2 de março de 2017
Nova técnica de preparação de superfícies pode tornar o processo mais eficiente, barato e ampliar a efetividade da união

Por Marcio Ishikawa | fotos: Oak Ridge National Laboratory

Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ligado ao Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos, desenvolveram uma nova técnica de preparação de superfícies, com a utilização de tecnologia laser, para a união do alumínio e fibra de carbono por adesivagem. De acordo com as conclusões do estudo, o novo método tem potencial para promover redução de custos, permitir a automatização do processo e, ainda, ampliar a efetividade da união, abrindo caminho para um aumento no número de projetos multi-materiais na indústria automobilística.

União do alumínio e fibra de carbono

“Com a indústria cada vez mais se voltando para o uso de materiais leves, como o alumínio e os compósitos de fibra de carbono, cresce a necessidade de se unir esses materiais de uma forma mais efetiva. Então, precisamos tentar métodos novos”, diz Adrian Sabau pesquisador do Oak Ridge que liderou o projeto. “Como consequência desse novo processo, acreditamos que poderemos ter o aumento no número de juntas desse tipo em componentes estruturais e, também, uma performance superior nas juntas atualmente existentes.”

Fator crítico
A preparação das superfícies no processo de união do alumínio e fibra de carbono, assim como de outros materiais dissimilares, visa remover todo e qualquer tipo de resíduo, como óleos, graxa, mofo ou poeira nas áreas de contato com o adesivo. A presença desses contaminantes reduz a energia de aderência, por isso a sua remoção é um fator crítico. “Quando os contaminantes são eliminados, cresce a compatibilidade das duas superfícies e, como consequência, a qualidade de adesão também aumenta”, explica Rodrigo Berardine, membro do Comitê da Regional São Paulo da SAE Brasil. “Os métodos convencionais usados atualmente na preparação de superfície são o lixamento com o uso de material abrasivo ou limpeza com o uso de solventes.”

Esses métodos são basicamente artesanais, o que faz com que tenham custo elevado e sejam lentos para os padrões de automatização atual da indústria. Além disso, os resultados finais dependem muito da habilidade individual do funcionário, dificultando a padronização no produto final. Por fim, solventes são materiais tóxicos, ambientalmente nocivos e com potencial para gerar acidentes de trabalho.

União do alumínio e fibra de carbono

O estudo da ORNL propõe uma solução que utiliza laser para eliminar os contaminantes da superfície das duas partes a serem unidas. Esse processo pode permitir que projetos de larga escala adotem juntas de alumínio e fibra de carbono, já que garantiria a automatização do processo, com ganhos no que diz respeito aos custos, ao tempo despendido e à padronização e qualidade do produto final.

Outros fatores
Além da eliminação de resíduos das superfícies a serem unidas, a técnica de preparação da superfície com laser promove uma maior rugosidade da superfície. O processo a laser alterna raios de alta e baixa intensidade (foram testados métodos ponto a ponto e de varredura, com resultados semelhantes), criando uma estrutura de picos e vales (cuja distância e profundidade são controladas com o tempo de exposição e a angulação dos raios). Isso amplia a área total do material em contato com o adesivo.

Outro ponto importante descrito por Sabau em uma apresentação disponível no site do DOE é o fato de o uso do laser acabar removendo boa parte da camada de resina e expondo partes da fibra de carbono, o que ajuda a promover a melhora da qualidade de adesão.

União do alumínio e fibra de carbonoTestes
De acordo com a pesquisa, nos testes de single lap-shear realizados com amostras da união do alumínio e fibra de carbono, os métodos convencionais de preparação resultaram em cisalhamentos com superfície limpas, o que indica uma baixa aderência adesiva. Já nas amostras preparadas com laser, as duas superfícies apresentaram adesivo residual. Além disso, a ductilidade aumentou consideravelmente, a ponto de em metade das amostras não ter ocorrido o cisalhamento no ponto de adesão, mas apresentarem falha na estrutura de alumínio afastada da junta.

De acordo com Sabau, da ORNL, os testes das amostras preparadas com laser mostraram uma performance superior nos testes de resistência (15%), de carga máxima (16%) e de deslocamento sob carga máxima (100%). Além disso, as juntas feitas com estruturas que tiveram a superfície preparada com laser podem absorver aproximadamente 200% mais energia. Dessa forma, há potencial para melhorar a segurança dos veículos em caso de colisão e, ainda segundo o pesquisador, é possível que essa técnica possa ser aproveitada em processos de blindagem de veículos e na confecção de vestimentas à prova de bala.

Estruturas inteligentes
O processo de união do alumínio e fibra de carbono desenvolvido pelo ORNL é bastante promissor, de acordo com Berardine, da SAE Brasil. “Ela pode ampliar as possibilidades para o design de estruturas inteligentes nos automóveis, aproveitando as características isotrópicas do alumínio, ortotrópicas da fibra de carbono e a baixa densidade dos dois materiais”, avalia.

Assim como acontece em todos os metais, ao se aplicar uma tensão em uma peça de alumínio, em qualquer direção, sua resposta mecânica é homogênea em todas as direções, de acordo com o especialista da SAE Brasil.  Já no caso dos compósitos, esse comportamento não é homogêneo e depende da orientação da fibra. Se o esforço aplicado no compósito coincide com a orientação da fibra, a resposta de resistência é maior. Se o esforço é aplicado transversalmente à orientação da fibra, a resistência é menor.  

Um processo de união mais eficiente possibilita o melhor aproveitamento dessas características, permitindo o direcionamento da rigidez em pontos estratégicos.

Outros materiais
O estudo do ORNL testou a união do alumínio e fibra de carbono, mas Sabau acredita que a aplicação da nova técnica a laser pode ser ampliada para outros materiais metálicos, como aços de alta resistência e ligas de magnésio. Um dos próximos passos propostos para este projeto é justamente o de realizar testes com outros materiais, comparando a nova técnica com os métodos convencionais utilizados atualmente.

Berardine, da SAE Brasil, vai além e inclui também outros tipos de compósitos, fibra de vidro e de aramida, na lista de potenciais materiais beneficiados. Isso porque os compósitos em geral possuem a mesma estrutura: são formados de um sistema de reforço, normalmente têxtil, à base de fibras de carbono, vidro, aramida ou fibras naturais, impregnados com uma resina termofixa ou termoplástica, que dá forma e estabilidade dimensional para o compósito. Em todos os casos, os desafios da preparação de superfícies são os mesmos.

Escala comercial
De acordo com Sabau, os próximos passos do projeto são rumo à aplicação comercial no processo para a união do alumínio e fibra de carbono. “As etapas críticas já foram demonstradas em escala reduzida, permitindo um processo de união multi-material automatizado”, diz o pesquisador do ORNL. “O tratamento de superfície a laser elimina a maior parte dos contaminantes de superfície, fazendo com que o tratamento com solventes seja dispensado, aumentando a aceitação industrial para altos volumes.”

União do alumínio e fibra de carbono
Jian Chen e Adrian Sabau, pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory

A Cosma, empresa do grupo Magna International, é parceira do projeto e será responsável pela montagem do primeiro protótipo em escala industrial. “Os resultados foram encorajadores”, diz Tim Skszek, responsável pela área de Parcerias Governamentais de Pesquisa e Desenvolvimento da Magna International, parceira do projeto. “Agora, vamos focar em resolver questões tecnológicas e de escala, transformando essas descobertas em produtos comerciais.”

Além do protótipo, há uma série de pesquisas e desenvolvimentos a serem realizados para que se atinja a fase comercial, como:

  • Desenvolvimento de controle robótico para automatização dos processos de preparação de superfície e operação de união
  • Realização de testes dinâmicos de cisalhamento, com a aplicação de taxas de carga variadas
  • Demonstração da técnica em ambiente de produção em larga escala
  • Produção de adesivos com as características adequadas para o processo
  • Análise do processo de corrosão em peças em serviço
Laser aprimora união do alumínio e fibra de carbono
Um comentário sobre a matéria:
  • 23/11/2017 em 11:11

    Caros Parabéns pelos progressos.

    Minha dúvida é a diferenca de tensao entre Al e C. Sabemos que superfícies de aluminio sao degradadas quanto a suas propriedades após formação de Oxidos decorrentes da pilha galvanica!
    Gostaria de saber como foram mitigados estes processos eletroquimicos naturais.

    Grato
    Waldomiro Moreira Eng. MSc. Prof.

    Responder

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