Ligas de alumínio para estruturas automotivas de baixo peso

Chassis e Carrocerias

Tecnologias de Lightweighting na Industria
Automotiva

Equipe:
Daniel Florêncio de Souza Ms. Dr. Professor Leandro Macedo
Everton Lopes
Rodrigo Tsutomo Hono
Thiego Tarante
ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)


Estruturas de plástico


Visão Geral Estruturas Plásticas:
Estruturas Plástica
 Densidade média do Plástico equivalente à 6 vezes menor que o
metal.
 Módulo de Elasticidade de <5 (Gpa) – (Aço 207 Gpa)
 Possibilidade de processamento (Tempo de Ciclo Menor / Custos
menores)
SUAS VANTAGENS DESVANTAGENS
REDUÇÃO DE PESO DIFICULDADE EM RECICLAGEM
MENOR CUSTO MAIOR INVESTIMENTO INICIAL
MATERIAL “SOFT” AO CONTATO HUMANO MENOR RESISTÊNCIA MECÂNICA
FACILIDADE “DESIGN” BAIXO PONTO DE FUSÃO
REDUÇÃO ACÚSTICA E VIBRAÇÃO MAIOR DEGRADAÇÃO
ALTO ÍNDICE DE ABSORÇÃO ENERGICA MAIOR EXPANSÃO TÉRMICA
MENOR TEMPO DE CICLO
MAIOR PRESERVAÇÃO HABITÁCULO ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)

PRINCIPAIS GRADING UTILIZADOS:

Fonte: Thermoset-Matrix Composites for Lightweight AutomotiveP.
K. MALLICK, University of Michigan-Dearborn, USA, ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)

Comparação ganho-Massa com Aumento do Plástico

Mercado Nacional – Fonte: Rhodia 2011


Estruturas de plástico Plástica
Estruturas

CARROS CONCEITO 100% POLÍMERO – BRASIL -PLASCAR - 2009


SUPERLIGHTScope
CAR
Integrated lightweight design development

Site: http://www.superlightcar.com
Estruturas Gerais
Material
• Steels
• Light metals
• Polymers
• …

Light
Weight
Design
Design
• unibody
• spaceframe Manufacturing
• Monocoque • Forming
• … • Joining
• Surface Treatment
• ….

O QUE OEM’S BUSCAM DO PLÁSTICO NA CARROCERIA:


SUPERLIGHT CAR
Development of light weight quality
Estruturas Gerais
7
6. 2

LIGHTWEIGHT FACTOR (kg / (Nm/degxm 2))
5. 8
6
5. 3
MB
L
5 Ct A
4. 0
4

3 2. 5

2

1

Rp0,2 < 140 MPa
0
GOLF I GOLF II GOLF III GOLF IV GOLF V
Rp0,2 ≥ 180-220 MPa GOLF MODEL
Distribution
of steel grades Rp0,2 ≥ 260-420 MPa
MB: Mass BIW
Rp0,2 > 1000 Mpa CT: Torsional Stiffness
A: Footprint

Objective
SuperLight Car:
LSLC < 2
Site: http://www.superlightcar.com THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)
ENG:

Materials & manufacturing
Affordable multi-material design

Development of light weight quality
Estruturas Gerais
high

€/k Research VÍDEO
Cut g approach
Lightweight costs
(Vision) VÍDEO on-line
lo
Steel Body high
w
(today)
Production Costs [€]

- 20
%

Lightweight costs
(today)
- 40 €/k
g
% SuperLIGHT-CAR
Strategy

- 60
%
Vehicle Weight [kg] lo
w ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)


Ligas de alumínio para estruturas
automotivas de baixo peso.


Alumínio
Visão Geral:

 Densidade do Alumínio equivalente à 1/3 do aço (2,69g/cm3)
 Módulo de Elasticidade de 69(Gpa) – Facilidade no processamento
 Possibilidade de processamento (Fundido, Forjado, Extrusado,
Estampado, Usinado)
 Taxa média de substituição, (01) kg de Alumínio, substitui (02) kg de
aço

Principal Motivação:

 Redução de Peso e consequente consumo de combustível e emissão
de CO2
 Estima-se que a substituição de 01 tonelada de Alumínio pode evitar
a emissão de 18 toneladas de C02 durante a vida média de um sedã
médio. ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)

Alumínio
Taxa de Substituição (América do Norte):


Alumínio
Taxa de Substituição (Europa):


Alumínio
Utilização de Alumínio (% de utilização x Redução de peso)


Alumínio
Aplicações


Alumínio
Exemplo de redução de peso


Alumínio

Conceito de Body in White:

 Utilização de chapas em
Alumínio.
 Utilização de perfis
Extrusados.
 Utilização de peças
Fundidas.

Resultado:
 Reduz peso e aumenta a
resistência do veículo.


Alumínio
Segurança:

Por ser mais um material mais leve permite:

 A produção de uma estrutura mais reforçada

 Maior resistência á colisões

 Maior resistência á torção


Alumínio

Estado da Arte: (Audi R8)

 Baixo Peso da Carroceria: 250kg

 Maior resistência á torção

 Alto nível de segurança passiva

Alumínio
Conclusão

Vantagem em relação ao aço e ferro :

 Baixa densidade e módulo de elasticidade, permite que o material seja facilmente
processado podendo assim ser aplicado nas tecnologias atuais de fabricação .

 Com sua relação de peso reduzida em relação ao aço, é permitido o reforço
estrutural do chassis conferindo mais resistência á torção e aos impactos, o que
aumenta a segurança, que é um fator importante na indústria automotiva
contemporânea.

 Redução de Peso impacta diretamente em menor consumo de combustível e
menor emissãoDe CO2.



Aços avançados para estruturas automotivas
de baixo peso.


Aços avançados

Visão Geral:

 História do aço na industria automobilistica;
 Tipos de aços existentes;
 Novos tipos de aços existentes.

Principal Motivação:

 Redução de massa;
 Redução no consumo de combustivel;
 Aços avançados de alta resistência.


Aços avançados

História:

Primeiro veículo automotor.


Aços avançados

História:

Primeiro modelos com chapas de aço;
Produção em massa;
Ford T. ENG: THIEGO TARANTE (TARANTE@GMAIL.COM)

Aços avançados

História:
Aço de baixo carbono;

Balanço entre resistência, estampabilidade,
custo e flexibilidade no design;

Primeira grande crise do petróleo;

Rigor quanto ao consumo de combustível;

Novos aços de alta resistência;

BOF ou chassis + carroceria;

BFI ou monobloco.


Aços avançados

Monobloco;
Chapas mais leves, resistentes e de facil
estampabilidade;
Melhoria do produto quanto a segurança;
Consumo de combustivel.
Porém baixa ductilidade do aço de alta
resistencia;
Muitos estudos;


Aços avançados

Tipos de aço:


Aços avançados
1 - Aços de baixo carbono e aços de alta resistência

Aço de baixo carbono
Ferro gusa + carbono (elemento endurecedor);
Manganês, silício e fósforo;
0,13% ou menos

Aço bake hardening, aço BH
Aumento do limite de elasticidade - resistência
Envelhecimento controlado

Aços avançados

Aço de alta resistência e baixa liga (HSLA – high strength
low alloy)
Maior resistência a corrosão que aço carbono;
Boa conformabilidade e soldabilidade;
Peças estruturais.


Aços avançados
2 – Primeira geração de aços avançados de alta resistência

Aço bifásico (dual phase – DP)

Alta resistência;
Microestrutura com 2ª fase;
Boa ductilidade;
Boa soldabilidade;


Aços avançados

Aço ferrítico-bainítico – aço FB
Laminado a quente;
Segunda fase refinada de ferrita e
bainita;
Alta resistência;
Capacidade de alongamento;


Aços avançados
Aço TRIP (transformation induced plasticity)
Similar ao aço bifásico;
Diferença na taxa de resfriamento, mais lento;
Maior conformabilidade comparado ao aço bifásico;
Mesma resistência;
Má soldabilidade;
Aço de alta liga e elevado numero de carbonos equivalentes.


Aços avançados

Aço martensítico
Pouco resiliente (alongamento);
Resistente;
Boa soldabilidade;
Boa conformabilidade;
Estruturas resistentes.


Aços avançados
3 – Segunda geração de aços avançados de alta resistência

Aço TWIP (twinning induced plasticity) e aço L-IP
(lighweight steel with induced plasticity)
Resistência à tração elevada;
Ductilidade excepcional;
Elevados índices de manganês;
Alto indice de alongamento
Custo elevadíssimo


Aços avançados
RESUMO DOS TIPOS DE AÇOS E PASSOS FUTUROS



Ligas de magnésio para estruturas
automotivas e powertrain de baixo peso.


Magnésio
RESUMO:

 1/3 MAIS LEVE QUE O ALUMÍNIO E 1/4 QUE O FERRO E O AÇO;
 MENOS DENSO DO QUE A MAIORIA DE FIBRAS DE POLÍMEROS AUTOMOTIVAS;
 MAIOR UTILIZAÇÃO DO MAGNÉSIO COMO ELEMENTO DE LIGA DO ALUMÍNIO;
 MENOR CUSTO .

RAZÕES NA APLICAÇÃO:
 MELHORAR A EFICIÊNCIA NO CONSUMO DE COMBUSTÍVEL;
 DIMINUIR ÍNDICES DE EMISSÃO DE GASES POLUENTES PARA ATENDER A LEGISLAÇÃO, QUE LIMITA
A EMISSÃO DE GASES POLUENTES MOTIVADA PELA CRESCENTE PREOCUPAÇÃO MUNDIAL COM O
AQUECIMENTO GLOBAL;
 MELHORAR PROPRIEDADES DE CONDUÇÃO DOS VEÍCULOS (DIRIGIBILIDADE);
 SUBSTITUIÇÃO DE NUMEROSOS COMPONENTES DE AÇO E ALUMÍNIO POR LIGAS DE MAGNÉSIO.


Magnésio
MERCADO MUNDIAL X BRASIL DE MAGNÉSIO (Mil t) – Ano 2008
Nodularização Outras

Redução Metálica Die Casting/
Gravidade/
Conf ormados
Dessulf uração

Ligas A lumínio

Outras
Nodularização

Dessulf uração

Die Casting

Ligas de Alumínio


Magnésio

MERCADO LIGAS DE MAGNÉSIO(Mil t) - 1990 a 2008
300

250 265 259

224
200
186

150 166
140
122
100 104
108
85
76
50 54 54
70

36 34 38
29 32
0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008


Magnésio
MAGNÉSIO: MAIS LEVE DOS METAIS ESTRUTURAIS
COMPARAÇÃO DA DENSIDADE (g/cm3)


Magnésio
MAGNÉSIO: O MAIS LEVE DOS METAIS ESTRUTURAIS
RELAÇÃO PESO/ IGUAL RESISTÊNCIA MECÂNICA

2,5

2,0

1,5

1,0 2,1
1,8
0,5 1,0

0,0
MAGNESIUM ALUMINUM STEEL


Magnésio
PARTICIPAÇÃO DOS MATERIAIS VEÍCULO MÉDIO ( ATUAL)

VIDRO MAGNÉSIO
BORRACHA 3% 0,4%
4% OUTROS
5,6%
FLÚIDO/
LUBRIFICANTE 6%

ALUMÍNIO AÇO
8% 54%

PLÁSTICO
8%

FERRO
11%


Magnésio

MAGNÉSIO EM VEÍCULOS: CENÁRIO ATUAL


Magnésio
LIGAS DE MAGNÉSIO: MERCADO AUTOMOBILÍSTICO
 USO DE MAGNÉSIO NO BRASIL SEMPRE ESTEVE MUITO CONCENTRADO NA VW E
SOMENTE MAIS RECENTEMENTE AS DEMAIS MONTADORAS INSTALADAS NO BRASIL VEM
AUMENTANDO INTERESSE EM CONHECER E UTILIZAR ESTE METAL EM SEUS COMPONENTES

 ALGUMAS APLICAÇÕES COMO POWERTRAIN E ARMADURA DE VOLANTES DE MAGNÉSIO
JÁ SE TORNARAM CONSAGRADAS NO MERCADO BRASILEIRO E DEVEM CONTINUAR
IMPULSIONANDO O CONSUMO DESTE METAL NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA NOS
PRÓXIMOS ANOS .

 A CADEIA PRODUTIVA DO MAGNÉSIO, MODERNA E COMPETITIVA, INSTALADA NO BRASIL
DEVE SERVIR DE BASE PARA O CRESCIMENTO DO USO DESTE METAL PELA INDÚSTRIA
AUTOMOBILÍSTICA NOS PRÓXIMOS ANOS.

 CONSUMO MÉDIO DE MAGNÉSIO NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICA BRASILEIRA É DE
APENAS 2,74 Kg/VEÍCULO, CONTRA UMA MÉDIA MUNDIAL DE 4,40 Kg/VEÍCULO.


Magnésio
RAZÕES PARA O CRESCENTE USO DE MAGNÉSIO NA INDÚSTRIA
AUTOMOBILÍSTICA MUNDIAL

 EXISTE UMA CLARA SINALIZAÇÃO DOS GOVERNOS E SOCIEDADE PELA PRODUÇÃO
DE VEÍCULOS MAIS ECONÔMICOS E MENOS POLUIDORES

 INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA: ESTRATÉGIA PASSA PELO USO INTENSIVO DE
MATERIAIS LEVES, SEM SACRIFICAR OS REQUISITOS DE CONFORTO E REQUINTE DOS
VEÍCULOS

 MAGNÉSIO 1/3 MAIS LEVE QUE ALUMÍNIO: OPÇÃO LÓGICA A SER ANALISADA PARA
PROJETO DE NOVOS COMPONENTES.


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