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Projecto FEUP
2010/2011
MATERIAIS USADOS NA CONCEPÇÃO DE UM
AUTOMOVÉL
Que materiais poliméricos são utilizados e quais os
respectivos componentes?
Autores:
Ivo Cordeiro (em10046)
Luís Reis (em10056)
Matilde Ferreira (emt10002)
Pedro Ferreira (em10078)
Simon Rangel (em10122)
Sofia Cunha (em10081)
Tomás Negrão (em10126)
Grupo:
MMM506
Docente:
Prof. José Ferreira Duarte
Monitor:
André Lhamas
2
Índice
Introdução ..................................................................................................................................... 3
1 - Materiais Poliméricos ............................................................................................................... 4
1.1 - Processos de fabrico de peças em materiais poliméricos ................................................ 5
2 - Os polímeros na Indústria Automóvel ..................................................................................... 6
2.1 - Peças poliméricas de uso frequente na indústria automóvel ........................................... 6
2.2 - Características de vários materiais poliméricos em diferentes componentes ................. 7
2.3 - Possibilidades de desenvolvimento do automóvel proporcionadas pelo uso de
polímeros .................................................................................................................................. 8
2.4 - Vantagens e desvantagens do uso de materiais poliméricos ........................................... 9
Conclusões .................................................................................................................................. 12
Bibliografia .................................................................................................................................. 14
Anexos ......................................................................................................................................... 15
Anexo 1 - Aplicações Gerais dos polímeros ............................................................................ 15
3
Introdução
No âmbito da Unidade Curricular de Projecto FEUP, realizamos este
trabalho, que incide no tema da utilização de polímeros na indústria
automóvel.
Com o passar do tempo e com a evolução da tecnologia surgiu a
necessidade de substituir os materiais correntemente utilizados a
nível da produção de veículos automóveis por outros mais vantajosos
a nível económico, de segurança e com melhores propriedades
mecânicas. O material que tem vindo a substituir com mais
frequência as ligas metálicas é o plástico, que, por sua vez, é um
material polimérico. Os objectos de análise neste trabalho são este
material, e as peças de um automóvel em que ele se aplica.
Deu-se particular destaque às características de vários materiais
poliméricos em diferentes componentes e às vantagens e
desvantagens do uso deste tipo de materiais.
Os elementos do grupo agradecem a disponibilidade e apoio prestado
aos coordenadores e monitores da Unidade Curricular.
4
1 - Materiais Poliméricos
No nosso quotidiano estamos permanentemente
rodeados por polímeros, que são aplicados em
diversos objectos como espumas, tintas, vitrais,
pneus, roupas, embalagens, e outros (figura 1)
(ver anexo 1).
Um polímero é formado pelo conjunto de dois ou
mais monómeros, ou seja, moléculas orgânicas
menores associam-se formando uma
macromolécula. A palavra polímero, de origem
grega, é formada a partir de “poli” (varias) e “mero” (partes). Os
polímeros, a nível mecânico, são pouco densos, não têm uma rede
cristalina, são maus condutores térmicos e na generalidade são
flexíveis.
Neste trabalho, serão abordados apenas os polímeros sintéticos, que
são os utilizados na indústria automóvel.
Os polímeros artificiais dividem-se em várias categorias, consoante as
suas propriedades materiais. Apresentam-se aqui três tipos bastante
comuns:
Classificação de polímeros:
• Termoplásticos: Deformam-se com o calor; muito comuns nos
mercados; facilmente reciclados
• Termofixos: estáveis com a variação da temperatura, frágeis,
não recicláveis
• Elastómeros: admitem grandes deformações elásticas; não
recicláveis
Figura 1 – Exemplo de peças feitas a partir de materiais poliméricos
1.1 - Processos de fabrico de peçaspoliméricos
Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser
divididos em três grandes grupos:
moldagem por rotação
processos menos frequentes, razão pela qual
Extrusão é um processo de mo
através da sua canalização sob pressão através de um orifício.
Injecção é um processo de
moldagem que consiste em aquecer o
material polimérico
posteriormente injectá
alta pressão no interior de um molde
frio onde o material endurece e toma
a forma do molde (figura 2)
Sopro é um processo de moldagem utilizado
normalmente para obtenção de peças ocas.
Através de insuflação de ar no interior do
molde, cria-se uma expansão da massa
polimérica dando-se a expansão da parte
interior do objecto (oco) até à obtenção da
forma desejada (figura 3)
Uma das diferenças entre os processos de
extrusão e de injecção é o facto d
sistema cíclico, onde o molde depois de preenchido é trocado por
outro e o processo não
extrusão (Sousa 2010)
Processos de fabrico de peças em materiais
Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser
divididos em três grandes grupos: Extrusão, Injecção
moldagem por rotação e moldagem por compressão são outros
processos menos frequentes, razão pela qual não serão abordados.
é um processo de moldagem de um material polimérico
através da sua canalização sob pressão através de um orifício.
é um processo de
moldagem que consiste em aquecer o
num cilindro e
posteriormente injectá-lo através de
alta pressão no interior de um molde
frio onde o material endurece e toma
(figura 2).
é um processo de moldagem utilizado
normalmente para obtenção de peças ocas.
Através de insuflação de ar no interior do
se uma expansão da massa
se a expansão da parte
or do objecto (oco) até à obtenção da
(figura 3).
Uma das diferenças entre os processos de
extrusão e de injecção é o facto de a injecção caracterizar um
sistema cíclico, onde o molde depois de preenchido é trocado por
outro e o processo não é interrompido. O mesmo não ocorre na
(Sousa 2010).
Figura 2 – Imagem esquemática da moldagem por injecção
Figura 3 para moldagem por sopro
5
em materiais
Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser
Injecção e Sopro. A
e moldagem por compressão são outros
não serão abordados.
ldagem de um material polimérico
através da sua canalização sob pressão através de um orifício.
injecção caracterizar um
sistema cíclico, onde o molde depois de preenchido é trocado por
é interrompido. O mesmo não ocorre na
Imagem esquemática da moldagem por
– Exemplo de um molde para moldagem por sopro
6
2 - Os polímeros na Indústria Automóvel
2.1 - Peças poliméricas de uso frequente na indústria automóvel
Com o passar dos anos algumas
peças dos automóveis têm vindo a
sofrer alterações ao nível do material
em que são produzidas. Ao
compararmos um automóvel da
década de 50, por exemplo, com um
automóvel do século XXI verificamos
que muitas alterações foram
efectuadas.
Estas mudanças foram e têm vindo a ser efectuadas com vista a
melhorar o desempenho dos automóveis, a torná-los mais
económicos e também mais seguros e confortáveis.
Com estas necessidades e o constante avanço tecnológico as peças
fabricadas em materiais poliméricos têm vindo a ser cada vez mais
utilizadas na indústria automóvel e as suas aplicações mais
generalizadas no automóvel moderno (figura 2)
São vários os materiais poliméricos utilizados no automóvel moderno
(tabela 1), sendo que cada um é escolhido tendo em conta factores
como as propriedades mecânicas ou químicas do material em
questão.
Polietileno de alta densidade (HDPE)
o Depósito de combustível e respectivo sistema de distribuição
o Depósito de água para o pára-brisas Polipropileno (PP) o Caixa da bateria e cobertura da mesma
o Caixa do cinto de segurança o Caixa de retrovisor interior o Tapetes
Figura 4 – O habitáculo de um automóvel moderno é dominado pelo uso de polímeros
7
o Cobertura do volante Politetrafluoroetileno
(PTFE) o Bomba de combustível eléctrica o Elemento deslizante do amortecedor o Indicador do desgaste dos travões o Guia do pistão do amortecedor
Polímeros de líquido-cristalino
(LCP)
o Tampa do air-bag o Porta escovas de motores eléctricos
Policarbonato (PC) o Faróis o Painel de instrumentos
Poliuretano (PU) o Estofo dos bancos o Enchimento do pára-choques
Policloreto de vinila (PVC)
o Filtros de ar e de óleo o Painéis interiores o Revestimento de fios e cabos eléctricos
Politereftalato de etileno (PET)
o Carburador o Escovas do limpa pára-brisas o Componentes eléctricos
Tabela 1 – Aplicações dos polímeros na indústria automóvel (Hemais 2003)
2.2 - Características de vários materiais poliméricos em diferentes componentes
Num automóvel há milhares de peças, cada uma delas com
características e funções diferentes; para cada uma destas peças, há
uma variável importante a considerar: que tipo de material utilizar?
Os plásticos têm demonstrado um alto índice de fiabilidade e muitas
vantagens sobre os materiais tradicionais que vieram a substituir, tais
como o aço, o alumínio e o vidro. Além de permitirem maior
flexibilidade de projecto e economia na produção, a sua baixa
densidade é essencial para a redução do peso do carro. Se, por um
lado, algumas peças utilizam materiais metálicos (devido a limitações
a nível de resistência térmica ou a esforços), outras utilizam os
polímeros como base, o que quer dizer que, na concepção de uma
peça em particular, há milhares de compostos poliméricos que podem
ser aplicados, e é indispensável que seja analisada qual a melhor
solução em cada caso.
Por exemplo, a utilização de polibutadieno em pneus é vantajosa,
uma vez que proporciona uma melhoria nas propriedades mecânicas
do mesmo (maior resistência à abrasão, menor resistência ao
8
rolamento). Essas características significam que há um aumento do
rendimento do pneu em duas vertentes: por um lado, maior
durabilidade do produto; por outro, menor consumo de combustível.
Por outro lado, o polipropileno é utilizado na cobertura no volante do
automóvel por ser um material com um coeficiente de atrito com a
pele apreciável, o que é desejável visto que o esforço de rotação do
volante implica uma carga axial, e sem o atrito as mãos deslizariam
pelo volante em vez de o rodarem. Ainda, o volante é um elemento
funcional mas também decorativo. Assim, o polipropileno, sendo um
material que permite, através de processos químicos, obter padrões
semelhantes ao couro, é utilizado também de uma perspectiva
estética.
2.3 - Possibilidades de desenvolvimento do
automóvel proporcionadas pelo uso de polímeros
Estando o mundo tão dependente destes banais constituintes e tendo
eles chegado, em larga escala, há tão pouco tempo, não é difícil de
notar que nos abriram muitas portas em todos os sectores,
nomeadamente ao na industria automóvel.
Esta revolução deveu-se ao elevado número de vantagens que nos
foram proporcionadas com a sua chegada. Estes materiais foram
substituindo outros que, com esta presença, já não se enquadravam
mais para o fim que lhes era destinado.
Assim a constituição do automóvel tomou um diferente rumo onde os
polímeros passaram a ter um dos papéis principais no fabrico
automóvel.
O facto de serem facilmente moldáveis e o baixo custo de produção
permitiram a sua generalização no sector automóvel. Acabaram por
9
substituir materiais resistentes e/ou elásticos pois também são
dotados destas qualidades (figuras 4 e 5).
Os polímeros são resistentes ao desgaste,
à acção atmosférica e não quebram
facilmente. Têm um peso reduzido em
comparação aos materiais que os
substituem (são mais leves que os metais
e que o vidro) e têm excelentes
propriedades de isolamento térmico e
eléctrico. Estas propriedades, juntamente
com a sua fácil obtenção a baixas
temperaturas, justificam a sua utilização
em larga escala do sector automóvel.
Assim, a existência de polímeros
possibilitou o fabrico de peças das mais
variadas formas, tamanhos e cores à
exigência estética actual dos projectos
contemporâneos. Permitiu um maior
conforto do utilizador e também a
imunidade a corrosão em certas peças fundamentais. A utilização de
veículos pode ficar assim mais global já que estas peças são
indicadas para qualquer tipo de clima e terreno. É, ainda, de referir,
que a manutenção deste tipo de material é quase nula.
2.4 - Vantagens e desvantagens do uso de materiais poliméricos
Como qualquer material, a utilização de polímeros tem vantagens e
desvantagens, e a relação custo/benefício deve ser estudada em cada
caso. Entre as vantagens do uso de materiais poliméricos contam-se
a sua baixa densidade, o custo de produção reduzido e a facilidade de
produção em grandes números. No entanto, uma das maiores
Figura 5 - Ferrari 250GTO, um exemplo das limitações da construcção em alumínio
Figura 6 - SSC Ultimate Aero II, um carro cuja carroçaria é feita unicamente em fibra de carbono.
10
vantagens do uso de polímeros é a sua maleabilidade, que possibilita
a criação de designs mais agressivos em comparação com o alumínio.
A baixa densidade dos polímeros, em comparação com o alumínio
6111 T4 (liga mais comum na construção automóvel), traduz-se
numa redução significativa do peso do carro (gráfico 1). Desde 1965,
a utilização média de polímeros no automóvel cresceu de 27 kg para
150 kg (dados de 2007). Apesar de este peso ainda só ser
aproximadamente 10% do peso do automóvel, os polímeros
compõem 50% do volume de materiais no automóvel (American
Plastics Council 2001).
A utilização de polímeros na construção
de elementos exteriores do carro,
como o pára-choques (figura 7),
também contribui para a segurança de
peões em colisões, visto que os
polímeros utilizados nesses
componentes têm uma tensão de
ruptura baixa, o que quer dizer que
estes deformam e partem na colisão,
absorvendo parte do choque com o
peão (gráfico 1). A utilização de
alumínio naqueles componentes (figura
6) era muito mais perigosa para os
peões, e este foi um avanço na
indústria automóvel que tem vindo a
salvar muitas vidas.
Há ainda uma desvantagem no uso de polímeros que, não afectando
directamente o fabricante ou o utilizador, deve ser levada em conta.
Os polímeros sintéticos são produzidos, na maioria das vezes, a partir
de derivados do petróleo. Ora esta produção é, por si só, um
Figura 7 - Automóvel dos anos 60 (Mecedes SL300)
Figura 8 - Automóvel moderno (Peugeot 807)
11
poluente perigoso do meio ambiente, o que só por si pode ser um
factor decisivo quando temos dois tipos de material em análise. A
escassez dos recursos petrolíferos mundiais, aliada à subida do preço
do petróleo, é também um problema cuja solução tem de passar pela
substituição do petróleo enquanto matéria-prima, ou então pelo uso
de outros materiais.
Gráfico 1 - Comparação de densidades e tensões de ruptura para vários materiais (BPF 2010) (Staley e Lege 1993)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Densidade (g/c3)
Tensão de ruptura
x100(mPA)
12
Conclusões
Com este trabalho conclui-se que a indústria de desenvolvimento de
materiais poliméricos, associada à indústria automóvel, se tem
desenvolvido de forma rápida. Este material tornou-se constituinte
garantido dos componentes de um automóvel devido à sua
maleabilidade, custos de produção baixos, linhas de montagem
simples e densidade baixa do material. O futuro desta indústria
revela-se com as descobertas actuais, sugerindo uma aplicação em
várias áreas, dando especial valor aos termoplásticos.
Pudemos, assim, constatar que, contrariamente às nossas
expectativas, muitos dos componentes do automóvel moderno são
constituídos por polímeros, de tal forma que estes representam mais
de 50% do volume do automóvel. Aqueles componentes em que mais
se encontram polímeros são os interiores e o painel de instrumentos,
as tubagens do motor e os pára-choques (Hemais 2003).
Num panorama mundial de crise económica, em que produzir o
máximo a custo mínimo é imperativo, os polímeros são instrumentais
na concepção de veículos mais eficientes a nível de consumos
energéticos, revelando-se mais eficazes na redução da massa do
carro. Além disso, esta indústria tem um papel fundamental no
sucesso da implementação dos carros eléctricos na nossa sociedade,
porque o aumento da autonomia, através implementação de
materiais poliméricos que implicam uma redução do peso total do
carro, é um factor que pode aumentar as vendas desta classe de
veículos, que por sua vez pode ser uma ferramenta para a redução
do consumo de produtos petrolíferos e das emissões de gases nocivos
para a atmosfera. Este factor deve ser levado em consideração, numa
sociedade cada vez mais focada nos problemas ambientais causados
pela circulação automóvel.
Por outro lado, e focando ainda o lado ambiental da questão, a
produção de polímeros é, ela mesma, feita a partir de produtos
13
derivados do petróleo. Assim, é de interesse que a análise de
custo/benefício, não só a nível financeiro como a nível ecológico, seja
feita caso a caso, e a solução mais apropriada seja encontrada.
14
Bibliografia
American Plastics Council. Plastics in automotive markets – vision and technology roadmap.
American Plastics Council, 2001.
BPF. BPF: British Plastics Federation - The UK's Leading Plastic Trade Association. 2010.
http://www.bpf.co.uk/ (accessed Outubro 22, 2010).
Hemais, Carlos A. "Polímeros e a Indústra Automobilística." Polímeros: Ciência e Tecnologia,
Abril - Junho 2003: 107-114.
Mercedes SLS AMG Technical Specifications. Setembro 11, 2009.
http://www.motorward.com/2009/09/mercedes-sls-amg-technical-specifications/ (accessed
Outubro 12, 2010).
Polymers. http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/polymers.htm (accessed
Outubro 15, 2010).
Processamento de Polímeros. 2003.
http://www.tifnet.com.br/disciplinas/polimeros_aula_01.pdf (accessed Outubro 8, 2010).
Sousa, Gustavo Brandão. Moldagem de Polímeros:Extrusão, Injecção e Sopro. Brasília:
Universidade de Brasília, 2010.
Staley, J.T., and D.J. Lege. Advances in aluminum alloy products for structural applications in
transportation. 100 Technical Drive, Alcoa Technical Center; Alcoa Center; PA 15069, USA:
Aluminum Company of America, 1993.
Two automotive components using DuPont engineering polymers capture industry innovation
honours. 12 4, 2008. http://www.innovations-
report.com/html/reports/awards_funding/automotive_components_dupont_engineering_pol
ymers_123649.html (accessed Outubro 10, 2010).
Wheelan, Tony. Manual de moldagem por sopro da Bekum. 2002.
Wood, Richard. Automotive Engineering Plastics. London: Pentech Press, 1991.
—. Car bodywork in glass reinforced plastics. London: Pentech Press, 1980.
15
Anexos
Anexo 1 - Aplicações Gerais dos polímeros
A tabela seguinte contém alguns exemplos de aplicações dos polímeros em objectos do nosso dia-a-dia:
Polímero Aplicações
ABS Peças de automóveis
Kevlar Protecções à prova de fogo
Nylon Fibras, roupas, carpetes
Poliacriloamida Lentes de contacto
Policarbonato Lentes oftálmicas
Policloropreno Adesivos, freios
Polidimetil Detectores contra explosivos
Poliester Embalagens, filmes, roupas
Poliestireno Embalagens, utensílios domésticos, isolantes térmicos
Polietileno Embalagens, filmes,utensílios
Polietileno tereftalato Embalagens
Polimetil metacrilato Tintas, balcões, vitrais
Polipropileno Embalagens, utensílios, peças diversas, tapetes
Polisopreno Borrachas
Poliuretano Espumas, roupas isolantes
PVC Tubos e conexões
Teflon Antiaderente