Como os processos de fabrico permitem a redução do peso do automóvel

Conseguir a leveza dos automóveis é vital para aumentar a economia de combustível dos veículos com motor de combustão interna e aumentar a autonomia dos veículos eléctricos (VE). A redução do peso do veículo em 10% pode melhorar a economia de combustível em 6-8%, bem como reduzir as emissões de dióxido de carbono ^[1]. A redução do consumo de combustível significa também uma redução das emissões, o que é ótimo para a sustentabilidade ambiental.

Para além da economia de combustível e das melhorias na autonomia, tornar os automóveis mais leves pode melhorar significativamente o desempenho, incluindo a travagem, o manuseamento e a aceleração. Além disso, o fabrico de automóveis leves reduz a pressão sobre a suspensão, os travões e os pneus, o que diminui o desgaste. O resultado a longo prazo é que estas peças durarão mais tempo e necessitarão de menos manutenção.

Então, como podem os fabricantes tornar as peças automóveis mais leves? Será que isso pode ser conseguido simplesmente trocando os materiais tradicionais por alternativas mais leves, ou será que este objetivo exige que se repense a forma como as peças automóveis são concebidas?

Desmascarar o “mito do principiante” no fabrico de produtos leves

Há muitas ideias erradas associadas ao fabrico de peças automóveis leves. Uma escola de pensamento diz que o peso leve pode ser alcançado através da escolha do material. Por outras palavras, um automóvel pode tornar-se mais leve simplesmente mudando para materiais mais leves.

Com base neste equívoco, vêem os processos de fabrico como moldagem por injeção para automóveis, ferramentase Maquinação CNC A segunda escola pensa que a utilização de materiais mais leves compromete a segurança. A segunda escola de pensamento é que a utilização de materiais mais leves compromete a segurança. Nenhuma destas escolas de pensamento sobre o fabrico de veículos ligeiros é verdadeira.

De facto, os compósitos modernos demonstraram ser mais resistentes ao choque ^[2]. São mais eficazes na absorção da energia de impacto do que os metais utilizados nos automóveis tradicionais.

Fabrico de peças leves para automóveis utilizando moldagem por injeção

Sem dúvida, a escolha do material desempenha um papel importante na redução do peso. No entanto, a resistência e a forma ideais são quase inteiramente alcançadas sem aumentar o peso através da otimização do design e de práticas de fabrico inovadoras, como se segue:

1. Esvaziamento de secções para reduzir a utilização de material

As peças volumosas podem ser criadas para terem secções interiores ocas. Este vazio é normalmente conseguido através de moldagem por injeção assistida por gás ou espumação. Por exemplo, na espumação física, é injetado gás nitrogénio ou dióxido de carbono no plástico fundido. O gás provoca a expansão do plástico fundido no molde. O plástico fundido aprisiona as bolhas de gás, criando uma estrutura interna que é porosa e se assemelha a uma espuma.

A espumação química também é frequentemente utilizada e envolve a adição de um agente de expansão químico (CBA), como a azodicarbonamida (ADC) e o bicarbonato de sódio ou o ácido cítrico, à resina. Após o aquecimento, o CBA decompõe-se e liberta gás para criar o mesmo efeito que se verifica na formação de espuma física. A formação de espuma cria uma pele exterior sólida e um núcleo semelhante a espuma. Isto reduz a utilização de material e ajuda a manter o produto leve, sem prejudicar a estabilidade dimensional.

2. Utilização de nervuras para complementar estruturas de paredes finas

Outra prática importante no fabrico de peças leves para automóveis é a utilização de técnicas de fabrico avançadas (como a moldagem por injeção de paredes finas e a moldagem a vácuo) para criar peças com paredes mais finas (<1 mm de espessura), preservando simultaneamente a integridade estrutural da peça.

Esta técnica de moldagem por injeção utiliza alta pressão, velocidades (>1000mm/s) e maquinaria avançada para garantir o enchimento adequado das cavidades finas. As paredes finas são normalmente suportadas por nervuras e reforços para proporcionar rigidez e resistência onde estas propriedades são necessárias. As nervuras também podem evitar defeitos como marcas de afundamento.

3. Consolidação de partes múltiplas

Quando uma peça automóvel é composta por vários componentes, cada um dos diferentes componentes tem de ser soldado ou fixado entre si. O agente de soldadura ou de fixação acaba por aumentar o peso da peça acabada. No fabrico leve, as peças demasiado complexas são redesenhadas para facilitar a sua produção através de um único processo de moldagem por injeção.

A consolidação de várias peças numa única unidade moldada elimina a necessidade de fixadores secundários, tais como rebites e parafusos, o que reduz o peso da peça. No entanto, os moldes para criar modelos de encaixe que não necessitam de fixadores adicionais durante a montagem podem necessitar da adição de elevadores ou controles deslizantes, o que aumentará potencialmente o seu custo. Outras vantagens da consolidação de peças para a indústria automóvel ligeira incluem:

• A criação de estruturas com uma única peça contínua tem normalmente uma maior integridade estrutural em comparação com várias peças unidas, que podem introduzir pontos fracos nas juntas.
• A consolidação permite aos fabricantes criar mais peças utilizando menos mão de obra e a um custo reduzido.

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Fabrico de peças leves para automóveis utilizando maquinagem CNC

A maquinagem por controlo numérico computorizado, ou maquinagem CNC, é um dos métodos comuns de fabrico subtrativo. Neste processo de fabrico, um software pré-programado controla uma máquina-ferramenta para cortar com precisão um bloco de material (madeira, plástico ou metal) numa peça ou produto desejado.

O elevado nível de precisão da ferramenta de maquinagem torna esta técnica útil para a criação de desenhos complexos. Além disso, o elevado nível de automatização elimina erros e intervenções humanas, o que pode ajudar os fabricantes a poupar custos de mão de obra. Os componentes automóveis leves mais comuns criados com esta técnica incluem:

• Componentes de motores de veículos eléctricos e sistemas de arrefecimento
• Chassis e suspensões, incluindo braços de controlo e suportes
• Partes do motor, incluindo o bloco do motor, o pistão, as cabeças dos cilindros e as cambotas

Uma das razões pelas quais a maquinagem CNC é crucial para o fabrico de peças leves é a sua versatilidade de materiais. Pode ser utilizada para criar peças de diferentes materiais, incluindo alumínio, fibra de carbono, ligas de titânio, magnésio e outros plásticos especializados. Estes materiais são frequentemente escolhidos pela sua relação resistência/peso.

É crucial manter uma elevada precisão dimensional ao criar componentes leves e optimizados. As imprecisões nas dimensões podem comprometer o desempenho, a funcionalidade ou a integridade estrutural do produto ou da peça. A maquinagem CNC multieixos moderna, como as máquinas de 5 eixos, pode criar peças multidimensionais complexas. As modificações avançadas de design de fabrico leve que podem ser alcançadas utilizando a maquinagem CNC incluem:

• Canais complexos ocos ou internos: Na conceção de secções ocas de peças automóveis, como componentes de motores e placas de arrefecimento, a maquinagem CNC é utilizada para remover com precisão materiais dos componentes internos de uma forma que é praticamente impossível de conseguir manualmente. Para criar peças automóveis leves, esta técnica pode ser utilizada para esvaziar secções onde a resistência não é necessária, reduzindo assim o peso da peça.
• Criação de peças com tolerância apertada: A maquinagem CNC pode ser utilizada para atingir um nível extremo de precisão (cerca de ±0,01 mm), exatidão e consistência. Este nível elevado de precisão garante que cada peça se encaixa na perfeição, o que pode aumentar a segurança através da utilização da menor espessura de material possível.

A elevada precisão da maquinação CNC optimiza a produção de uma forma que reduz o desperdício de material em comparação com outros métodos tradicionais. Isto é particularmente útil para o fabrico de peças leves para automóveis que utilizam materiais caros e de elevado desempenho.

Automóvel leve utilizando o fabrico híbrido

O fabrico híbrido é um termo que descreve a combinação de diferentes técnicas de fabrico para criar peças leves. Por exemplo, a maquinagem CNC (um processo de fabrico subtrativo) é combinada com Impressão 3D (um processo de fabrico aditivo) para criar peças complexas e leves com tolerâncias apertadas que seriam mais difíceis de obter utilizando qualquer um dos métodos.

Fabrico híbrido com impressão 3D e maquinagem CNC

O fabrico híbrido aproveita os pontos fortes complementares das técnicas individuais em termos de eficiência dos materiais, conceção e acabamento. Um fabrico leve híbrido comum combina os poderes da impressão 3D e da maquinagem CNC.

A impressão 3D é utilizada para criar geometrias internas altamente complexas, como canais ocos ou redes. O fabrico híbrido permite um nível de liberdade de conceção que não é igualado por outros métodos. A maior força deste processo de fabrico aditivo reside na criação deste tipo de geometrias internas complexas sem comprometer a integridade estrutural. No entanto, o seu desempenho é fraco em termos de tolerância e acabamento.

Por conseguinte, após a impressão 3D da peça oca utilizando um material leve, a maquinagem CNC é utilizada no pós-processamento para obter a tolerância desejada e precisão extrema (±0,002 mm) na estrutura interior e acabamento superficial liso no exterior (Ra0,4μm). Outras vantagens da utilização de um processo de fabrico leve híbrido que envolve a impressão 3D e a maquinagem CNC incluem:

• Maior redução dos resíduos de materiais: A impressão 3D é utilizada primeiro para criar a forma oca, e a maquinagem CNC só tem de remover o mínimo de material, reduzindo os desperdícios e os custos.
• Ciclos de produção mais rápidos: Uma vez que a impressão 3D e a maquinagem CNC podem ser automatizadas, a combinação de ambas elimina o movimento manual das peças, o que pode atrasar o processo de fabrico.
• Racionalização do processo de produção: Um software integrado gere ambos os processos, o que ajuda a eliminar ineficiências e erros.

Fabrico híbrido de materiais leves utilizando a impressão 3D e a moldagem por injeção

A impressão 3D é frequentemente combinada com a moldagem por injeção, especialmente no processo Voxelfill ^[3]. O processo foi desenvolvido e patenteado pela AIM3D. O processo Voxelfill utiliza um processo de fabrico em duas fases para ultrapassar a fraqueza associada ao eixo Z das peças impressas em 3D camada a camada, da seguinte forma:

• O primeiro passo é a criação da estrutura de rede utilizando a impressão 3D: A estrutura que se assemelha a um favo de mel é impressa em 3D utilizando um sistema de modelação por extrusão de compósitos.
• O segundo passo é o preenchimento da grelha ou preenchimento do Voxel: Uma extrusora é utilizada para injetar material termoplástico nas cavidades internas da estrutura. O material de enchimento pode ser uma espuma e destina-se a aumentar a rigidez e a resistência sem aumentar o peso.

O futuro do fabrico leve gira em torno da conceção multimaterial (MMD). Em vez de uma substituição generalizada de material, o MMD coloca estrategicamente o melhor material para um requisito específico no local correto. Por exemplo, o aço de alta resistência pode ser utilizado em áreas que exigem uma elevada resistência ao choque, enquanto o alumínio é utilizado em painéis exteriores onde a prioridade é a redução do peso.

Referências

[1] Departamento de Energia dos EUA. (n.d.). Materiais leves para automóveis e camiões. Gabinete de Eficiência Energética e Energias Renováveis.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Universidade do Tennessee Knoxville. (2023, fevereiro 27). Estudante de doutoramento testa a resistência ao choque de materiais compósitos com uma profundidade sem precedentes. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24 de outubro). O que é o processo Voxelfill? Engenharia.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/