Materiais usados na concepção de um automóvel

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1 Materiais usados na concepção de um automóvel Que materiais poliméricos são utilizados e quais os respectivos componentes? Projecto FEUP Ano lectivo 2010/ de Outubro de 2010 Trabalho realizado por: Francisco Vieira em10105@fe.up.pt Hugo Freire em10083@fe.up.pt José Pedro Carvalho gei10101@fe.up.pt Manuel Filipe Silva em10143@fe.up.pt Maria Teresa Silva em10117@fe.up.pt 1

2 Resumo Os polímeros são hoje em dia um dos materiais mais utilizados na indústria automóvel. Estes materiais possuem determinadas características que possibilitam uma diminuição no custo, uma possibilidade de elaboração de novas formas, bem como uma diminuição do tempo de produção. Por outro lado, constituem-se como um material facilmente inflamável que também não oferece grande resistência ao impacto. Então, integram muitas peças dos automóveis, desde as mais elementares, como o tablier, às mais complexas como os colectores de admissão. Deste modo, estes materiais afirmam-se como um dos principais parceiros da indústria automóvel, revelando também uma certa potencialidade para acompanhar/proporcionar uma evolução desta última. Abstract The polymers are nowadays one of the most used materials in the automotive industry. These materials have certain characteristics that enable a reduction in cost, an opportunity to develop new forms as well as a decrease in production time. On the other hand, are formed as a highly flammable material that does not offer great resistance to impact. Then, integrate many parts of cars, from the most elementary, such as the dashboard, to more complex as the intake manifold. Thus, these materials are affirmed as a key partner of the automotive industry, it also reveals a certain capability to monitor / provide an evolution of the latter. 2

3 Índice Introdução 4 O que são polímeros? 5 Processos de Fabrico dos Polímeros 6 Vantagens e Desvantagens na utilização de Polímeros 8 A Indústria Automobilística e os Polímeros 11 Visita de Estudo 14 Conclusão 16 Bibliografia 17 Anexos 18 3

4 Introdução A inovação tecnológica anda sempre par a par com as inovações no campo dos materiais. Com a crescente procura de automóveis e a sua vulgarização, os fabricantes começaram a ter preocupações tanto económicas como técnicas, mas também ambientais que apenas foram possíveis de suprir com o desenvolvimento de polímeros de alto desempenho. Com este trabalho pretendemos compreender as razões que levaram à crescente utilização de materiais à base de compostos poliméricos na indústria automóvel, que impacto é que essa utilização acrescida teve no sector e que perspectivas nos trás para o futuro. Vamos elaborar tabelas comparativas que permitam facilmente distinguir as vantagens e as desvantagens da utilização de polímeros em automóveis versus a utilização de materiais tradicionais e o impacto que isso teve e tem no quotidiano, quer a nível económico, quer a nível ambiental e no dia a dia dos consumidores. 4

5 O que são Polímeros? Os polímeros são macromoléculas formados por partículas mais pequenas, denominadas monómeros. Estes materiais têm grande influência na vida do homem há bastante tempo, enquanto polímeros naturais como, por exemplo, amido, celulose, seda, entre outros. Nos inícios do século XX, o químico Alemão Hermann Staudinger, descobriu o processo de polimerização, que consiste na síntese de polímeros. Devido a esta descoberta, o uso e estudo dos polímeros naturais e sintéticos tornou-se fundamental na vida quotidiana do ser humano, com grande incidência na indústria automóvel. Existem três tipos de polímeros: termoplásticos (conhecidos como plásticos); termorrígidos e elastómeros (apresentam alta elasticidade, e são conhecidos como borrachas). Fig 1. Os sectores e a utilização de polímeros. 5

6 Processos de Fabrico de Polímeros A obtenção dos polímeros é feita a partir de monómeros, sendo estes extraídos directamente do petróleo, como o eteno, propeno e buteno. Através deste processo dá-se origem aos materiais tecnicamente conhecidos como polieteno, polipropeno e polibuteno, respectivamente. A transformação do petróleo em plásticos é realizada segundo a chamada cadeia petroquímica, na qual a refinaria transforma o petróleo bruto em nafta, que é enviada para uma central petroquímica que transforma a nafta em diversas matérias-primas, como os monómeros. Por fim, as indústrias de polimerização transformam os monómeros em polímeros. Fabricação de Plásticos O fabrico de plásticos requer a realização de quatro etapas: Preparar as matérias-primas e os monómeros Realizar reacções de polimerização Processar os polímeros em resinas de polímeros finais Fabricar produtos com acabamento As resinas de polímeros são processadas em produtos plásticos finais, são aquecidos, moldados e deixados a esfriar. Existem vários processos envolvidos nesta etapa, tendo em conta o tipo de produto. Extrusão: os grânulos são aquecidos e misturados mecanicamente numa câmara longa, forçados através de uma pequena abertura e resfriados com ar ou água. Este método é utilizado para fazer filmes plásticos. Moldagem por injecção: os grânulos de resina são aquecidos e misturados mecanicamente numa câmara longa, forçados sob bastante pressão para 6

7 dentro de um molde que já esfriou. Este processo é utilizado para recipientes, como embalagens de manteiga e iogurte. Moldagem por sopro: esta técnica é utilizada juntamente à moldagem por extrusão ou injecção. Os grânulos de resina são aquecidos e comprimidos num tubo líquido. A resina entra no molde frio e o ar comprimido é soprado para dentro do tubo da resina. O ar expande a resina contra as paredes do molde. Este método é utilizado para fazer garrafas plásticas. Moldagem por rotação: os grânulos de resina são aquecidos e resfriados num molde que pode ser girado em três dimensões. A rotação distribui o plástico igualmente ao longo das paredes do molde. Esta técnica é utilizada para fazer objectos plásticos grandes e ocos (brinquedos, móveis, equipamentos desportivos, fossas, latas de lixo e caiaques). 7

8 Vantagens e desvantagens na utilização de Polímeros Utilização nos Automóveis Os polímeros como qualquer outro material, possuem vantagens e desvantagens na sua utilização. Após investigação recolhemos os dados sobre essas vantagens e desvantagens as quais dividimos em vantagens gerais, e vantagens mais aplicadas aos automóveis. Geral: Vantagens: Facilidade de uso; Podem tomar as mais diversas formas; Podem ser pintados aquando da sua produção evitando assim o uso de tinta; Durabilidade elevada; Densidade reduzida; Desvantagens: Inflamabilidade; Susceptíveis a contaminação durante o fabrico (através de areia ou contaminação cruzada com outros polímeros que no melhor dos casos o produto fica com más formações, no pior os próprios polímeros são inutilizáveis); Durante os processos de moldagem, se houver algum tipo de variação de temperatura ou de tempo de moldagem, os polímeros são inutilizados; Podem causar poluição ambiental se não forem devidamente tratado após o fim do seu uso; Limitações nas contracções e expansões levam a que o produto possa apresentar rupturas; 8

9 Nos Automóveis: Vantagens: Redução de Peso, cada 100 quilos de compostos poliméricos utilizados num veículo substitui cerca de 200 a 300 quilos de materiais tradicionais; Redução das emissões de dióxido de carbono (CO 2 ).(consequência da anterior em que a substituição de 300 quilos de materiais tradicionais por materiais poliméricos se traduzirá numa economia de combustível de 7,5%, num automóvel com aproximadamente 1000 quilos; Redução de custos; Redução de tempo de produção; Menores investimentos em manufactura; Aumento da resistência à corrosão; Possibilidade de designs mais modernos; Formatos mais completos; Excelente processabilidade; Veículos mais silenciosos; Melhor uso de espaço; Aumento da segurança. Os polímeros possibilitam a fabricação de componentes com grandes propriedades de absorção de impacto, pára-choques, airbags, protecções laterais e cintos de segurança; Desvantagens: Deterioração por acção térmica e ambiental. Inflamabilidade. Baixa resistência ao impacto. Deformação permanente elevada. Dificuldade de adesão de película de tinta. Facilidade de manchar permanentemente. Baixa estabilidade dimensional. 9

10 No entanto estas desvantagens são apresentadas para a generalidade dos polímeros, havendo certos polímeros específicos que são fabricados para aplicações específicas e que não apresentam estas desvantagens, sendo, no entanto, geralmente bastante mais caros e apenas acessíveis a algumas empresas automobilísticas. 10

11 A Indústria Automobilística e os Polímeros Os polímeros têm-se revelado cada vez mais como um dos principais aliados da indústria automobilística. Assim, devido às suas características substituíram outros materiais anteriormente usados na concepção de um automóvel, tais como o aço e o ferro, visto que proporcionam construções de maior qualidade. Estes componentes garantiram sobretudo, uma diminuição dos custos no processo de fabrico, uma maior flexibilidade de elaboração dos projectos e uma inovação em termos de design, isto devido à sua elevada flexibilidade o que proporciona um aparecimento de formas diferentes e mais aerodinâmicas. Este facto implica uma revolução em termos de mercado comercial, visto que surgem modelos de automóveis com uma estética superior, bem como uma alteração a nível dos consumos dos automóveis, pois um veículo aerodinâmico não é sujeito a tanta resistência do ar diminuindo também a emissão de gases para a atmosfera. Existem vários tipos de polímeros, possuindo cada um, características próprias, as quais proporcionam o fabrico e a produção dos mais distintos componentes automóveis. Na tabela abaixo, indicam-se os principais tipos de polímeros, as suas propriedades e as peças produzidas através deles. Polímeros Propriedades Peças Produzidas Resistência a calor e solventes Baixo custo Polietileno de alta densidade (HDPE) Polipropileno (PP) seus compostos Politóxide de metileno (POM) Alta resistência química Estabilidade Flexibilidade Baixo custo Resistência a riscos Excelente estabilidade dimensional Baixa absorção de água Resistência à fadiga e Caixa do triângulo de emergência, Protecção anti-cascalho, Reservatório de água do pára-brisas, Depósito de combustível Caixa da bateria, Caixa de ferramentas, Caixa de 1os socorros, Caixa eléctrica, Carpetes, Cobertura da bateria, Volante, Cobertura dos amortecedores, Condutas de ar, Sistemas de refrigeração do motor, Painel de instrumentos, Pára-Choques, Porta- Luvas, Revestimentos, Ventilador Limpa-Para-Brisas, Cintos de segurança, espelhos retrovisores, Fechaduras, Circuito de combustível, Alavanca da abertura das 11

12 Polímeros fluorados (PTFE) e seus compostos Poli(teleftalto) (PBT) e seus compostos Polímeros de líquidocristalinos (LCP) Poli(sulfeto de fenileno) (PPS) Policarbonato (PC) Poliuretano (PU) Poliamida (PA) Poli(metacrilato de metila) (PMMA) Copoli(estirenobuatadienoacrilonitrila) (ABS) Copolifestirenoacrilonitrila (SAN) Poli(cloreto de vinila) (PVC) Poli(óxido de metileno)/poliamia (Noryl GTX) Poli(tereftalato de butileno)/ Policarbonato (Xenoy) Poli(tereftalato de etileno) (PET) à fricção Resistência térmica Resistência a óleo e agentes químicos Resistência mecânica e térmica Estabilidade dimensional Isolamento eléctrico Resistência ao calor Auto-Retardante de chama Baixa absorção de água Resistência mecânica e química Elevada rigidez Boas propriedades mecânicas Transparência Semelhança com o vidro Alta resistência ao impacto Boa estabilidade Boas propriedades eléctricas Absorção de Energia Isolamento Resistência à tensão e às altas temperaturas Semelhança ao vidro Resistência química Transparência Resistência à corrosão Resistência química Resistência ao impacto Resistência às baixas temperaturas e ao impacto Resistência à chama Resistência ao impacto, solventes e altas temperaturas Resistência mecânica e química Resistência a altas temperaturas Resistência mecânica, térmica e química portas, Manivela de regulamento dos bancos Bomba de combustível eléctrica, Guia do pistão do amortecedor Sistema de ignição, Faróis, Cinzeiros, Grades, Guarda-Lamas Retrovisores, Tampa do airbag, suporte da bobina Carcaça dos faróis, Suporte da bobina, Válvulas do filtro de ar Faróis, Painel de instrumentos Pára-choques, Estofo dos bancos Engrenagens, airbag, conectores Fibras ópticas, Lanternas Grades, Painel de instrumentos Grades de ventilação Filtros de ar e de óleo, Revestimentos Guarda-lamas Painel de instrumentos, Pára-choques, Spoilers Carburador, Componentes eléctricos 12

13 Através da análise da tabela é possível concluir que existe um número muito elevado de peças constituintes de um automóvel que são compostas por polímeros. Assim, desde o carburador (nos automóveis a gasolina) até ao triângulo, faróis, e cinto de segurança encontramos vários tipos de polímeros. Deste modo, pode-se concluir que existe um vínculo entre os polímeros e a indústria automóvel que já perdura há alguns anos e continuará a perdurar no futuro, uma vez que estes estão capacitados para promover/ acompanhar uma revolução da indústria automóvel. 13

14 Visita de Estudo Planeamento Visita de estudo às instalações da Toyota em Gaia, com o objectivo de obter informação relativa aos constituintes poliméricos nos automóveis da Toyota, bem como o seu modo e local de aplicação. Também está programada a execução de uma entrevista a uma pessoa responsável e competente no assunto. Entrevista 1.Quais os principais polímeros utilizados? Engº Carlos Valentim - TSOP, ABS, PC e PMMA. 2.Em que parte do automóvel são aplicados? ECV - Em todos os componentes não estruturais, tais como, tablier, protecção de cavas das rodas, peças ornamentais (frisos, remates, ), órgãos do motor (corpos de bomba de água, protecções, blindagens, colectores de admissão, tampas de válvulas, ), caixas de fusíveis, corpos de bombas de embraiagem, entre outros. Algumas marcas utilizam também em peças tais como, guarda-lamas e capots. 3.Serão os polímeros os materiais mais adequados actualmente, para melhor servir a indústria automóvel? ECV - Os polímeros são os materiais mais adequados para algumas utilizações específicas, já indicadas na questão anterior, porque são leves, relativamente baratos, fáceis de configurar e recicláveis. 4.Estarão os polímeros capacitados para acompanhar/proporcionar uma evolução da indústria automóvel? ECV - Sim. As marcas fazem enormes investimentos no desenvolvimento de novos polímeros. Acredito que brevemente passem a ser utilizados em peças, que hoje não imaginamos ser possível a sua utilização. 5.Qual o mais recente polímero utilizado na marca Toyota? ECV TSOP. 14

15 6.Qual foi o ponto de viragem da utilização dos polímeros nos automóveis? ECV - Não houve um ponto de viragem, mas uma aproximação gradual aos polímeros, com maior incidência nos últimos 15 a 20 anos. 7.Qual o veículo da Toyota que contém mais polímeros? ECV - Quanto mais luxuosa for uma viatura, maior diversidade e maior quantidade de polímeros contém. Logo, o modelo Lexus LS600, será com toda a certeza, a resposta à questão. 15

16 Conclusão Gostaríamos de agradecer a toda equipa do Projecto FEUP, nomeadamente, ao professor Ferreira Duarte, bem como ao nosso monitor André Lhamas, visto que sempre nos apoiaram e auxiliaram no projecto, revelando o seu interesse e disponibilidade em contribuir para a criação de um trabalho interessante. Gostaríamos também de deixar o agradecimento à Toyota, Salvador Caetano, S.A., nomeadamente ao Sr. Engº Valentim (Director do Departamento Técnico e de Formação), à Dr. Conceição Monteiro e ao Engº Pedro Reis, pela disponibilidade evidenciada para connosco. Os polímeros apresentam grande relevância na indústria automóvel devido ao seu baixo custo, peso reduzido, elevada resistência à corrosão e possibilidade de designs mais modernos. Por outro lado estes têm algumas desvantagens, tais como a baixa resistência ao impacto, dificuldade de adesão de película de tinta e baixa estabilidade dimensional. A aplicação de polímeros em automóveis levou a que estes se tornassem mais económicos e amigos do ambiente, permitindo a construção de carros mais eficientes bem como mais seguros. A sua capacidade de adquirir formas facilmente, mesmo as mais complexas faz com que estes materiais proporcionem consideráveis diminuições no tempo de fabrico. Deste modo, verificámos que num veículo automóvel existem imensos componentes poliméricos, desde as peças mais simples, os chamados componentes não estruturais, como a protecção do espelho retrovisor e o tablier, às peças estruturais mais complexas, como por exemplo, os corpos da bomba de água e os colectores de admissão. Assim, concluímos também, que os materiais poliméricos estão totalmente capacitados para servir a indústria automóvel, e, um investimento nestes materiais, aliado a outros investimentos poderá proporcionar uma evolução no mundo dos automóveis. A realização deste trabalho contribuiu para o aprofundamento do conhecimento sobre os materiais poliméricos, nomeadamente aqueles que se definem como parte integrante de um veículo automóvel. Para além disso, permitiu-nos obter uma perspectiva mais alargada quanto ao futuro da indústria automóvel proporcionada pelos avanços no campo dos materiais poliméricos. 16

17 Bibliografia Curiosidades. Polímeros e processos. (accessed October 13, 2010) Marques, Luisa. O que são polímeros e porque são interessantes. Universidade de Coimbra. Departamento e Centro de Química. Sector Automóvel e os Polímeros. (accessed September 28, 2010). Polímeros. (accessed October 5, 2010) Polímeros e a Indústria Automobilística. (accessed September 29, 2010) Polímeros. Ciências e Tecnologias. (accessed October 3, 2010) Processos de Fabrico dos Polímeros (accessed October 23, 2010) Tradutor (accessed October 24, 2010) 17

18 Anexos Aplicações dos Polímeros Bioplastia Os polímeros são os materiais mais relevantes na execução da bioplastia, que consiste na injecção de uma mescla de Colageno (polímero de origem natural) com microesferas de polimetilmetacrilato (polímero sintético), através de microcânulas, proporcionando a forma pretendida em certas partes do corpo. Poliamida/ Nylon A Polimamida, mais conhecida como Nylon, foi descoberta pelos Americanos e Ingleses, durante uma guerra-fria contra os japoneses, numa disputa que envolvia o comércio da seda e a descoberta de um material que a substituísse. O Nylon é um material utilizado em tecidos e diversas peças técnicas. A sua designação proveio da soma das iniciais das duas principais cidades envolvidas neste conflito, New York e London, e também das iniciais da frase Now You Lost Old Nipon (Agora perdeste velho japonês). Automóveis Blindados O material utilizado nos automóveis blindados é na verdade o Policabonato, que é um plástico bastante resistente ao impacto. Portanto, os vidros à prova de balas não consistem em vidro, mas sim em camadas de Policarbonato. 18

19 Curiosidades As Lagartixas e os Polímeros As lagartixas sobem as paredes através de forças intermoleculares, forças que actuam também nos polímeros, tendo influência nas suas propriedades intrínsecas, como, por exemplo, resistência química, física e mecânica. Caseína Existe outra forma de produzir plásticos, para além da polimerização. Este método é caseiro, sendo o plástico obtido desta forma, caseína. Este é obtido aquecendo leite e misturando ácido acético vinagre), de onde surgiram flocos brancos que podem ser separados numa filtragem, na qual após arrefecer obtém-se um plástico. 19