novos materiais automotivos - home — universidade...
TRANSCRIPT
Materiais AutomotivosDesafios do Século 21
Adriano Rogério Kantoviscki Gerente de Engenharia de Produto – Renault S.A.
P / 2
A descoberta do Carro
10m 1m 60cm 0cm (Posição de Dirigir) Tocar, Escutar…Status, Estilo… Cheirar, Conforto…
Observador e o Produto (veículo)
P / 3
Desenvolvimento de um Projeto Automotivo
Engenharia Sequêncial
Engenharia SimultâneaVeículo é quebrado em times funcionais (especialidades)
- Super-estrutura/ Façades Dianteira e Traseira
- Acessórios Interiores
- Acessórios Exteriores
- Áreas de Apoio
- ……….
Design Engenharia de Produto Engenharia de Manufatura Produção
Compras Fornecedores Logística Pós-Vendas
Pós-Vendas
Design
Compras
Engenharia
Manufatura
Forne
cedo
res
- Motorização e transmissão
P / 4
Zonas de Arquitetura nos carros Renault
SuperestruturaFace Dianteira
e TraseiraFace
e TraseiraHabitáculo Interior
ChassisChassis
CompartimentoCompartimento do motor
P / 5
Evolução dos Fatores – Tempo de Desenvolvimento
SAFRANE
VEL SATIS
LAGUNA I
LAGUNA II
MEGANE I
MEGANE II
57
43
55
42
53
29
Tempo de Desenvolvimento do Veículo
(Desde o Design até a Oferta do Veículo ao Mercado)
SAFRANE
VEL SATIS
LAGUNA I
LAGUNA II
MEGANE I
MEGANE II
57 meses
43
55
meses
42
53
29
meses
meses
meses
meses
P / 6
Porque Selecionar os Materiais ?
• Diversidade das propriedades
���� Não existe um material universal ideal
���� Existem quantidades enormes de famílias químicas
���� As particularidades de sínteses próprias a cada fabricante conferem às resinas as diferentes propriedades específicas
���� Os aditivos modificam sensivelmente as propriedades e especializam os materiais.
• Diversidade dos meios de processo
• Diversidade de preços
P / 7P / 7
Etapas necessárias à seleção de material
1º- Análise funcional da peça• Identificação das temperaturas de utilização, os líquidos, os trabalhos
mecânicos,…
• Integração máxima das funções/formas• Objetivos de preços, pesos, duração de vida
2º- Definição de um guia de pré-qualificação do mate rial
3º- Seleção das famílias adaptadas à função• Temperatura, faixa de propriedades• Processamento de transformação, faixa de preços
P / 8
Princípios da Seleção dos Materiais
Parâmetros para Selecionar o Material Plástico Correto
As características do produto que decidem a escolha do material básico são:
- propriedades físico-químicas (mecânicas, óticas, elétricas e químicas);- comportamento eletrostático;- estabilidade dimensional;- exatidão dos detalhes;- estabilidade as intempéries;- comportamento à chama;- custo;- facilidade de transformação;
Outras propriedades particulares:
- cheiro, - inocuidade fisiológica, - aspecto ( cor e toque), etc.
P / 9
Princípios da Seleção dos Materiais
• Pré-qualificação dos materiais�� CompararComparar suas suas propriedadespropriedades: : mecanicasmecanicas, , ttéérmicarmica, , envelhecimentoenvelhecimento........
�SelecionarSelecionar o mais o mais adatpadoadatpado
•• AtenAtençção:ão: um “bom ” material pode ser mal utilizado. Por isso, a necessidade de ensaios representativos, sobre corpos de prova e/ou de peças representativas
• Necessidade de uma abordagem funcional :
�� A escolha de um material A escolha de um material éé inseparinsepar áável da tecnologia de vel da tecnologia de aplicaaplica çção ão
P / 10
Comparação de Várias Propriedades
Materiais ρρρρ(g/cm 3)
E(GPa)
YS (Mpa)
MetaisMgAlTiFe
1.72.74.57.8
4570120210
70 - 27025 - 600
170 - 1 300200 - 2 000
PolímerosPPPAPC
0.91.11.2
0.92- 42.6
20 - 3550 - 90
50
CerâmicasSi O2
SiCSi3N4
2.62.5 - 3.2
3.2
94450350
7 20010 0008 000
P / 11
Eles devem colocar em evidência as degradadegradaçções do materialões do material:� Fenômenos de superfFenômenos de superfííciecie�� Envelhecimentos aceleradosEnvelhecimentos acelerados�� MigraMigraçção de aditivosão de aditivos�� ExtraExtraçção de aditivosão de aditivos�� Inchamento do material ou mudanInchamento do material ou mudançças de comportamentosas de comportamentos�� EvoluEvoluçção da estruturaão da estrutura
Obrigação de estudar o comportamento dos materiais / peças quando em contato com fluidos, ensaiando os mesmos, com os fluídos utilizados no veiculo.
� Necessidade de referenciar-se ao envelhecimento nat ural
XII-
REPRODUÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS EM LABORATORIO
P / 12
Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações
P / 13
Polímeros na Indústria Automobilística
Peças de acessórios exteriores:(Pára-choques, frisos, molduras, grades, etc..)
Peças de carroceria:(Pára-lamas, tampo porta-malas, etc..)
Peças de iluminação(Projetores, lanternas, sinalizadores, etc..)
Acessórios Compartimento Motor:(GMP, Filtros, tubulações, coletores, etc..)
Acessórios ircuito Carburante:(reservotórios, canalizações, bocais, filtros, etc..)
Guarnições Interiores
Bancos
Páinel de Comando
Panéis de PortasGuaniçõesRevest. de TetoTapetes e insonorizantes
Panel de InstrumentosInstrumentaçãoClimatizaçãoSegurança........
Consoles
Retrovisor
Volante
Termoplásticos e suas aplicações
P / 14P / 14
Polímeros na Indústria Automobilística
Renault Clio
0
5
10
15
20
25
30
35
40
PP PUR ABS PA PE PBT etPET
PC PVC PF POM SMA PMMA PPE EP
Renault Clio
Termoplásticos e suas aplicações
P / 15
� Materiais Compósitos no compartimento do motor
Filtro de ArPP +EPDM+
Talco
Coletor de EntradaPA + Fibra de Vidro
Redução de Custo: 30%Redução de Peso: 30%
Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações
P / 16
� Compósitos materiais para partes estruturais
Coluna frontal (Megane 2)PA+ Fibra de Vidro
+ Aço estrutural
Painel Posterior (Megane 2)Termofixo SMC – Poliéster reforçado
com fibra de vidro
Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações
P / 17
Polímeros na Indústria Automobilística
Paralamas Scénic Nanotubos de Carbono emPA/PPO (Noryl)
Peças Expostas
Termoplásticos
Nanomateriais na Indústria Automobilística
Termoplásticos e suas aplicações
P / 18
Polímeros na Indústria Automobilística
Uso de polímeros reciclados (PP)
Painel de Comandos - Modus
Termoplásticos e suas aplicações
P / 19
• PRINCIPAIS BORRACHAS APLICAÇÕES PRÁTICAS NA INDÚSTRIA DO AUTOMÓVEL
NATURAL NBR/NBR HIDROGENADAVITON EPDMSBR NEOPRENESILICONE BROMOBUTILPOLIURETANO POLIACRILICA
Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações
P / 20
Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações
P / 21
Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações
P / 22
O elastômero é a borracha em si. Logo, como produto principal, devemos ter o cuidado de selecionar a borracha mais adequada para uma determinada tarefa. Um elastômero é escolhido principalmente devido às suas:a) Propriedades químicas:- Resistência a solventes.- Resistência a óleos.- Resistência ao ozônio- Resistência a produtos químicos
b) Limite de temperatura de trabalho:- Ao ambiente.- Ao calor.
c) Propriedades mecânicas específicas
O simples conhecimento da família química da borrac ha não ésuficiente para se conhecer as propriedades dos pro dutos terminados!
Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações
P / 23
Elastômeros e suas Aplicações
Borracha natural (IR)A borracha natural é obtida através da extração de látex de árvores seringueiras.As propriedadespropriedades especificasespecificas de de flexibilidadeflexibilidade e de e de elasticidadeelasticidade, , fazemfazem comumcomum o o usouso de IR de IR ememformulas de formulas de paletaspaletas e e coxinscoxins..
Poli(etileno-propileno-dieno) – EPDM
A EPDM é uma borracha que tem a principal principal caractercaracteríística a resistência stica a resistência àà degradadegradaçção ão pelo calor, luz, oxigênio e ozônio.pelo calor, luz, oxigênio e ozônio.
A resistência quA resistência quíímica ao mica ao etilenoetileno--glicolglicol e e temperaturas attemperaturas atéé 125125°°C, generalizaram seu C, generalizaram seu uso nos tubos flexuso nos tubos flexííveis do sistema de veis do sistema de refrigerarefrigeraçção do motor.ão do motor. Juntas de
estanqueidade
Polímeros na Indústria Automobilística
P / 24
Elastômeros e suas Aplicações
Epicloridrina – CO, ECO
Borracha usada me cilindros e bombas, devido à suabaixa permeabilidade a gases.baixa permeabilidade a gases.Elevada resistência temperatura Elevada resistência temperatura (>125(>125°°C ), luz, oxigênio e ozônioC ), luz, oxigênio e ozônio.
tubo flextubo flexíível para ar condicionadovel para ar condicionado
Polietileno-Clorossulfonado – CSM
Utilizado para revestimento de produtos em revestimento de produtos em constante contato com produtos quconstante contato com produtos quíímicosmicos, como mangueiras e correias transportadoras.
Elevada resistência temperatura (135Elevada resistência temperatura (135°°C ), luz, C ), luz, oxigênio e ozôniooxigênio e ozônio
Polímeros na Indústria Automobilística
P / 25
Elastômeros e suas Aplicações
Borrachas poliacrílicas – ACMUtilizado em peças automotivas onde são exigidas temperaturas elevadas >135temperaturas elevadas >135°°CCe resistência a e resistência a óóleo.leo.
Elastômeros Fluorados – FKM
Possuem alta resistência alta resistência àà temperaturas temperaturas elevadas e elevadas e àà produtos quprodutos quíímicos em geralmicos em geral. Porém, seu uso fica limitados, por serem caros e por possuirem uma elevada elevada deformadeformaçção remanescente a ão remanescente a
compressão.compressão.
Gaxetas e anéis de vedação
Polímeros na Indústria Automobilística
P / 26
Elastômeros e suas Aplicações
• Borracha nitrílica – NBRPrincipal característica desta borracha é a resistência aos resistência aos óóleos leos minerais, , solventes e combustsolventes e combustííveis.veis.É muito empregada na fabricação de tubos para conduzir tubos para conduzir óóleos lubrificantes leos lubrificantes em mem mááquinas, automquinas, automóóveis,veis, o’rings, etc
Policloropleno – CRElastômero usado em revestimento de fios e cabos e componente de alguns compostos usados em correias automotivas, pneu, parte externa
Polímeros na Indústria Automobilística
P / 27
Elastômeros e suas Aplicações
Polibutadieno – BR (Buna)Borracha empregada amplamente na fabricação de pneus. Esses polímeros constituem as borrachas sintéticas. Costuma ser copolimerizado com outras substâncias.
SBR – Composto de Estireno-Butadieno(Buna-S)Existem vários tipos de SBR, diferenciando-se de acordo com o processo de polimerização. Essa borracha é muito resistente ao atritomuito resistente ao atrito, e por isso é muito usada nas "bandas de rodagem" dos pneus.
Borracha Butírica – IIRPara uso de câmaras de ar e revestimento interno para uso de câmaras de ar e revestimento interno para pneus, devido a sua excelente impermeabilidade a pneus, devido a sua excelente impermeabilidade a gases.gases.
Pela resistência ao fluido de resistência ao fluido de freio,freio,éé utilizada no tubo interno utilizada no tubo interno de flexde flexíível de freio de carros.vel de freio de carros.
Polímeros na Indústria Automobilística
P / 28
Elastômeros e suas AplicaçõesPolímeros na Indústria Automobilística
P / 29Carros Tipo C range (Renault Megane , VW Golf VW, etc. )
EVOLUÇÃO DA MASSA (KG) DOS VEÍCULOS DESDE 1981
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1981 1985 1989 1993 1997 2001 2006 2010
Citroën
FIAT
Ford
Nissan
Opel
Peugeot
Renault
VW
P / 30
Evolução do Peso por Tipo de Material
S U P E R 5 1 9 8 5 C L IO 1 1 9 9 0 C L IO 2 1 9 9 8
7 3 5 K G 8 4 O K G 1 0 0 6 K G
51%
13%
3%
4%
9%
3%2%
3%5%
7%
52%
11%
4%
4%
10%
3%2%
4%4%
6%
53%
10%
5%
3%
10%
4%2%
4%3%
6%
Steels Others metals and fasteners Rubber
Cast iron Thermoplastics Glass
Aluminium Textile fibers Fluids
Magnésium Damping layers
2003
Segmento B
P / 31
Peso dos Diferentes Componentes
32 kg, 3 %
Motor
Sistemas de Suspensão
Sistemas de chassi
Chicote elétrico + Bateria
Carroceria
Equipamentos Internos e Externos
168 kg, 16 %
149 kg, 15 %
104 kg,10 %
341 kg, 33 %
231 kg, 23 %
P / 32
A Cadeia de Materiais
MP
Processamento
Materiais
Transformação
Peça
Uso
Fim de Vida
Meio Ambiente
QUALIDADE
CUSTO Comportamento
21
34
P / 33
Competição de Mercado
Confiabilidade/ Durabilidade
� Número de modelos Redução de Penetração
� Aumento do tempo deGarantia
� Custos dos veículos Primeiro critério de escolhado Consumidor
P / 34
Expectativa dosConsumidores
Confortoe
Espaço
Baixo Custo
Redução doConsumo de Combustível
ConservaçãoAmbiental
Segurançae
Qualidade
Expectativa dos Consumidores
P / 35
Regulamentação
� AmbientaisExaustão de gasespoluentes
Redução de CO 2 to 140 g.Km -1
(em 2008, era de186 g. em1995)
Fim de vidados veículos(ELV - End of Life)
Restrição / Eliminação de algunsmaterials (Pb, Hg, Cd, Cr6+) +
Recuperação de todos os ELV’s(85% em 2006, 95% em 2015)
� Segurança Grande absorção de energia
Redução de poluentes (HC, CO, NOx, particulados)
P / 36
Segurança: Rigidez Estrutural
300 mm 60 mm
Clio1 Clio2
P / 37
Qualidade Percebida – Evolução dos Fatores
Folgas e Faceamentos na Carroceira
P / 38
Reciclabilidade dos Materiais
MetaisFerrosos
OutrosMateriais
MetaisNão Ferrosos
Reciclável Reciclável / Descarte Reciclável
70 % 25 % 5 %
40 % 30 % 30 %Materiais Inorgânicas
(vidros, metais, cerâmica...)Polímeros Elastômeros
Estabelecimento de Redes de Recuperação destes MateriaisEvitando o Descarte Final ou Desenvolvendo Projetos Eco-Orientados
P / 39
Reciclabilidade dos Materiais
Projeto Pioneiro na Indústria Automobilística MundialOverseas Project for Economic Recycling Analysis – OPERA
�Sofware que faz a gestão e análises dos fatores que afetama reciclabilidade de uma peça ou de um material
Exemplo Renault
P / 40
Relacionamento com Fornecedores
Necessário um desenvolvimentointegrado com os fornecedores para
atendimento destas tendências
Evolução dos Fatores – Relacionamento com Fornecedores
Futuras Tendênciasdos Produtos
DIVERSIDADEdos
materiais/tecnologia de processamento
COMPLEXIDADEdas
especificações e processos internos
DIFICULDADE DE INTEGRAÇÃO de todas as tecnologias de processamento
P / 41
Evolução dos Fatores de Internacionalização
Necessidade de adaptação dos materiais e processos de
transformação para as condições locais
MalaisieColombie
Brésil
Chili
Argentine
Roumanie
Maroc
Turquie
Russie
ChineIran
Corée du SudEtats-Unis
Mexique Egypte
Kenya
Zimbabwe
Afrique du Sud
Thaïlande
Philippines
Indonésie
Japon
TaiwanPakistan
Royaume-Uni
Portugal Espagne
France
Slovénie
P / 42
Qualidade
Qualidade Confiabilidade
Avanços obtidos através de modelagem e Simulação
Optimização do uso das propriedades dos Materiais
Melhor conhecimento das equações constitutivas
Inspeção de Propriedades
Testes não destrutivos
P / 43
Design Virtual
Importância da Simulação Numérica: Caso de EstampagemIntegração da Simulação na fase de projeto
CracksRuptura
P / 44
Simular as contrações para reproduzir as evoluções de aspecto
Testes de Polímeros de Engenharia
EnvelhecimentoArtificial
EnvelhecimentoNatural Acelerado
EnvelhecimentoReal
55--6 6 anosanos na na
regiãoregião de Parisde Paris(4200 MJ/m2/ano)
Flóride (6000 MJ/m2)Arizona (8000 MJ/m2)
Rotterdam (Atm. Poluída)
2 2 anosanos emem Bandol Bandol (5600 (5600 MJ/m2 et 6500 MJ/m2 à 45°)
Tubo Arco Fluorescente
LâmpadaLâmpada XXéénonnon(0,55 W/m(0,55 W/m2 àà 340 nm)340 nm)
Energia solar: 1250 h Lâmpada Xénon ≈ 1 ano em Bandol
P / 45
Qualidade
Evolução dos FatoresRedução do tempo de
desenvolvimentoRedução do número de protótipos
Design Virtual
Dimensionamento próximo dos valores obtidos por simulação e
dimensionamento
Bom conhecimento das características dos materiais
Incertezas de Medida Variabilidade dos processosprodutivos
P / 46
Resumo Geral
P / 47
Carros do Futuro
P / 48
Nanomateriais não são materiais diferentes de outros mate riais: cada aplicação é avaliada em função do custo/performance
• Possíveis aplicações:
� em novas funções, agregando valor ao produto� em funções existentes, se as propriedades podem ser significativamente aumentadas
Existem ainda obstáculos técnicos em seu processo de manufatura, sendo que os nanomateriais precisam ser estudados ainda extensamente, objetivando um conhecimento mais profundo do seu comportamento mecânico, físico, químico, sem esquecer dos aspectos ambientais.
Nanomateriais na Indústria Automobilística
P / 49Fonte: Nees-Institut fur Biodiversitat der Pflanzen
Nano revestimento que podem ajudar a superfície(vidro ou polímero) a repelir a água. (Efeito Lotus). Nano-fibras, substituindo fibras convencionais nos elementos filtrantes.
Auto limpeza
Nano fibras – filtros de ar
Nanomateriais na Indústria Automobilística
P / 50
Redução do consumo de combustível pelaredução de peso ...mas também pela (o)…
• Redução de atrito• Melhora da aerodinâmica• Redução do consumo elétrico• Progresso na eficiência do motor• ...
Custo por litro economizado e não por Kg diminuído
P / 51
Cenário para o futuro… projeções e tentativas
Partes Estruturais
Fabricação em massa� Aço
Veículos top de linha� Alumínio
Estruturas de absorção, painéis frontais,Uso de fibras de carbono, uso de multimateriais(Metal – Polímero - Metal, Compósito – Espuma - Compósito…)
� Composites
P / 52
Peças de Carroceria
Termoplásticos, termofixos,alumínio
� Painéis
aluminium� Teto
multimateriais� Porta malas, portas
Polímeros (PC)� Vidros
Cenário para o futuro… projeções e tentativas
P / 53
Peças Mecânicas
� Aço, ferro fundido, alumínio tem mostrado evolução
�Revestimentos serão muitos (PVC/CVD, laser, tratamentos duplex)
� Magnésio competirá com o Alumínio
� Polímeros e compósitos em maior quantidade
� Cerâmicas, intermetálicos, ..… ?
Cenário para o futuro… projeções e tentativas
P / 54
Conclusão Geral
A evolução do materiais automotivos dependerá:
- Aumento de produção, padronização de plataformas, diversidade de carrocerias
- Tempo necessário para validar as propriedades destes materiais
- Conhecimento mais aprofundado de CM
- Redução de peso objetivada- Restrições ambientais
- Investimentos de capital em processamento
- Forte integração local
MUITO OBRIGADO !!!
Renault - REGIÃO AMÉRICA