Guia de aço para projectistas de produtos

Os designers de produtos consideram o aço como um dos materiais essenciais e multifuncionais disponíveis. O aço é constituído principalmente por ferro e carbono. É forte, adaptável, económico e sustentável. O aço é a escolha ideal para os designers em muitos sectores. Entre eles, destacam-se o fabrico de automóveis, edifícios, eletrónica e aparelhos médicos.

Porquê o aço

 Os designers de produtos confiam no aço como um material fiável devido às suas excelentes qualidades mecânicas. A elevada resistência à tração e à compressão do material sustenta a sua viabilidade para a construção e os produtos. A ductilidade e a maleabilidade do aço são cruciais, uma vez que permanecem intactas quando moldadas em formas complexas, uma caraterística essencial em projectos pormenorizados. A facilidade de acesso e o custo moderado do aço são pontos fortes consideráveis do material. Apesar de materiais como o titânio e os compósitos de fibra de carbono possuírem um elevado desempenho, o aço custa normalmente menos. Também proporciona um desempenho comparável. O aço é um material económico e funcional aplicável a produtos de qualidade superior e de massa. A total reciclabilidade do aço é importante, uma vez que a sustentabilidade se tornou uma parte essencial dos actuais programas de design. Consequentemente, o aço é adequado para bens de consumo distintivos mostrados aos utilizadores e para peças mecânicas mascaradas.

Principais ligas de aço para projectistas

O conhecimento dos diferentes tipos de ligas de aço ajuda a identificar o material adequado para os projectos de conceção. Outros tipos de aço possuem caraterísticas diferentes, que afectam outras aplicações. As principais categorias de aço são o aço-carbono, o aço-liga, o aço inoxidável, o aço-ferramenta e o aço de baixa liga de alta resistência (HSLA).

Aço-carbono: Este é o tipo de aço mais simples e é aplicável em muitos sectores. A sua composição é maioritariamente de ferro e carbono, enquanto o seu teor de liga é baixo. Este aço apresenta variantes de carbono que vão de baixo a alto. O seu baixo teor de carbono e o seu aço de baixo carbono tornam-no facilmente aplicável. É crucial para os painéis automóveis. No entanto, a sua elevada dureza e resistência ao desgaste qualificam-no para molas e fios que requerem uma elevada resistência.

Liga de aço:

Elementos de liga como o crómio, o níquel e o molibdénio são adicionados ao aço-carbono para melhorar ou criar propriedades mecânicas específicas. A sua maior tenacidade, força e resistência ao desgaste e à corrosão tornam-no aplicável no fabrico de equipamento de produção de energia. É também essencial na indústria aeroespacial e na maquinaria pesada. Os projectistas escolhem frequentemente o aço-liga para aplicações que exigem um desempenho superior em condições extremas.

Aço inoxidável

O aço inoxidável é uma liga de ferro, com um mínimo de 10,5% de crómio em massa, o que lhe confere a sua caraterística de resistência à corrosão. Estas caraterísticas permitem ao aço proteger-se contra a corrosão e manter o seu aspeto. É um material popular para as indústrias médica, alimentar e arquitetónica. Os seus diferentes graus, 316 e 304, são únicos na oferta de resistência à corrosão. Além disso, variam em termos de facilidade de fabrico e resistência, oferecendo aos designers uma lista de materiais à escolha.

Aço para ferramentas

O aço-ferramenta é crucial para a produção de ferramentas e componentes de fabrico de moldes. O vanádio e o tungsténio são elementos da sua estrutura que o tornam duro e resistente. Assim, é eficaz contra a abrasão e a deformação. O aço ferramenta é essencial para a produção de peças de corte e de dispositivos e aparelhos de alta precisão.

Aço de baixa liga de alta resistência (HSLA)

Os aços HSLA oferecem uma maior resistência do que os aços ao carbono simples, permitindo a conceção de componentes mais leves para um determinado nível de durabilidade, ou componentes mais fortes com um peso semelhante. A sua relação resistência/peso é significativamente mais elevada em comparação com os aços-carbono normais. São particularmente adequados para situações em que o desempenho superior e a economia de peso são essenciais. As necessidades e as peças são objeto de correspondência em várias entidades de precisão para trabalhar em subgrades dos diferentes produtos de aço. Em que situações é que olhamos para além do aço como material de eleição?

Limitações do material de aço

Sensibilidade do peso

O aço tem propriedades pesadas e é, por isso, mais pesado do que o titânio e o alumínio. Sempre que o baixo peso é essencial para a usabilidade do produto, os materiais mais leves podem potencialmente aumentar a experiência e a produtividade do utilizador. A caixa do computador portátil contém peças-chave que a tornam mais leve e mais fiável em termos de dureza.

Desafios da corrosão

Os aços de carbono ou de liga comuns são mais susceptíveis à ferrugem e à deterioração quando expostos à água ou a produtos químicos. As peças de produtos em ambientes marinhos e quimicamente reactivos requerem materiais não ferrosos para um desempenho eficaz.

Considerações sobre os custos

A utilização de aço contendo elementos dispendiosos como o níquel ou o cobalto é financeiramente restritiva em muitas situações. A substituição por plásticos de engenharia, compósitos ou metais mais simples pode minimizar efetivamente as despesas de material e de produção.

Complexidade de fabrico

Os processos de transformação do aço são mais complexos do que os necessários para substâncias mais macias como os plásticos ou metais mais macios como o alumínio. A procura de maquinação mais complexa é dispendiosa e os custos ultrapassam o orçamento quando é necessária uma elevada precisão. Nestas circunstâncias, o alumínio ou os plásticos moldados por injeção tornam o fabrico mais simples e eficiente. Se as limitações forem detectadas atempadamente, os projectistas podem escolher materiais que proporcionem um bom desempenho a custos mais baixos.

Aço e processos de fabrico

O aço pode concretizar os desejos técnicos e estéticos do design de produtos devido à sua capacidade de resistir a vários processos de fabrico. O conhecimento destas abordagens permite aos designers selecionar materiais viáveis. Têm também de os combinar com o equipamento de fabrico disponível.

Fundição

O aço é vertido em moldes no processo de fundição. Este processo é fundamental para o fabrico de diferentes superfícies e é o melhor para peças substanciais. Os projectistas têm de ter em conta as taxas de contração e de arrefecimento. O objetivo é atingir a precisão dimensional.

Forjamento

No processo de forjamento, o material é submetido a deformação com alta pressão a uma temperatura elevada. Esta técnica permite que o material tenha a sua resistência aumentada e a sua estrutura de grãos modificada. Utiliza componentes que sofrem ou são adequados para uma elevada resistência, como eixos de automóveis e engrenagens para aterragem de aviões.

Maquinação

Para os componentes de aço de precisão, as rebarbadoras, as fresas efectivas e os diferentes tornos são padrão. Embora a maquinagem do aço possa demorar mais tempo e ser mais cara do que a de outros materiais, o processo é indispensável. O objetivo é obter tolerâncias e acabamentos de superfície finos para determinadas peças.

Soldadura

As estruturas de aço podem ser ligadas de forma fiável graças à facilidade de soldadura do material, conseguida principalmente através de soldadura MIG, TIG e arco. Uma vez que os componentes soldados são fortes e fiáveis, são essenciais nos estaleiros de construção. Além disso, são aplicáveis na construção naval, em peças e processos, e no fabrico de automóveis. Os projectistas devem identificar claramente os tipos de soldadura, tamanhos, localizações e outras especificações diretamente nos seus desenhos técnicos, utilizando símbolos de soldadura adequados.

Conformação de chapas metálicas

A pressão e as matrizes são essenciais para a transformação da forma. Os principais processos são o processo de corte, o processo de estampagem e a dobragem dos materiais. Este método é frequentemente utilizado para formar caixas, painéis e chassis. O fabrico eficaz exige que os designers incorporem os raios de curvatura, o desafio das ferramentas e o retorno elástico. A resistência do produto, a qualidade visual e a eficiência com que se aplica ao desempenho prático das peças são determinadas pela escolha de combinações de processos adequadas.

Opções de acabamento de superfície para aço

O acabamento da superfície dos componentes de aço contribui para a sua qualidade visual e melhora o seu desempenho. A aplicação de um acabamento adequado pode reforçar a resistência à corrosão.

Polimento e lustragem

O polimento mecânico confere ao aço uma superfície lisa e brilhante, adequada para a decoração de peças, tais como acessórios e electrodomésticos. O brilho das superfícies polidas é adequado através de um processo de polimento que se segue. Embora as superfícies polidas sejam atractivas, são propensas a mostrar impressões digitais e riscos. Assim, devem ser aplicadas em ambientes com um manuseamento mínimo ou proteção através de revestimentos.

Galvanização

Este processo envolve a aplicação de um revestimento de zinco ao aço para evitar a sua oxidação. A galvanização por imersão a quente é a escolha para infra-estruturas e construção devido à sua durabilidade e eficácia contra a ferrugem. Os projectistas devem avaliar a espessura e o acabamento da camada de zinco quando fazem especificações para peças galvanizadas.

Revestimento em pó

O revestimento a pó oferece resistência e beleza, uma vez que os acabamentos estão disponíveis numa vasta paleta de cores e texturas. Utilizando um processo de eletricidade estática e cura por calor, o revestimento a pó produz uma camada de superfície que resiste aos danos provocados por lascas, riscos e desbotamento. É adequado para o acabamento de produtos de consumo, peças automóveis e equipamento de exterior.

Óxido preto

O óxido preto é um revestimento de conversão química que produz uma superfície preta mate. Protege contra a ferrugem e é frequentemente aplicado em fixadores, ferramentas e armas de fogo. Embora não ofereça o mesmo nível de resistência à corrosão, continua a ser rentável para melhorar o aspeto de uma superfície e minimizar o brilho.

Tratamento térmico

Os projectistas recomendam frequentemente o tratamento térmico aços para utilização em ferramentas, peças de produção e aplicações estruturais. A passivação, um método de pós-tratamento, pode tornar-se necessária para uma maior proteção contra a corrosão. O acabamento adequado garante a existência de padrões funcionais, identidade da marca e exigências do utilizador. Por conseguinte, o calor continua a ser um elemento essencial no processo de passivação.

Um estudo de caso

Caixa de velocidades para automóveis

Um aspeto crítico do aço é a caixa da caixa de velocidades. Aço Os designers de uma empresa automóvel estão a produzir planos para a caixa de velocidades de um futuro veículo elétrico. A especificação do projeto exige que a peça seja suficientemente forte e durável para suportar cargas e binários substanciais. Depois de avaliar vários materiais, a equipa escolheu o aço de alta resistência e baixa liga (HSLA) aço. A escolha deve-se às suas propriedades de resistência ao peso e resistência à fadiga. O projetista decide utilizar a fundição para a fase de produção primária e realizar maquinação CNC crítica para reduzir os custos. Optam frequentemente por um revestimento em pó aço para uma melhor resistência à corrosão e consistência visual. A comunicação precoce leva a equipa de design a fazer as adaptações necessárias às espessuras das paredes e aos ângulos de inclinação para simplificar a fundição. O produto final é simultaneamente leve e altamente resistente ao stress. É amigo do ambiente e compatível com o sistema de transmissão do veículo, uma vez que contém componentes recicláveis.

Como os designers de produtos partilham informações de forma eficiente com os seus parceiros de fabrico

É fundamental uma comunicação eficaz entre os intervenientes na conceção dos produtos e os responsáveis pela produção.

1. Modelos CAD e desenhos técnicos

A tolerância está presente através de modelos CAD eficazes, das classes de materiais existentes e do acabamento superficial de precisão. Assim, os modelos são a principal forma de comunicação entre os projectistas e os fabricantes de aço; a clarificação de todos os pormenores é crucial. Fornecer aos fornecedores vistas pictóricas claras (tais como vistas isométricas ou ortográficas) e informações sobre secções transversais simplifica a sua compreensão das sequências de montagem e das interações das peças. Esta documentação exaustiva minimiza a possibilidade de mal-entendidos. A longo prazo, acelera o processo de desenvolvimento e garante que o produto é fabricado de acordo com as especificações.

2. Especificação do material

São necessárias consultas a nível mundial sobre normas práticas para os tipos de aço. As principais normas incluem a EN ISO e a ASTM, que variam consoante a localização geográfica. As redes de abastecimento mundiais necessitam de uma coerência uniforme para garantir a qualidade dos materiais e a entrega atempada.

3. Protótipos de circuitos de feedback

A utilização de protótipos em aço permite aos designers avaliar se um produto cumpre as normas de forma, ajuste e funcionalidade antes da produção total. A validação dos princípios de conceção pode ocorrer rapidamente através da aplicação da impressão 3D. Outros processos incluem a maquinagem CNC ou a utilização de peças existentes. A utilização contínua dos fabricantes durante este processo melhora a qualidade do projeto. A melhoria da qualidade é impulsionada pela deteção de falhas nas ferramentas, nas montagens e no design numa fase inicial. Este processo de colaboração ajuda a evitar a necessidade de alterações dispendiosas à medida que o processo de produção avança.

4. Debate sobre a tolerância

A capacidade de produção efectiva é alcançada através da discussão aberta das tolerâncias entre os projectistas e os especialistas de fabrico. A utilização de tolerâncias demasiado apertadas pode resultar numa produção mais dispendiosa. Além disso, pode resultar em mais desperdícios incríveis e em processos de maquinagem mais difíceis. O desempenho do produto pode ser afetado negativamente se as tolerâncias de fabrico forem demasiado amplas. Além disso, também pode facilitar a montagem. Uma combinação convincente de adaptação aos processos de produção e às especificações conduz a produtos da mais alta qualidade. Também conduz a produtos com maior viabilidade de fabrico.

5. Integração de processos

A colaboração precoce entre designers e engenheiros de produção ajuda a colmatar a lacuna entre o conceito e a viabilidade do processo de design. Podem determinar como os processos de produção podem gerir formas complexas. Também ajuda a determinar as abordagens de união adequadas ou as selecções de acabamento para o fabrico em grande escala. Além disso, esta colaboração permite aos engenheiros identificar e implementar as modificações de design necessárias para reduzir as despesas, tornando a montagem mais simples ou aumentando a resistência do produto. O objetivo é reduzir as despesas, tornar a montagem mais simples ou aumentar a resistência do produto. Esta colaboração garante que o produto final combina invenção e praticidade na produção.

6. Alinhamento terminológico

A utilização correta de palavras em aço é fundamental para os departamentos de conceção e fabrico. O pessoal deve ter um entendimento comum, o que ajudará nos acabamentos escovados. Além disso, isso estende-se à superfície nitretada e à condição recozida existente. Este alinhamento contribui para a uniformidade do produto. É também fundamental para diminuir as hipóteses de retificação dispendiosa ou de defeitos de qualidade.

Conclusão

A utilização do aço na conceção de produtos deve-se principalmente à sua forte adaptabilidade, resistência excecional e custo competitivo. Quando os designers conhecem a gama de ligas de aço, os produtos fiáveis passam por todo o processo de conceção. Este conhecimento também os ajuda a reconhecer as suas várias caraterísticas. Finalmente, permite aos projectistas utilizar técnicas de fabrico de aço com acabamentos de superfície adequados para satisfazer os requisitos do produto.

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