Desafios e benefícios no uso de plásticos de engenharia para substituir peças de metal

Transcrição

1 Desafios e benefícios no uso de plásticos de engenharia para substituir peças de metal Fábio Moreira Gerente de Engenharia de Desenvolvimento de Produto da Mahle AUTOMOTIVE DAY BRASIL, 6 de outubro de 2011

2 Processo de conversão de metal em plástico 1. Razão Custo, desempenho, qualidade, inovação, impacto ambiental 2. Conceito - Design review, abordagem de equipe 3. Seleção de materiais Requisitos da produto 4. Design Projeto adequado para o material e processamento 5. CAE - Análise de elementos finitos (FEA), análise do fluxo de moldagem 6. Desenvolvimento de protótipos Suporte para o ferramental e moldagem 7. Testes - Resistência química, propriedades mecânicas 8. Produção Projeto da ferramenta final, otimização do ciclo de produção 9. Operação secundária - Soldagem e montagem 10. Próxima Geração Lições aprendidas promovem melhorias e mais benefícios 2

3 Filtro do combustível flex fuel Evolução técnica Filtro combustível blindado feito de alumínio ou aço inox Filtro combustível blindado feito de Plástico (PA6.6/PA12) Filtro combustível ecológico feito de plástico Futura geração Excelentes propriedades mecânicas e elétricas Restrições de propriedades químicas Baixa possibilidade de integração Custo médio Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção Excelentes propriedades mecânicas e elétricas Baixas restrições de propriedades químicas Alta possibilidade de integração Custo médio a baixo Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção Durabilidade elevada Design compacto e robusto Baixa geração de resíduos sólidos devido a manutenção Custo médio Tecnologia avançada de vedação 3

4 Requisitos do produto (highlights) Mecânica Pressão trabalho = 5 bar Pressão de estouro >= º e 125º C Impacto a frio (-40ºC) Vibração com ciclo térmico Pulsação Esmagamento Dobramento das conexões Batida de pedra (gravelometer) Química Diversos tipos de combustíveis Fluído transmissão Óleo de motor Fluído de freio Etileno glicol Propileno glicol Óleo diesel Desengraxante de motor Cloreto de zinco Permeabilidade Térmica Temp. baixa = -40º C Temp. alta = 125º C Elétrica Resistividade superficial Resistividade volumétrica 4

5 Filtro do combustível flex fuel Desempenho, inovação & impacto Ambiental Simulação estrutural Medições na aplicação Durabilidade Calibração do modelo matemático Testes laboratório Produto final 5

6 Peças submetidas a teste de esmagamento 6

7 Peças submetidas a teste de desempenho 7

8 Filtro combustível diesel Inovação, custo & impacto ambiental: Design metálico x plástico 8 Filtro de combustível blindado metálico Carcaça metálica - tratamento químico anticorrosivo Suporte metálico pintura anticorrosão Descarte do filtro completo na troca (exceto suporte e sensor) Peso aproximado do conjunto: 700g Somente o filtro: 370 g Filtro de combustível ecológico Produzido em PA66GF35 Elemento filtrante substituível Suporte integrado Peso Aproximado: 395g Somente o filtro : 337g Somente elemento filtrante: 85g

9 Comparação das peças físicas Filtro de combustível carcaça metálica Temperatura = -40º a 180º C Contínuo 110ºC Pressão trabalho = 3,0 bar Pressão estouro = 10 bar estático Vazamento vedação = 100 bolhas@6bar 1 min Filtro de combustível plástico com elemento filtrante ecológico 9

10 Peso (g) Resultado da Inovação É necessário eliminar o 0 suporte metálico na primeira vez que fizer substituição do produto (330g suporte) Comparação de resíduos sólidos gerados a cada troca do filtro do combustível ª Troca Demais trocas Filtro Blindado blindado 9% 33 g Filtro Ecológico ecológico 1) Potencial de redução de 240t/ano de resíduos sólidos gerados devido a manutenção 2) Redução de peso do componente em 43% 3) Redução do preço/peça 77% g 10

11 Tampa do comando de válvulas custo & desempenho: Design metálico x plástico Tampa em alumínio Tampa em poliamida com fibra de vidro Válvula solenóide integrada Tampa do bocal de enchimento do óleo Retorno do blow-by do motor com baixa eficiência de separação do óleo Custo médio Suporte para demais componentes (filtro do ar, sensor de fase, bobina de ignição) Espessura de parede otimizada Integração dos parafusos de fixação Tecnologia avançada de vedação Mesma performance acústica Redução de peso Redução de preço 11

12 Aplicação no motor Temperatura = -40º a 180º C Contínuo 150ºC Pressão interna = 0,5 bar Pressão trabalho = 3,5 bar (canais e VVT) Pressão pico = 20 bar (VVT) Pressão estouro = 7 bar estático/ 4 bar dinâmico Vazamento canais =< 1 cm 3 /min Vazamento vedação = 1mbar@0,5bar 19s 12

13 Requisitos aplicados ao produto Alojamento sensor de fase Referência de montagem Deformação =< 0,2mm Pressão trabalho = 3,5 bar Pressão de pico = 20 bar Pressão de estouro = 7 bar Válvula solenoíde Separador do óleo Pressão interna = 0,5 bar 13

14 Processo de validação numérica Análise de vedação Análise estrutural Análise de fluxo Análise acústica FAR FIELD (1 m) 14

15 Simulação de impacto de esfera Discussão sobre targets Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4 2 kg Falha Falha Falha Falha Modelo 1.0 Sem falha Sem falha Sem falha Falha 400 g Falha 2 kg Modelo g Falha local 15

16 Simulação de moldagem Linhas de emenda Aprisonamento de ar 16

17 Critério de falha Testes & simulação Simulação convencionais de FEM muitas vezes não atendem os resultados experimentais Estabelecimento de métodos mais precisos são necessários para otimização Consideração de material ortotrópico Avaliação do alinhamento das fibras e seu impacto nas propriedades do material Nenhuma falha prevista Tensão principal [MPa] Crack Trinca após teste de estouro Orientação das fibras Falha é prevista Modelo matemático ajustado [-] 17

18 Resultados Redução do peso da peça em 53% Redução do peso do conjunto em 35% Melhoria de sistema de vedação Integração do parafusos de fixação (processo de montagem) Redução do custo Criação de uma especificação de validação do produto para design em plástico Introdução de novos processos de manufatura e operações secundárias 18

19 Sumário - Projeto colaborado Mente aberta Desempenho Geometria Req. específicos Desafios Propriedades Suporte ao CAE Suporte a produção Consciência Otimização recursos SUCESSO DO PROCESSO Comunicação Gerenciamento de conflitos Ciclo de produção Qualidade Repetibilidade Lições aprendidas Moldabilidade Ciclo de produção Manutenção Uso do banco de dados 19 19

20 Muito obrigado por sua atenção! 20