Projecto FEUP 2010/2011 MATERIAIS USADOS NA CONCEPÇÃO DE UM AUTOMOVÉL. Autores: Ivo Cordeiro (em10046) Luís Reis (em10056)

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1 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 Materiais Poliméricos Processos de fabrico de peças em materiais poliméricos Os polímeros na Indústria Automóvel Peças poliméricas de uso frequente na indústria automóvel Características de vários materiais poliméricos em diferentes componentes Possibilidades de desenvolvimento do automóvel proporcionadas pelo uso de polímeros Vantagens e desvantagens do uso de materiais poliméricos... 9 Conclusões Bibliografia Anexos Anexo 1 - Aplicações Gerais dos polímeros

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. 3

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. Figura 1 Exemplo de peças feitas a partir de materiais poliméricos 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 4

5 1.1 - Processoss de fabrico de peças em poliméricos materiais Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser divididos em três grandes grupos: Extrusão, Injecção e Sopro. A moldagem por rotação e moldagem por compressãoo são outros processos menos frequentes, razão pela qual não serão abordados. Extrusão é um processo de moldagem de um material polimérico através da sua canalização sob pressão através de um orifício. Injecção é um processo de moldagem que consiste em aquecer o material polimérico num cilindro e posteriormente injectá-lo através de alta pressão no interior de um molde frio onde o material endurece e toma a forma do molde (figura 2). Figura 2 Imagem esquemática da moldagem por injecção 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). Figura 3 Exemplo de um molde para moldagem por sopro 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 extrusão (Sousa 2010). 5

6 2 - Os polímeros na Indústria Automóvel 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. Figura 4 O habitáculo de um automóvel moderno é dominado pelo uso de polímeros 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 6

7 Politetrafluoroetileno (PTFE) Polímeros de líquido-cristalino (LCP) o o o o o o o Cobertura do volante Bomba de combustível eléctrica Elemento deslizante do amortecedor Indicador do desgaste dos travões Guia do pistão do amortecedor Tampa do air-bag 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) 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 7

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 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 8

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. Figura 5 - Ferrari 250GTO, um exemplo das limitações da construcção em alumínio 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. Figura 6 - SSC Ultimate Aero II, um carro cuja carroçaria é feita unicamente em fibra de carbono 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 9

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 Figura 7 - Automóvel dos anos 60 (Mecedes SL300) 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. Figura 8 - Automóvel moderno (Peugeot 807) 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 10

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. 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Densidade (g/c3) Tensão de ruptura x100(mpa) Gráfico 1 - Comparação de densidades e tensões de ruptura para vários materiais (BPF 2010) (Staley e Lege 1993) 11

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 12

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. 13

14 Bibliografia American Plastics Council. Plastics in automotive markets vision and technology roadmap. American Plastics Council, BPF. BPF: British Plastics Federation - The UK's Leading Plastic Trade Association (accessed Outubro 22, 2010). Hemais, Carlos A. "Polímeros e a Indústra Automobilística." Polímeros: Ciência e Tecnologia, Abril - Junho 2003: Mercedes SLS AMG Technical Specifications. Setembro 11, (accessed Outubro 12, 2010). Polymers. (accessed Outubro 15, 2010). Processamento de Polímeros (accessed Outubro 8, 2010). Sousa, Gustavo Brandão. Moldagem de Polímeros:Extrusão, Injecção e Sopro. Brasília: Universidade de Brasília, 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, Two automotive components using DuPont engineering polymers capture industry innovation honours. 12 4, ymers_ html (accessed Outubro 10, 2010). Wheelan, Tony. Manual de moldagem por sopro da Bekum Wood, Richard. Automotive Engineering Plastics. London: Pentech Press, Car bodywork in glass reinforced plastics. London: Pentech Press,

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 ABS Kevlar Nylon Poliacriloamida Policarbonato Policloropreno Polidimetil Poliester Poliestireno Polietileno Polietileno tereftalato Polimetil metacrilato Polipropileno Polisopreno Poliuretano PVC Teflon Aplicações Peças de automóveis Protecções à prova de fogo Fibras, roupas, carpetes Lentes de contacto Lentes oftálmicas Adesivos, freios Detectores contra explosivos Embalagens, filmes, roupas Embalagens, utensílios domésticos, isolantes térmicos Embalagens, filmes,utensílios Embalagens Tintas, balcões, vitrais Embalagens, utensílios, peças diversas, tapetes Borrachas Espumas, roupas isolantes Tubos e conexões Antiaderente 15