Post on 12-Nov-2018
Projecto FEUP
Materiais utilizados na concepção
automóvel
Materiais metálicos utilizados e respectivos componentes
MMM 503 António André 100504034
António Rodrigues 100504194
Carlos Carneiro 100504076 Joana Garcia 100508011
João Sá 100503261
Júlio Ferreira 100504155
Steven Pinho 100504084
Monitor:Pedro Lebre
Supervisor: Abel Santos
Outubro 2010
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Agradecimentos
Pela orientação, disponibilidade e ajuda que nos foi prestada durante
a realização deste projecto, gostaríamos de agradecer ao nosso
coordenador, professor Abel Santos, e monitor, Pedro Lebre.
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Resumo
Neste trabalho pretende-se mostrar quais os materiais metálicos
utilizados na concepção automóvel, assim como os seus respectivos
componentes, ou seja, será dito em que aspectos o aço, o alumínio, entre
outros contribuem para a construção automóvel e as suas características.
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Índice 1. Introdução ....................................................................................................................... 5
2. Automóvel: Componentes, Materiais, Processos de Fabrico ........................... 6
2.1 Evolução do Automóvel ......................................................................................... 6
2.2 Automóvel Actual .................................................................................................... 7
2.3 Materiais .................................................................................................................... 9
2.3.1 Aço ....................................................................................................................... 9
2.3.2 Alumínio ........................................................................................................... 11
2.3.4 Magnésio .......................................................................................................... 12
2.3.5 Ferro Fundido ................................................................................................. 14
2.4 Processos de Fabrico ............................................................................................ 15
2.4.1 Fundição ........................................................................................................... 15
2.4.2 Conformação Plástica ................................................................................... 16
3. Reciclagem automóvel ................................................................................................ 18
4. Conclusões .................................................................................................................... 20
Referências ......................................................................................................................... 21
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1. Introdução
No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, o presente relatório
visa identificar e expor os materiais metálicos que têm vindo a ser utilizados
nos automóveis. Tendo em conta as suas características, serão também
relacioná-los com os vários componentes do automóvel e os processos de
fabrico que são usados para transformar os materiais.
Os principais requisitos de um indivíduo que compra um automóvel
são o custo, a segurança, o conforto e a performance. Nesse aspecto, a
indústria automóvel encontra algumas dificuldades em desenvolver modelos
que sejam seguros, confortáveis e funcionais, a baixo custo. A necessidade
de corresponder a estas expectativas levou a indústria automóvel a
desenvolver-se em termos de concepção, construção e produção de
automóveis, utilizando novos materiais e processos de fabrico que
combinam num veículo leve, potente, seguro e confortável.
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2. Automóvel: Componentes, Materiais, Processos de
Fabrico
2.1 Evolução do Automóvel
O automóvel tem as suas raízes no motor a vapor de Nicolas-Joseph
Cugnot (1725-1804), inventor francês, que, ao serviço do exército de
França, desenvolveu engenhos propulsionados por uma caldeira de vapor
para transportar maquinaria pesada. Estes engenhos, com estruturas
rudimentares, apesar de apresentarem alguma eficiência, não superavam a
rapidez e versatilidade do comboio, transporte mais utilizado durante a
Revolução Industrial.
Tendo em conta que os veículos a vapor não correspondiam às
necessidades dos seus utilizadores, novas formas de propulsão foram
desenvolvidas. Só em 1885, graças aos engenheiros Karl Benz e Gottlieb
Daimler, aparece o primeiro automóvel com motor a gasolina, tendo este
sido aperfeiçoado em 1886.
Outra das mudanças revolucionárias no automóvel foi a concepção
operacional de um eixo de direcção, passando os automóveis a terem
quatro rodas.
Em 1910, Henry Ford introduziu a produção em massa com o
desenvolvimento do automóvel Ford Modelo T que impulsionaria a indústria
automóvel.
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2.2 Automóvel Actual
Não há dúvidas que actualmente o automóvel é o meio de transporte
mais apelativo e mais usado do mundo. Este estatuto reside no facto do
automóvel um meio de transporte versátil, veloz, prático e particular. A
invenção e evolução do automóvel causaram profundas modificações na
sociedade mundial, algumas positivas outras negativas. Das positivas
destacam-se o facto de ter revolucionado os meios de transporte e de ter
desempenhado um impacto significativo com a difusão de informação e
inovação tecnológica. Nas últimas duas décadas verificou-se a existência de
uma preocupação crescente com questões ecológicas e económicas. Tudo
isto causou mudanças no ramo automóvel que, por sua vez, o transformou
tal como conhecemos no dia-a-dia, numa “máquina” fiável e pessoal.
Actualmente as estradas encontram-se repletas de automóveis,
nunca o automóvel foi tão importante para as pessoas. Verificamos que
talvez os automóveis movidos a motores de combustão interna atingiram o
“pico” da sua história. Actualmente o automóvel não é um simples meio de
transporte, mas sim, uma obra de arte. Os automóveis são construídos,
actualmente, com a maior precisão possível. Um exemplo dessa mesma
precisão é a fábrica da Volkswagen, símbolo da inovação no ramo
automóvel e um ícone da recuperação económica Alemã (1948-1974). A
actual proprietária da Adui, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Seat, Skoda,
Aston Martin e Scania, leva a precisão a um nível tão rigoroso que até o
armazenamento dos automóveis é realizada de forma muito rigorosa.
Actualmente os investigadores procuram obter o máximo com o
mínimo possível. Por esse motivo, os engenheiros procuram sempre que
possível reduzir a quantidade de materiais usados nos automóveis, com
vista a reduzir o custo final.
A redução da quantidade de materiais usados no veículo torna-o mais
leve, o que significa consumos de combustível mais baixos e um maior
conforto para os ocupantes. Actualmente os veículos são vistos como uma
máquina de diversão e prazer, o que por sua vez faz com que os
construtores de automóveis se preocupem cada vez mais em obter o
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máximo de potência e prazer de um veículo sem comprometer a sua
segurança e robustez.
Cada vez mais se recorre à electrónica como solução para muitos dos
problemas dos automóveis, (por exemplo: com o aumento da procura de
veículos mais potentes, os investigadores tentam reduzir as forças de atrito
nos componentes mecânicos a fim de obter rendimentos superiores. Por sua
vez os investigadores recorrem a meios mais rentáveis como a electrónica,
a fim de solucionar muitos problemas). O automóvel actual tem de respeitar
protocolos de produção e utilização, o que faz com que a segurança seja um
aspecto de grande importância.
À duas décadas atrás um automóvel seguro era um automóvel que
possuía uma massa elevada com muitos componentes metálicos e robustos,
níveis de potência muito inferiores aos da actualidade e velocidades que não
excediam os 160 quilómetros por hora. Actualmente verificamos o oposto, a
massa dos automóveis tem sido constantemente reduzida, redução de
componentes metálicos e robustos, níveis de potência elevados e
velocidades muito superiores aos limites impostos por lei, mas mesmo
assim os investigadores tem sido capazes de criar automóveis com
classificações de 5 estrelas (nível cinco corresponde ao nível máximo Euro
NCAP) de segurança.
O automóvel actual é uma peça de engenharia que eleva os limites
dos seres humanos para um nível muito superior. Mais do que nunca os
automóveis se comparam a obras de arte, no qual as pessoas confiam a sua
vida a estas obras de engenharia, em que o design, a mecânica, a
electrónica, aeronáutica, a química e a física proporcionam o melhor que
tem a dar para manter o automóvel no topo da lista como o meio de
transporte preferido das pessoas, isto tudo num mundo em que novas
soluções surgem e a concorrência aumenta.
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2.3 Materiais
2.3.1 Aço
O aço é uma liga de metal, criado através da fusão de vários
materiais. Actualmente há mais de 2.500 tipos de aço no mundo todo.
Todos eles consistem principalmente de ferro-gusa, que por sua vez
consiste de elemento de ferro e mais de três por cento de carbono. O ferro-
gusa é extraído de minério de ferro em explosões nas fornalhas. Ele então é
processado numa siderúrgica para criar aço com um conteúdo de carbono
de menos de 2%. Esta proporção baixa faz o material ficar mais macio
permitindo o fácil processamento.
A leveza do corpo do automóvel pode ser alcançada pela modificação
da estrutura ou pela substituição de materiais. A modificação da estrutura
da carroçaria do automóvel requer mudanças de soldagem e no sistema de
Figura 1 Exemplo da precisão da indústria automóvel.
10
montagem, que é dispendiosa, enquanto que o material de substituição não
necessita dessas mudanças. Além disso a substituição de materiais é
geralmente mais eficaz quando necessitamos de reduzir o peso do que
quando fazemos modificações na estrutura do automóvel. A fim de reduzir o
peso do automóvel as ligas de alumínio, aço de alta resistência (HSS),
material composto, e assim por diante, são amplamente utilizados como
materiais de redução de peso para substituir o material tradicional de aço
leve, sendo o mais utilizado o aço de alta resistência. A chapa de aço de
alta resistência (AHSS) pode ser usada no corpo do automóvel para
melhorar capacidade de absorção de energia de impacto e resistência à
deformação plástica. A fim de conservar a capacidade de absorção da
energia de impacto do automóvel, cada parte do corpo que tem o material
alterado deve ter uma capacidade idêntica para absorver a energia do
impacto.
Quando se dá uma colisão, os componentes feitos de aço devem
combinar duas características diferentes:
Devem ser elásticos, com uma flexibilidade capaz de absorver a
maior parte da energia do impacto e ter uma estabilidade de formato
suficiente para proteger os passageiros.
Actualmente, engenheiros do Instituto Max Planck e do Instituto do
Aço da Alemanha, desenvolveram um novo tipo de aço que junta essas
duas características com perfeição. Batizado de TWIP (Twinning Induced
Plasticity - plasticidade induzida por macla), o novo aço deforma-se até
determinado ponto, mantendo uma espécie de "reserva" de firmeza para
manutenção do formato original.
Cada parte do aço deforma-se até um certo ponto, passando então a
apresentar firmeza e passando a energia restante do impacto para as partes
em seu redor, que então se começam a deformar. Com isto, a energia
distribui-se por toda a superfície, absorvendo o impacto de forma mais
eficiente e protegendo com mais eficiência os passageiros.
Os pesquisadores afirmaram que os pára-choques e portas deverão
ser as primeiras partes dos carros a se beneficiarem do novo aço, pois
claro, são as mais vulneráveis no caso de impactos.
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2.3.2 Alumínio
Cada novo modelo da indústria automóvel torna-se pesado,
devido ao círculo vicioso que se gera entre a exigência dos compradores e a
concepção dos automóveis, que tem tornado os modelos mais pesados.
Para escapar deste círculo vicioso, os fabricantes têm sido forçados a
desenvolver novas técnicas de concepção e escolher materiais mais leves e
resistentes. Neste enquadramento surge o alumínio. Maioritariamente
utilizado na estrutura do carro possibilitou uma grande redução do peso
total do automóvel, já que só a estrutura representa 25% desse peso.
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Desempenha um papel muito importante nos automóveis. As
suas propriedades materiais dão-lhe vantagem e, por isso, é usado em
muitas aplicações na indústria automóvel. Uma dessas é na estrutura do
carro. Como a estrutura do carro representa cerca de 25% do peso total do
carro, o alumínio oferece uma boa possibilidade de reduzir
consideravelmente o peso dos automóveis.
Partes em alumínio podem ser altamente sofisticadas no seu
design devido ao grande número de soluções de concepção. Uma fundição
pode substituir uma parte complexa que consiste em vários componentes
de aço. Consequentemente, com a utilização do alumínio, a redução de
componentes em 50% é possível. Isso faz com que a concepção, construção
e produção sejam mais fáceis já que não é necessário lidar com tantas
peças. Numa redução de peças leva a que sejam utilizadas menos
ferramentas o que faz com que o fabrico seja menos complexo e menos
dispendioso.
2.3.4 Magnésio
O magnésio, metal branco-prateado, é o oitavo elemento mais
abundante na Terra e constitui cerca de 2% da crusta em peso. É muito
forte e é cerca de um terço mais leve do que o alumínio. De facto é o mais
leve de todos os metais usados para a produção de ligas metálicas, o que o
torna atractivo para a indústria automóvel. Esta tem vindo a substituir
materiais mais densos por ligas à base de magnésio. A necessidade de
reduzir o peso dos componentes do carro, devido à introdução de legislação
que impõe limites à emissão para a atmosfera de gases de efeito de estufa,
accionou um renovado interesse no magnésio.
A redução de peso pode ser atingida através da optimização de
design e/ou substituição directa de componentes pesados de aços por
metais mais leves.
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No que diz respeito à substituição directa, as ligas de alumínio são
vastamente utilizadas e aceites pela indústria, no entanto o magnésio é
mais leve do que o alumínio e apresenta propriedades que o tornam
vantajoso, das quais:
Densidade de 1,81 g/cm3, a mais baixa de todos
os metais
Resistente à corrosão e ao envelhecimento sob a
forma de ligas
Prontamente disponível
Comparado com materiais poliméricos:
o Melhores propriedades mecânicas
o Melhor condutividade térmica e eléctrica
o Reciclável
O seu uso na indústria automóvel foi estreado pela Volkswagon no
modelo Beetle (o conhecido Carocha). Actualmente é aplicado sob a forma
de ligas nos seguintes componentes:
Volante
Coluna da direcção
Painéis de instrumentos
Caixas de engrenagens
Estrutura do motor
Figura 2. Componentes automóveis feitos com magnésio (B.L. Mordike, T. Ebert)
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A oportunidade para reduzir o peso, substituindo o aço e o ferro por
componentes de magnésio é tremenda, já que a densidade do aço é de 7,87
g/cm3. Com o fim de potencializar as capacidades do magnésio, cada vez
mais se desenvolvem novas ligas mais especializadas.
2.3.5 Ferro Fundido
É um tipo de material utilizado em componentes de grandes
dimensões, peças de geometria complicada e de deformação plástica
inadmissível. Por exemplo: discos de travão, blocos de motores, válvulas,
cambotas, entre outros componentes.
O ferro fundido tem na sua composição maior percentagem de ferro,
pequena percentagem de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo.
É uma liga de ferro-carbono que contém de 2 a 4,5% de carbono e é
obtido diminuindo-se a percentagem de carbono do ferro gusa.
Algumas grandes vantagens da utilização deste tipo de material são:
Baixo ponto de fusão (relativamente aos aços);
Elevada dureza e resistência ao desgaste;
Boa resistência à corrosão;
Versatilidade de propriedades;
Aplicações e principalmente custo reduzido.
Algumas desvantagens:
Baixa ductilidade;
Deformação plástica impossível à temperatura
ambiente;
Difíceis de maquinar;
Soldadura muito limitada.
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2.4 Processos de Fabrico
Uma vez obtida a matéria prima que vai constituir os diferentes
componentes do automóvel é preciso transformá-la ou moldá-la de maneira
a torna-la útil. Para isso o Homem tem vindo a desenvolver processos de
fabrico cada vez mais apropriados a cada material. Neste trabalho irão ser
abordados mais especificamente os processos relativos à fundição e à
conformação plástica, no entanto, é de notar que outros processos como o
corte e a soldadura são também muito utilizados na indústria em geral.
2.4.1 Fundição
A fundição é entendida como um processo de fabrico onde um metal
ou liga metálica, no estado líquido, é vazado para um molde com formato e
medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. Essa peça produzida
por fundição pode ter ou não as formas e dimensões definitivas. Em muitos
casos, após a fundição, a peça é maquinada de modo a obter ajustes
dimensionais ou mesmo conformada plasticamente, para que as formas e
dimensões finais sejam obtidas.
O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como
aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas.
Em muitos casos, os processos de fundição apresentam algumas vantagens
em relação a outros tipos de processos de fabrico, como no caso da
produção de peças complexas e com cavidade internas, ou na produção de
peças de grandes dimensõs.
Por outro lado, as propriedades mecânicas de peças fundidas
geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas
mecanicamente. Além disso, durante o processo de solidificação pode haver
formação de porosidade.
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O processo de fundição pode dividir-se em 4 etapas:
Fusão do metal ou liga
Vazamento num molde
Solidificação da peça
Remoção do metal ou liga solidificado do molde
No processo de fundição devem ainda ser consideradas algumas
variantes como:
Temperatura de vazamento;
Taxa de arrefecimento;
Fluidez da liga;
Existência de turbulência;
Contracção durante a solidificação;
Características do molde;
A fundição pode ser dividida em dois processos base, embora hajam
dentro de cada um diversas variantes:
Fundição em moldes não permanentes
Fundição em moldes permanentes
2.4.2 Conformação Plástica
A Conformação plástica é o processo mecânico onde se obtém peças
através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a
deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades
dos moldes.
O processo da conformação plástica pode ser aplicada a quente ou a
frio, dependendo das vantagens de cada processo e as características finais
pretendidas na peça.
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Com conformação a quente pode-se conformar peças com menos
gasto de energia (mais produtividade) e não torna necessário um
tratamento térmico, pois a conformação a quente é feita com temperaturas
acima do ponto crítico do diagrama ferro-carbono, logo a essa temperatura,
a estrutura recristaliza-se simultaneamente com a deformação sofrida.
Na conformação a frio temos a vantagem de ter um melhor
acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, o que ajuda
a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade.
O número dos diferentes processos unitários de conformação
mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge actualmente
algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno
número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço
que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da
peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação.
Basicamente, os processos de conformação plástica podem ser classificados
em:
Forjamento: conformação por esforços compressivos
tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta
conformadora, chamada matriz ou estampo (compressão directa).
Laminagem: conjunto de processos em que se faz o
material passar através da abertura entre cilindros que giram,
modificando-lhe (em geral reduzindo) a secção transversal; os
produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes secções,
trilhos, perfis diversos, anéis e tubos (compressão directa).
Trefilagem: redução da secção transversal de uma barra,
fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira)
com forma de canal convergente (compressão indirecta).
Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra
a matriz conformadora, com redução da sua secção transversal. A
parte ainda não trabalhada fica contida num recipiente ou cilindro; o
produto pode ser uma barra, perfil ou tubo (compressão indirecta).
Estampagem: o processo de transformação mecânica,
geralmente realizado a frio, onde através de ferramentas adequadas
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à prensa, submetemos os material ao processo de moldagem de
formas geralmente propostas a chapas (compressão indirecta).
3. Reciclagem automóvel
A reciclagem automóvel é uma contribuição positiva para a redução
de muitos dos impactos ambientais. Efectivamente, a utilização eficiente de
recursos através da reciclagem de materiais eliminados ou da respectiva
utilização como fontes de energia diminui o impacto sobre o ambiente
devido ao esgotamento dos recursos naturais e à potencial poluição relativa
à eliminação em aterros.
Actualmente, cerca
de 75% a 80% do peso (na
sua maioria fracções
metálicas tanto ferrosas
como não ferrosas) dos
veículos em fim de vida,
encontra-se a ser reciclado.
Contudo, o restante 20% a
25% do peso, composto na
sua grande maioria por uma
mistura heterogénea de
materiais como, por
exemplo, resinas, borracha,
vidro, têxteis, etc., ainda se
encontra a ser eliminado.
As empresas de desmantelamento começam por retirar dos veículos
em fim de vida o óleo, o motor, a transmissão, os pneus, a bateria, o
catalisador e outras peças que são geralmente recicladas ou reutilizadas.
Figura 3. Exemplo de uma sucata automóvel
19
A fim de utilizar de modo mais eficaz os recursos do planeta e reduzir
o volume de resíduos eliminados, as actividades de reciclagem automóvel
devem incluir esforços para reduzir ainda mais o volume destes resíduos e
promover a respectiva reutilização e reciclagem, de modo a que, por fim,
não sejam produzidos quaisquer resíduos.
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4. Conclusões
No âmbito deste trabalho, a recolha de informação para a realização
do trabalho foi dificil, pois esta é escassa e por vezes não provinha de
fontes fiaveis. Uma outra dificuldade encontrada na elaboração deste
projecto, foi o facto de que quando a informação provinha de fontes
crediveis, estas não disponibilizavam por inteiro os dados de forma
aprofundada. Foi notável um grande proteccionismo por parte dos
fabricantes de automoveis e entendidos no assunto na disponibilização da
informação.
Mas após todas estas dificuldades, o grupo descobriu que existem
diversos metais utilizados na concepção automóvel e já enunciados no
corpo do trabalho (Ferro fundido, Aço, Aluminio, Magnésio). Estes materiais
trazem imensas vantagens quer a nível económico para os utilizadores quer
a nivel ecológico, tornando o automóvel mais leve, seguro e robusto.
Actualmente vivemos num mundo em que os problemas ambientais se
tornam cada vez mais relevantes a nível mundial. Estas preocupações
afectam por sua vez os construtores de automóveis, pois no acto da compra
cada vez mais se torna relevante as preocupações com o ambiente. A
utilização de materiais novos, tem em vista a inovação e melhoramento dos
automoveis, com principal preocupação de obter o máximo de rendimento
com o mínimo de desperíicios. Verifica-se actualmente uma procura
incessante de processos de construção mais rentáveis e materiais mais
económicos mas com características menos prejudiciais do que os materiais
anteriormente utilizados.
Conclui-se que as inovações tecnológicas dos materiais e processos
de fabrico têm favorecido muito a indústria em geral. No ramo automóvel
estes avanços significam que os automóveis poderão ser produzidos com
custos mais baixos e também com compromissos ambientais mais
reduzidos.
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Referências
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October 18 2010);
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B.L. Mordike, T. Ebert, Magnesium, Properties — applications — potential,
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22
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