Guia para Designers de Produtos: Conhecer o funcionamento do magnésio e das suas ligas

Sendo o metal estrutural mais leve, o magnésio tem propriedades físicas e mecânicas atractivas. Mais importante ainda, é para os projectistas cuja principal tarefa é criar algo leve e forte. A sua capacidade de fundição, a elevada resistência específica e as propriedades favoráveis de proteção electromagnética tornam as suas ligas mais cruciais. As ligas são predominantemente utilizadas em aplicações nos sectores automóvel, aeroespacial, eletrónico e de dispositivos médicos.

Além disso, a sua disponibilidade natural e a sua capacidade de reciclagem fazem do magnésio um objetivo de conceção de produtos sustentáveis. Assim, é uma escolha desejável para fabricantes preocupados com o ambiente. A capacidade das ligas de magnésio para amortecer a vibração e o ruído reforça ainda mais as melhores utilizações destas ligas. A sua aplicabilidade e aplicações são comuns em caixas de equipamento eletrónico e mecânico. Este atributo melhora o desempenho geral dos utilizadores. Também protege os elementos internos das vibrações exteriores.

Nomeadamente, o magnésio pode ser formado com um menor consumo de energia. Isto pode tornar a produção mais eficiente com taxas de desgaste de ferramentas potencialmente mais baixas em algumas operações de maquinagem. Embora o custo inicial do material de magnésio seja normalmente mais elevado do que o do alumínio, factores como velocidades de maquinagem mais rápidas, maior vida útil das ferramentas em fundição injectada, A consolidação de peças e o potencial de consolidação de peças podem, em aplicações específicas de grande volume, compensar alguns destes custos, conduzindo potencialmente a custos de fabrico competitivos ou mesmo inferiores em determinados cenários.

Além disso, a flexibilidade visual e a resistência do magnésio permitem que os projectistas alcancem as fronteiras nunca antes vistas do design leve. A capacidade da liga para revestir formas detalhadas e a sua recetividade a vários acabamentos de superfície determinam a sua flexibilidade. Isto permite-lhe satisfazer tanto as propriedades funcionais como as decorativas.

À medida que cresce a procura de produtos leves e eficazes, aumenta a preferência por novos materiais leves. Para além disso, o magnésio é um material cada vez mais relevante e estratégico para os designers de produtos focados na leveza e no desempenho.

Principais ligas de magnésio para projectistas

A aplicação pouco frequente de magnésio na indústria exige o desenvolvimento de ligas para fins práticos. O magnésio combina-se com alumínio, zinco, manganês, silício e metais de terras raras. Melhora as suas propriedades mecânicas e aumenta a sua resistência à corrosão. Embora os projectistas privilegiem várias ligas, como AZ91D, AM60 e ZK60, todas as três têm vantagens distintas que podem servir os seus objectivos.

AZ91D é uma liga de magnésio impressionante que é mais adequada do que qualquer outra para fundição injectada. Contém cerca de 9% de alumínio e cerca de 1% de zinco. As suas caraterísticas são um desempenho superior à corrosão. Tem uma elevada relação resistência/peso, normalmente aplicável em peças para automóveis. Outros sectores incluem habitações e produtos de fundição em geral. Devido às suas caraterísticas estáveis, os projectistas escolhem frequentemente o AZ91D para aplicações estruturais leves e fiáveis.

O AM60 é uma liga de magnésio-alumínio com capacidades de absorção de energia e ductilidade e, por isso, adequada para utilização em componentes de colisão automóvel, estruturas de assentos e volantes. A elevada ductilidade do AM60 em comparação com o AZ91D indica que há mais deformação que o AM60 pode suportar antes de quebrar, proporcionando maior segurança na situação de impacto.

Os principais elementos de liga do ZK60 são o zinco e o zircónio, que conferem à liga uma excelente força e resistência à fadiga. Uma liga deste tipo é normalmente implementada em componentes aeroespaciais, de equipamento desportivo e automóveis de alto desempenho para reduzir o peso sem perder a estrutura. Em aplicações mecânicas exigentes de alta tensão, a liga ZK60 fornece uma solução estável e eficaz.

Cenários para a utilização de materiais alternativos ao magnésio

Embora o magnésio tenha vários benefícios, pode não funcionar para todos os fabricantes. Os projectistas devem também avaliar as limitações do magnésio.

Custo e disponibilidade

Os materiais à base de magnésio podem ser muito mais caros do que os plásticos ou as ligas de alumínio normais em pequenas séries. Camadas de proteção adicionais ou caraterísticas de proteção contra a corrosão podem aumentar significativamente os custos globais de produção. As aplicações que têm de poupar nos custos podem preferir utilizar materiais de alumínio ou polímeros.

Suscetibilidade à corrosão

O magnésio é mais suscetível à corrosão galvânica. É necessário um planeamento quando entra em contacto com a humidade ou a exposição ao sal. Os tratamentos de superfície são essenciais para evitar a degradação descontrolada dos componentes de magnésio. Caso contrário, o aço inoxidável ou o alumínio revestido é normalmente um material mais fiável em caso de humidade ou condições adversas.

Inflamabilidade e complexidade de processamento

As qualidades combustíveis do magnésio no seu estado particulado e fundido elevam o risco dos trabalhadores na maquinação, soldadura ou fundição. Este nível de segurança requer normas únicas e limita a utilização do magnésio em ambientes de fabrico controlados. As empresas geralmente escolhem materiais mais estáveis, como o alumínio ou o titânio, se as fábricas não estiverem preparadas para lidar com os riscos do processamento do magnésio.

Magnésio e processos de fabrico

Existem inúmeros métodos de fabrico de ligas de magnésio. A escolha da técnica de fabrico depende de factores como a liga específica, a complexidade da peça, as propriedades mecânicas necessárias, o volume de produção e considerações de custo. Cada técnica tem níveis variáveis para otimizar essas caraterísticas e desempenho únicos. A fundição sob pressão, o forjamento (um tipo de trabalho a quente), a extrusão (outro tipo de trabalho a quente), a maquinagem e o fabrico de aditivos são os principais processos de fabrico de ligas de magnésio. A fundição sob pressão é, de longe, o método mais comum de fabrico de peças de magnésio. Facilita a produção em massa de tais componentes com especificações exactas e uma superfície limpa. É adequado para o fabrico de peças para automóveis e eletrónica. Estas peças requerem uma precisão e consistência muito elevadas. O desempenho mecânico das ligas de magnésio é eficaz através do refinamento da estrutura do grão. A sua eficácia deve-se também a um aumento da resistência à fadiga por forjamento.

As peças forjadas em magnésio são amplamente aplicáveis em aplicações activas. Isto inclui áreas como a indústria aeroespacial e carros de corrida, mas também bicicletas exclusivas. O forjamento é uma estratégia eficaz para que as peças se revelem excecionalmente fortes e fiáveis. Devido à sua baixa resistência ao corte e natureza macia, o magnésio é geralmente fácil de maquinar, permitindo velocidades de corte elevadas e um bom acabamento superficial. No entanto, uma consideração crítica é o facto de as aparas de magnésio serem altamente combustíveis, exigindo medidas rigorosas de prevenção de incêndios. O processamento do magnésio requer controlos especiais de ventilação e proteção contra incêndios no ambiente de fabrico. Utilizando protocolos de segurança apropriados, a maquinação cria a possibilidade de produzir componentes de magnésio de elevado detalhe e personalizados. O fabrico aditivo apresenta uma solução promissora para o fabrico de peças complexas ou de geometrias complexas. O fabrico aditivo de magnésio está a aumentar no fabrico de peças aeroespaciais. Além disso, em peças biomédicas, ajuda a reduzir o peso e permite a personalização das formas dos objectos.

Opções de acabamento de superfície para magnésio

O magnésio é altamente reativo e adequado para acabamentos de superfície. O objetivo é melhorar as suas caraterísticas de corrosão e de aparência.

Anodização

A anodização refere-se a processos electroquímicos que criam uma camada espessa de óxido no magnésio. Melhora significativamente a resistência do magnésio à corrosão e à abrasão. Para além disso, o tratamento proporciona um acabamento flexível tanto para fins funcionais como decorativos. As variações nas ligas de magnésio causam normalmente dificuldades na aplicação de soluções de anodização padrão devido às diversas propriedades de superfície e reatividade destas ligas. Quando as abordagens padrão são inadequadas, a oxidação electrolítica por plasma (PEO) ou a oxidação por micro-arco são fundamentais para um desempenho protetor ótimo e um revestimento consistente. 

Revestimentos de conversão

Os processos de revestimento de conversão implicam um tratamento químico para criar superfícies resistentes à corrosão em peças de magnésio. Envolve revestimentos como o cromato e o fosfato. Os revestimentos são um primário fiável para a fixação da superfície em quaisquer outras operações de acabamento. A sua utilização é muito apreciada nas indústrias militar, aeroespacial e transformadora. Estas indústrias preferem o desempenho e a fiabilidade, que são os factores mais importantes.

Revestimento em pó

A aplicação de revestimento em pó a peças de magnésio envolve a sua aplicação a seco. O processo seguinte consiste em aquecê-lo e desenvolver uma superfície robusta e uniforme. Este processo oferece aos designers uma vasta gama de cores e texturas. Também o torna mais durável contra lascas, riscos e exposição ambiental. Tem aplicações perceptíveis e palpáveis, incluindo dispositivos electrónicos, bicicletas e mobiliário de interior. As peças são adequadas para a aplicação de revestimentos em pó devido ao seu aspeto fiável e durabilidade. O revestimento a pó, que não envolve solventes, atrai a atenção como um estilo de revestimento ambientalmente consciente.

Galvanoplastia

A galvanoplastia do magnésio começa com a deposição de uma camada metálica, como o níquel, o crómio ou o ouro. A fixação ocorre no componente, normalmente após a aplicação do promotor de aderência. Para além de proporcionar uma superfície visualmente agradável, este acabamento aumenta significativamente a durabilidade do produto e a proteção contra a corrosão. É regularmente aplicável em interiores de automóveis e instrumentos médicos. Também é relevante quando a aparência e a durabilidade são fundamentais. A elevada reatividade do magnésio é tal que as etapas de pré-tratamento necessárias devem ser efectuadas cuidadosamente. Tem de ocorrer juntamente com a inclusão de camadas intermédias para produzir resultados eficazes de galvanoplastia e uma vida útil eficaz do componente.

Estudo de caso

Caixas de eletrónica leves: As aplicações frequentes da liga de magnésio são utilizadas para fabricar caixas de eletrónica leves. Também se aplica a dispositivos robustos, como carcaças de computadores portáteis e designs de corpos de câmaras. Os projectistas escolheram a liga de magnésio AZ91D devido à sua excelente capacidade de fundição e resistência, ao mesmo tempo que resiste à corrosão. O objetivo era tornar o objeto mais leve. No entanto, também é sólido e tem um acabamento metálico de excelente qualidade. As instalações de fundição injectada produzem desenhos complexos com paredes frágeis que não necessitam de muito tratamento adicional. Acelera o processo de fabrico e poupa custos. Depois de as peças terem sido tratadas com duas etapas de proteção, cada uma foi submetida a um revestimento de conversão. Foram também submetidas a um revestimento em pó preto para evitar o suor, os óleos e as abrasões ligeiras no magnésio. A estreita colaboração entre as equipas de designers e fabricantes levou à produção de peças funcionais. O produto cumpriu os objectivos funcionais e os requisitos estéticos. Também apoiaram os esforços da marca em termos de sustentabilidade e portabilidade.

Como os designers de produtos trabalham sem problemas com os seus parceiros de fabrico

O desempenho bem sucedido dos materiais nos produtos depende significativamente dos projectistas e dos fabricantes de uma forma simples, especialmente no caso de materiais complicados como as ligas de magnésio.

Desenho técnico e CAD

Os projectistas devem fornecer modelos CAD completos com as principais dimensões, requisitos de acabamento e níveis de tolerância, bem como a especificação da liga de magnésio. A adição de tais anotações ajuda os fabricantes a compreenderem corretamente as representações e diminui as probabilidades de problemas na moldagem ou maquinagem. O magnésio apresenta diferenças em relação ao alumínio (e ao aço) em termos de retração, ângulos de inclinação e espessura da parede, o que o torna essencial.

Especificações do material

Os materiais são fornecidos sob a forma de especificações de materiais, onde se pode verificar o alinhamento das especificações de materiais. Estas devem estar em conformidade com as normas ASTM B93/B93M ou ISO 16220. Os engenheiros podem ser sempre consistentes e claros durante o processo de seleção das ligas de magnésio. A composição química, as propriedades mecânicas e as expectativas do processamento eliminam a incerteza da seleção de materiais durante o fabrico. Os projectistas permitem assim que os fornecedores e os fabricantes cumpram as especificações dos materiais com precisão. A conformidade com uma referência padrão simplifica a seleção de materiais e melhora a colaboração internacional.

Protótipos de circuitos de feedback

É possível efetuar uma avaliação rápida da forma, ajuste e função utilizando plástico impresso em 3D. Isso também pode ser feito através de um protótipo de amostra em magnésio maquinado em CNC. Nesta fase, os modelos físicos permitem que ambas as partes identifiquem os problemas futuros. Assim, a produção completa é perfeitamente ajustada em termos de qualidade e eficiência. O envolvimento dos fabricantes nesta fase garante que os aspectos práticos do fabrico fazem parte das etapas que se seguem aos melhoramentos do projeto. Por conseguinte, os criadores podem evitar as pesadas despesas de revisão posteriores.

Tolerância Discussão

Os projectistas devem ter em conta a expansão térmica e a suavidade ao delinearem as especificações dimensionais. A imposição de tolerâncias irrealistas ou demasiado apertadas pode causar distorção. Outros factores são a falha do produto ou o aumento dos custos de fabrico. Os projectistas podem garantir que as suas exigências de desempenho podem ser satisfeitas durante a produção. Os fabricantes e os projectistas pretendem melhorar a eficiência do fabrico e a fiabilidade do produto.

Integração de processos

A colaboração com os engenheiros de fabrico na fase inicial de conceção identifica e resolve problemas emergentes numa fase precoce. Os projectistas podem sugerir caraterísticas complexas ou combinadas que parecem apelativas mas que podem ser difíceis e dispendiosas de produzir em magnésio. As sugestões da equipa de produção podem incluir a segmentação. Podem também redesenhar as peças para facilitar a fundição ou a maquinação. A capacidade de fabrico é melhorada sem comprometer o significado pretendido do design.

Alinhamento da terminologia

Um glossário ou documento de referência corretamente definido é útil tanto para o grupo de conceção como para o grupo de fabrico. Garante que todos sabem o que significa "anodização", "revestimento de conversão" ou "classificação de dureza". Podem surgir problemas com o acabamento, processamento ou seleção de materiais devido a confusão com a terminologia. Uma nomenclatura padrão no início facilita a compreensão mútua dos requisitos e das etapas. Este alinhamento garante uma melhor comunicação entre as equipas.

Conclusão

Os materiais de magnésio apresentam vantagens únicas para os projectistas de produtos. Em termos de peso, resistência e formabilidade, é o melhor em domínios que procuram desempenho e eficiência. A seleção dos métodos de liga e o acabamento da superfície ajudam os designers a obter resultados leves, robustos e visualmente apelativos. No entanto, os projectistas devem prestar a devida atenção aos pontos fracos do magnésio. Estes pontos fracos incluem vulnerabilidades à corrosão, combustibilidade e preços de matérias-primas tipicamente mais elevados em comparação com algumas alternativas. No entanto, uma colaboração estreita com os fabricantes pode ajudar a otimizar os designs e processos para mitigar estes desafios e gerir eficazmente os custos globais. Uma apreciação completa do ciclo de vida dos produtos de magnésio dá aos projectistas o conhecimento necessário. O conhecimento é a chave para a lógica e criatividade subsequentes: as tecnologias avançadas e o aumento das preocupações com a sustentabilidade posicionam o magnésio para aumentar a sua presença no design de produtos.

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