docMateriais desafio século 21
download 
Denúncia Transcrição
Materiais desafio século 21
Materiais Automotivos Desafios do Século 21 Adriano Rogério Kantoviscki Gerente de Engenharia de Produto – Renault S.A. A descoberta do Carro Observador e o Produto (veículo) 10m Status, Estilo… 1m 60cm Tocar, Escutar… 0cm (Posição de Dirigir) Cheirar, Conforto… P/2 Desenvolvimento de um Projeto Automotivo Engenharia Sequêncial Design Engenharia de Produto Compras Engenharia de Manufatura Fornecedores Produção Logística Pós-Vendas Engenharia Simultânea Veículo é quebrado em times funcionais (especialidades) - Motorização e transmissão n es ig Super-estrutura/ Façades Dianteira e Traseira Acessórios Interiores Acessórios Exteriores Áreas de Apoio D - Man ufa rn o F ed c e Pó s-V tura es r o en da s aria h n e Eng Compras - ………. P/3 Zonas de Arquitetura nos carros Renault Superestrutura Face Dianteira e Traseira Habitáculo Interior Chassis Compartimento do motor P/4 Evolução dos Fatores – Tempo de Desenvolvimento Tempo de Desenvolvimento do Veículo (Desde o Design até a Oferta do Veículo ao Mercado) SAFRANE 57 meses 43 meses VEL SATIS LAGUNA I 55 meses 42 meses LAGUNA II 53 meses MEGANE I MEGANE II 29 meses P/5 Porque Selecionar os Materiais ? • Diversidade das propriedades Não existe um material universal ideal Existem quantidades enormes de famílias químicas As particularidades de sínteses próprias a cada fabricante conferem às resinas as diferentes propriedades específicas Os aditivos modificam sensivelmente as propriedades e especializam os materiais. • Diversidade dos meios de processo • Diversidade de preços P/6 Etapas necessárias à seleção de material 1º- Análise funcional da peça • • • Identificação das temperaturas de utilização, os líquidos, os trabalhos mecânicos,… Integração máxima das funções/formas Objetivos de preços, pesos, duração de vida 2º- Definição de um guia de pré-qualificação do material 3º- Seleção das famílias adaptadas à função • • Temperatura, faixa de propriedades Processamento de transformação, faixa de preços P/7 Princípios da Seleção dos Materiais Parâmetros para Selecionar o Material Plástico Correto As características do produto que decidem a escolha do material básico são: - propriedades físico-químicas (mecânicas, óticas, elétricas e químicas); - comportamento eletrostático; - estabilidade dimensional; - exatidão dos detalhes; - estabilidade as intempéries; - comportamento à chama; - custo; - facilidade de transformação; Outras propriedades particulares: - cheiro, - inocuidade fisiológica, - aspecto ( cor e toque), etc. P/8 Princípios da Seleção dos Materiais • Pré-qualificação dos materiais Comparar suas propriedades: mecanicas, térmica, envelhecimento.... Selecionar o mais adatpado • Atenção: um “bom” material pode ser mal utilizado. Por isso, a necessidade de ensaios representativos, sobre corpos de prova e/ou de peças representativas • Necessidade de uma abordagem funcional : A escolha de um material é inseparável da tecnologia de aplicação P/9 Comparação de Várias Propriedades Materiais Metais Polímeros Cerâmicas Mg Al Ti Fe PP PA PC Si O2 SiC Si3N4 ρ (g/cm3) E (GPa) 1.7 2.7 4.5 7.8 0.9 1.1 1.2 2.6 2.5 - 3.2 3.2 45 70 120 210 0.9 2- 4 2.6 94 450 350 YS (Mpa) 70 - 270 25 - 600 170 - 1 300 200 - 2 000 20 - 35 50 - 90 50 7 200 10 000 8 000 P / 10 XII- REPRODUÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS EM LABORATORIO Eles devem colocar em evidência as degradações do material: material Fenômenos de superfície Envelhecimentos acelerados Migração de aditivos Extração de aditivos Inchamento do material ou mudanças de comportamentos Evolução da estrutura Obrigação de estudar o comportamento dos materiais / peças quando em contato com fluidos, ensaiando os mesmos, com os fluídos utilizados no veiculo. Necessidade de referenciar-se ao envelhecimento natural P / 11 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações P / 12 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Peças de acessórios exteriores: (Pára-choques, frisos, molduras, grades, etc..) Peças de carroceria: (Pára-lamas, tampo portamalas, etc..) Guarnições Interiores Panéis de Portas Guanições Revest. de Teto Tapetes e insonorizantes Peças de iluminação (Projetores, lanternas, sinalizadores, etc..) Páinel de Comando Bancos Panel de Instrumentos Instrumentaçã o Climatização Segurança ........ Consoles Retrovisor Volante Acessórios Compartimento Motor: (GMP, Filtros, tubulações, coletores, etc..) Acessórios ircuito Carburante: (reservotórios, canalizações, bocais, filtros, etc..) P / 13 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Renault Clio Renault Clio 40 35 30 25 20 15 10 5 0 PP PUR ABS PA PE PBT et PET PC PVC PF POM SMA PMMA PPE EP P / 14 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Materiais Compósitos no compartimento do motor Filtro de Ar PP +EPDM+ Talco Coletor de Entrada PA + Fibra de Vidro Redução de Custo: 30% Redução de Peso: 30% P / 15 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Compósitos materiais para partes estruturais Coluna frontal (Megane 2) PA+ Fibra de Vidro + Aço estrutural Painel Posterior (Megane 2) Termofixo SMC – Poliéster reforçado com fibra de vidro P / 16 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Nanomateriais na Indústria Automobilística Peças Expostas Paralamas Scénic Termoplásticos Nanotubos de Carbono em PA/PPO (Noryl) P / 17 Polímeros na Indústria Automobilística Termoplásticos e suas aplicações Uso de polímeros reciclados (PP) Painel de Comandos - Modus P / 18 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações • PRINCIPAIS BORRACHAS APLICAÇÕES PRÁTICAS NA INDÚSTRIA DO AUTOMÓVEL NATURAL VITON SBR SILICONE POLIURETANO NBR/NBR HIDROGENADA EPDM NEOPRENE BROMOBUTIL POLIACRILICA P / 19 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações P / 20 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações P / 21 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações O elastômero é a borracha em si. Logo, como produto principal, devemos ter o cuidado de selecionar a borracha mais adequada para uma determinada tarefa. Um elastômero é escolhido principalmente devido às suas: a) Propriedades químicas: - Resistência a solventes. - Resistência a óleos. - Resistência ao ozônio - Resistência a produtos químicos b) Limite de temperatura de trabalho: - Ao ambiente. - Ao calor. c) Propriedades mecânicas específicas O simples conhecimento da família química da borracha não é suficiente para se conhecer as propriedades dos produtos terminados! P / 22 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações Borracha natural (IR) A borracha natural é obtida através da extração de látex de árvores seringueiras. As propriedades especificas de flexibilidade e de elasticidade, fazem comum o uso de IR em formulas de paletas e coxins. Poli(etileno-propileno-dieno) – EPDM A EPDM é uma borracha que tem a principal característica a resistência à degradação pelo calor, luz, oxigênio e ozônio. A resistência química ao etileno-glicol e temperaturas até 125°C, generalizaram seu uso nos tubos flexíveis do sistema de Juntas de refrigeração do motor. estanqueidade P / 23 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações tubo flexível para ar condicionado Epicloridrina – CO, ECO Polietileno-Clorossulfonado – CSM Borracha usada me cilindros e bombas, devido à sua baixa permeabilidade a gases. Elevada resistência temperatura (>125°C ), luz, oxigênio e ozônio. ozônio Utilizado para revestimento de produtos em constante contato com produtos químicos, micos como mangueiras e correias transportadoras. Elevada resistência temperatura (135°C ), luz, oxigênio e ozônio P / 24 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações Borrachas poliacrílicas – ACM Utilizado em peças automotivas onde são exigidas temperaturas elevadas >135°C e resistência a óleo. Gaxetas e anéis de vedação Elastômeros Fluorados – FKM Possuem alta resistência à temperaturas elevadas e à produtos químicos em geral. geral Porém, seu uso fica limitados, por serem caros e por possuirem uma elevada deformação remanescente a compressão. P / 25 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações • Borracha nitrílica – NBR Principal característica desta borracha é a resistência aos óleos minerais, solventes e combustíveis. É muito empregada na fabricação de tubos para conduzir óleos lubrificantes em máquinas, automóveis, o’rings, etc Policloropleno – CR Elastômero usado em revestimento de fios e cabos e componente de alguns compostos usados em correias automotivas, pneu, parte externa P / 26 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações Polibutadieno – BR (Buna) Borracha empregada amplamente na fabricação de pneus. Esses polímeros constituem as borrachas sintéticas. Costuma ser copolimerizado com outras substâncias. Borracha Butírica – IIR Para uso de câmaras de ar e revestimento interno para pneus, devido a sua excelente impermeabilidade a gases. SBR – Composto de Estireno-Butadieno (Buna-S) Existem vários tipos de SBR, diferenciando-se de acordo com o processo de polimerização. Essa borracha é muito resistente ao atrito, atrito e por isso é muito usada nas "bandas de rodagem" dos pneus. Pela resistência ao fluido de freio,é utilizada no tubo interno de flexível de freio de carros. P / 27 Polímeros na Indústria Automobilística Elastômeros e suas Aplicações P / 28 EVOLUÇÃO DA MASSA (KG) DOS VEÍCULOS DESDE 1981 1400 Citroën 1300 FIAT 1200 Ford 1100 Nissan 1000 Opel 900 Peugeot 800 Renault 700 VW 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2006 2010 Carros Tipo C range (Renault Megane , VW Golf VW, etc.) P / 29 Evolução do Peso por Tipo de Material Segmento B SUPER 5 735 1985 KG 7% 4% 5% C L IO 1 1 9 9 0 C L I O 2 2003 1998 84O K G 1006 K G 6% 3% 4% 2% 4% 4% 2% 3% 3% 2% 3% 9% 51% 4% 10% 52% 53% 5% 4% 13% 10% 3% 4% 3% 6% 11% 10% Steels Others metals and fasteners Rubber Cast iron Thermoplastics Glass Aluminium Textile fibers Fluids Magnésium Damping layers P / 30 Peso dos Diferentes Componentes 231 kg, 23 %168 kg, 16 % Motor Sistemas de Suspensão Sistemas de chassi 149 kg, 15 % Chicote elétrico + Bateria 341 kg, 33 % Carroceria 104 kg, 10 % Equipamentos Internos e Externos 32 kg, 3 % P / 31 A Cadeia de Materiais MP Processamento 2 Materiais 1 QUALIDADE Transformação Peça Uso CUSTO Comportamento 3 4 Fim de Vida Meio Ambiente P / 32 Competição de Mercado Número de modelos Confiabilidade/ Durabilidade Custos dos veículos Redução de Penetração Aumento do tempo de Garantia Primeiro critério de escolha do Consumidor P / 33 Expectativa dos Consumidores Segurança e Qualidade Conforto e Espaço Expectativa dos Consumidores Conservação Ambiental Baixo Custo Redução do Consumo de Combustível P / 34 Regulamentação Ambientais Exaustão de gases poluentes Redução de poluentes (HC, CO, NOx, particulados) Redução de CO 2 to 140 g.Km -1 (em 2008, era de186 g. em1995) Fim de vida dos veículos (ELV - End of Life) Restrição / Eliminação de alguns materials (Pb, Hg, Cd,+ Cr6+) Recuperação de todos os ELV’s (85% em 2006, 95% em 2015) Segurança Grande absorção de energia P / 35 Segurança: Rigidez Estrutural 60 mm 300 mm Clio1 Clio2 P / 36 Qualidade Percebida – Evolução dos Fatores Folgas e Faceamentos na Carroceira P / 37 Reciclabilidade dos Materiais 70 % 25 % 5% Metais Ferrosos Outros Materiais Metais Não Ferrosos Reciclável / Descarte Reciclável Reciclável 40 % Materiais Inorgânicas (vidros, metais, cerâmica...) 30 % Polímeros 30 % Elastômeros Estabelecimento de Redes de Recuperação destes Materiais Evitando o Descarte Final ou Desenvolvendo Projetos Eco-Orientados P / 38 Reciclabilidade dos Materiais Exemplo Renault Projeto Pioneiro na Indústria Automobilística Mundial Overseas Project for Economic Recycling Analysis – OPERA Sofware que faz a gestão e análises dos fatores que afetam a reciclabilidade de uma peça ou de um material P / 39 Evolução dos Fatores – Relacionamento com Fornecedores Relacionamento com Fornecedores Futuras Tendências dos Produtos DIVERSIDADE dos materiais/tecnologia de processamento COMPLEXIDADE das especificações e processos internos DIFICULDADE DE INTEGRAÇÃO de todas as tecnologias de processamento Necessário um desenvolvimento integrado com os fornecedores para atendimento destas tendências P / 40 Evolução dos Fatores de Internacionalização Royaume-Uni Russie France Roumanie Slovénie Portugal Etats-Unis Espagne Iran Egypte Mexique Corée du Sud Turquie Chine Japon Taiwan Pakistan Maroc Thaïlande Philippines Colombie Kenya Malaisie Indonésie Brésil Zimbabwe Chili Argentine Afrique du Sud Necessidade de adaptação dos materiais e processos de transformação para as condições locais P / 41 Qualidade Qualidade Confiabilidade Avanços obtidos através de modelagem e Simulação Optimização do uso das propriedades dos Materiais Melhor conhecimento das equações constitutivas Inspeção de Propriedades Testes não destrutivos P / 42 Design Virtual Importância da Simulação Numérica: Caso de Estampagem Integração da Simulação na fase de projeto Ruptura Cracks P / 43 Testes de Polímeros de Engenharia Simular as contrações para reproduzir as evoluções de aspecto Envelhecimento Real 5-6 anos na região de Paris (4200 MJ/m2/ano) Envelhecimento Natural Acelerado Envelhecimento Artificial Flóride (6000 MJ/m2) Arizona (8000 MJ/m2) Rotterdam (Atm. Poluída) Tubo Arco Fluorescente 2 anos em Bandol (5600 MJ/m2 et 6500 MJ/m2 à 45°) Lâmpada Xénon (0,55 W/m2 à 340 nm) Energia solar: 1250 h Lâmpada Xénon ≈ 1 ano em Bandol P / 44 Qualidade Evolução dos Fatores Redução do tempo de desenvolvimento Redução do número de protótipos Design Virtual Dimensionamento próximo dos valores obtidos por simulação e dimensionamento Bom conhecimento das características dos materiais Incertezas de Medida Variabilidade dos processos produtivos P / 45 Resumo Geral P / 46 Carros do Futuro P / 47 Nanomateriais na Indústria Automobilística Nanomateriais não são materiais diferentes de outros materiais: cada aplicação é avaliada em função do custo/performance • Possíveis aplicações: em novas funções, agregando valor ao produto em funções existentes, se as propriedades podem ser significativamente aumentadas Existem ainda obstáculos técnicos em seu processo de manufatura, sendo que os nanomateriais precisam ser estudados ainda extensamente, objetivando um conhecimento mais profundo do seu comportamento mecânico, físico, químico, sem esquecer dos aspectos ambientais. P / 48 Nanomateriais na Indústria Automobilística Nano revestimento que podem ajudar a superfície(vidro ou polímero) a repelir a água. (Efeito Lotus). Nano-fibras, substituindo fibras convencionais nos elementos filtrantes. Auto limpeza Nano fibras – filtros de ar P / 49 Fonte: Nees-Institut fur Biodiversitat der Pflanzen Redução do consumo de combustível pela redução de peso ...mas também pela (o)… • • • • • Redução de atrito Melhora da aerodinâmica Redução do consumo elétrico Progresso na eficiência do motor ... Custo por litro economizado e não por Kg diminuído P / 50 Cenário para o futuro… projeções e tentativas Partes Estruturais Aço Fabricação em massa Alumínio Veículos top de linha Composites Estruturas de absorção, painéis frontais, Uso de fibras de carbono, uso de multimateriais (Metal – Polímero - Metal, Compósito – Espuma - Compósito…) P / 51 Cenário para o futuro… projeções e tentativas Peças de Carroceria Painéis Termoplásticos, termofixos, alumínio Teto aluminium Porta malas, portas multimateriais Vidros Polímeros (PC) P / 52 Cenário para o futuro… projeções e tentativas Peças Mecânicas Aço, ferro fundido, alumínio tem mostrado evolução Revestimentos serão muitos (PVC/CVD, laser, tratamentos duplex) Magnésio competirá com o Alumínio Polímeros e compósitos em maior quantidade Cerâmicas, intermetálicos, ..… ? P / 53 Conclusão Geral A evolução do materiais automotivos dependerá: - Aumento de produção, padronização de plataformas, diversidade de carrocerias - Tempo necessário para validar as propriedades destes materiais - Conhecimento mais aprofundado de CM - Redução de peso objetivada - Restrições ambientais - Investimentos de capital em processamento - Forte integração local P / 54 Renault - REGIÃO AMÉRICA MUITO OBRIGADO !!!
