10 de agosto de 2009
Monobloco de 180 kg comprova que uso de materiais leves, como o alumínio, é financeiramente viável para fabricação em larga escala. Produção pode chegar a mil unidades por dia.

Mirian Blanco |

Um monobloco de 180 kg, com performance equivalente ao do Golf-V (da Volkswagen), mas 101 kg mais leve, poderá ser aplicado à produção em série de carros compactos a partir de 2010. A conquista é do SuperLIGHT-Car (SLC), um projeto colaborativo de pesquisa e desenvolvimento entre 38 organizações líderes de nove países europeus, que tem como princípio a chamada filosofia multi-material: que aproveita o melhor de cada matéria-prima para a fabricação mais adequada das peças em termos de redução de peso e de custos. O conjunto estrutural do veículo (que abrange capôs, portas, parachoques, paralamas e painéis internos), em inglês chamado deBody-In-White – BIW, foi escolhido para foco do estudo por ser a parte mais pesada de um carro convencional, representando de 25 a 30% de seu peso total.

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O engenheiro da Hydro Jürgen Hirsch, membro do comitê executivo do SLC e responsável pela aplicação de alumínio e magnésio no projeto, explica que o principal objetivo da pesquisa foi avaliar e, eventualmente, demonstrar as possibilidades comerciais (desenvolvidas recentemente ou já existentes) de materiais leves. Para isso, os pesquisadores objetivaram economizar de cinco a dez euros para cada quilo reduzido no monobloco. E conseguiram. No desenvolvimento do SLC BIW, cada quilo abatido da estrutura consumiu investimentos de 7,8 euros, o equivalente a cerca de 21,30 reais.

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Em comparação com o ciclo de produção do Golf V, o resultado é considerado acessível à produção de larga escala. Mas, segundo o engenheiro, uma solução econômica completa deveria requerer uma redução do custo adicional de cinco euros (cerca de 13,65 reais) por cada quilo a menos no chassi. “No futuro, pesquisas com base nos dados do SLC poderão chegar a novos resultados para superar esse desafio econômico”, diz Hirsch.

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Na conta do custo x peso do monobloco super leve, o alumínio respondeu por 53% (ou 96 kg) da massa e colaborou para uma economia financeira importante. “Não desenhamos um conceito totalmente feito em alumínio, mas o custo material do alumínio (e do magnésio) representa um passo extra na economia de peso de menos 1€/kg”, diz Hirsch. “Apesar de a performance de peso leve estar relacionada a uma produção de alto custo, a performance dos subconjuntos deve ser analisada em detalhes porque algumas das partes desenvolvidas oferecem uma redução de peso de 50% sem qualquer custo adicional”, explica.

Por isso, engenheiros concluíram que o conceito de multi-material em produções de larga escala, unindo Al a aços de alta resistência, magnésio e plásticos ou compósitos, é uma alternativa aos projetos 100% alumínio dos carros de luxo. Simulações feitas para desenvolvimento do monobloco demonstraram que a substituição de peças convencionais em aço por alumínio traria uma redução do peso da estrutura pela metade, mas com o dobro de custos. No entanto, Hirsch afirma que se houver integração (por meio de peças extrudadas ou conformadas a quente), é possível atingir um custo total menor. De qualquer modo, a esmagadora proporção do uso do alumínio, superior a 50% do peso do monobloco, demonstra que o metal é uma matéria-prima estratégica para reduzir a massa dos veículos e viabilizar o projeto.

O alumínio no SLC
O maior volume de componentes em alumínio no SLC é peças fundidas, tal como blocos de motores, cabeçotes de cilindros e partes especiais do chassi. À exceção do capô (em Magnésio-AZ31), todos os painéis e fechamentos do monobloco SLC foram produzidos com chapas de alumínio, de novas ligas 5xxx e 6xxx. Hirsch explica a escolha: “Sendo o alumínio um metal de fácil modelagem e a nova chapa 6xxx apresentando uma pintura adequada para suportar a deformação plástica induzida termicamente, os custos de produção tornaram-se baixos e as soluções muito mais fáceis de serem aplicadas para produção de larga escala”. O tamanho dos painéis foi definido por meio de uma simulação da modelagem da peça, que também serviu para otimizar o design e evitar falhas diversas.

Outra novidade foi a aplicação de solda a laser TWB (Tailor Weld Blanks), utilizada para aplicações automotivas em aço, mas facilmente aplicável ao alumínio. Antes do SLC, apenas a parte traseira da roda do Lamborghini Gallardo havia se valido da tecnologia. Agora, o projeto do SLC provou que o alumínio TWB – como chamam os engenheiros envolvidos – também pode ser aplicado em produtos de larga escala para partes com geometrias profundas. No monobloco, as chapas de aço TWB, usadas para a fabricação da parte interna das portas, foram aplicadas junto a painéis externos de alumínio. A solda, feita em duas etapas, permitiu aos técnicos atingir uma profundidade de 140 mm sem qualquer tipo de quebra, ou seja, num desenho contínuo da costura. O resultado é uma perfeita estampagem.

O projeto do componente guarda mais características especiais. A chapa das portas foi produzida com novas ligas da série 7xxx de alta resistência mecânica. “Queríamos determinar o potencial para a economia de peso ao substituir o aço no pilar-B [parte interior da porta] do Golf-V para uma simulação de impacto lateral”, conta Hirsch. A liga escolhida foi a 7081 com resistência de cerca de 600 MPa na condição envelhecida artificialmente. O componente de alumínio, 2,4 kg mais leve em comparação a um semelhante em aço, representou uma economia de peso de cerca de 40%.

O metal não ferroso também é usado como perfis extrudados nos componentes de colisão da estrutura frontal, nos parachoques, peças extrudadas e na roda, fundida sob alta pressão. Nas aplicações estruturais também foram introduzidas as novas ligas 7xxx (de alta resistência) e 6xxx (de média resistência). Para assegurar que os novos materiais aplicados apresentavam a mesma performance do modelo Golf-V, foram realizadas simulações dos componentes de colisão. O impacto frontal demonstrou boa profundidade da intrusão para todos os pontos de mensuração, formato característico da curva de desaceleração similar à referência, torção do assento menor e excelente integridade da área do passageiro e gerenciamento da estrutura de energia frontal similares à referência.

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Extrudados de alumínio – componentes de colisão da estrutura frontal e dos parachoques

Apesar das ligas especiais, como a produção em massa pressupõe tempo de desenvolvimento reduzido, as principais ligas de alumínio para chapas automotivas são as não tratáveis termicamente Al-Mg (série 5xxx) e as tratáveis termicamente Al-Mg-Si (série 6xxx), explica Hirsch. De acordo com ele, as Al-Mg otimizam a resistência à corrosão e a dureza, sendo ideal para uso em componentes do chassis. Já as ligas Al-Mg-Si são indicadas para aplicação em painéis de fechamento, pois apresentam boa formabilidade e adequado acabamento superficial.

O estudo do SLC demonstrou – e publicou, em folder especial – que o alumínio, devido ao seu baixo peso, boa formabilidade e resistência à corrosão, é o material ideal (e, portanto, escolhido) para diversas aplicações automotivas, como chassis e componentes estruturais. Com base nesse projeto, estima-se, para um futuro próximo, aumento do consumo do alumínio pela indústria automobilística para atender às demandas econômicas e ambientais do setor. “A prova final do conceito e da viabilidade comercial do projeto é o sucesso de mercado da produção em massa de um veículo leve – quem sabe desenhado com base nos resultados do SLC. Esperamos que as soluções em alumínio tenham um papel importante nessa conquista”, completa Jürgen Hirsch.

Brasagem a laser e outras tecnologias.

Para unir metais ferrosos à não ferrosos, a solda convencional é considerada de baixa qualidade. No projeto do SLC, as conhecidas fixação mecânica e adesivagem deram lugar a uma nova e recém desenvolvida tecnologia de união: a brasagem a laser.

O princípio básico do processo é o equilíbrio entre o foco e o poder do laser de forma que a chapa de alumínio se funda suavemente a superfície do aço, resultando numa junção perfeita. Quando realizada corretamente, a união entre os painéis de aço e de alumínio apresenta uma fina camada de fusão que não danifica as propriedades mecânicas e nem compromete a conformação.

As técnicas de união do SLC são, de fato, um case à parte no projeto, que também contou com as seguintes tecnologias: Arc Welding (Metal Active Gas), MIG Brazing (Metal Inert Gas), Resistance Spot Welding (RSW), Cold Metal Transfer (CMT), Self Piercing Rivets (SPR), POP Rivets (Aluminium), Flow Drill Screws (FDS) e Friction Stir Spot Welding (FFSW). Além dos adesivos Epoxy e Polyur.

Estrutura super leve poderá equipar carros compactos

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