30 de novembro de 2015
O aperfeiçoamento e o desenvolvimento de técnicas de união permitem mais alumínio nos automóveis.

Marcio Ishikawa |

Um automóvel compacto pode ter nada menos que três mil peças. E esse número pode chegar a mais de seis mil nos modelos de luxo, mais complexos. Essas milhares de peças juntam-se para formar os vários sistemas e conjuntos presentes em um veículo, cada um com sua função específica, mas todos com uma coisa em comum: necessitam de técnicas de união adequadas e precisas. “Individualmente, as peças ou sistemas não são nada, não têm uma utilidade em si mesma”, explica Francisco Satkunas, conselheiro da SAE Brasil, deixando claro que os processos de união são tecnologias-chave para a indústria automobilística. “Todas elas precisam ser colocadas juntas para ter uma finalidade. Essa união é fundamental para que todos os sistemas funcionem corretamente, propiciando a devida harmonia do conjunto. Se a união entre os componentes não for correta, certamente você terá problemas de funcionamento, desgaste prematuro ou de segurança.”

A regulamentação das emissões de poluentes pelos automóveis exigiu que os fabricantes buscassem soluções para atender os limites cada vez mais rígidos. E o uso do alumínio foi uma das que apresentou melhores resultados, já que permite uma extraordinária redução no peso de um veículo, melhorando a eficiência energética e, por consequência, a redução das emissões de poluentes. O melhor exemplo é o da nova geração da Ford F-150, lançada em 2014, que adota carroceria integral de alumínio. É o primeiro veículo de grande escala de produção a adotar o uso intensivo de alumínio. Com ele, a redução do peso total da picape, que é o carro mais vendido no mercado norte-americano há décadas, atingiu nada menos que 350 quilos. “Os benefícios da redução de peso com o uso do alumínio não se restringem apenas ao seu peso comparado com o aço”, explica Satkunas. “Com um carro mais leve, você pode reduzir a cilindrada do motor sem prejudicar o desempenho, adotar amortecedores e molas com uma carga menor e assim por diante, há incontáveis outros benefícios.”

Se, como vimos, os benefícios são muitos, por outro lado os desafios para a sua utilização foram igualmente numerosos no que diz respeito às técnicas de união. Por exemplo, a soldagem convencional aplicada no aço não pode ser diretamente aplicada no alumínio. “Além de ser mais leve, o alumínio tem ponto de fusão mais baixo e, dependendo da liga, menor resistência mecânica. Então, em um eventual processo de solda, é necessário estabelecer novos parâmetros e técnicas”, comenta o Prof. Dr. Alexandre Bracarense, líder do grupo de pesquisa de soldagem da UFMG. “Na soldagem por fricção linear, por exemplo, os materiais são colocados em contato, sob alta pressão, e o atrito decorrente do movimento contínuo de uma ferramenta gera altas temperaturas” explica o pesquisador. O resultado é uma ligação metálica estável entre os dois componentes. Essa e outras novas técnicas permitem que a indústria automobilística explore soluções mais eficientes, unindo ligas de alumínio e o alumínio com outros materiais, como mostram desenvolvimentos da Honda e GM.

Uma das mais recentes técnicas de união foi desenvolvida pela Universidade de Ohio, nos Estados Unidos, após 10 anos de pesquisa, e parece bastante promissora para a indústria automobilística. No método, chamado de VFA (Vaporized Foil Actuator, em inglês), um capacitor de alta voltagem cria pulsos elétricos curtos que passam através de uma fina folha de alumínio. Em milésimos de segundo, a folha vaporiza e a explosão do gás quente (passando entre as partes a serem soldadas com velocidades próximas de milhares de milhas por hora) propicia a união dessas peças. Os engenheiros conseguiram unir diferentes combinações de alumínio, cobre, magnésio, aço, ferro, níquel e titânio. Como as partes não fundem, não há o enfraquecimento da estrutura metalúrgica – é o impacto direto que faz os átomos de um metal se unirem aos de outro. “Os materiais utilizados na indústria apresentaram uma evolução notável nos últimos tempos e tem ficado cada vez mais resistentes. Mas, por outro lado, as soldas nem tanto”, diz Glenn Daehn, professor de engenharia e ciência dos materiais, um dos responsáveis pelo desenvolvimento da nova técnica. “Com o método que desenvolvemos, os materiais são unidos de uma única vez e, como resultado, ficam ainda mais resistentes”. A técnica é de baixo consumo energético, porque os pulsos elétricos são tão curtos e a energia necessária para vaporizar a folha é menor do que a necessária para fundir as partes de metal. Assim, além de consumir cerca de 80% menos energia que a soldagem a ponto por resistência – amplamente utilizada pelo setor automotivo – , o VFA é potente o suficiente para executar a união de metais ao mesmo tempo em que as peças estão sendo moldadas, eliminando etapas de manufatura.

União de aço e alumínio. Micrografia evidenciando a região de solda obtida pela nova técnica VFA (Vaporized Foil Actuator, em inglês).

Imagem por Glenn Daehn, cortesia da The Ohio State University.

Diagrama da VFA, promissora técnica de união de metais desenvolvida pela Universidade de Ohio, nos Estados Unidos.

Imagem por Glenn Daehn, cortesia da The Ohio State University.

Folha de alumínio com 7" de comprimento e adesivo de poliamida cobrindo a região central para isolar eletricamente o metal condutor do conjunto VFA.

Imagem por Glenn Daehn, cortesia da The Ohio State University.

A Audi foi pioneira na utilização maciça do alumínio nos automóveis, na década de 1990. Evidentemente isso demandou muito investimento e desenvolvimento. “O Audi A8 foi o primeiro carro de série a utilizar 100% de alumínio”, recorda Lothar Werninghaus, consultor técnico da Audi Brasil, sobre aquele que é a grande referência de aplicação de alumínio na indústria automobilística. “Entre o início do projeto e o lançamento do carro foram mais de dez anos de estudos”. O sedan foi mostrado no Salão de Frankfurt de 1993 ainda como um carro conceito, chamado de ASF – Aluminum Space Frame. O lançamento oficial da versão de produção aconteceu no ano seguinte, durante o Salão de Genebra. Atualmente, a presença de alumínio nos diversos modelos da marca é alta e são utilizadas diferentes técnicas de união de alumínio na produção, incluindo união mecânica, térmica e por colagem. Esta última, por sinal, foi um verdadeiro marco. “Foi a união por colagem que levou ao uso intensivo do alumínio nos automóveis”, explica Werninghaus. Essa técnica, na produção de automóveis, não é aplicada com propósitos estruturais, mas várias fabricantes a utilizam para a montagem da carroceria, muitas vezes em combinação com técnicas mecânicas ou de solda. E o seu uso exigiu um aperfeiçoamento dos adesivos, pois era mandatório que eles secassem rapidamente. “Um avião pode ficar esperando que a cola seque por um dia, mas isso é absolutamente inviável para um automóvel no meio da linha de montagem”, compara Satkunas.

Manual de união

O The Aluminium Automotive Manual, documento eletrônico da European Aluminium Association que traz informações técnicas sobre projetos, processos, e aplicações do alumínio em cada componente e sistema automotivo, foi publicado pela primeira vez em 2002. Seu conteúdo é periodicamente atualizado e, na edição de 2015, foi a vez do capítulo sobre a união do alumínio ser revisado e ampliado, com a colaboração da Aluminium Association. Atualmente, métodos de junção modernos e de alta eficiência estão disponíveis para o alumínio, cuja integração de componentes demandou a adaptação de processos preexistentes ou, em muitos casos, o desenvolvimento de novas técnicas para união de partes de alumínio e também de alumínio com outros materiais.

Soldagem a laser

Fonte: Alusuisse (EAA/AAM)

Soldagem por resistência

Fonte: Elektron/ Kuka Systems (EAA/AAM)

Soldagem por brasagem

Fonte: EAA/AAM

Soldagem no estado sólido

Fonte: Mazda (EAA/AAM)

União mecânica

Fonte: Audi (EAA/AAM)

União por colagem

Fonte: EAA/AAM

Técnicas de união híbridas

Fonte: EAA/AAM

União de materiais dissimilares

Fonte: voestalpine Europlatinen (EAA/AAM)

Na apresentação de cada uma são mostradas as peculiaridades e os respectivos pré-requisitos de sua utilização, além de indicações de aplicação e possíveis problemas e os procedimentos para evitá-los.

Apesar de não ter o propósito de servir como um guia para projetos de engenharia automotiva, o manual traz conteúdos relevantes para a seleção adequada dos processos de junção, auxiliando no desenvolvimento de soluções eficientes em alumínio. Muitas das práticas descritas já são consagradas, mas outras ainda estão sendo consolidadas ou em fase de qualificação. A busca pelo aperfeiçoamento das tecnologias de união e os investimentos visando melhor qualidade e redução de custos é incessante, somando esforços das montadoras, fabricantes de equipamentos, meio acadêmico e da própria indústria do alumínio. Ainda há muito terreno em que as técnicas de união do alumínio podem evoluir e, assim, ampliar ainda mais o uso desse material.

A chave para o uso intensivo
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