7 de outubro de 2008
Uma aplicação industrial integrando ciência dos materiais, desenvolvimento do produto e processos de fabricação
Carlos. C. Engler-Pinto Jr.
Carlos. C. Engler-Pinto Jr.

Carlos. C. Engler-Pinto Jr.
Em colaboração com John V. Lasecki, Mei Li, Xuming Su e John E. Allison Ford Research & Advanced Engineering, Ford Motor Company, Dearborn, MI, USA

A indústria automobilística confronta-se atualmente com exigências cada vez mais estritas em relação ao custo e tempo de desenvolvimento e fabricação de diversos componentes. Um bom exemplo desta tendência apresenta-se no desenvolvimento e fabricação de cabeçotes e blocos de motores em ligas de alumínio fundido. Devido à alta competitividade em termos de desempenho e custo, assim como a regulamentação de emissões no setor, a temperatura de funcionamento dos motores vem aumentando a cada ano; isso faz com que as ligas de alumínio utilizadas na fabricação destes componentes sejam utilizadas no limite de suas capacidades.

Para auxiliar os engenheiros nesta difícil tarefa, a utilização de métodos computacionais para a simulação das diversas fases do processo, desde a concepção até a fabricação dos componentes, tem assumido um papel cada vez mais importante. Para que estes métodos computacionais sejam efetivos, é necessário que sejam baseados em modelos robustos que representem o comportamento dos materiais utilizados, incluindo o efeito dos processos de fabricação.

Este artigo descreve de maneira sucinta um conjunto de métodos computacionais desenvolvido no Laboratório de Pesquisas e Engenharia Avançada da Ford nos Estados Unidos, denominado “Virtual Aluminum Castings”(VAC) – Fundição Virtual em Ligas de Alumínio. Esta abordagem inédita no setor automobilístico demonstra a viabilidade e os benefícios de uma corrente relativamente recente na área de engenharia de materiais, conhecida em inglês como “Integrated Computational Materials Engineering” (ICME).

Introdução

Virtual Aluminum Castings (denominado simplesmente VAC daqui para a frente) é um conjunto de módulos computacionais desenvolvidos pelo Laboratório de Pesquisas e Engenharia Avançada da Ford Motor Company nos Estados Unidos, em colaboração com diversas universidades ao redor do globo. Esta ferramenta revolucionária integra o projeto do componente e a seleção dos processos de fabricação em um sistema de análise virtual, visando a otimização simultânea das propriedades do material, dos processos de fundição e do tratamento térmico, assim como da geometria do componente durante as primeiras fases de desenvolvimento do produto.

VAC foi especialmente concebido para o desenvolvimento de cabeçotes e blocos de motores fabricados em ligas de alumínio fundido; é baseado em modelos avançados de materiais que fazem a ligação entre os principais fatores que afetam as propriedades finais, desde a escala atômica e nanoestrutural até a escala do componente propriamente dito. A partir da utilização do VAC, blocos e cabeçotes “virtuais” podem ser concebidos, fabricados, submetidos a tratamentos térmicos, e ter a durabilidade à fadiga avaliada em um computador, muito antes que estes componentes sejam de fato fabricados. VAC foi adotado e implementado com sucesso pela Ford Powertrain nos Estados Unidos, reduzindo significativamente o custo, o tempo de desenvolvimento e o peso final dos motores Ford.


Utilizando a metodologia ICME

Integrated Computational Materials Engineering (ICME) é uma metodologia recente na área de engenharia de materiais que enfatiza a utilização de modelos matemáticos que fazem a ligação entre as propriedades do material e o desempenho do produto. A ênfase é no estudo dos materiais, em particular na compreensão do efeito dos processos de fabricação na formação das diferentes características microestruturais presentes no material, e como essa microestrutura afeta as propriedades do material.

Figura 1: Fluxograma da metodologia utilizada pelo sistema Virtual Aluminum Castings.
Figura 1: Fluxograma da metodologia utilizada pelo sistema Virtual Aluminum Castings.


VAC constitui um exemplo prático de aplicação dos princípios acima em escala industrial. O objetivo principal do VAC é a redução significativa do tempo necessário para desenvolver e otimizar novos componentes em alumínio fundido, assim como a seleção dos processos de fundição e de tratamento térmico mais adequados para estes componentes. Este objetivo é alcançado por meio do desenvolvimento e validação de modelos computacionais que podem ser classificados em quatro grupos interdependentes.

  • a simulação precisa da distribuição de temperaturas no componente em função do tempo durante os processos de fundição e de tratamento térmico;
  • a simulação da evolução da microestrutura do material em diferentes partes do componente durante estes processos de fabricação (ou seja, a distribuição da microestrutura);
  • a simulação da distribuição de propriedades mecânicas que resultam desta distribuição de microestrutura; e
  • a integração entre as propriedades preditas acima com modelos constitutivos e modelos de dano, que são utilizados em modelos de elementos finitos para a simulação da durabilidade destes componentes do motor.

Modelos específicos foram desenvolvidos nas quatro áreas acima citadas e integrados em pacotes desoftware comerciais, mais especificamente nos programas MagmaSoft™ e ProCast™ (simulação dos processos de fundição e tratamento térmico), e ABAQUS™ (simulação de tensões, deformações e durabilidade). A utilização de programas comerciais foi uma decisão importante para o sucesso da implementação do VAC no seio da Ford Powertrain, minimizando o tempo de treinamento necessário para os usuários dos modelos desenvolvidos.

Para assegurar a eficiência computacional dos modelos desenvolvidos, é importante identificar e modelar apenas os processos metalúrgicos críticos que possibilitem a obtenção dos objetivos desejados. As principais propriedades dos componentes e ligas de alumínio investigadas são a resistência à fadiga de alto ciclo e baixo ciclo, a tensão limite de escoamento, e a expansão volumétrica devido à transformação de fases.

A modelagem da microestrutura somente é possível por meio de uma modelagem precisa dos processos de transformação de fases e de precipitação que ocorrem durante a solidificação do material, assim como do tratamento térmico. A elaboração destes modelos não é tarefa trivial, pois envolve fenômenos metalúrgicos que ocorrem em diferentes escalas de dimensão, conforme ilustrado na figura abaixo.

Figura 2: Esquema demonstrando a influência de fatores em diferentes escalas nas propriedades de ligas de alumínio.
Figura 2: Esquema demonstrando a influência de fatores em diferentes escalas nas propriedades de ligas de alumínio.


Os processos de difusão de elementos em solução e a precipitação da fase endurecedora, por exemplo, são fenômenos que ocorrem em escala atomística e nanoestrutural, mas que influenciam propriedades macroscópicas do material, tais como a tensão limite de escoamento e expansão volumétrica. Como outro exemplo, a nucleação e crescimento de microporosidade, que ocorrem em escala microestrutural durante a solidificação do material, constituem o principal fator que influencia a resistência à fadiga do material.
Para detalhes sobre diferentes módulos que foram desenvolvidos e incorporados em VAC, clique aqui.


Exemplos de aplicação dos modelos implementados em VAC

O processo tradicional de desenvolvimento do produto na indústria automobilística ocorre de acordo com a seqüência projetar → fabricar → testar → reprojetar → refabricar → retestar →…, que é repetida até a obtenção de um produto satisfatório. Essa repetição pode, obviamente, tornar-se excessivamente onerosa. O conjunto de módulos incluídos em VAC permite ao engenheiro explorar virtualmente diferentes processos de fundição e tratamentos térmicos e, conseqüentemente, selecionar a forma mais econômica para produzir o componente com as propriedades desejadas.

Figura 6: Utilização de VAC para seleção do processo de fundição ( processos “A” e “B”) em função da distribuição do limite de escoamento do material
Figura 6: Utilização de VAC para seleção do processo de fundição ( processos “A” e “B”) em função da distribuição do limite de escoamento do material

Um exemplo real desta capacidade encontra-se na seleção do processo de fundição de um dos cabeçotes produzido pela Ford nos Estados Unidos. Utilizando VAC, dois processos de fundição “A” e “B” foram avaliados; a Figura ao lado mostra a distribuição do limite de resistência à fadiga para estes dois processos de fundição. Nota-se que a resistência à fadiga na região da câmara de combustão (que é a região crítica para durabilidade) é significativamente mais elevada para o processo “A”, que neste caso também é o processo mais barato.

O conjunto de módulos incluídos em VAC permite ao engenheiro explorar virtualmente diferentes processos de fundição e tratamentos térmicos e, conseqüentemente, selecionar a forma mais econômica para produzir o componente com as propriedades desejadas

Além do mapeamento da resistência à fadiga, VAC também foi utilizado para determinar a distribuição do limite de escoamento e das tensões residuais para cada um destes processos de fundição; uma análise detalhada das regiões críticas do cabeçote revelou que o processo “A” era de fato o mais indicado para este componente (apesar do processo “B” ser tecnologicamente mais avançado e mais caro, neste caso não era o mais viável por não produzir as propriedades necessárias nas regiões mais críticas).

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Figura 7: Utilização de VAC para seleçao do tratamento térmico em função da distribuição da tensão limite de escoamento (seta ndica região crítica)

VAC também fornece ferramentas valiosas para a otimização do tratamento térmico. Um exemplo hipotético seria a utilização do módulo computacionalLocalYS (que calcula a tensão limite de escoamento para cada ponto de um bloco ou cabeçote produzido a partir de ligas de alumínio fundido)para a avaliação e seleção do tratamento térmico para um bloco de motor. Neste exemplo, assume-se que a especificação de projeto requeira um limite de escoamento de 220 MPa na região crítica indicada pelas setas na imagem em destaque.
O tratamento térmico de precipitação “A” consiste de 5 horas a 240°C, resultando em um limite de escoamento de 210 MPa na região crítica; como alternativa, o tratamento térmico “B” (3 horas a 250°C) produz o limite de escoamento de 220 MPa requerido pelo projeto. Deste modo, por meio da utilização de VAC, seria possível reduzir o tempo total de fabricação de 2 horas e ainda melhorar as propriedades do bloco de motor sem a necessidade da realização de ensaios.

Otimização do projeto

Outro benefício importante decorrente da utilização de VAC é a oportunidade para a otimização do projeto graças à melhoria nas previsões durabilidade em fadiga. Dois módulos em particular desempenham um papel crucial nessa otimização, a simulação da distribuição de resistência à fadiga (LocalFS) e de tensões residuais (QuenchStress).
De fato, nota-se pela Figura 6 que a resistência à fadiga em um cabeçote de motor pode variar entre 30-40% dependendo da região analisada; a utilização de um limite à resistência único para todo o cabeçote levaria ao superdimensionamento de algumas regiões menos críticas e/ou subdimensionamento de outras regiões mais críticas. A utilização de LocalFS (que prevê a distribuição do limite de resistência à fadiga em cada ponto do componente), portanto, permite uma simulação muito mais robusta da durabilidade do componente, resultando em um componente corretamente dimensionado e também mais leve, o que é essencial para redução do consumo e emissões dos motores.
As tensões residuais também exercem um papel fundamental na determinação da durabilidade em fadiga, já que modificam a tensão média aplicada em cada região. No entanto, devido às dificuldades de modelagem das tensões residuais e de implementação no processo de simulação por elementos finitos, as tensões residuais são geralmente excluídas da análise de durabilidade. A imagem destacada ilustra a aplicação da simulação de tensões residuais na durabilidade em fadiga de um cabeçote hipotético.

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Figura 8: A integração de diferentes módulos em VAC para a previsão de durabilidade em fadiga de alto ciclo.

Neste caso, a simulação indica uma vida em fadiga de 8,3×107 ciclos na região mais crítica sem a utilização das tensões residuais, enquanto que a utilização das tensões residuais resulta em uma previsão de vida em fadiga de apenas 1,1×106 ciclos. Levando-se em consideração que o critério de aprovação do projeto seja uma previsão de vida superior a 107 ciclos, a exclusão das tensões residuais levaria à aprovação de um projeto com um grande risco de falhar durante os ensaios de durabilidade efetuados nas últimas etapas de desenvolvimento do motor. Isto implicaria em modificações onerosas no projeto do cabeçote, que ocorreriam próximas à data de lançamento do produto.


Conclusão

O conjunto de ferramentas incluído em VAC tem sido utilizado durante o desenvolvimento de vários motores produzidos pela Ford norte americana nos últimos anos e vem demonstrando de forma definitiva os benefícios de sua implementação. VAC coloca à disposição dos engenheiros da empresa um espectro diverso de informações tecnológicas, teóricas e empíricas nas áreas de fundição, tratamentos térmicos, propriedades e modelos de comportamento e dano por fadiga para ligas de alumínio fundido. Um dos benefícios mais importantes é a redução de 15-25% no tempo de desenvolvimento de um novo cabeçote ou bloco de motor. Esta redução ocorre devido ao menor número de iterações necessárias durante a fase final de testes dos motores, já que a maioria das regiões críticas foram devidamente identificadas e dimensionadas durante as fases iniciais de projeto.

Para maiores informações, favor contactar Carlos Engler-Pinto, Ford Motor Company, MD 3182, Research and Innovation Center, Dearborn, MI 48124; tel: +1(313)337-6912, email:cenglerp@ford.com


Referências
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Fundição virtual em ligas de alumínio

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