10 de agosto de 2009
Em colisões, espumas metálicas com alumínio desempenham satisfatória absorção de energia

Eduardo Cardoso, eduardo.cardoso@unilasalle.edu.br
Branca Freitas de Oliveira, branca@ufrgs.br
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil.

As espumas metálicas vêm se mostrando fortes aliadas na construção de estruturas cada vez mais leves e resistentes, gerando economia com manutenção de desempenho. Atualmente ainda existe carência de estudos computacionais tratando da caracterização e de aplicações para estes materiais. Como contribuição a essa difusão do conhecimento, tanto na área acadêmica quanto industrial, apresentamos a seguir as principais conclusões de um trabalho que relacionou, pelo método dos elementos finitos, o design automotivo, a seleção de materiais e a simulação computacional através de software para modelagem e análise do comportamento estrutural com o emprego da espuma metálica no modelo do estudo de caso – chassi do veículo Sabiá 5 – UEMG (Figura 1), quando submetido ao crash test (teste de colisão) virtual. Em outras palavras, foi comparada e simulada a aplicação da espuma metálica com outros materiais.

Figura 1: Veículo Sabiá 5. Fonte: Botelho (2003)
Figura 1: Veículo Sabiá 5. Fonte: Botelho (2003)

 

Figura 2: Espuma de alumínio com célula aberta (DUOCEL®). Fonte: Oliveira (2007)
Figura 2: Espuma de alumínio com célula aberta (DUOCEL®). Fonte: Oliveira (2007)

Segundo Oliveira (2007), os metais celulares são uma nova, e ainda não perfeitamente caracterizada, classe de materiais. Entende-se por metal celular (Figura 2) o material composto por uma matriz metálica com vazios em seu interior, chamados de poros ou células. A estrutura em células determina o comportamento destes materiais que exibem comportamento mecânico e propriedades físicas que diferem muito dos materiais ditos sólidos. Para Banhart (2002), apresentam combinações interessantes de propriedades físicas e mecânicas, como alta rigidez combinada a peso específico muito baixo.

Aplicações na indústria automotiva
Com relação à aplicabilidade dos materiais celulares, a indústria automotiva tem se mostrado como um dos campos mais promissores para a utilização e viabilização de seu custo por meio da produção em massa para um grande mercado. A crescente demanda por segurança no setor automotivo impulsionou a busca por veículos mais resistentes e ao mesmo tempo mais leves. De acordo com Banhart (2000), as espumas metálicas oferecem a possibilidade de solução para alguns destes problemas. Uma aplicação ideal seria quando um mesmo componente, com peso reduzido, capaz de absorver energia em caso de impacto também é isolante de som e/ou calor. Tem-se assim, como potenciais aplicações das espumas metálicas na indústria automotiva (Figura 3) em painéis sanduíches, reforços estruturais, elementos absorvedores de impacto, amortecimento de vibrações etc.

Figura 3: Aplicação de espumas metálicas no design automotivo. Fonte: ALUSION (2008)
Figura 3: Aplicação de espumas metálicas no design automotivo. Fonte: ALUSION (2008)

 

Teste de colisão virtual
Segundo Bertocchi (2005), durante uma colisão veicular, toda a energia cinética tem que ser dissipada de alguma forma até que os corpos (veículo e ocupantes) cheguem à condição de repouso. No caso do veículo, a energia será dissipada através da deformação de sua estrutura e de seu deslocamento. No caso dos ocupantes do veículo, a energia será dissipada através do seu amortecimento pelos componentes do interior do habitáculo. O risco para os ocupantes de um veículo em caso de impacto está diretamente associado com o como e o quão rápido eles perdem a sua velocidade presente no momento da colisão.

Para realização do crash test virtual, a geometria do estudo de caso foi impulsionada contra uma barreira rígida a uma velocidade de 50km/h, a partir dos testes dinâmicos realizados anteriormente, de três diferentes formas: maciça em alumínio AA 8011, maciça em espuma metálica de alumínio(1.0-HYMFM_ALHD007)e com painel sanduíche composta por laterais de 1mm e barras de ligação de 32mm em alumínio e preenchimento de 12mm em espuma metálica., igualmente em alumínio.

Figura 4: Dissipação plástica no sistema para o modelo em seus três tipos de composição de materiais. Fonte: Gerado em parceria com Smarttech – SP (2009)
Figura 4: Dissipação plástica no sistema para o modelo em seus três tipos de composição de materiais. Fonte: Gerado em parceria com Smarttech – SP (2009)

A figura 4 mostra a distribuição da deformação plástica equivalente para o modelo nas três diferentes composições de materiais. O modelo de composição tipo sanduíche uniu as propriedades dos dois materiais (alumínio e espuma metálica) resultando em um conjunto mais rígido, com menor deformação, porém com melhor absorção da energia do impacto do que o modelo em alumínio maciço. Já o modelo todo em espuma metálica foi o que sofreu maior deformação plástica, porém o que desacelerou mais lentamente. Ou seja, com o crash test, fica evidente o comportamento da espuma metálica como bom absorvedor da energia de impacto, sendo o material que desacelera mais lentamente e conseqüentemente o que tem maior dissipação plástica (deformação), transferindo para o material maior parte da energia do impacto e não para o ocupante do veículo. matriz metálica.

Figura 5: Energia cinética no sistema para o modelo em seus três tipos de composição de materiais. Fonte: Gerado em parceria com Smarttech – SP (2009)
Figura 5: Energia cinética no sistema para o modelo em seus três tipos de composição de materiais. Fonte: Gerado em parceria com Smarttech – SP (2009)

Tomando como exemplo as colisões frontais, pode-se dizer que veículos com baixa rigidez em sua região frontal deformarão mais rapidamente, diminuindo, portanto, o tempo que os ocupantes possuem para chegar ao repouso. Como visto, pode-se afirmar que a boa proteção dos ocupantes durante o impacto depende principalmente de três fatores: uma conversão eficiente da energia cinética em trabalho de deformação; baixos níveis de desaceleração para o ocupante e manutenção da integridade do habitáculo. De acordo com os testes realizados, segundo estes critérios, a espuma metálica apresenta bom comportamento para atender aos dois primeiros fatores, assim auxiliando muito para atender ao terceiro também.


Referências Bibliográficas

ALUSION METAL FOAMS. In: Alusion, 2008. (http://www.alusion.com/product.html)
BANHART , John. Manufacturing Routes for Metallic Foams. Bremen, Alemanha, 2000.
BANHART , John. On the road: metal foams find favor. Physics Today, Bremen, Alemanha, 2002.
BERTOCCHI, M. Segurança Veicular. Skill Ed., Curitiba, Paraná, 2005.
BOTELHO, R. D., Eco-Design e Seleção de Materiais como Ferramentas para o Transportation Design – Estudo de Processos. Dissertação de Mestrado. REDEMAT – Rede Temática em Engenharia de Materiais, Minas Gerais, 2003
OLIVEIRA, B. F.; CUNDA, L. A. B.; ÖCHSNER, A., CREUS, G. J. Comparison between RVE and Full Mesh Approaches for the Simulation of Compression Tests on Cellular Metals. In: ACE-X – 2007 Advanced Computational Engineering and Experimenting, Algarve 2007.

Estudo do emprego da espuma metálica no design automotivo

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