Capacetes para Motociclistas - Seminário de Materiais e Processos 2

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?


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


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;


Absorve parte do choque,reduzindo a energiado impacto;


Distribui as forças do impactopor uma superfície maior;


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


um capacete ?Capacetes de meia cabeça

proteção superior e lateral

maior cobertura nas laterais

geralmente não possui viseira


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


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


Método de comparação daenergia instantânea de densidade


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


Método de análise dodesign do capacete


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




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 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


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 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




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)




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



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


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


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


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


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


Compósitos

existem dois procedimentos mais comuns para a fabricação de capacetes de material polimérico compósito

Casco


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


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


Compósitos Procedimento B

Casco


Compósitos Procedimento B

Preenchimento Espumado

EPS

EPE e EPP

PU expandido

PVDC


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


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



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



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



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.



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



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



EPE e EPP

material mais barato dentre os descritos

possui excelente desempenho em impactos múltiplos

é consideravelmente mais pesado que o EPS



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




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.




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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