31935 - Compósitos Ind Automovel
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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
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Os materiais compósitos e a sua aplicação nos automóveis
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Os Compósitos de Matriz Polimérica ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
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Os Compósitos Cerâmicos
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Os Compósitos de Matriz Metálica
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Os Nanocompósitos
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Conclusão
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Bibliografia
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11
Desenvolvimento de Novas Fibras
Páginas
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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Bibliografia
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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
Automotive Applications of Metal‐Matrix Composites, Warren H. Hunt, Jr., Aluminum Consultants Group, Inc., Daniel B. Miracle, Air Force Research Laboratory
Ceramic technologies for automotive industry: Current status and perspectives, Akira Okada, Nissan Research Center, Nissan Motor Co., Yokosuka 237‐8523, Japan, 10 November 2008
Curauá fibers in the automobile industry e a sustainability assessment, R. Zah, R. Hischier, A.L. Leão, I. Braun, 13 November 2006
Industrial Fibres: Recent and Current Developments, Brett C. Suddell FIMMM, ADAS Rosemaund, UK
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
Lightweight Materials for Automotive Applications, G. S. Cole and A. M. Sherman, Ford Motor Company, Dearborn,1995
Materials in Automotive Application, State of the Art and Prospects, Elaheh Ghassemieh, University of Sheffield, UK
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
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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
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.
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