Técnicas

Técnica para produção de espuma de alumínio promete menor custo

Com redução de 40% da energia de impacto, tem crescido a procura pelo material nos setores de construção civil, aeronáutica e naval

Larissa Morgato 04/05/2016
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 Isabel Duarte, pesquisadora do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Aveiro (Portugal).
Isabel Duarte, pesquisadora do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Aveiro (Portugal).

Pense em um carro hoje: formas curvilíneas, design moderno e opcionais de última geração. Agora imagine como protegê-lo no caso de um impacto, tornando-o ao mesmo tempo mais resistente, leve e seguro. A última ideia que nos vem em mente é um material frágil como uma espuma. Mas é exatamente esta a resposta que a engenharia mecânica encontrou para atender à demanda.

Mas, esqueça materiais como polímeros ou semelhantes. A espuma em questão é de alumínio: porosa e extremamente rígida, leve e altamente resistente. Apesar de já ser conhecida pelo setor desde a década de 1960, uma nova técnica de aplicação desenvolvida e patenteada pelo Fraunhofer Institute (Ifam),em Bremen, na Alemanha, no início dos anos 1990, promete revolucionar o carro do futuro, já que a novidade reduz o custo de produção do material, antes proibitivo, e garante a sua aplicabilidade em larga escala.

A espuma de alumínio é o material-chave para obter maior robustez e melhor leveza estrutural em carros econômicos, além de funcionar como redutor da poluição sonora causada pelos motores. “São materiais com elevada capacidade de absorção de energia ao impacto que podem contribuir para a redução do número de acidentados”, afirma Isabel Duarte, pesquisadora do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Aveiro (Portugal), que iniciou seu trabalho de investigação nesta área no Ifam.

Inovação

O método desenvolvido para aplicação da espuma em carros é a pulverotecnologia. “Consiste no aquecimento de um material precursor denso a temperaturas próximas de fusão, que é obtido por compactação a quent de uma mistura de pós de alumínio e de um agente expansor. Por exemplo, o hidreto de titânio, o mais adequado para o alumínio”, diz Isabel. Durante o processo, o alumínio se expande devido à fusão do metal e à simultânea liberação do gás resultante da decomposição térmica do agente expansor. Forma-se, assim, a espuma metálica.

Mas o sucesso esperado na indústria automotiva se deve principalmen-te à possibilidade de criar a espuma dentro das próprias partes estruturais da carroceria, com a técnica chamada “insitu foam-filled tubes”. “Desenvolvemos uma metodologia que permite preencher tubos de ligas de alumínio com a espuma, durante a formação da própria espuma, sem perda da integridade estrutural do tubo e promovendo a ligação à parede interna do tubo, sem utilizar adesivos químicos”, diz Isabel, que ressalta que estas estruturas têm apresentado um bom desempenho mecânico, mais confiável e previsível do que outros materiais similares.

O novo processo permite criar estruturas leves, recicláveis e não inflamáveis, produzidas em uma única etapa. Além disso, a forte procura pelo material em setores da indústria como a construção civil, aeronáutica e naval tem contribuído para baratear o custo. “A tendência atual é estas espumas terem o preço de mercado das peças de ligas de alumínio quando aplicados em grandes escalas”, afirma a pesquisadora.

Aplicações

Conhecido no mercado internacional como Foaminal®, o processo de fabricação por pulverotecnologia do Ifam foi aplicado na última década com sucesso em automóveis de luxo, como a Ferrari 360, a 430 Spider e o Audi Q7. “As espumas de alumínio Foaminal® têm uma estrutura resistente e de baixa densidade (cerca de 0,5 g/cm3) e, portanto, são leves a ponto de flutuarem na água, mas robustas”, explica Joachim Baumeister, pesquisador de Tecnologia de Fabricação e Materiais Avançados do Ifam, que desenvolveu e patentou o processo de pulverotecnologia.

Na Europa, o material foi utilizado em2009 no projeto do E3, um carro elétrico de última geração criado em parceria da EWE com a IBM. Hoje, as primeiras aplicações em carros convencionais são estudadas em modelos da Ford e das principais montadoras alemãs. A expectativa, no mercado europeu e asiático, é de utilizá-lo em larga escala usufruindo das vantagens da Aluminum Foam Sandwich (AFS) criada pelo instituto alemão. “Com o método AFS nós conseguimos reduzir o peso em 20% se comparado com a produção convencional com PRFV [Plástico com Reforço de Fibra de Vidro] ou liga de alumínio, mas com a mesma rigidez”, explica Dr. Thomas Hipke, chefe do departamento de de-sign de compósitos do Instituto Fraunhofer.

Em parceria com a alemã Voith Engenharia, o processo de fabricação da espuma é utilizado hoje para trens de alta velocidade projetados na Europa com destino à China e Taiwan. “O custo de ferramentas diminuiu em 60%”, afirma Hipke.

Outra evolução do material é a Advanced Pore Morphology Foam (APM), pequenas esferas de espuma de alumínio de 2 a 15 mm com características especiais que “também estão sendo testadas para preencher estruturas ocas de automóveis em vez da tradicional espuma de alumínio”, afirma Isabel Duarte. O AFS e a APM podem tornar a solução ideal para preencher colunas, além das travessas de reforço, da coluna superior e da longarina inferior, garantindo rigidez mecânica a componentes envolvidos na segurança passiva dos passageiros. As pesquisas confirmam como resultado um aumento de 40% na absorção de energia com incremento de apenas 3% no peso, de acordo com o Ifam.

“As esferas de APM são primeiro produzidas em massa usando forno contínuo, sendo depois revestidas com um adesivo, e só precisam ser combinadas para criar o componente desejado. Isto gera muitas vantagens de custo, além da facilidade de automatização do processo”, esclarece Joachim Baumeister, do Ifam. Assim, o destinatário final não precisa ter know-how específico, mas deve apenas ativar o adesivo sobre as esferas por um simples aquecimento a 100-200°C, temperaturas alcançadas até por um forno doméstico.”

Além disso, a espuma criada pela pulve rotecnologia, aliada ao método sanduíche e a APM, tem um forte potencial ecológico e econômico para a linha de produção. Segundo a pesquisadora Isabel Duarte, “a espuma possibilita a produção massiva de componentes na forma definitiva ou quase definitiva. E, sobretudo, é possível também produzir componentes em espuma de qualidade usando aparas de material precursor, tornando-se um processo de desperdício zero de material”.

Estudo nacional

No Brasil, a Unicamp é responsável por uma linha de pesquisa em materiais celulares inédita no país. Coordenado pela professora Maria Helena Robert, da Faculdade de Engenharia Mecânica, o projeto visa desenvolver espumas metálicas através da tixoconformação, um processo inovativo de criação de espumas com perspectivas de aplicação na indústria automotiva.

“Para a obtenção de espumas, desenvolvemos dois processos básicos de “near net shape”, que reproduz com precisão a cavidade do molde, com poros da ordem de microns”, explica a professora Maria Helena. O primeiro a partir de pós de Al e TiH2 (hidróxi-do de titânio) misturados por moagem de alta energia, compactados e aquecidos até o metal ficar semissólido, seguido da tixoconformação. O segundo, a partir da tixoconformação de misturas de pós de Al e microesferas ocasde vidro, com o resultado da possibilidade de ordenação da posição prévia dos poros.

Além destes dois processos, o grupo de pesquisa de Campinas criou um terceiro meio de produzir esponjas de alumínio, que se diferenciam das espumas por terem poros inter-comunicáveis. Neste caso, o processo de infiltração do metal acontece em pré-fôrmas de diferentes tipos compostas por agentes “space holders”, como sal, açúcar ou polímeros solú-veis em água. “O metal ocupa espaços vazios entre as partículas formando uma rede metálica contínua. Estes são retirados, deixando espaços vazios e, portanto, originando o componente poroso”, ressalta a pesquisadora.

A inovação possui, desse forma, todos os requisitos para aplicação na indústria automotiva: menores temperaturas de trabalho,maior flexibilidade de geometrias e con-formabilidade do produto, a menor possibilidade de defeitos de solidificação e técnica e manutenção de primeiro nível, adequando-se a necessidade de cada espaço.portas automáticas. Com o objetivo de manter a satisfação dos nossos clientes oferecemos assistência. Nossa filial em São Paulo traz os 50 anos de experiência de desenvolvimento, fabricação e instalação de o fato de não utilizar equipamentos de aeração ou agitadores.

Maria Helena diz que o custo do processo, em si, de tixoconformação, pode ser mais baixo devido a menores insumos energéticos, já que trabalha com temperaturas mais baixas e com menos forças para conformação, além da possibilidade de redução de matéria-prima para a fabricação de um mesmo componente. As dificuldades para popularizar os métodos, segundo a especialista, “dependem da falta de interesse do setor até o momento, talvez por desconhecer o potencial e pelo momento econômico”, diz. Agora, é apenas uma questão de tempo.

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