. F.R.C.S.(SN); WILLS, Andrew D. M.R.C.S.; ADAMS, Christopher B.T. M.A., M.Ch., F.R.C.S. Lawrence of Arabia, Sir Hugh Cairns, and the Origin of Motorcycle Helmets. Neurosurgery Journal. January 2002 - Volume 50 - Issue 1 - pp 176-180.
RICHTER, Martinus MD; OTTE, Dietmar MSc; LEHMANN, Uwe MD; CHINN, Bryan PhD; SCHULLER, Erich DSc; DOYLE, David MD; STURROCK, Kate BS; KRETTEK, Christian MD, FRACS. Head Injury Mechanisms in Helmet-Protected Motorcyclists: Prospective Multicenter Study. Journal of Trauma-Injury Infection & Critical Care: November 2001 - Volume 51 - Issue 5 - pp 949-958.
KOLESKI , Sérgio Daniel; BALLESTERO , Serafim Daniel. Redução do impacto ambiental pela reciclagem de resíduos de polipropileno expandido na produção de autopeças . Rev. biociências, Taubaté, v.13, n.3-4, p.175-177, jul/dez. 2007 .
BIBLIOGRAFIA
MateriaisPoliméricosparaCapacetes deMotociclistas
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Graduação em Design - Hab. em Design de Produto
Materiais e Processos II
Profª Ruth Marlene Campomanes Santana
2010/2
Obrigado.
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