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II. FST 10e: Manufatura e Montagem da Asa da Frente - FST

II. FST 10e: Manufatura e Montagem da Asa da Frente

A asa da frente do FST 10e é composta por um perfil principal, dois flaps mais pequenos, duas endplates em forma de perfil alar e placas verticais que asseguram a montagem correta no carro. Estes componentes são feitos em fibra de carbono, um material que permite obter componentes mais leves, com algumas regiões reforçadas com Kevlar para adicionar resistência ao impacto.

O processo de fabrico seguiu um processo de infusão de resina. Dado que um carro de Formula Student é um protótipo único, sendo cada peça fabricada apenas uma vez, a infusão de resina é um método extremamente rentável de fabrico de peças de fibra de carbono de alta qualidade e alta resistência. É um processo amplamente utilizado na indústria de compósitos e que permite obter uma melhor relação fibra/resina e reduzir a quantidade de resina desperdiçada.


Os moldes utilizados para este fim foram, na sua maioria, feitos de MDF (painel de fibra de média densidade). Este tipo de madeira é utilizado em engenharia devido à sua maquinabilidade, baixo peso e custo. As desvantagens da utilização de MDF estão relacionadas com a sua elevada porosidade e com o facto de necessitar de um tratamento de superfície antes de ser utilizado. Uma vez que o acabamento superficial do perfil principal era extremamente importante, decidimos utilizar POM C (Polioximetileno) exclusivamente para este componente, uma vez que apresenta menor porosidade e não requer um tratamento superficial extensivo antes da sua utilização.

O processo de laminação teve algumas melhorias relativamente às técnicas utilizadas anteriormente, na sequência dos conhecimentos adquiridos neste campo. Os novos métodos permitiram reduzir as fugas de ar e distribuir melhor a resina ao longo dos componentes. Além disso, os recursos e produtos utilizados, tais como a nova bomba de vácuo e outros consumíveis, conduziram a uma infusão de resina de alta qualidade.

Além disso, as placas que suportam a asa da frente ao carro e as que suportam os flaps foram fabricadas utilizando um processo de laminação ‘pré-preg’. A utilização de fibra de carbono pré-impregnada é uma grande vantagem, uma vez que geralmente produz componentes mais leves.

O processo de montagem foi muito mais complexo que o processo de fabrico. A montagem de todos os componentes envolveu métodos de alta precisão e um bom planeamento para assegurar que tudo fosse corretamente colocado. Dadas algumas alterações de conceito, particularmente no design das endplates que são completamente diferentes das do protótipo do FST 09e, foram introduzidas alterações significativas na forma como este sistema é montado.

Cada perfil, incluindo o perfil principal e também as endplates, foram fabricadas em duas partes distintas e foram coladas utilizando um adesivo estrutural epóxi de dois componentes. Este adesivo tem propriedades excepcionais para a colagem de materiais compósitos com excelente resistência ao impacto e às vibrações, sendo ideal em aplicações onde a tenacidade e alta resistência são um dos principais requisitos.

Um dos métodos mais complexos neste processo foi a montagem do perfil principal. Devido ao seu design, este componente teve de ser montado em apenas uma etapa. Isto envolveu alta precisão para assegurar o alinhamento de todos os reforços estruturais interiores, garantindo ao mesmo tempo uma ligação perfeita entre os mesmos e as duas partes da própria perfil.

Em relação à forma mais recente das endplates, a montagem do perfil principal e do perfil mais pequeno provou ser um processo desafiante. Ambas as soluções foram cuidadosamente pensadas e concebidas para garantir que não existiam folgas entre os componentes que pudessem comprometer a aerodinâmica.

Por conseguinte, a endplate foi aparada para encaixar no perfil principal, enquanto o perfil mais pequeno tem uma solução impressa em 3D, feita pela equipa, para se adaptar perfeitamente à forma da endplate.

No final, o sistema da asa da frente pesa cerca de 6 quilogramas, o que não é ideal mas que é um feito notável, considerando as alterações de design, a remoção de alguns perfis e a introdução de uma endplate mais complexa e robusta. Além disso, é importante notar que a asa da frente do FST 10e tem uma excelente rigidez estrutural, resultado do grande trabalho de design combinado com um processo de fabrico adequado. Todos os desafios foram superados com sucesso, e após uma melhoria extraordinária ao longo do ano passado, espera-se que no próximo ano o fabrico do pacote aerodinâmico possa evoluir graças à experiência e conhecimento adquiridos ao longo deste processo.

I. FST Lisboa: A Equipa

I. FST Lisboa: A Equipa

A FST Lisboa é um núcleo de estudantes do Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa que projeta, constrói e testa veículos do tipo fórmula, com o objetivo final de representar Portugal nas competições internacionais de Formula Student.

Esta é a maior competição para estudantes de engenharia a nível mundial e é palco de estreia de muitos avanços na tecnologia de motorsports. É considerada, por muitos, como a competição mais inovadora após a Fórmula 1.

Criada em 2001, a FST Lisboa é uma das equipas de Formula Student mais ativas em Portugal. Contando já com 10 protótipos, a equipa é pioneira neste tipo de projetos e, como tal, um símbolo de inovação em Engenharia.

Em 2010, já com 3 carros a combustão construídos,  concluímos a produção do FST 04e, o primeiro carro elétrico de alta performance desenvolvido em Portugal, que marcou o início do envolvimento da Novabase enquanto patrocinador principal.

Em 2012, a construção do FST 05e trouxe uma mudança de paradigma, tendo sido este o primeiro chassis monocoque de fibra de carbono desenvolvido em Portugal e o primeiro protótipo da equipa com pacote aerodinâmico. 

O FST 06e foi um carro muito fiável, que foi resultado de um período de testes longo que conduziu a uma excelente optimização dos vários sistemas, permitindo ao FST 06e atingir o melhor resultado da equipa em competições até 2019. 

Em 2017, o FST 07e foi o primeiro protótipo com motor em 4 rodas completamente desenvolvido em Portugal e em 2018 a equipa produziu o FST 08e em apenas um ano. 

Em 2019, o FST 09e veio colocar a equipa entre as melhores performances em competições, tendo obtido o 9º lugar na Formula Student Germany e batido vários recordes da equipa. 

Esta época, a equipa é constituída por quase 60 estudantes de diversos cursos, como Engenharia Mecânica, Eletrotécnica, Aeroespacial e Informática, e ainda Gestão. Terminámos recentemente a manufatura da 10ª geração de carros da equipa, os FST 10. 

O FST 10e é o 10º carro da equipa e o 7º carro elétrico. Conta com um chassis monocoque de fibra de carbono,  pacote aerodinâmico e um motor em cada roda. A  bateria é totalmente desenvolvida pela equipa com uma potência de 80 kW e menos 20 quilogramas que a anterior. Tem um sistema de telemetria melhorado e controladores que correm um algoritmo de vetorização de potência de cada um dos motores, otimizando a performance do carro em curva. 

O FST 10d é a adaptação do FST 09e a uma versão driverless (sem piloto). Conta com sistemas autónomos que substituem a visão e sensações do piloto através da integração de tecnologias de visão computacional, fazendo uso de uma câmara, um LiDAR, um AHRS (attitude and heading reference system) e uma unidade de processamento. Tudo isto associado a sistemas de segurança complexos e inovadores.

X. Monaco Solar & Energy Boat Challenge - A competição!

X. Monaco Solar & Energy Boat Challenge: a competição!

O grande objetivo de todas as temporadas do TSB é conseguir o melhor resultado na competição ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’. É nesta prova que o trabalho desenvolvido durante meses é colocado à prova.

A estreia do TSB nesta competição foi na temporada de 2016/2017, ano em que a equipa finalizou o seu primeiro protótipo solar, o SR01. Na época seguinte, 2017/2018, pegando no protótipo existente, implementaram-se várias melhorias, sendo que o grande destaque foi a implementação do dual-motor, a fim de poder participar novamente nas competições que, desde então, passaram a ser um dos principais objetivos de cada temporada do TSB.

No ano seguinte, desenvolveu-se e construiu-se o SR02, mais ágil, mais leve e mais eficiente do que o protótipo anterior. Desta forma, o SR02 seguiu para o Monaco e bateu-se com 34 equipas, de 14 nacionalidades. Durante vários dias, a sexta edição do ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’ foi disputada em quatro provas, duas das quais vencidas pelo SR02, e conquistando nas outras duas um 2º e um 4º lugar. No final, o TSB sagrou-se vice-campeão do mundo, tendo obtido a melhor classificação de sempre da história do projeto!

Na época passada, a competição realizou-se com contornos distintos, devido à pandemia. Realizou-se em formato virtual, onde a equipa teve a oportunidade de discutir os novos conceitos implementados nos seus processos de trabalho, tais como a produção de hidrogénio verde e da sua própria fuel cell. A equipa portuguesa arrecadou o prémio de inovação, destacando-se entre as onze equipas, de todo o mundo, em competição.

Esta época, a competição irá ocorrer no Mónaco entre os dias 6 a 10 de julho, sendo que o TSB tem como objetivo alcançar a melhor classificação de sempre na classe Solar com o SR03. A outra grande novidade é a participação, pela primeira vez, do nosso protótipo movido a hidrogénio, o SM01! Estamos ansiosos e expectantes para colocar à prova todo o trabalho desenvolvido nos últimos meses!

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IX. Odisseia TSB

IX. Odisseia TSB

Nas rubricas anteriores estivemos a explicar os vários sistemas integrados nos dois protótipos em desenvolvimento, o SR03, movido a energia solar, e o SM01, movido a hidrogénio. Nesta peça e na próxima rubrica vamos abordar dois dos eventos que ocorrem na temporada TSB: Odisseia TSB e ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’.

O evento Odisseia TSB nasceu da vontade de mostrar o trabalho desenvolvido e todas as otimizações feitas ao longo da época 19/20 e da enorme vontade de promovermos as energias renováveis e a mobilidade elétrica e verde, uma vez que, devido à pandemia, não tivemos oportunidade de competir a nível internacional.

Desta forma, a primeira edição da Odisseia TSB , que decorreu no verão de 2020, consistiu no conjunto de travessias de Norte a Sul de Portugal que colocaram o protótipo SR02 em diversos ambientes. Começámos por descer as calmas águas do rio Douro, desde Entre-os-Rios até à cidade do Porto, num total de 24 milhas náuticas. Seguiu-se a etapa de Lisboa, saindo de Algés, passando pelo o Terreiro do Paço, de onde depois navegámos até à Marina de Cascais. Na terceira etapa, cruzámos o Parque Natural da Arrábida, numa travessia que se verificou mais difícil do que o esperado devido ao nevoeiro no início da etapa. Por fim, chegou o Algarve, onde enfrentamos águas agitadas mas que, mesmo assim, não nos impossibilitaram de navegar 16 milhas náuticas entre Lagos e Portimão.

A primeira edição foi um grande sucesso e neste momento encontramo-nos a planear a Odisseia 2021, mais ambiciosa e onde queremos testar e desafiar as nossas embarcações O evento terá o mesmo molde do seu antecessor, sendo composto por travessias em Portugal e/ou passará por uma travessia ou record internacional.

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VIII. Sistema da Propulsão de Hidrogénio - TSB

VIII. Sistema da Propulsão de Hidrogénio

Esta semana vamos olhar para o trabalho desenvolvido na área de Propulsão de Hidrogénio, nomeadamente para o processo de dimensionamento da PEM Fuel Cell, sistema de admissão do hidrogénio e do ar e do sistema de cooling, o ‘Balance of Plant’, ou BoP.

Como já referimos no artigo anterior, o dimensionamento da PEM Fuel Cell foi desenvolvido de forma a garantir uma potência suficiente para superar a força de arrasto dos flutuadores e de forma a produzir uma potência próxima de 5 kWh. Várias iterações foram realizadas em Ansys com o objetivo de obter dados do efeito do arrasto, o mais próximo possível da realidade. Os principais valores estudados foram o calado (área de arrasto) e o CD para diferentes valores de velocidade.

Para a FuelCell produzir energia é necessário que seja introduzido no sistema hidrogénio e oxigénio. Para tal foi dimensionado um sistema de admissão de hidrogénio e de ar. Para começar, o hidrogénio encontra-se armazenado numa botija de 20 l geométricos a 200 bar. Daí, um regulador de pressão baixa a pressão do hidrogénio para 10 bar. Trata-se do troço de high pressure, HP, onde o hidrogénio flui por entre válvulas de retenção, alívio de pressão e shut down. Este troço pretende garantir que o gás chega com o caudal desejado à PEM Fuel Cell sem que existam grandes perdas. De seguida, o troço low pressure, LP, ou working pressure, baixa a pressão através de outro regulador de pressão para 1–1.5 bar, sendo o hidrogénio finalmente injetado na PEM Fuel Cell.

Por fim, o sistema de cooling tem como função garantir que a PEM Fuel Cell funciona na temperatura de rendimento máximo, 65ºC.

O próximo grande passo será juntar os vários sistemas e efetuar diversos testes de forma a garantir o bom funcionamento, quando estes estiverem integrados no barco.

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VII. SM01, o primeiro protótipo movido a hidrogénio do TSB

VII. SM01, o primeiro protótipo movido a hidrogénio do TSB

Um dos grandes objetivos para o Técnico Solar Boat na época corrente é a construção do primeiro protótipo movido a hidrogénio, o São Miguel 01. Esta nova tecnologia necessita hidrogénio e oxigénio e através de uma reação separa os átomos de hidrogénio, sendo que os electrões que ficam soltos geram uma corrente elétrica.

O interesse do TSB nesta tecnologia começou a ganhar forma quando a organização da competição “Monaco Solar & Energy Boat Challenge” incentivou várias equipas a participarem na “Energy Class” . O TSB agarrou este desafio e começou a investigar, acabando por, em fevereiro de 2019, abrir a área de Propulsão a Hidrogénio. Desde dessa altura, a área de Propulsão a Hidrogénio tem vindo a crescer e conta com alunos de diversos cursos, desde engenharia mecânica até engenharia química.

O SM01 começou a ser dimensionado ainda em 2019, exigindo participação de todas as áreas já presentes no projeto. Com o apoio fundamental da Nedstack , inicialmente foi dimensionado a PEM Fuel Cell, de forma a produzir potência suficiente para superar a força de arrasto produzida pelos flutuadores e superar as potências produzidas pelas restantes equipas de 5 kW. De seguida, foi necessário dimensionar o sistema de cooling, a admissão do hidrogénio e do ar que controlam e garantem o correto funcionamento da PEM Fuel Cell.

Em termos de embarcação, o SM01 será composto por dois flutuadores(fornecidos pela organização da competição) e um monocoque. De forma a ser um processo mais sustentável possível, reparámos um molde antigo da FST (Formula Student Team Lisboa) e a sua laminação foi feita por infusão. Utilizámos materiais sustentáveis como a fibra de linho, o core PET e resinas epóxi com elevada percentagem biológica. Desta forma, o monocoque do SM01 já se encontra praticamente finalizado, faltando só aplicar uma camada uma camada de resina e verniz!

Na próxima semana vamos explicar os sistemas dimensionados dentro do SM01 e os próximos passos e testes que serão feitos até finalizarmos este protótipo!

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VI. Maquinação e Laminação do molde do SR03 - Técnico Solar Boat

VI. Maquinação e laminação do molde do SR03

Depois do design e dimensionamento do casco final do SR03, chegou a altura de dar início à construção! O primeiro passo foi a maquinação do molde macho para o casco. Com este molde, fizemos a laminação do molde fêmea, e é deste último que vamos obter o casco final.

Fizemos a maquinação do molde macho com a ajuda da Composite Solutions, que nos permitiu realizar esta tarefa com um braço robótico de seis eixos! Este braço robótico ofereceu-nos inúmeras possibilidades, uma vez que tornou possível maquinar todas as superfícies de curvatura complexa do nosso casco, dividindo o molde em apenas duas partes. Começámos por definir as ferramentas a utilizar e por desenvolver os percursos do robô, de maneira a obter os códigos para as várias operações que o robô iria fazer. Primeiramente, foram maquinados blocos de esferovite com o formato do casco, que funcionam como base do molde. Depois, aplicou-se resina epóxi em toda a superfície, sendo esta resina também maquinada posteriormente, de modo a obtermos uma superfície de epóxi. A superfície do molde foi então tratada de modo a ficar o mais perfeita possível para a laminação do molde fêmea.

Com o molde macho pronto, chegou o momento de o trazer para a Trimarine, com a colaboração da TMS Transportes, e começar a construção do molde fêmea. A utilização de um molde fêmea para o casco permite-nos obter uma ótima superfície exterior, ficando assim com muito melhor acabamento e permitindo um casco mais leve! Começámos por aplicar desmoldante em toda a superfície, para que, depois de laminado, fosse possível separar o molde fêmea do molde macho. De seguida, foi a altura da aplicação de gelcoat em toda a superfície do molde, essencial para termos um ótimo acabamento da superfície exterior do casco. Fizemos então a laminação wet lay-up do molde fêmea, que foi dividida em duas partes. Na primeira colocaram-se seis camadas, e na segunda quatro camadas de fibra de carbono, com várias orientações e gramagens, o que nos permitiu obter um molde fêmea com 5 mm de espessura de fibra de carbono monolítica. Este tipo de laminação é realizado impregnando cada camada de fibra com resina epóxi e depois colocando-a no molde na posição adequada, sendo, por fim, utilizado vácuo durante a cura da resina. Paralelamente, na fresadora CNC que temos disponível no Instituto Superior Técnico, maquinámos as longarinas e anteparas que constituem a estrutura externa no molde fêmea, isto é, as peças para a estrutura que irá suportar o molde enquanto estivermos a construir o casco.

O molde fêmea está praticamente pronto e o próximo grande passo na construção do SR03 é o casco em si, que vai ser constituído por um laminado sandwich de fibra de carbono pré-impregnada (prepreg ) da Gurit e núcleo (core) de espuma de PVC da Diab

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V.Sistemas Mecânicos do SR03 - Técnico Solar Boat

V. Sistemas Mecânicos do SR03

O nosso terceiro protótipo a energia solar tem como objetivo ser mais robusto, eficiente e mais rápido que a sua versão anterior. Para tal, todas as nossas áreas procuram otimizar os seus sistemas, e a área de Sistemas Mecânicos não é excepção. Assim, vamos explicar o processo de dimensionamento dos hydrofoils, da gearbox e das hélices do SR03!

Os hydrofoils são os componentes que fazem o casco do barco subir para fora de água, permitindo reduzir a resistência hidrodinâmica e melhorando assim a eficiência geral da embarcação. Decidiu-se que, para o novo barco, o SR03, os hydrofoils seriam construídos em compósito de fibra de carbono. Isto possibilita a produção de novas unidades em pouco tempo. Em relação ao seu dimensionamento, a equipa desenvolveu um programa que calcula todas as forças aplicadas no barco em movimento. Este programa permite assim determinar facilmente a dimensão do foil, que será mais eficiente a uma determinada velocidade. Por fim, foi usado CFD (Computer Fluid Dynamics) para analisar em maior detalhe se o resultado do programa está correto.

Para esta nova embarcação decidiu-se usar dois motores de diferentes potências, para otimizar a eficiência para a corrida de endurance, sendo um motor menos potente mas mais eficiente à potência que será usada na prova de endurance, e um segundo motor mais potente para usar na prova de velocidade. A gearbox tem a funcionalidade de adicionar o torque destes dois motores, podendo-se assim usar os dois em conjunto, combinando a sua potência. Para dimensionar as engrenagens usou-se o programa Kisssoft, programa muito usado na indústria e que permite gerar geometrias bastante precisas e eficientes.

As hélices são um dos componentes mais críticos para o barco ser eficiente e produzir a força suficiente para se mover pela água. Usando um programa do MIT, especializado para o dimensionamento de hélices, e juntando-o ao nosso programa que determina as forças aplicadas, conseguimos gerar a geometria necessária para definir a forma da hélice.

Estamos agora na fase de construção do SR03: estamos a trabalhar com várias empresas nacionais para tornar este barco uma realidade. Uma vez acabado a construção e a fase de testes iniciais, iremos passar a divulgar, em formato open source e em detalhe, todo o processo de design e dimensionamento dos vários sistemas aqui mencionados, e a forma como foram integrados no SR03.

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IV. Laminação dos Painéis Solares para o SR03

IV. Laminação dos painéis solares para o SR03

A laminação dos nossos próprios painéis é um desejo que já nos acompanha desde cedo. No entanto, devido à falta de recursos, nunca foi possível concretizarmos esse desejo. Uma vez que pretendemos ser uma equipa cada vez mais autónoma e independente, na temporada passada desenvolvemos um laminador, fazendo com o desejo de termos painéis solares laminados pela equipa fosse possível.

Deste modo, a nossa área de Sistemas Elétricos desenvolveu um laminador composto por uma mesa com as seguintes camadas: isolante, manta térmica e placa de alumínio. A dimensão do laminador é limitada pela dimensão da manta térmica, que é de 1 x 1,5 m, apresenta uma potência de 7.000 W e uma temperatura máxima de 170ºC.

O processo de desenvolvimento dos painéis solares é constituído, essencialmente, por duas etapas:

– a disposição e soldadura das células

– laminação do painel

Deste modo, começa-se por dispor as células nas posições pretendidas, definindo o tamanho que o painel terá. Posteriormente, procede-se à laminação de todo o painel. Este é constituído por 5 camadas: backsheet, encapsulante (POE), células, encapsulante e frontsheet. O encapsulante é o material que vai permitir a adesão entre a backsheet/frontsheet e as células.

O processo de laminação envolve altas temperaturas e vácuo sobre o painel. De forma a testar o laminador, procedeu-se pela primeira vez à laminação de uma só célula. Durante o processo utilizaram-se temperaturas de 120ºC.

Devido ao facto de a laminação ter corrido da melhor forma, o próximo passo será a laminação de um pequeno conjunto de células. Só depois deste teste é que passaremos à laminação dos nossos painéis, a colocar no barco São Rafael 03!

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III. Artigo do Técnico Solar Boat

III. Design do Casco SR03

Um dos primeiros passos no dimensionamento de um novo protótipo solar é o design do casco. Para tal, a nossa área de Design e Compósitos teve em consideração todo o conhecimento que adquirimos no design e construção dos antigos protótipos solares, o SR01 e o SR02.

Inicialmente, foi feita alguma pesquisa teórica para determinar o tipo de casco mais adequado para as nossas competições. Com a implementação dos hydrofoils, concluímos que um casco de deslocamento é o mais eficiente, considerando as velocidades que pretendemos atingir com o casco na água.

Para o dimensionamento do casco, foi também necessário definir alguns objetivos para este protótipo. Temos o intuito de reutilizar o atrelado construído por nós, de forma a conseguirmos circular com os nossos barcos na via pública. Assim sendo, tivemos que ter em consideração as dimensões do atrelado: o SR03 não poderia ter mais do que 6,3m de comprimento, nem 2m de largura (considerando o convés).

Para além disso, outro objetivo deste protótipo é a sua acessibilidade ao resto dos sistemas elétricos e mecânicos. Certos compartimentos do casco, como é o caso do compartimento estanque a ré do piloto, são utilizados com muita frequência para a implementação dos sistemas do barco – portanto, a popa do protótipo nunca poderia ser muito larga, para que o acesso ao compartimento seja facilitado. No entanto, o convés tem de ter área suficiente para implementar os painéis solares necessários.

Adicionalmente, temos também a obrigatoriedade de seguir as normas impostas pelo regulamento das competições em que pretendemos competir. Estas definem alguns parâmetros da estabilidade do barco e também o dimensionamento dos componentes que vão estar equipados no protótipo, como é o caso dos painéis solares.

Por fim, o último fator que influencia bastante o design do protótipo – a sua construção! Para este protótipo, tivemos a possibilidade de ter o molde macho do casco maquinado numa CNC com 7 eixos na Composite Solutions, o que tornou possível a modelação de uma geometria mais complexa para este protótipo. O mesmo não seria possível caso o molde tivesse que ser maquinado por nós, na CNC de 3 eixos existente no Instituto Superior Técnico, como foi o caso do protótipo anterior, o SR02.

Por fim, a última fase foi a otimização da geometria do casco e das suas superfícies. Foram feitas algumas análises CFD para otimizar as mesmas e também análises hidrostáticas para obter estimativas prévias da estabilidade do protótipo tendo em conta os pesos inseridos do barco. Após várias iterações, concluímos o design final pretendido!

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