Desenvolvimento de soluções lightweight para instrumentos musicais de corda

Abstract

Esta dissertação está inserida num projeto de cooperação entre o Cis-Madeira e o PIEP denominado Valornature, em que é visada a conjunção e substituição de madeiras por compósitos de fibra de carbono, como resposta à escassez de recursos naturais. Nesta dissertação desenvolveu-se um componente estrutural interior de uma guitarra em material compósito de fibra de carbono para substituição da peça atualmente usada e que é produzida pela Sabrafen, empresa com protocolo com o Cis-Madeira. Primeiramente, a empresa pretendia a substituição do truss rod das suas guitarras por uma solução mais leve e estável. Procedeu-se, então, ao estudo do componente a substituir, bem como a conceptualização e projeto de novos componentes. Contudo as soluções apresentadas, contemplando a utilização de laminados e tecnologias existentes no PIEP, foram consideradas desenquadradas dos objetivos da empresa, que preferiu, então, a substituição de um componente estrutural interior das suas guitarras archtop. Todo um novo processo de conceção foi realizado para desenvolver este novo componente, tendo em conta as intenções da empresa em reduzir o peso e melhorar a integridade do reforço, mantendo a rigidez equivalente ao componente em madeira atualmente usado e o fator premium dos seus instrumentos. Projetou-se, assim, um novo componente em resina epóxida reforçada com fibras de carbono a ser produzido por “infusão a vácuo” numa peça única. Depois de validado o design final, efetuou-se inicialmente o dimensionamento mecânico do laminado de modo a garantir uma rigidez semelhante à do componente atualmente utilizado procedendo-se, de seguida, à sua simulação estrutural de forma a assegurar que ele suportaria a carga nele exercida pelas cordas. Confirmada a funcionalidade do componente, foi então projetado e construído um molde usado para a produção de dois componentes por infusão a vácuo, nas condições previamente definidas. A peça estrutural final foi depois validada através dum ensaio idealizado no PIEP com recurso a uma máquina de ensaios de tração. Finalmente, realizou-se uma análise de custos por forma a comparar o produto convencional com o desenvolvido. Conclui-se que a peça desenvolvida pode substituir com sucesso o componente usado, reduzindo o seu peso e melhorando a sua função reforçadora, mantendo uma rigidez equivalente e aumentando até o fator premium dos instrumentos da empresa.

This dissertation is part of a cooperation project between Cis-Madeira and PIEP called ValorNature, which aims at the conjunction and replacement of wood by carbon fiber composites as a response to the scarcity of natural resources. In this dissertation a product was developed in carbon fiber composite laminates, to replace a structural component inside a guitar, produced by a third company, with protocol with Cis-Madeira, Sabrafen. Primarily the company intended the replacement of the truss rod of its guitars, by a lighter and more stable solution. The study of the component to be replaced was then carried out, as well as the conceptualization and design of new components. However, the solutions presented, according to the use of laminates and technology present in PIEP, were rejected by the company, which then preferred the replacement of an interior structural component of its archtop guitars. This whole process was done again, but applied to the new component, taking into account the company's intentions to reduce weight and improve reinforcement integrity, maintaining the rigidity equivalent to the wood component used and the premium factor of its instruments. A single piece carbon fiber composite and epoxy resin component was designed, to be produced through the vacuum infusion process. After the final design was validated, the theoretical dimensioning of the laminate thickness was made using a comparison to the stiffness of the component used, carrying out a structural simulation in order to confirm that the component would be able to withstand the load exerted on it by the strings. After the component's functionality was confirmed, a mold was designed and manufactured. In the mold two components were manufactured by vacuum infusion using the same conditions and procedures. The component was physically validated using a test idealized in PIEP using a traction equipment. Finally, a cost analysis of the raw materials was made in order to compare the conventional product with the developed one. After all these processes it was allowed to conclude that the substitution of the component used by a composite component was done successfully and meets the starting conditions of weight reduction, improving the integrity of the reinforcement maintaining an equivalent stiffness and increasing even the premium factor of the company's instruments.