31935 - Compósitos Ind Automovel

           

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA 

 

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 

     

Processos de Ligação de Materiais      

 

 

Pesquisa Bibliográfica 

 

Utilização de materiais compósitos na  Indústria Automóvel 

   

 

       

Semestre de Inverno 2011/2012   

31935 Jorge Pereira             

 

   

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel 

Índice       

 

Introdução 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

2 

Os materiais compósitos e a sua  aplicação nos automóveis 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

3 

Os Compósitos de Matriz Polimérica ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

4 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

5 

Os Compósitos Cerâmicos 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

6 

Os Compósitos de Matriz Metálica 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

8 

Os Nanocompósitos 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

9 

Conclusão 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

10 

Bibliografia 

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 

11 

Desenvolvimento de Novas Fibras 

   

Páginas

 

1  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel 

  Introdução    Hoje em dia a utilização de materiais é tão banal que nem nos apercebemos da  sua  presença.  O  baixo  custo  e  fácil  produção  de  matérias  compósitos  leves  como  os  plásticos potenciaram uma vasta gama de aplicações, sendo por isso, nos nossos dias  muito difícil encontrar um produto onde não sejam empregues.  A indústria automóvel não é excepção e a quantidade de materiais compósitos  utilizados nos automóveis é cada vez maior. Desde os plásticos utilizados nos interiores  ou  em  elementos  da  carroçaria,  a  ligas  metálicas  mais  leves  ou  a  materiais  de  alto  desempenho,  como  a  fibra  de  carbono,  utilizados  em  automóveis  desportivos  e  de  competição.  Num sector tão competitivo como a indústria automóvel, e num período onde a  eficiência energética é mais importante que nunca é imperativo tornar os automóveis  mais leves e eficientes no consumo energético, sendo por isso necessário abandonar a  utilização de materiais convencionais, como o aço.                             

2  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel 

Os Materiais Compósitos e a sua aplicação nos  automóveis    A  utilização  de  materiais  compósitos  em  automóveis  é  mais  antiga  do  que  inicialmente se poderia imaginar. Já nos anos 30 do século passado, Henry Ford fazia  tentativas  para  reforçar  painéis  de  madeira  com  resina  para  os  utilizar  como  painéis  para a carroçaria. Nos anos 50, a General Motors lançou o Corvette cuja carroçaria era  construída em fibra de vidro.   Nos dias de hoje a aplicação de materiais compósitos vai mais além e são usados  em praticamente tudo, como por exemplo:  

Plásticos:  o Interiores  o Pára‐Choques  o Resguardos  o Painéis transparentes para substituição de vidros. 



Compósitos de Matriz Metálica (MMC’s)  o Discos de travão  o Cilindros do motor 



Cerâmicos  o Catalisadores  o Turbina de turbocompressores  o Discos de travão (para carros de alto desempenho) 



Compósitos de matriz polimérica  o Painéis da carroçaria   o Resguardos  o Chassis do tipo monocoque  o Veio de transmissão (exemplo do Mercedes‐Benz SLS) 

A utilização destes materiais permitiu, de um modo geral, reduzir custos, tempo  de fabrico e retirou peso aos veículos.    3  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel 

Os Compósitos de Matriz Polimérica    Como  foi  mencionado  anteriormente  a  fibra  de  vidro  abriu  o  caminho  para  a  utilização  dos  compósitos  de  matriz  polimérica  através  do  fabrico  da  carroçaria  do  Corvette de 1953 neste material. No entanto a usa utilização restringia‐se a peças de  séries relativamente pequenas e com poucas solicitações mecânicas, como o caso de  carenagens.  Nos  anos  80,  do  século  XX,  através  da  Formula  1  surgem  as  primeiras  peças  estruturais  em  materiais  compósitos.  Em  1980  a  McLaren  apresenta  o  MP4/1,  o  primeiro  carro  de  Fórmula  1  construído  com  um  chassis  monocoque  em  Fibra  de  Carbono, reduzindo drasticamente o peso do veículo e criar uma “célula de segurança”  que  permanecia  intacta  em  caso  de  acidente  protegendo  o  piloto.  A  partir  daqui  a  evolução continua e hoje temos carros nesta competição onde 85% do seu volume é  fibra de carbono.   Nos  veículos  de estrada  a  utilização  da  Fibra  de  Carbono  é  muito  mais  restrita,  utilizando‐se apenas em carros desportivos com  a intenção de reduzir o peso sem comprometer  a integridade estrutural. Nestes carros a fibra de  carbono  é  maioritariamente  no  chassis  e  carroçaria  (Fig.1)  mas  há  casos  onde  a  sua  utilização  vai  mais  além,  como  por  exemplo,  veios de transmissão e elementos da suspensão.  Nos  veículos  mais  comuns  a  utilização  de  materiais  compósitos  é  mais  restrita,  devido  ao  elevado  custo  da  Fibra  de  Carbono,  sendo  mais 

Fig. 1 – Chassis Monocoque do  novo Lamborghini Aventador  http://www.autoblog.com/photos/lamborghini‐ aventador/#photo‐3907000/ 

utilizadas a Fibra de Vidro e Fibras Naturais. A utilização destes materiais tem o mesmo  pressuposto: a redução de peso! Por isto é que cada vez mais veículos utilizam estes  materiais  em  peças  com  poucas  solicitações  mecânicas,  como  o  caso  dos  painéis  da  carroçaria,  resguardos,  etc.  Também  nos  veículos  pesados  se  vai  assistindo  a  uma  utilização cada vez maior de materiais compósitos.  Por exemplo nos camiões muitos  painéis das cabines já são feitos em fibra de vidro, como o tejadilho. Nos autocarros,  muitas carroçarias são feitas na sua maioria em compósitos.   4  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel  Nos  dias  de  hoje  cerca  de  8  a  10%  dos  veículos  de  estradas  são  materiais  compósitos. Além da redução de peso também existem poupanças no que diz respeito  às reparações.     

o Desenvolvimento de novas fibras  De  acordo  com  a  directiva  europeia  2000/53/EC,  os  estados  membros  têm  a  partir de 2015 de reutilizar e reciclar 95% dos componentes dos veículos. Uma vez que  os  materiais  compósitos  utilizados  actualmente  não  são  facilmente  separáveis  e  1

recicláveis urge a necessidade de desenvolver novos materiais . É por esta necessidade  que a aplicação em automóveis de fibras naturais está a aumentar a um ritmo de cerca  de 20% ao ano. A energia destas fibras pode ser recuperada mais tarde através da sua  queima para gerar calor. Devido à sua menor resistência comparativamente à fibra de  vidro,  as  fibras  naturais  estão  hoje  a  ser  utilizadas  pelos  principais  fabricantes  europeus  no  interior  dos  veículos2,  no  entanto  a  Mercedes‐Benz3  utiliza  painéis  reforçados com linho para protecção do motor e transmissão.  As fibras naturais permitem, além de reduzir a pegada de carbono, uma redução  de custos, visto que são mais baratas que a fibra de vidro.                                                                                   1

 Retirado do artigo Curauá fibers in the automobile industry e a sustainability assessment, R. Zah, R. Hischier, A.L.  Leão, I. Braun, 13 de Novembro de 2006  2  ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/011/i0709e/i0709e10.pdf ‐ Industrial Fibres: Recent and  Current Developments, Brett C. Suddell FIMMM, ADAS Rosemaund, UK  3  http://composite.about.com/library/PR/2000/bldaimler1.htm   

5  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel 

Os Compósitos Cerâmicos    Os materiais cerâmicos são conhecidos pela sua resistência a altas temperaturas,  grande  dureza,  baixa  condutividade  térmica  e  eléctrica  e  em  muitos  casos  um  peso  relativamente  baixo.  No  entanto  devido  à  sua  fragilidade  não  se  esperaria  vê‐los  empregues  em  veículos  automóveis.  Pois  o  que  acontece  na  realidade  é  que  a  sua  utilização em automóveis está a crescer e já não é assim tão invulgar.  O componente automóvel mais vulgarmente conhecido constituído por materiais  cerâmicos  é  o  catalisador.  O  catalisador  é  constituído  no  seu  interior  por  um  núcleo  em  forma  de  colmeia  feito  de  um  material  cerâmico e as suas cavidades revestidas por  metais  activos,  como  a  platina,  que  irão  reagir com os gases de escape.  Outra 

utilização 

relativamente 

conhecida,  mas  pouco  vulgar  nos  carros 

Fig. 2 – Catalisador visto em corte  http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Aufgeschnittener_Metall _Katalysator_f%C3%BCr_ein_Auto.jpg 

comuns,  é  nos  discos  de  travão  em  cerâmica,  normalmente  de  carbono.  Estes  são  utilizados  exclusivamente  em  competição  ou  em  carros  de  muito  alto  desempenho  devido  ao  seu  custo  muito  elevado  e  à  necessidade  de  funcionarem  a  uma  temperatura  alta  para  serem  eficazes,  o  oposto  dos  tradicionais  discos  de  aço.  As  vantagens  da  utilização  destes  materiais  são  novamente  a  redução  de  peso  e  uma  maior capacidade de travagem, necessária em corridas e carros desportivos. Para estes  componentes utilizam‐se o carbureto de silício reforçado ou não com fibra de carbono  e a fibra de carbono siliconizada.  No  entanto  existem  outras  aplicações  menos  conhecidas.  O  exemplo  das  turbinas dos turbocompressores feitas em cerâmica. Isto irá não só reduzir o peso da  turbina,  e  consequentemente  a  inércia,  bem  como  permite  a  exposição  a  temperaturas  mais  elevadas.  Com  a  redução  do  peso  melhora‐se  o  desempenho  do  turbocompressor  pois  a  turbina  levará  menos  tempo  a  atingir  as  altas  velocidades  necessárias.  Mais  recentemente  tem  sido  feita  pesquisa  no  âmbito  da  redução  do  desgaste  das peças e redução do atrito. Devido à sua elevada dureza os materiais cerâmicos são  6  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel  renitentes  ao  desgaste  o  que  os  torna  ideais  para  o  revestimento  de  peças  de  desgaste.  Para  os  sistemas  de  válvulas  dos  motores  têm  sido  utilizados  nitretos  de  silício o que aumentou bastante a sua vida útil. Alguns materiais cerâmicos à base de  carbono,  os  DLC  (Diamond‐Like  Carbon)  têm  sido  utilizados  para  reduzir  o  atrito  e  poderão  tornar‐se  os  materiais  ideais  para  revestir  as  paredes  dos  cilindros  dos  motores devido à sua capacidade isoladora de calor, grande resistência ao desgaste e  baixo atrito.  No entanto, apesar de todas as vantagens, verifica‐se que os materiais cerâmicos  ainda são demasiado dispendiosos para que a sua utilização em travões e motores se  torne banal.                                              7  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel     

Os Compósitos de Matriz Metálica    Os  materiais  compósitos  de  matriz  metálica  (MMC)  são  materiais  metálicos  reforçados com outro metal ou material cerâmico ou orgânico. Os materiais de reforço  são  normalmente  revestimentos  superficiais  que  irão  modificar  propriedades  do  metal,  prevenindo  reacções  químicas  ou  melhorando  a  resistência  ao  desgaste  ou  diminuindo o coeficiente de atrito.  Desta forma percebe‐se rapidamente a sua aplicabilidade no mundo automóvel  permitindo revestir peças metálicas que sofrem desgaste permitindo prolongar a sua  vida  útil.  Apesar  do  seu  custo  mais  elevado  comparativamente  com  materiais  convencionais, os MMC poderão ser rentáveis pois permitem uma redução de peso e  melhoramento de desempenho.  Os compósitos de matriz metálica são utilizados maioritariamente nos motores e  transmissões. A sua utilização em camisas de cilindros permite reduzir o atrito com o  pistão e melhorar a rigidez da camisa. A Toyota, bem como a Honda utiliza em alguns  motores camisas em MMC.  A utilização de MMC em veios de transmissão também é vantajosa pois permite  ter  veios  mais  estáveis  a  maiores  velocidades  de  rotação  sem  ter  de  aumentar  o  diâmetro, o que pode ser um problema em alguns veículos por falta de espaço, bem  como  devido  ao  aumento  de  peso.  Também  permite  a  construção  de  veios  mais  compridos  não  sendo  necessária  a  utilização  de  veios  de  dois  segmentos  como  é  comum  em  alguns  veículos  maiores.  Também  nos  travões  os  MMC  são  utilizados,  novamente  com  o  objectivo  de  reduzir  o  peso.  O  Volkswagen  Lupo  3L  utilizava  alumínio reforçado (DRA) nos discos para reduzir o peso. Os MMC são particularmente  atractivos  para  carros  pequenos  e  leves  e  para  os  veículos  híbridos  e  eléctricos  em  desenvolvimento.  Os  compósitos  de  matriz  metálica  são  assim  uma  alternativa  viável  a  outros  compósitos mais caros quando o desempenho desejado não é tão severo como para os  carros desportivos e de competição.    8  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel     

Os Nanocompósitos4    Nanocompósitos são materiais sólidos de várias fases onde pelo menos uma das  fases tem dimensões inferiores a 10 nanómetros.  A industria automóvel europeia é tida em conta como a industria de ponta tendo  por  isso  se  estar  a  par  de  todos  os  desenvolvimentos  no  que  toca  a  materiais  e  não  pode ficar indiferente à nanotecnologia. O campo de aplicação dos nanocompósitos é  tão vasto quanto podemos imaginar, desde a redução de peso, redução das emissões,  do desgaste e muito mais levam os especialistas a acreditar na possibilidade de virem a  existir superfícies auto‐laváveis, e muito mais.  A  nanotecnologia  está  já  hoje  presente  nos  automóveis  modernos.  Revestimentos antireflexo com base em múltiplas nanocamadas  no vidro é já utilizada  pela  Audi  e  Daimler  AG  bem  como  Vidro  com  protecção  solar  com  nanocamadas  embutidas  no  vidro  que  reflectem  a  radiação  infra‐vermelha  produzido  pela  Saint‐ Gobain. No entanto a nanotecnologia ainda está a dar os primeiros passos na indústria  automóvel.  Muita  da  investigação  diz  respeito  ao  desenvolvimento  de  pilhas  de  combustível  onde  se  acredita  que  os  nanocompósitos  irão  permitir  melhorar  o  desempenho.  Também  se  está  a  fazer  pesquisa  no  desenvolvimento  de  compósitos  leves reforçados com nanopartículas de metal ou cerâmica que porderão melhorar a  resistência em 100%, levando a acreditar que um dia poderão existir veículos sem os  convencionais pilares A, B e C e com grandes áreas transparentes de policarbonato.                                                                             4

 Com base em Future nanotechnology developments for automotive applications, Hartmut Presting*, Ulf König, Department FT2/CS, Daimler Chrysler Research. 

9  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel   

Conclusão    Estamos numa época onde a eficiência é o ponto mais importante para a nossa  sociedade  super‐dependente  de  transportes  e  sedenta  de  combustíveis  fosseis.  O  receio do fim das reservas mundiais de petróleo, o incansável aumento do preço dos  combustíveis  e  as  alterações  climáticas  provocadas  pelas  emissões  poluentes  são  os  meios impulsionadores desta preocupação. A industria automóvel não foge à regra e  como tal tem de se adaptar aos novos tempos e colocou‐se até e nível de destaque no  que diz respeito ao desenvolvimento de novas tecnologias que permitem aos veículos  serem  mais  eficientes.  Grande  parte  dos  desenvolvimentos  nos  automóveis  tem  em  vista  um  único  fim:  a  redução  de  peso.  Apesar  de  não  ser  a  única,  esta  é  a  grande  preocupação dos fabricantes o que leva à necessidade de encontrar novos materiais,  mais leves, mais resistentes, e, devido ao período que atravessamos, mais baratos. Daí  assistir‐mos  à  substituição  de  algumas  fibras  por  fibras  naturais  como  o  linho  ou    a  fibra  de  Curauá  que  se  tornam  mais  baratas  que  a  fibra  de  vidro  e  que  possuem  características  mecânicas  perfeitamente  aceitáveis  para  algumas  aplicações.  Nos  últimos  anos  temos  assistido  também  a  uma  maior  utilização  de  não‐metais  nos  nossos  automóveis;  muitos  painéis  da  carroçaria  são  de  plástico  reforçados  ou  não  com  fibras,  em  alguns  veículos  alguns  vidros  são  substituídos  por  policarbonato.  A  demanda pela redução de peso assim o exige.  Além da redução de peso, também a redução das perdas por atrito é importante,  levando  ao  aparecimento  de  materiais  cerâmicos  e  revestimentos  que  são  aplicados  nas peças móveis. Temos hoje camisas de cilindros em materiais compósitos que baixo  coeficiente  de  atrito,  rolamentos  de  cerâmica  e  revestimentos  que  ampliam  largamente a vida útil dos componentes reduzindo o seu desgaste.     Até  tecnologia  de  ponta  está  a  ser  já  utilizada  para  melhorar  cada  vez  mais  os  carros, como o caso da nanotecnologia que é já utilizada em revestimentos de vidros.    É  graças  aos  materiais  compósitos  que  os  automóveis  estão  cada  vez  mais  eficientes,  realizando  consumos  considerados  impossíveis  há  alguns  anos.  E  assim  esperamos que continue a acontecer.  10  Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel   

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Advanced thermal spray technology and coating for lightweight engine blocks  for the automotive industry, Gérard Barbezat, Sulzer Metco AG, Rigackerstrasse  16, CH‐5610 Wohlen, Switzerland, 28 September 2005 

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Automotive Applications of Metal‐Matrix Composites, Warren H. Hunt, Jr.,  Aluminum Consultants Group, Inc.,  Daniel B. Miracle, Air Force Research  Laboratory 

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Ceramic technologies for automotive industry: Current status and perspectives,  Akira Okada, Nissan Research Center, Nissan Motor Co., Yokosuka 237‐8523,  Japan, 10 November 2008 

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Curauá fibers in the automobile industry e a sustainability assessment, R. Zah,  R. Hischier, A.L. Leão, I. Braun, 13 November 2006 

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Industrial Fibres: Recent and Current Developments, Brett C. Suddell FIMMM,  ADAS Rosemaund, UK 

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Future nanotechnology developments for automotive applications, Hartmut  Presting, Ulf König, Department FT2/CS, Daimler Chrysler Research, Wilhelm‐ Runge‐Str‐11, D‐89081 Ulm, Germany, 2003 

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THE COST OF AUTOMOTIVE POLYMER COMPOSITES: A REVIEW AND  ASSESSMENT OF DOE'S LIGHTWEIGHT MATERIALS COMPOSITES RESEARCH,  Sujit Das, Energy Division, Oak Ridge National Laboratory, 2001  11 

Processos de Ligação de Materiais 

Utilização de Materiais Compósitos na Indústria Automóvel    

Polymeric Nanocomposites for Automotive Applications, Juan M. GarcØs, David  J. Moll, Jozef Bicerano, Richard Fibiger, and David G. McLeod, Adv. Mater. 2000,  12, No. 23, December 1   

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Wood–plastic composites as promising green‐composites for automotive  industries, Alireza Ashori, Department of Chemical Industries, Iranian Research  Organization for Science and Technology, 18 December 2007 

                              Nota: Todos os documentos foram encontrado na internet por  pesquisa via Scirus, Google Académico e  Google. A grande maioria foi retirado do site Science Direct. 

  12  Processos de Ligação de Materiais