MCLAREN, PIONEIRA NA FIBRA DE CARBONO




Um dos principais materiais utilizados na fabricação de componentes estruturais de carros de competição e superesportivos é a fibra de carbono, mais precisamente o compósito de fibra de carbono, oplástico reforçado com fibra de carbono (em inglês, carbon fiber-reinforced plastic, CFRP). Sua leveza e resistência excepcionais revolucionaram a forma de construir carros de alto desempenho.

Quem mostrou ao mundo a real capacidade deste material foi a McLaren. Tanto no automobilismo como nos carros de rua, eles foram pioneiros na aplicação do carbono como material principal na construção do chassi.

Nos primórdios do século 20, pouco mais de cem anos atrás, uma empresa americana chamada Hercules produzia diversos materiais, entre componentes químicos, explosivos e armamentos, ligada ao forte nome DuPont, já conhecida no mercado por diversos produtos em diversos ramos, inclusive no automobilístico.

A Hercules passou pelas duas guerras mundiais fornecendo pólvora, explosivos e outros materiais bélicos para o governo americano. Nos anos sessenta, entrou no ramo de combustíveis sólidos para foguetes, algo que o governo dos EUA tinha grande interesse, pois a corrida espacial contra os soviéticos estava em alta. Seu campo de pesquisa era extenso, e a área de novos materiais também estava em constante crescimento.

Tecido de fibra de carbono, é possível ver os fios nas extremidades

Desviando um pouco para o mundo da F-1 do começo dos anos 1980, a McLaren estava prestes a revolucionar a forma de se construir carros de corrida, sob o comando de John Barnard, engenheiro de desenvolvimento da equipe.

Barnard havia trabalhado na McLaren no projeto do M23 e depois foi para os EUA, onde trabalhou com Parnelli Jones em um projeto de F-1, e também com carros da Indy, onde criou o Chaparral 2K, vencedor da 500 Milhas de Indianápolis. John trouxe consigo a sua empreitada de parceria com a Hercules.

McLaren MP4/1

A proposta do novo carro da McLaren, que viria a ser o MP4/1, era de utilizar um monocoque, ou monobloco, inteiramente de compósito de fibra de carbono, que em teoria seria mais leve e resistente que os de alumínio, até então utilizados. A Hercules seria de grande importância devido ao know-how no manuseio do material e os processos de fabricação.

Raio-x do MP4/1

Em paralelo, a Lotus também estava trabalhando com o carbono no modelo 1991, que foi apresentado e participou de corridas depois do MP4/1. Assim, o McLaren foi mesmo o pioneiro na Fórmula-1 a utilizar o material nobre para fabricar a célula central do carro.

Foto do MP4/1 sem a carenagem dianteira, com o monocoque à mostra

O conceito da fibra de carbono é de se criar uma estrutura única, praticamente sem junções, que deixam o chassi muito mais rígido. O processo de fabricação era, e ainda é hoje, complexo e custoso, pois é demorado e requer gente especializada. Para não dizer que não há junções de componentes, há elementos individuais, fabricados independentemente, que são colados (com cola estrutural ou resina) para formar uma peça final rígida, que não pode ser desmontada.

Diversas camadas de tecido de fibra de carbono, que na verdade são trançados de fios de fibra de carbono orientados formando uma superfície, são sobrepostas de maneira a direcionar os fios e controlar a resistência da peça final. Estas camadas são unidas por resina fenólica que é curada à alta temperatura e pressão para eliminar todo ar e imperfeições da sobreposição dos tecidos.

Um dos primeiros monocoques a ser fabricados com a tecnologia da fibra de carbono

O MP4/1 provou que o monocoque de material compósito era viável e seguro, e desmistificou a possibilidade dele se esfarelar em caso de fortes impactos, como acontecia com a fibra de vidro, ou plástico reforçado com fibra de vidro (fiberglass-reinforced plastic, FRP). Até então, apenas pequenas peças e insertos de fibra de carbono eram utilizadas nos carros de F-1. Após algumas corridas bem-sucedidas, todas as equipes partiram para novos projetos com o mesmo conceito dos compósitos.

Detalhe do monocoque do McLaren MP4/1 e o uso pioneiro da fibra de carbono

Anos depois, a McLaren entrou no mercado dos carros de rua, e também foi pioneira ao lançar o McLaren F1 com o chassi de fibra de carbono para um carro de produção. Gordon Murray projetou o F1 para ser o simplesmente “melhor”, e o melhor que havia para se construir o monocoque era a fibra de carbono. Para a época, os processo de fabricação ainda não eram tão evoluídos como hoje, e o custo era muito alto, além de demorado.

Os contemporâneos do F1 usavam outros materiais em sua construção, especialmente o alumínio, como o Jaguar XJ220. Era uma reprise do que acontecera na Fórmula-1 no começo dos anos 1980 com o Mp4/1. A McLaren lançou a moda e depois todos aderiram quando viram a eficiência.

McLaren F1, o soberano dos anos noventa
 O F1 pesava pouco mais de uma tonelada, era extremamente rígido e o potente motor V-12 BMW empurrava o carro a mais de 380 km/h. Novamente, a segurança foi questionada, mas diversos testes e até um acidente durante os testes de alta velocidade com um dos primeiros protótipos provou que o material era confiável e resistente.
 
O compacto V-12 com transmissão, mais de 600 cv
Murray foi cuidadoso ao projetar o carro, pois sabia que a sua estrutura deveria se manter sempre intacta e não era possível desmontá-la, mas como carro de rua, pequenos acidentes acontecem, e os painéis externos de carroceria podiam ser substituídos sem impactar no monocoque.

Fibra de carbono ainda aparente no F1, antes da pintura
Os extremos dianteiro e traseiro do carro, onde as suspensões, radiadores e conjunto do motor com transmissão tinham estrutura metálica que trabalhavam junto com a fibra de carbono do bloco central,  possibilitam uma melhor montagem e flexibilidade de manutenção e fabricação.

Detalhe da dianteira do F1
O F1 foi um sucesso, por anos foi tido como o rei dos supercarros. Mesmo com a produção limitada a poucas unidades, o F1 manteve seu reinado, inclusive no mundo do automobilismo, ganhando corridas de importância internacional, como as 24 Horas de Le Mans.

Espaço para o motor, dentro do bloco de carbono

A McLaren ficou alguns anos sem produção de carros de rua, mas em 2010 voltou ao mercado com o MP4/12C, um esportivo para ser rival do Ferrari 458. Enquanto o F1 nasceu para ser soberano e exclusivo, o novo 12C veio para entrar no mercado de “alto” volume de produção em série e brigar com Ferrari (458), Porsche (911 Turbo) e Lamborghini (Gallardo). Novamente, a tecnologia da fibra de carbono foi usada no carro, agora com uma nova variação.

McLaren F1 e o MP4/12C
Chamada de monocell (monocélula), a estrutura principal do carro é a região central do carro, onde fica o habitáculo, que é uma espécie de banheira de fibra de carbono. Os demais elementos que formam o chassi são fixados nesta banheira, com a estrutura da suspensão dianteira, traseira e motor. 

A novidade do monocell é o fato de ser uma peça única de fibra de carbono, sem junções ou elementos colados à parte. Esta tecnologia permite atingir um nível de resistência ainda mais elevado, mais estável e dimensionalmente mais preciso que a estrutura com partes coladas.


O "monocell" do MP4/12C, estrutura apenas na parte de baixo do carro

Vemos que o monocoque central é composto apenas pela parte de baixo do carro, como um conversível. A McLaren já previu que uma versão conversível seria lançada, e projetou o carro de forma a não depender de uma estrutura superior para dar rigidez ao chassi. 

Toda estruturação está na parte de baixo. Os painéis principais de carroceria são colados à banheira central, lado esquerdo e lado direito, e depois o teto e quadro do pára-brisa, até fechar a cabine. Diversas avaliações do 12C conversível indicam que não é perceptível a perda de rigidez do carro com a eliminação do teto, exatamente pelo fato deste não ser representativo na estruturação do carro.

MP4/12C e o F1 ao fundo

Uma tecnologia similar foi feita pela Lamborghini no conceito Sesto Elemento, porém o material é um pouco diferente. Uma massa moldada de fibra de carbono é utilizada no lugar de camadas de tecido, mas no final gera uma única peça sem emendas, como o monocell.

Dispositivo de fechamento e colagem do chassi do 12C

O ganho em processo de produção e velocidade de fabricação permitiu que a fibra de carbono fosse usada no 12C, pois para acompanhar o volume de produção dos concorrentes, que usam metal na fabricação de seus carros, o processo normal da fibra de carbono seria inviável. 

Para construir a parte do monocoque do McLaren F1, eram gastas milhares de horas/homem, enquanto que para o 12C com o monocell, poucas centenas são necessárias. Mais de mil carros por ano podem ser produzidos desta maneira, tornando o custo competitivo. Um enorme complexo industrial foi criado para a fabricação do 12C em volume apreciável.

Complexo industrial da McLaren

O mais novo lançamento da McLaren é o superesportivo P1, que quer resgatar o prestígio que a marca teve com o F1. O P1 talvez não se destaque tanto quanto o seu ancestral, talvez não seja o mais rápido do mundo, mas está no patamar mais alto da cadeia, junto com o novo Ferrari LaFerrari e o Porsche 918 Spyder. Assim como estes rivais, o P1 usa a tecnologia de motorização híbrida, associando um motor a combustão interna a propulsão elétrica.



Por ser uma grande novidade ainda, poucos detalhes da estrutura do chassi do P1 foram divulgadas, mas é certo que o carro utiliza fibra de carbono em larga escala. O conceito do monocell foi aprimorado, agora recebe o nome de monocage (algo como “gaiola única”). 

Enquanto o 12C tinha a estrutura toda na parte de baixo do carro, o P1 usa o teto também como estrutura. O monocoque é fechado e incluso nele estão o quadro do pára-brisa e até a entrada de ar do motor que fica no teto. Com apenas 90 kg, o monocage do P1 é um dos monocoques mais rígidos e leves já criados. O carro completo pela menos de 1.400 kg.

McLaren P1, o novo supercarro da marca

Após os processos de fabricação, o monocoque do carro possui apenas uma peça única, como no 12C. Com a adição do teto à estrutura, a rigidez aumentou consideravelmente. Como o carro é mais potente e mais rápido que o 12C, mais rigidez é necessária tanto para o desempenho do sistema de suspensão quanto para a segurança dos ocupantes. 

A McLaren informa que em alguns pontos localizados, há uso de fibra de aramida, ou o conhecido Kevlar, que junto com o carbono formam um composto extremamente resistente.

Primeiras unidades construídas do novo P1

O volume de produção do P1 é limitado à 375 unidades, com o preço superior a US$ 1.000.000. O que a empresa conseguiu ganhar em velocidade de fabricação para o 12C com a estrutura simplificada de fibra de carbono, ela dispensou no P1 em prol da eficiência mecânica. Construir o monocoque do P1 é muito mais complexo que no 12C. Seria algo como voltar a ter as milhares de horas gastas antigamente no F1, porém para atingir um grau de perfeição superior.
 
As três grandes peças que compõem a carroceria do P1, com o monocage ao centro
O princípio básico do monocoque de fibra de carbono não se alterou desde sua criação, no MP4/1: leveza e rigidez. As mudanças se deram nos processos de fabricação e na forma de utilizar as propriedades do carbono. Formas mais complexas podem ser fabricadas, e menos junções de componentes colados.



O P1 e o 12C são as evoluções que a engenharia da McLaren criaram, partindo de um DNA comum com a Fórmula-1. Podemos esperar que o P1 seja realmente um dos maiores carros esporte já criados.

P1 na pista
MB



Fotos: divulgação, McLaren, wikipedia, speedhunters,





26 comentários :

  1. Impossível não me lembrar do dia em que tive oportunidade de olhar de perto uma Ferrari F50. A malha da fibra de carbono era visível sob a pintura do carro.

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    1. Alexandre, era mesmo, a pintura era muito fina!

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    2. Isso era para o carro ficar mais leve!

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  2. Belli fantastica reportagem, deveriamos usar mais componentes em fibras em portas e paralams a caô para aliviar peso
    Mas uma coisa, vc poderia falar de fibra de boro que vi sendo usado numa longarina de asa delta fiquei curioso com o material
    Parabéns pelas reportagens

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    1. A fibra de boro é um material à base de tungstênio com deposição de boro. Vou pesquisar um pouco sobre as aplicações dela.

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    2. O Grumann F14 Tomcat usava boro nas naceles dos motores.
      Klaus

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  3. Milton Belli, obrigado por mais essa aula sobre tecnologia.

    Como leigo, só não entendo o seguinte: as maiores forças dinâmicas aparentemente são geradas nas rodas, motor e transmissão, mas estes elementos estão apenas "encaixados" na estrutura de fibra. Não seria melhor uma estrutura mais extensa de fibra de carbono?

    Abraço

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    1. No caso dos monopostos de corrida, como o MP4/1 e os F-1 atuais, o motor é preso na fibra. Nos carros de rua, como o 12C, a complexidade do molde de fabricação faz com que uma estrutura auxiliar metálica seja mais adequada.

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  4. Gostaria muito de ver fibra de carbono aplicada a carros de larga escala de produção.

    Um detalhe me chamou atenção, na foto do motor e transmissão do F1 notei a presença de duas pinças de freio no mesmo disco!

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    1. Rafael, a pinça menor é para o freio de estacionamento.
      abs,

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    2. Carlos José17/11/13 20:20

      Li há poucos meses no UOL que a Petrobras e o Exército Brasileiro inventaram um novo tipo de fibra de carbono, que é liquida, permitindo fabricar qualquer coisa. No caso, armas pro exército, mas com baixo custo de produção pode vir a ser usado na produção em larga escala de veículos.
      Alguém sabe de alguma informação?

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    3. Rafael, só para constar, em carros de corrida, durante o final da década de 1980 e início da de 1990, antes dos freios a disco de carbono se popularizarem, os discos de aço receberam todo tipo de modificação para se refrigerarem. Chegou-se num ponto em que havia uma pinça enorme e poderosíssima num ponto do disco e todo restante do disco livre para refrigeração. Foi quando inventaram um conceito chamado "balanced braking", onde duas pinças menores eram dispostas diametralmente opostas. A teoria do balanced braking era que o sistema de pinça única criava um ponto muito quente no meio das pastilhas o que facilitava atingir o ponto de fadiga, além do disco esfriar bastante durante todo arco livre para rapidamente aquecer dentro das pastilhas, nada agradável para o material do disco. Já no Balanced Braking a frenagem é distribuída entre as duas pinças e o disco possui dois setores livres. O disco não esfria tanto como no sistema de pinça simples, mas também não atinge o pico de temperatura alcançado na pinça simples. Não é um sistema perfeito, mas tem suas vantagens.

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    4. Rafael, só para constar, em carros de corrida, durante o final da década de 1980 e início da de 1990, antes dos freios a disco de carbono se popularizarem, os discos de aço receberam todo tipo de modificação para se refrigerarem. Chegou-se num ponto em que havia uma pinça enorme e poderosíssima num ponto do disco e todo restante do disco livre para refrigeração. Foi quando inventaram um conceito chamado "balanced braking", onde duas pinças menores eram dispostas diametralmente opostas. A teoria do balanced braking era que o sistema de pinça única criava um ponto muito quente no meio das pastilhas o que facilitava atingir o ponto de fadiga, além do disco esfriar bastante durante todo arco livre para rapidamente aquecer dentro das pastilhas, nada agradável para o material do disco. Já no Balanced Braking a frenagem é distribuída entre as duas pinças e o disco possui dois setores livres. O disco não esfria tanto como no sistema de pinça simples, mas também não atinge o pico de temperatura alcançado na pinça simples. Não é um sistema perfeito, mas tem suas vantagens.

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    5. Muito obrigado pelas respostas, Milton e André. A cada dia aprendo uma coisa nova no AE!


      Valeu

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  5. Se bem me lembro, o primeiro carro a usar fibra de carbono foi a F40, confere?

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    1. O F40 usava fibra de carbono e kevlar na carroceria, mas havia um chassi tubular como estrutura principal.

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    2. Então muda o texto, porque nele diz que a McLaren foi a pioneira e nós sabemos que não foi, o ponto do texto é sobre o uso.

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    3. Se você prestar atenção no texto, a McLaren foi pioneira no uso da fibra de carbono na construção de monocoque, que é diferente de carroceria de fibra de carbono e peças de fibra de carbono.
      O F40 tem carroceria com uso de carbono, mas o chassi é tubular.

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    4. Paulo "Polêmica" Freire, dá um tempo!
      Estou em dúvida se vc não sabe interpretar texto, ou se gosta de uma bagunça. Qual seria?

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  6. Lembro-me, ainda criança (mal sabia ler), de ter visto uma foto semelhante à quinta foto deste post, em uma notícia de jornal, onde o que me chamou a atenção foi o fato do monocoque do novo MP4/1 ser preto, quando o dos demais protótipos de F1 eram de alumínio. Essa, aliás, foi uma das incontáveis perguntas que fiz ao meu saudoso pai, que logicamente não soube responder, por não acompanhar de perto a F1 e não ter a foto para entender o que eu queria dizer (imagine uma criança de uns 7 anos querer explicar um monocoque de F1, sem nem saber o nome certo das peças...) Somente anos depois é que descobri o porquê da diferença de cor.

    Muito legal este texto, pois apresenta de forma direta a evolução que a McLaren vem fazendo ao longo dos anos no uso do compósito de fibra de carbono. Do início limitado aos monocoques de F1, até chegar na, digamos, popularização do uso do material em carros de rua, não necessariamente somente nos de alto desempenho.

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  7. Nada se comentou sobre o sanduíche, seja espuma ou honeycomb (a estrutura que vai como um sanduíche dentro de duas placas de fibra de carbono e que parece uma colmeia com seus nichos sextavados). Não são usados em algumas partes?
    Sempre li que o sanduíche é que gerava um ganho enorme quando comparado com materias semelhantes (claro, em partes maiores, como parte da célula, nas finas asas não tem muito como fazer isso). Não é usado na F1 e nos carros de rua?
    Assim: http://www.compositesworld.com/articles/automotive-cfrp-repair-or-replace

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  8. Interessante, me lembro de ler uma coluna do Emerson Fittipaldi numa Quatro Rodas de 1978, onde ele comentava que, a fim de aliviar o peso do F5A, eles iriam experimentar minissaias feitas de um novo material leve chamado de fibra de carbono. Me lembro também que Gordon Murray também pesquisava o assunto, somente se convencendo a usara o material após realizar um crash test com um chassi. Ou seja, parece que a McLaren e a Lotus foram as pioneiras no uso da fibra para a construção do monocoque, mas outras equipes também pesquisavam o assunto.

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  9. Este comentário foi removido pelo autor.

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  10. Milton Belli, excelente matéria. Tive a oportunidade de visitar algumas fábricas de F1 e entender o processo de fabricação que você mencionou. Acredito que a inovação em criar o chassi em fibra de carbono tenha os dedos e idéias de dois gênios do automobilismo: Jim Hall e John Barnard, quando criaram o Chaparral 2K de F-Indy no início da década de 1980, ano em que Johnny Rutherford venceu as 500 Milhas de Indianapolis com o famoso Submarino Amarelo. A lista dos conceitos explorados por Hall inclui vários outros exemplos, entre eles o uso de Lexan para instalar mini-saias no Chaparral 2J. Outro dado curioso: a fabricação da banda de rodagem dos pneus de F1 segue o mesmo princípio do método clássico de construção com fibra de carbono: explorar a resistência criada com as diferentes direções de cada camada de fibra aplicada na peça em fabricação.

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    1. Wagner, o direcionamento da fibra de carbono é o grande segredo para uma estrutura muito resistente. Tive alguma experiência com este material, e os números de resistência à tração são surpreendentes dependendo da orientação.

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  11. Mas a F50 já usava chassi tipo banheira em fibra de carbono.

    A fibra de carbono tem excelente resistência a tração, mas sofre demais com abrasão e esforços pontuais. Qualquer coisa que envolva “apertos” deve-se usar torquímetro, caso contrário corre-se o risco de trincas.

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