Projecto FEUP

Materiais utilizados na concepção

automóvel

Materiais metálicos utilizados e respectivos componentes

MMM 503 António André 100504034

António Rodrigues 100504194

Carlos Carneiro 100504076 Joana Garcia 100508011

João Sá 100503261

Júlio Ferreira 100504155

Steven Pinho 100504084

Monitor:Pedro Lebre

Supervisor: Abel Santos

Outubro 2010

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Agradecimentos

Pela orientação, disponibilidade e ajuda que nos foi prestada durante

a realização deste projecto, gostaríamos de agradecer ao nosso

coordenador, professor Abel Santos, e monitor, Pedro Lebre.

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Resumo

Neste trabalho pretende-se mostrar quais os materiais metálicos

utilizados na concepção automóvel, assim como os seus respectivos

componentes, ou seja, será dito em que aspectos o aço, o alumínio, entre

outros contribuem para a construção automóvel e as suas características.

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Índice 1. Introdução ....................................................................................................................... 5

2. Automóvel: Componentes, Materiais, Processos de Fabrico ........................... 6

2.1 Evolução do Automóvel ......................................................................................... 6

2.2 Automóvel Actual .................................................................................................... 7

2.3 Materiais .................................................................................................................... 9

2.3.1 Aço ....................................................................................................................... 9

2.3.2 Alumínio ........................................................................................................... 11

2.3.4 Magnésio .......................................................................................................... 12

2.3.5 Ferro Fundido ................................................................................................. 14

2.4 Processos de Fabrico ............................................................................................ 15

2.4.1 Fundição ........................................................................................................... 15

2.4.2 Conformação Plástica ................................................................................... 16

3. Reciclagem automóvel ................................................................................................ 18

4. Conclusões .................................................................................................................... 20

Referências ......................................................................................................................... 21

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1. Introdução

No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, o presente relatório

visa identificar e expor os materiais metálicos que têm vindo a ser utilizados

nos automóveis. Tendo em conta as suas características, serão também

relacioná-los com os vários componentes do automóvel e os processos de

fabrico que são usados para transformar os materiais.

Os principais requisitos de um indivíduo que compra um automóvel

são o custo, a segurança, o conforto e a performance. Nesse aspecto, a

indústria automóvel encontra algumas dificuldades em desenvolver modelos

que sejam seguros, confortáveis e funcionais, a baixo custo. A necessidade

de corresponder a estas expectativas levou a indústria automóvel a

desenvolver-se em termos de concepção, construção e produção de

automóveis, utilizando novos materiais e processos de fabrico que

combinam num veículo leve, potente, seguro e confortável.

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2. Automóvel: Componentes, Materiais, Processos de

Fabrico

2.1 Evolução do Automóvel

O automóvel tem as suas raízes no motor a vapor de Nicolas-Joseph

Cugnot (1725-1804), inventor francês, que, ao serviço do exército de

França, desenvolveu engenhos propulsionados por uma caldeira de vapor

para transportar maquinaria pesada. Estes engenhos, com estruturas

rudimentares, apesar de apresentarem alguma eficiência, não superavam a

rapidez e versatilidade do comboio, transporte mais utilizado durante a

Revolução Industrial.

Tendo em conta que os veículos a vapor não correspondiam às

necessidades dos seus utilizadores, novas formas de propulsão foram

desenvolvidas. Só em 1885, graças aos engenheiros Karl Benz e Gottlieb

Daimler, aparece o primeiro automóvel com motor a gasolina, tendo este

sido aperfeiçoado em 1886.

Outra das mudanças revolucionárias no automóvel foi a concepção

operacional de um eixo de direcção, passando os automóveis a terem

quatro rodas.

Em 1910, Henry Ford introduziu a produção em massa com o

desenvolvimento do automóvel Ford Modelo T que impulsionaria a indústria

automóvel.

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2.2 Automóvel Actual

Não há dúvidas que actualmente o automóvel é o meio de transporte

mais apelativo e mais usado do mundo. Este estatuto reside no facto do

automóvel um meio de transporte versátil, veloz, prático e particular. A

invenção e evolução do automóvel causaram profundas modificações na

sociedade mundial, algumas positivas outras negativas. Das positivas

destacam-se o facto de ter revolucionado os meios de transporte e de ter

desempenhado um impacto significativo com a difusão de informação e

inovação tecnológica. Nas últimas duas décadas verificou-se a existência de

uma preocupação crescente com questões ecológicas e económicas. Tudo

isto causou mudanças no ramo automóvel que, por sua vez, o transformou

tal como conhecemos no dia-a-dia, numa “máquina” fiável e pessoal.

Actualmente as estradas encontram-se repletas de automóveis,

nunca o automóvel foi tão importante para as pessoas. Verificamos que

talvez os automóveis movidos a motores de combustão interna atingiram o

“pico” da sua história. Actualmente o automóvel não é um simples meio de

transporte, mas sim, uma obra de arte. Os automóveis são construídos,

actualmente, com a maior precisão possível. Um exemplo dessa mesma

precisão é a fábrica da Volkswagen, símbolo da inovação no ramo

automóvel e um ícone da recuperação económica Alemã (1948-1974). A

actual proprietária da Adui, Bentley, Bugatti, Lamborghini, Seat, Skoda,

Aston Martin e Scania, leva a precisão a um nível tão rigoroso que até o

armazenamento dos automóveis é realizada de forma muito rigorosa.

Actualmente os investigadores procuram obter o máximo com o

mínimo possível. Por esse motivo, os engenheiros procuram sempre que

possível reduzir a quantidade de materiais usados nos automóveis, com

vista a reduzir o custo final.

A redução da quantidade de materiais usados no veículo torna-o mais

leve, o que significa consumos de combustível mais baixos e um maior

conforto para os ocupantes. Actualmente os veículos são vistos como uma

máquina de diversão e prazer, o que por sua vez faz com que os

construtores de automóveis se preocupem cada vez mais em obter o

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máximo de potência e prazer de um veículo sem comprometer a sua

segurança e robustez.

Cada vez mais se recorre à electrónica como solução para muitos dos

problemas dos automóveis, (por exemplo: com o aumento da procura de

veículos mais potentes, os investigadores tentam reduzir as forças de atrito

nos componentes mecânicos a fim de obter rendimentos superiores. Por sua

vez os investigadores recorrem a meios mais rentáveis como a electrónica,

a fim de solucionar muitos problemas). O automóvel actual tem de respeitar

protocolos de produção e utilização, o que faz com que a segurança seja um

aspecto de grande importância.

À duas décadas atrás um automóvel seguro era um automóvel que

possuía uma massa elevada com muitos componentes metálicos e robustos,

níveis de potência muito inferiores aos da actualidade e velocidades que não

excediam os 160 quilómetros por hora. Actualmente verificamos o oposto, a

massa dos automóveis tem sido constantemente reduzida, redução de

componentes metálicos e robustos, níveis de potência elevados e

velocidades muito superiores aos limites impostos por lei, mas mesmo

assim os investigadores tem sido capazes de criar automóveis com

classificações de 5 estrelas (nível cinco corresponde ao nível máximo Euro

NCAP) de segurança.

O automóvel actual é uma peça de engenharia que eleva os limites

dos seres humanos para um nível muito superior. Mais do que nunca os

automóveis se comparam a obras de arte, no qual as pessoas confiam a sua

vida a estas obras de engenharia, em que o design, a mecânica, a

electrónica, aeronáutica, a química e a física proporcionam o melhor que

tem a dar para manter o automóvel no topo da lista como o meio de

transporte preferido das pessoas, isto tudo num mundo em que novas

soluções surgem e a concorrência aumenta.

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2.3 Materiais

2.3.1 Aço

O aço é uma liga de metal, criado através da fusão de vários

materiais. Actualmente há mais de 2.500 tipos de aço no mundo todo.

Todos eles consistem principalmente de ferro-gusa, que por sua vez

consiste de elemento de ferro e mais de três por cento de carbono. O ferro-

gusa é extraído de minério de ferro em explosões nas fornalhas. Ele então é

processado numa siderúrgica para criar aço com um conteúdo de carbono

de menos de 2%. Esta proporção baixa faz o material ficar mais macio

permitindo o fácil processamento.

A leveza do corpo do automóvel pode ser alcançada pela modificação

da estrutura ou pela substituição de materiais. A modificação da estrutura

da carroçaria do automóvel requer mudanças de soldagem e no sistema de

Figura 1 Exemplo da precisão da indústria automóvel.

10

montagem, que é dispendiosa, enquanto que o material de substituição não

necessita dessas mudanças. Além disso a substituição de materiais é

geralmente mais eficaz quando necessitamos de reduzir o peso do que

quando fazemos modificações na estrutura do automóvel. A fim de reduzir o

peso do automóvel as ligas de alumínio, aço de alta resistência (HSS),

material composto, e assim por diante, são amplamente utilizados como

materiais de redução de peso para substituir o material tradicional de aço

leve, sendo o mais utilizado o aço de alta resistência. A chapa de aço de

alta resistência (AHSS) pode ser usada no corpo do automóvel para

melhorar capacidade de absorção de energia de impacto e resistência à

deformação plástica. A fim de conservar a capacidade de absorção da

energia de impacto do automóvel, cada parte do corpo que tem o material

alterado deve ter uma capacidade idêntica para absorver a energia do

impacto.

Quando se dá uma colisão, os componentes feitos de aço devem

combinar duas características diferentes:

Devem ser elásticos, com uma flexibilidade capaz de absorver a

maior parte da energia do impacto e ter uma estabilidade de formato

suficiente para proteger os passageiros.

Actualmente, engenheiros do Instituto Max Planck e do Instituto do

Aço da Alemanha, desenvolveram um novo tipo de aço que junta essas

duas características com perfeição. Batizado de TWIP (Twinning Induced

Plasticity - plasticidade induzida por macla), o novo aço deforma-se até

determinado ponto, mantendo uma espécie de "reserva" de firmeza para

manutenção do formato original.

Cada parte do aço deforma-se até um certo ponto, passando então a

apresentar firmeza e passando a energia restante do impacto para as partes

em seu redor, que então se começam a deformar. Com isto, a energia

distribui-se por toda a superfície, absorvendo o impacto de forma mais

eficiente e protegendo com mais eficiência os passageiros.

Os pesquisadores afirmaram que os pára-choques e portas deverão

ser as primeiras partes dos carros a se beneficiarem do novo aço, pois

claro, são as mais vulneráveis no caso de impactos.

11

2.3.2 Alumínio

Cada novo modelo da indústria automóvel torna-se pesado,

devido ao círculo vicioso que se gera entre a exigência dos compradores e a

concepção dos automóveis, que tem tornado os modelos mais pesados.

Para escapar deste círculo vicioso, os fabricantes têm sido forçados a

desenvolver novas técnicas de concepção e escolher materiais mais leves e

resistentes. Neste enquadramento surge o alumínio. Maioritariamente

utilizado na estrutura do carro possibilitou uma grande redução do peso

total do automóvel, já que só a estrutura representa 25% desse peso.

12

Desempenha um papel muito importante nos automóveis. As

suas propriedades materiais dão-lhe vantagem e, por isso, é usado em

muitas aplicações na indústria automóvel. Uma dessas é na estrutura do

carro. Como a estrutura do carro representa cerca de 25% do peso total do

carro, o alumínio oferece uma boa possibilidade de reduzir

consideravelmente o peso dos automóveis.

Partes em alumínio podem ser altamente sofisticadas no seu

design devido ao grande número de soluções de concepção. Uma fundição

pode substituir uma parte complexa que consiste em vários componentes

de aço. Consequentemente, com a utilização do alumínio, a redução de

componentes em 50% é possível. Isso faz com que a concepção, construção

e produção sejam mais fáceis já que não é necessário lidar com tantas

peças. Numa redução de peças leva a que sejam utilizadas menos

ferramentas o que faz com que o fabrico seja menos complexo e menos

dispendioso.

2.3.4 Magnésio

O magnésio, metal branco-prateado, é o oitavo elemento mais

abundante na Terra e constitui cerca de 2% da crusta em peso. É muito

forte e é cerca de um terço mais leve do que o alumínio. De facto é o mais

leve de todos os metais usados para a produção de ligas metálicas, o que o

torna atractivo para a indústria automóvel. Esta tem vindo a substituir

materiais mais densos por ligas à base de magnésio. A necessidade de

reduzir o peso dos componentes do carro, devido à introdução de legislação

que impõe limites à emissão para a atmosfera de gases de efeito de estufa,

accionou um renovado interesse no magnésio.

A redução de peso pode ser atingida através da optimização de

design e/ou substituição directa de componentes pesados de aços por

metais mais leves.

13

No que diz respeito à substituição directa, as ligas de alumínio são

vastamente utilizadas e aceites pela indústria, no entanto o magnésio é

mais leve do que o alumínio e apresenta propriedades que o tornam

vantajoso, das quais:

Densidade de 1,81 g/cm3, a mais baixa de todos

os metais

Resistente à corrosão e ao envelhecimento sob a

forma de ligas

Prontamente disponível

Comparado com materiais poliméricos:

o Melhores propriedades mecânicas

o Melhor condutividade térmica e eléctrica

o Reciclável

O seu uso na indústria automóvel foi estreado pela Volkswagon no

modelo Beetle (o conhecido Carocha). Actualmente é aplicado sob a forma

de ligas nos seguintes componentes:

Volante

Coluna da direcção

Painéis de instrumentos

Caixas de engrenagens

Estrutura do motor

Figura 2. Componentes automóveis feitos com magnésio (B.L. Mordike, T. Ebert)

14

A oportunidade para reduzir o peso, substituindo o aço e o ferro por

componentes de magnésio é tremenda, já que a densidade do aço é de 7,87

g/cm3. Com o fim de potencializar as capacidades do magnésio, cada vez

mais se desenvolvem novas ligas mais especializadas.

2.3.5 Ferro Fundido

É um tipo de material utilizado em componentes de grandes

dimensões, peças de geometria complicada e de deformação plástica

inadmissível. Por exemplo: discos de travão, blocos de motores, válvulas,

cambotas, entre outros componentes.

O ferro fundido tem na sua composição maior percentagem de ferro,

pequena percentagem de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo.

É uma liga de ferro-carbono que contém de 2 a 4,5% de carbono e é

obtido diminuindo-se a percentagem de carbono do ferro gusa.

Algumas grandes vantagens da utilização deste tipo de material são:

Baixo ponto de fusão (relativamente aos aços);

Elevada dureza e resistência ao desgaste;

Boa resistência à corrosão;

Versatilidade de propriedades;

Aplicações e principalmente custo reduzido.

Algumas desvantagens:

Baixa ductilidade;

Deformação plástica impossível à temperatura

ambiente;

Difíceis de maquinar;

Soldadura muito limitada.

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2.4 Processos de Fabrico

Uma vez obtida a matéria prima que vai constituir os diferentes

componentes do automóvel é preciso transformá-la ou moldá-la de maneira

a torna-la útil. Para isso o Homem tem vindo a desenvolver processos de

fabrico cada vez mais apropriados a cada material. Neste trabalho irão ser

abordados mais especificamente os processos relativos à fundição e à

conformação plástica, no entanto, é de notar que outros processos como o

corte e a soldadura são também muito utilizados na indústria em geral.

2.4.1 Fundição

A fundição é entendida como um processo de fabrico onde um metal

ou liga metálica, no estado líquido, é vazado para um molde com formato e

medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. Essa peça produzida

por fundição pode ter ou não as formas e dimensões definitivas. Em muitos

casos, após a fundição, a peça é maquinada de modo a obter ajustes

dimensionais ou mesmo conformada plasticamente, para que as formas e

dimensões finais sejam obtidas.

O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como

aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas.

Em muitos casos, os processos de fundição apresentam algumas vantagens

em relação a outros tipos de processos de fabrico, como no caso da

produção de peças complexas e com cavidade internas, ou na produção de

peças de grandes dimensõs.

Por outro lado, as propriedades mecânicas de peças fundidas

geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas

mecanicamente. Além disso, durante o processo de solidificação pode haver

formação de porosidade.

16

O processo de fundição pode dividir-se em 4 etapas:

Fusão do metal ou liga

Vazamento num molde

Solidificação da peça

Remoção do metal ou liga solidificado do molde

No processo de fundição devem ainda ser consideradas algumas

variantes como:

Temperatura de vazamento;

Taxa de arrefecimento;

Fluidez da liga;

Existência de turbulência;

Contracção durante a solidificação;

Características do molde;

A fundição pode ser dividida em dois processos base, embora hajam

dentro de cada um diversas variantes:

Fundição em moldes não permanentes

Fundição em moldes permanentes

2.4.2 Conformação Plástica

A Conformação plástica é o processo mecânico onde se obtém peças

através da compressão de metais sólidos em moldes, utilizando a

deformação plástica da matéria-prima para o preenchimento das cavidades

dos moldes.

O processo da conformação plástica pode ser aplicada a quente ou a

frio, dependendo das vantagens de cada processo e as características finais

pretendidas na peça.

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Com conformação a quente pode-se conformar peças com menos

gasto de energia (mais produtividade) e não torna necessário um

tratamento térmico, pois a conformação a quente é feita com temperaturas

acima do ponto crítico do diagrama ferro-carbono, logo a essa temperatura,

a estrutura recristaliza-se simultaneamente com a deformação sofrida.

Na conformação a frio temos a vantagem de ter um melhor

acabamento final na peça, e o material da peça fica encruado, o que ajuda

a aumentar a resistência mecânica, mas diminui a ductilidade.

O número dos diferentes processos unitários de conformação

mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge actualmente

algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno

número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço

que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da

peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação.

Basicamente, os processos de conformação plástica podem ser classificados

em:

Forjamento: conformação por esforços compressivos

tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta

conformadora, chamada matriz ou estampo (compressão directa).

Laminagem: conjunto de processos em que se faz o

material passar através da abertura entre cilindros que giram,

modificando-lhe (em geral reduzindo) a secção transversal; os

produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes secções,

trilhos, perfis diversos, anéis e tubos (compressão directa).

Trefilagem: redução da secção transversal de uma barra,

fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira)

com forma de canal convergente (compressão indirecta).

Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra

a matriz conformadora, com redução da sua secção transversal. A

parte ainda não trabalhada fica contida num recipiente ou cilindro; o

produto pode ser uma barra, perfil ou tubo (compressão indirecta).

Estampagem: o processo de transformação mecânica,

geralmente realizado a frio, onde através de ferramentas adequadas

18

à prensa, submetemos os material ao processo de moldagem de

formas geralmente propostas a chapas (compressão indirecta).

3. Reciclagem automóvel

A reciclagem automóvel é uma contribuição positiva para a redução

de muitos dos impactos ambientais. Efectivamente, a utilização eficiente de

recursos através da reciclagem de materiais eliminados ou da respectiva

utilização como fontes de energia diminui o impacto sobre o ambiente

devido ao esgotamento dos recursos naturais e à potencial poluição relativa

à eliminação em aterros.

Actualmente, cerca

de 75% a 80% do peso (na

sua maioria fracções

metálicas tanto ferrosas

como não ferrosas) dos

veículos em fim de vida,

encontra-se a ser reciclado.

Contudo, o restante 20% a

25% do peso, composto na

sua grande maioria por uma

mistura heterogénea de

materiais como, por

exemplo, resinas, borracha,

vidro, têxteis, etc., ainda se

encontra a ser eliminado.

As empresas de desmantelamento começam por retirar dos veículos

em fim de vida o óleo, o motor, a transmissão, os pneus, a bateria, o

catalisador e outras peças que são geralmente recicladas ou reutilizadas.

Figura 3. Exemplo de uma sucata automóvel

19

A fim de utilizar de modo mais eficaz os recursos do planeta e reduzir

o volume de resíduos eliminados, as actividades de reciclagem automóvel

devem incluir esforços para reduzir ainda mais o volume destes resíduos e

promover a respectiva reutilização e reciclagem, de modo a que, por fim,

não sejam produzidos quaisquer resíduos.

20

4. Conclusões

No âmbito deste trabalho, a recolha de informação para a realização

do trabalho foi dificil, pois esta é escassa e por vezes não provinha de

fontes fiaveis. Uma outra dificuldade encontrada na elaboração deste

projecto, foi o facto de que quando a informação provinha de fontes

crediveis, estas não disponibilizavam por inteiro os dados de forma

aprofundada. Foi notável um grande proteccionismo por parte dos

fabricantes de automoveis e entendidos no assunto na disponibilização da

informação.

Mas após todas estas dificuldades, o grupo descobriu que existem

diversos metais utilizados na concepção automóvel e já enunciados no

corpo do trabalho (Ferro fundido, Aço, Aluminio, Magnésio). Estes materiais

trazem imensas vantagens quer a nível económico para os utilizadores quer

a nivel ecológico, tornando o automóvel mais leve, seguro e robusto.

Actualmente vivemos num mundo em que os problemas ambientais se

tornam cada vez mais relevantes a nível mundial. Estas preocupações

afectam por sua vez os construtores de automóveis, pois no acto da compra

cada vez mais se torna relevante as preocupações com o ambiente. A

utilização de materiais novos, tem em vista a inovação e melhoramento dos

automoveis, com principal preocupação de obter o máximo de rendimento

com o mínimo de desperíicios. Verifica-se actualmente uma procura

incessante de processos de construção mais rentáveis e materiais mais

económicos mas com características menos prejudiciais do que os materiais

anteriormente utilizados.

Conclui-se que as inovações tecnológicas dos materiais e processos

de fabrico têm favorecido muito a indústria em geral. No ramo automóvel

estes avanços significam que os automóveis poderão ser produzidos com

custos mais baixos e também com compromissos ambientais mais

reduzidos.

21

Referências

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October 18 2010);

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(accessed in October 18 2010)

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pt&start=0&zoom=1&tbnid=3vOV4AL6KlNiuM:&tbnh=124&tbnw=85&prev=

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