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

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Índice

Introdução ..................................................................................................................................... 3

1 - Materiais Poliméricos ............................................................................................................... 4

1.1 - Processos de fabrico de peças em materiais poliméricos ................................................ 5

2 - Os polímeros na Indústria Automóvel ..................................................................................... 6

2.1 - Peças poliméricas de uso frequente na indústria automóvel ........................................... 6

2.2 - Características de vários materiais poliméricos em diferentes componentes ................. 7

2.3 - Possibilidades de desenvolvimento do automóvel proporcionadas pelo uso de

polímeros .................................................................................................................................. 8

2.4 - Vantagens e desvantagens do uso de materiais poliméricos ........................................... 9

Conclusões .................................................................................................................................. 12

Bibliografia .................................................................................................................................. 14

Anexos ......................................................................................................................................... 15

Anexo 1 - Aplicações Gerais dos polímeros ............................................................................ 15

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.

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.

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

Figura 1 – Exemplo de peças feitas a partir de materiais poliméricos

1.1 - Processos de fabrico de peçaspoliméricos

Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser

divididos em três grandes grupos:

moldagem por rotação

processos menos frequentes, razão pela qual

Extrusão é um processo de mo

através da sua canalização sob pressão através de um orifício.

Injecção é um processo de

moldagem que consiste em aquecer o

material polimérico

posteriormente injectá

alta pressão no interior de um molde

frio onde o material endurece e toma

a forma do molde (figura 2)

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)

Uma das diferenças entre os processos de

extrusão e de injecção é o facto d

sistema cíclico, onde o molde depois de preenchido é trocado por

outro e o processo não

extrusão (Sousa 2010)

Processos de fabrico de peças em materiais

Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser

divididos em três grandes grupos: Extrusão, Injecção

moldagem por rotação e moldagem por compressão são outros

processos menos frequentes, razão pela qual não serão abordados.

é um processo de moldagem de um material polimérico

através da sua canalização sob pressão através de um orifício.

é um processo de

moldagem que consiste em aquecer o

num cilindro e

posteriormente injectá-lo através de

alta pressão no interior de um molde

frio onde o material endurece e toma

(figura 2).

é um processo de moldagem utilizado

normalmente para obtenção de peças ocas.

Através de insuflação de ar no interior do

se uma expansão da massa

se a expansão da parte

or do objecto (oco) até à obtenção da

(figura 3).

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

(Sousa 2010).

Figura 2 – Imagem esquemática da moldagem por injecção

Figura 3 para moldagem por sopro

5

em materiais

Os processos de produção de componentes poliméricos podem ser

Injecção e Sopro. A

e moldagem por compressão são outros

não serão abordados.

ldagem de um material polimérico

através da sua canalização sob pressão através de um orifício.

injecção caracterizar um

sistema cíclico, onde o molde depois de preenchido é trocado por

é interrompido. O mesmo não ocorre na

Imagem esquemática da moldagem por

– Exemplo de um molde para moldagem por sopro

6

2 - Os polímeros na Indústria Automóvel

2.1 - 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.

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

Figura 4 – O habitáculo de um automóvel moderno é dominado pelo uso de polímeros

7

o Cobertura do volante Politetrafluoroetileno

(PTFE) o Bomba de combustível eléctrica o Elemento deslizante do amortecedor o Indicador do desgaste dos travões o Guia do pistão do amortecedor

Polímeros de líquido-cristalino

(LCP)

o Tampa do air-bag o 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)

2.2 - 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

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.

2.3 - 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

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.

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.

2.4 - 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

Figura 5 - Ferrari 250GTO, um exemplo das limitações da construcção em alumínio

Figura 6 - SSC Ultimate Aero II, um carro cuja carroçaria é feita unicamente em fibra de carbono.

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

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.

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

Figura 7 - Automóvel dos anos 60 (Mecedes SL300)

Figura 8 - Automóvel moderno (Peugeot 807)

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.

Gráfico 1 - Comparação de densidades e tensões de ruptura para vários materiais (BPF 2010) (Staley e Lege 1993)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Densidade (g/c3)

Tensão de ruptura

x100(mPA)

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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

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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.

14

Bibliografia

American Plastics Council. Plastics in automotive markets – vision and technology roadmap.

American Plastics Council, 2001.

BPF. BPF: British Plastics Federation - The UK's Leading Plastic Trade Association. 2010.

http://www.bpf.co.uk/ (accessed Outubro 22, 2010).

Hemais, Carlos A. "Polímeros e a Indústra Automobilística." Polímeros: Ciência e Tecnologia,

Abril - Junho 2003: 107-114.

Mercedes SLS AMG Technical Specifications. Setembro 11, 2009.

http://www.motorward.com/2009/09/mercedes-sls-amg-technical-specifications/ (accessed

Outubro 12, 2010).

Polymers. http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/polymers.htm (accessed

Outubro 15, 2010).

Processamento de Polímeros. 2003.

http://www.tifnet.com.br/disciplinas/polimeros_aula_01.pdf (accessed Outubro 8, 2010).

Sousa, Gustavo Brandão. Moldagem de Polímeros:Extrusão, Injecção e Sopro. Brasília:

Universidade de Brasília, 2010.

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, 1993.

Two automotive components using DuPont engineering polymers capture industry innovation

honours. 12 4, 2008. http://www.innovations-

report.com/html/reports/awards_funding/automotive_components_dupont_engineering_pol

ymers_123649.html (accessed Outubro 10, 2010).

Wheelan, Tony. Manual de moldagem por sopro da Bekum. 2002.

Wood, Richard. Automotive Engineering Plastics. London: Pentech Press, 1991.

—. Car bodywork in glass reinforced plastics. London: Pentech Press, 1980.

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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 Aplicações

ABS Peças de automóveis

Kevlar Protecções à prova de fogo

Nylon Fibras, roupas, carpetes

Poliacriloamida Lentes de contacto

Policarbonato Lentes oftálmicas

Policloropreno Adesivos, freios

Polidimetil Detectores contra explosivos

Poliester Embalagens, filmes, roupas

Poliestireno Embalagens, utensílios domésticos, isolantes térmicos

Polietileno Embalagens, filmes,utensílios

Polietileno tereftalato Embalagens

Polimetil metacrilato Tintas, balcões, vitrais

Polipropileno Embalagens, utensílios, peças diversas, tapetes

Polisopreno Borrachas

Poliuretano Espumas, roupas isolantes

PVC Tubos e conexões

Teflon Antiaderente