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Revista Linguagem Acadêmica, Batatais, v. 9, n. 1, p. 99-117, jan./jun. 2019

Materiais plásticos de engenharia aplicados na carenagem do Protótipo Baja SAE Clarengex

Walan Henrique de OLIVEIRA1

Cleiton Alves da SILVA2

Willian Maicon Venute MARCELINO3

Eduardo CASARIN4

Pablo Rodrigo GONÇALVES5

Resumo: Este estudo visa à redução de peso no protótipo com a utilização de materiais plásticos de engenharia, lançando mão de alguns dos principais polímeros para aplicação nos painéis de carenagem que atendam aos requisitos do Regulamento Administrativo e Técnico Baja SAE Brasil (RATBSB), com base na troca de informações entre equipes que já participaram ou ainda participam da Competição Nacional Baja SAE, as quais indicaram alguns dos vários materiais plásticos de engenharia disponíveis no mercado como sendo aplicáveis aos painéis de carenagens, tais como: PC (Policarbonato), PVC (Policloreto de Vinila), PET (Politereftalato de Etileno), PETG (Politereftalato de Etileno Glicol), PP (Polipropileno), PSAI (Poliestireno de Alto Impacto) e o PEAD (Polietileno de Alta Densidade). Assim, no estudo de caso apresentado, podemos notar que esses materiais apresentam, em sua maioria, características que se assemelham a suas propriedades físicas e mecânicas, fazendo-os serem utilizados por boa parte das equipes, as quais também buscam a redução de peso e a diminuição de custos para aquisição desses materiais, já que, entre eles, há uma grande diferença de valor final para compra.

Palavras-chave: Design. Ergonomia. Materiais Plásticos. Engenharia. Carenagem.

1 Walan Henrique de Oliveira. Bacharelando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. Integrante da equipe Baja Sae Clarengex. E-mail: <[email protected]>.2 Cleiton Alves da Silva. Bacharel em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. Integrante da equipe Baja Sae Clarengex. E-mail: <[email protected]>.3 Willian Maicon Venute Marcelino. Bacharelando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>.4 Eduardo Casarin. Especialista em Administração Industrial pelo Instituto Nacional de Pós-Graduação (INPG). Especialista em Logística Empresarial pelo Instituto Nacional de Pós-Graduação (INPG). Bacharel em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de Piracicaba (EEP). Docente do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. Orientador do Projeto Baja SAE Clarengex do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>.5 Pablo Rodrigo Gonçalves. Mestre em Engenharia de Produção pela Universidade de São Paulo (USP). Especialista em Gestão Educacional pelo Claretiano – Centro Universitário. Especialista em Análise de Sistemas pela Universidade Metodista de Piracicaba (UNIMEP). Bacharel em Planejamento Administrativo e Programação Econômica pelo Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. Coordenador do Núcleo de Pesquisa e Iniciação Cientifica (NUPIC) do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. Professor do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>.

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Engineering plastic materials applied to the Baja SAE Clarengex Prototype fairing

Walan Henrique de OLIVEIRACleiton Alves da SILVA

Willian Maicon Venute MARCELINOEduardo CASARIN

Pablo Rodrigo GONÇALVES

Abstract: This study aims to reduce weight in the prototype with the use of plastic engineering materials, some of the main polymers for application in the fairing panels, that meet the requirements of the Administrative and Technical Regulation Baja SAE Brazil (RATBSB), based on the exchange of information between teams that have participated or still participate in the Baja SAE National Competition, which have indicated some of the various engineering plastic materials available on the market, as applicable to fairing panels, such as: PC (Polycarbonate), PVC (Polyvinyl chloride), PET (Polyethylene Terephthalate), PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol), PP (Polypropylene), PSAI (High Impact Polystyrene) and High Density Polyethylene (HDPE). Thus, in the case study presented, we can note that these materials present, in their majority, characteristics that resemble their physical and mechanical properties, making them to be used by a good part of the teams, who also seek weight reduction and decrease of costs to purchase these materials, once, among them, there is a large difference in final value for purchase.

Keywords: Design. Ergonomics. Plastic Materials. Engineering. Fairing.

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1. INTRODUÇÃO

Em 2014, alunos dos cursos de Engenharia Mecânica e Enge-nharia Elétrica do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro decidiram dar início à Equipe Baja SAE Clarengex, com o intuito de desenvolver um projeto para participar da Competição Nacional Baja SAE Brasil, a fim de colocar em prática os conhecimentos obtidos em sala de aula, na concepção e construção de um pro-tótipo off-road. A utilização de materiais plásticos de engenharia, por serem polímeros mais estáveis em aplicações que exijam maior resistência mecânica, térmica e química, pode substituir, de forma eficiente, materiais compósitos e metálicos. Tal prática vem sendo estudada como forma de atender ao Regulamento Administrativo e Técnico Baja SAE Brasil (RATBSB).

Hoje em dia, é facilmente perceptível o quanto há de tecno-logia inserida no setor industrial automotivo, desde uma pesquisa de mercado para definição das diretrizes por onde começar a con-cepção da ideia de projeto, como também nos materiais a serem utilizados em sua produção.

Carlos Hemais (2003), com seu projeto de pesquisa “Políme-ros e a indústria automobilista”, apresentado à Universidade Fede-ral do Rio de Janeiro em 2003, menciona que:

A substituição pela indústria automobilística de materiais tradicionais por plástico se deu de forma gradativa ao lon-go de vários anos, mas apenas nas duas últimas décadas é que o ritmo dessa substituição se acelerou. Razões diver-sas, tanto econômicas, quanto tecnológicas, influenciaram o andamento dessa mudança (HEMAIS, 2003, p. 107).

Com isto, é grande a competitividade entre as empresas para sair na frente e trazer ao mercado produtos com qualidade e que satisfaçam as expectativas dos seus clientes.

No que diz respeito ao Baja SAE, desafiar alunos a projetar e construir um protótipo que atenda, minuciosamente, cada item do regulamento que rege as diretrizes do projeto é estimulante para o seu crescimento profissional e vivência, pois os permite desempe-

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nhar tarefas que resultam na solução de problemas em tempo hábil por meio do trabalho em equipe.

O estudo de materiais plásticos de engenharia aplicados à construção de painéis de carenagem para o protótipo envolve não somente materiais, mas também a ergonomia do protótipo em si, a qual será crucial na realização da tarefa de proteger o piloto contra objetos do lado de fora, nas diversas provas encontradas na Com-petição Baja SAE.

Segundo a definição de (FALZON, 2018 p. 25), a ergonomia é:

A ergonomia pode ser definida como a adaptação do tra-balho ao homem ou, mais precisamente, como a aplicação de conhecimentos científicos relativos ao homem e neces-sários para conceber ferramentas, máquinas e dispositivos que possam ser utilizados com o máximo de conforto, se-gurança e eficácia.

Na contextualização de um protótipo Baja SAE, por se tratar de um protótipo off-road, com características robustas para encarar as diversas provas e obstáculos presentes na competição (desníveis de terreno, valetas, troncos e rampas), atender aos padrões ergonô-micos é um trabalho de extrema dificuldade se não for levada em consideração a interação com outras áreas do projeto, como Freios e Segurança; e Suspensão e Direção.

Os pontos a serem observados, como posição de pedais de aceleração e freio, posição de banco e encosto de cabeça, posição do volante etc., tudo inserido dentro no habitáculo do piloto (cock-pit), devem estar protegidos pelos painéis de carenagem. A seguir, são apresentadas algumas fotos dos obstáculos encontrados durante as diversas provas da competição, que destacam as dificuldades dos trechos a serem percorridos pelo veículo.

Na Figura 1, podemos ver um protótipo Baja SAE sendo tes-tado em um obstáculo constituído por uma sequência de valetas, como forma de avaliar as reações do sistema de suspensão e dire-ção.

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Figura 1. Obstáculo de valetas, semelhante ao encontrado na Com-petição Baja SAE Brasil.

Fonte: Veículos da Hora (2018).

A Figura 2 elucida o obstáculo de troncos encontrado na Competição Baja SAE Brasil, onde os protótipos validam, na práti-ca, os testes de suspensão e direção realizados na Figura 1.

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Figura 2. Obstáculo de troncos encontrado na Competição Baja SAE Brasil.

Fonte: acervo da Equipe Cefast Baja (2018).

2. HISTÓRIA DO BAJA SAE

Segundo o Portal SAE Brasil (2018a), o Projeto Baja SAE foi criado na Universidade da Carolina do Sul, Estados Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens. A primeira competição Baja SAE aconteceu em 1976, porém, somente no ano de 1991 foi oficial-mente marcado o início das atividades da SAE no Brasil. Em 1994, três anos após sua instalação como Sociedade dos Engenheiros Au-tomotivos, foi lançado o Projeto Baja SAE Brasil.

Com o lançamento desse projeto, os alunos de engenharia foram estimulados a colocar em prática o que viam dentro da sala de aula, desenvolvendo o projeto de um veículo off-road. No ano de 1995, era realizada a primeira competição nacional, na pista Guido Caloi, no bairro do Ibirapuera, São Paulo.

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Nesse mesmo ano, a competição foi transferida para o Au-tódromo de Interlagos, que permaneceu como local de prova até o ano de 2002. No ano seguinte, em 2003, a competição passou a ser realizada em Piracicaba, interior de São Paulo, no ECPA – Esporte Clube Piracicabano de Automobilismo.

Por ser um circuito de provas em terreno sofrido, ou seja, em condições extremas, com obstáculos como valetas, rampas, piscina de lama, troncos etc., a competição tomou forma e se consolidou no âmbito nacional de eventos de incentivo à pesquisa e inovação tecnológica. Os alunos que participam desse projeto vivenciam, du-rante quatro dias, os mais diversos desafios de suas carreias, tanto acadêmica quanto profissional. Muitas empresas enviam olheiros para buscar aqueles alunos que se destacam pelo espírito do traba-lho em equipe e por saber lidar com a resolução de problemas em pouco tempo disponível para tal atividade.

Atualmente, a Competição Nacional Baja SAE acontece no campus da FATEC da cidade de São José dos Campos, São Paulo, e conta com a participação média de mais de 80 equipes e 1800 pes-soas, entre alunos e professores (PORTAL SAE BRASIL, 2018a).

A Figura 3 representa uma visão aérea dos boxes das equipes participantes do evento na FATEC de São José dos Campos, em 2018.

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Figura 3. Imagem área dos boxes das equipes participantes do evento na cidade de São José dos Campos, São Paulo.

Fonte: acervo dos autores.

A SAE Brasil, desde 1997, possui núcleos regionais por todo o território brasileiro. Com isso, a integração de programas estu-dantis, com projetos de educação continuada, pode ser encontrada por alunos de todos os cantos, sendo que, para os estudantes ou engenheiros formados, esses programas incentivam e beneficiam o crescimento profissional, por meio de cursos oferecidos e benefí-cios aos associados (PORTAL SAE BRASIL, 2018a).

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3. OBJETIVO

O item B7.5.3 do RATBSB (PORTAL SAE BRASIL, 2018b) recomenda, para os painéis de carenagem, o uso de polímeros em sua classificação geral; compósitos como a fibra de vidro e fibra de carbono; materiais metálicos, como o alumínio ou materiais simila-res. Estes, ao fazer parte do design do protótipo Baja SAE, devem ser flexíveis e resistentes ao impacto, a fim de proteger o piloto em seu habitáculo contra pedras, galhos e objetos provenientes do lado de fora do cockpit. Nesse sentido, a Equipe Baja SAE Clarengex esteve sempre preocupada em atender esse requisito de forma a buscar, dentro dos materiais plásticos de engenharia, aquele com o melhor custo-benefício.

Ao longo destes quase cinco anos de realização do projeto no Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro, foi observado que a utilização e aplicação de materiais plásticos de engenharia é a opção que melhor atende ao objetivo de reduzir peso com materiais de fácil acesso no mercado.

Além do fácil acesso no mercado, a maioria dos materiais plásticos de engenharia, em consonância com Wiebeck e Harada (2005), possuem maleabilidade e considerável resistência ao im-pacto, podendo ser modelados por meio do aquecimento da super-fície ou, até mesmo, em processos a frio.

Dependendo da sua aplicação, são também de baixo custo para aquisição. Por esta razão, muitas equipes optam por substi-tuir materiais metálicos, como chapas de alumínio, ou compósitos, como a fibra de vidro, por esses polímeros.

Com isso, a busca por novos materiais dentro da vasta opção que os plásticos de engenharia oferecem está sendo realizada de forma a estabelecer os principais polímeros e como eles reagem ao propósito de suas características e propriedades. Há uma com-paração, nesse processo, com o que já foi observado nos materiais utilizados nos projetos anteriores, com base na experiência de utili-zação por outras equipes.

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4. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA

Ingressando no Projeto Baja SAE Clarengex no ano de 2016, com uma nova estrutura de equipe, a área de Design e Ergono-mia ficou encarregada de trabalhar apenas com o acabamento do protótipo. Entretanto, há uma importância fundamental nessa área, logo que, a partir do design, se determinaria a concepção do projeto como um todo, com base na ergonomia do piloto e de toda a segu-rança requerida e empregada ao protótipo.

Neste mesmo ano, a área de Design e Ergonomia iniciou com a escolha do material a ser utilizado na confecção dos painéis de carenagem. A princípio, após pesquisa entre as equipes, foi esco-lhido o PC (policarbonato), um termoplástico de alta resistência ao impacto, com características de flexibilidade e maleabilidade, além de ser um bom isolante elétrico e não propagar chamas (BARROS, 2011).

Na Figura 4, podemos observar que o Protótipo Baja SAE Clarengex 2016/2017 utilizou, em seus painéis de carenagem, o PC como material, em sua forma de chapa lisa branca.

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Figura 4. Protótipo Baja SAE Clarengex, painéis de carenagens em policarbonato.


No protótipo seguinte, por conta das placas de policarbonato utilizadas no projeto anterior terem sido doação de um patrocina-dor e seu custo de aquisição ser, em média, R$ 800,00 por placa, houve a necessidade de reduzir custos. Novamente, o grupo de de-sign pesquisou e estudou um material alternativo que atendesse às necessidades do projeto. Foi escolhido, então, o PVC (policlore-to de vinila), o segundo termoplástico mais consumido no mundo e aplicado em diferentes projetos e situações, custando cerca de 600% menos que o policarbonato, porém, mantendo praticamente as mesmas propriedades físicas (RODA, 2013).

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No Protótipo 2017/2018 (Figura 5), a utilização do PVC nos painéis de carenagem pode ser vista, com um design para o chapéu de capotamento (teto).

Figura 5. Protótipo Baja SAE Clarengex, painéis de carenagens em PVC.


Por fim, na intenção de reduzir ainda mais os custos de aqui-sição e manter as mesmas características dos materiais anteriores, no projeto de 2018/2019, o material escolhido foi o PETG (poli-tereftalato de etileno glicol), um material altamente utilizado na engenharia, com maior facilidade para moldagem e dobras, maior resistência e flexibilidade e com espessura inferior a 2 mm, custan-do a metade do preço do PVC (RODA, 2013).

Trazendo um design diferente e apelidado de BigFoot, o Pro-tótipo 2018/2019, com os painéis de carenagem em PETG, é apre-sentado na Figura 6.

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Figura 6. Protótipo Baja SAE Clarengex, painéis de carenagens em PETG.


5. O ESTUDO DE CASO

Tendo em vista que, no Projeto Baja SAE, a determinação do material a ser utilizado nos painéis de carenagem é um dos pontos que também está diretamente relacionado à segurança do piloto em seu habitáculo e sabendo da necessidade de aplicação, os materiais plásticos de engenharia oferecem uma grande e variada opção para este fim, sendo comumente empregados no setor automobilístico e tecnológico.

Conforme McAlinden (2000), os avanços da indústria 4.0 proporcionaram a busca por materiais alternativos, com o setor automobilístico de forma crescente se empenhando no desenvol-

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vimento e uso de materiais leves, incluindo-se aços de alta resis-tência, alumínio, plásticos resistentes a altas temperaturas, ligas de magnésio e fibras compostas reforçadas (de carbono, cerâmicas e outros materiais).

Devido a essa necessidade, observamos que os principais plásticos de engenharia utilizados pelas equipes Baja SAE são, além dos já citados anteriormente, o PP (polipropileno), o PSAI (poliestireno de alto impacto) e o PEAD (polietileno de alta den-sidade). Especialmente em projetos de engenharia que envolvem inovação e desafios, estes atendem e oferecem soluções a qualquer problemática.

Considerando que a produção de um protótipo Baja SAE te-nha suas fases estipuladas pela própria equipe, através de crono-grama de projeto, escolher qual material solicitar, por saber que este atenderá todas as expectativas da premissa de projeto, tem seu êxito ao estabelecer os parâmetros de comparação desses materiais, para que, ao final desta etapa, seja determinado aquele material que satisfaça as exigências previstas.

Contrariamente aos plásticos tradicionais, vendidos e trans-formados como commodities, os plásticos de engenharia obedecem, em primeiro lugar, a parâmetros técnicos que os tornam indicados (ou não) para aplicações normalmente atendidas por ligas metálicas ou plásticos de menor rendimento.

Na matéria publicada no site Mundo do Plástico, com o tema “Plásticos de engenharia ganham espaço na indústria automobilís-tica”, Jane Campos, country manager da filial brasileira da Radici Plastic Ltda., defende:

A principal vantagem na utilização dos plásticos na indús-tria automotiva é a redução do peso do veículo, que gera uma economia de combustível e, principalmente, a redu-ção da emissão de dióxido de carbono (CO2) (MUNDO DO PLÁSTICO, 2017, [n.p.]).

A seguir, o Gráfico 1, elaborado por meio de pesquisa de campo, com as informações coletadas entre cerca de 40 equipes, traz os principais plásticos de engenharia utilizados para aplicação

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em painéis de carenagem em seus protótipos Baja SAE, em repre-sentação de seu percentual na pesquisa, sua nomenclatura e sigla.

Gráfico 1. Materiais poliméricos utilizados pelas equipes Baja SAE.

Fonte: elaborado pelos autores.

Em escala decrescente, o PEAD é o material mais utilizado por equipes em sua carenagem, com 42%. Trata-se de um polímero que possui a mais simples estrutura química, por ser constituído apenas de hidrogênio e carbono, tendo como característica a alta absorção e resistência ao impacto, leveza e flexibilidade, atendendo aos requisitos de aplicação no protótipo Baja SAE, conforme reco-menda o RATBSB.

O PP, representando 23% das equipes, é o segundo material mais utilizado em painéis de carenagem devido à sua característica de ser um termoplástico com “efeito dobradiça”, ou seja, com faci-lidade para dobra sem corromper suas propriedades. Além disso, é de fácil manutenção e reciclado com facilidade.

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Outro material que aparece em um percentual relevante, com 16% das equipes utilizando, é o PET, sendo este um material ter-moplástico 100% reciclável e com consideráveis propriedades de resistência ao impacto, em espessuras milimétricas e de fácil mol-dagem.

Com 12% de utilização, o PC é um termoplástico de alta re-sistência ao impacto, com características de flexibilidade e malea-bilidade, aplicável em diversos segmentos automotivos. Nos protó-tipos Baja SAE, este é o material com maior custo para aquisição, sendo facilmente substituído pelo PVC, o segundo termoplástico mais consumido no mundo, aplicado em diferentes projetos e situ-ações, custando cerca de oito vezes menos que o PC, porém, man-tendo praticamente as mesmas características. O PVC representa um percentual de 2% entre as equipes pesquisadas.

Há, também, os materiais que começam a surgir em substitui-ção aos já citados, por questões de custo-benefício, como é o caso do PETG. Mais claro e mais fácil de usar do que o PET, o PETG representa 4% das equipes, sendo um material com maior facilida-de para moldagem e dobras, maior resistência e flexibilidade e com espessuras inferiores a 2 mm, custando a metade do preço do PVC e do PSAI, polímero termoplástico que possui como característica excelente absorção de tinta, fácil manuseio e é ideal para termofor-magem e processos a vácuo, além de ser resistente ao impacto.

Polipropileno

O PP é um material termoplástico polimerizado a partir do gás propileno, que oferece considerável equilíbrio de suas proprie-dades químicas, físicas e elétricas. Este plástico de engenharia é bastante utilizado em utensílios domésticos e brinquedos, por pos-suir, conforme já discutido, um “efeito dobradiça”, ou seja, facili-dade na dobra sem corromper suas propriedades.

Este polímero é considerado um dos poucos que possuem desvantagens, porém, podemos destacar como um contra do mate-rial a sua baixa resistência à variação brusca do clima, o que pode

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acarretar manchas e perdas de propriedades quando este é exposto ao sol (RODA, 2013).

Podendo ser reciclado com certa facilidade, assim como ou-tros plásticos produzidos a partir da polimerização do gás propileno ou propeno, o PP tem um selo (ou marca) de identificação em seus produtos que pode ser reconhecido facilmente pelo símbolo trian-gular (que se refere a produtos recicláveis), com o número cinco dentro e com a nomenclatura “PP” escrita.

No que diz respeito aos painéis de carenagem dos protótipos Baja SAE, este material está presente em boa parte das equipes participantes, uma vez que é de fácil manutenção, atende aos re-quisitos do RATBSB e possui baixo custo de compra por placa em espessuras milimétricas.

É um polímero de fácil empregabilidade nos projetos de engenharia, trazendo satisfação no resultado ao qual foi requisitado, atendendo com sucesso ao que se espera. Relatos de equipes que o utilizam dão credibilidade ao material e permitem que seja feito o levantamento de seus prós e contras para a utilização pela Equipe Baja SAE Clarengex.

Polietileno de alta densidade

O PEAD é o polímero que possui a mais simples estrutura química. Ele é obtido por meio da polimerização do eteno e, por isso, também pode ser conhecido como polieteno. Por ser consti-tuído apenas de hidrogênio e carbono, o produto é atóxico e possui uma grande resistência química.

Pode ser utilizado em diversos projetos de execução, tais como linhas de distribuição de fluidos, redes de distribuição de água e gás, entre outros (RODA, 2013).

Assim como o PC, PVC, PETG e o PP, o PEAD possui como característica a alta absorção e resistência ao impacto, leveza e fle-xibilidade, atendendo também aos requisitos de aplicação no pro-tótipo Baja SAE.

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Sendo um dos materiais plásticos de engenharia com gran-de aceitação e aplicação em diversos projetos, construir os painéis de carenagem a partir da sua utilização também agrega valor ao protótipo, tendo em vista que as equipes com melhores resultados em design, atendendo ao que se pede no RATBSB (PORTAL SAE BRASIL, 2018b) e auxiliando as equipes menores, sugerem sua utilização como forma de diminuir peso. Os materiais compósitos ou metálicos, além de amplamente resistentes e flexíveis em espes-suras milimétricas, são capazes de suportar os impactos durante a realização das provas existentes na competição.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste estudo, foram abordados os materiais plásticos já uti-lizados para confecção de painéis de carenagem no Protótipo Baja SAE Clarengex. Com isso, após a pesquisa por um novo tipo de material dentre os polímeros indicados para este fim, devido à sua aplicação na indústria automobilista e tecnológica, o PEAD e o PP reduzem custos, peso e podem ser facilmente encontrados.

Nesse sentido, o estudo de caso finaliza-se com a busca por fornecedores desses materiais que ofereçam garantia por meio de laudo comprobatório de suas propriedades físicas, limite de esco-amento e equivalência aos materiais anteriormente aplicados nos painéis de carenagem do Protótipo Baja SAE Clarengex.

REFERÊNCIAS

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