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Conseguir a leveza dos automóveis é vital para aumentar a economia de combustível dos veículos com motor de combust?o interna e aumentar a autonomia dos veículos eléctricos (VE). A redu??o do peso do veículo em 10% pode melhorar a economia de combustível em 6-8%, bem como reduzir as emiss?es de dióxido de carbono ^[1]. A redu??o do consumo de combustível significa também uma redu??o das emiss?es, o que é ótimo para a sustentabilidade ambiental.

Para além da economia de combustível e das melhorias na autonomia, tornar os automóveis mais leves pode melhorar significativamente o desempenho, incluindo a travagem, o manuseamento e a acelera??o. Além disso, o fabrico de automóveis leves reduz a press?o sobre a suspens?o, os trav?es e os pneus, o que diminui o desgaste. O resultado a longo prazo é que estas pe?as durar?o mais tempo e necessitar?o de menos manuten??o.

Ent?o, como podem os fabricantes tornar as pe?as automóveis mais leves? Será que isso pode ser conseguido simplesmente trocando os materiais tradicionais por alternativas mais leves, ou será que este objetivo exige que se repense a forma como as pe?as automóveis s?o concebidas?

Desmascarar o “mito do principiante” no fabrico de produtos leves

Há muitas ideias erradas associadas ao fabrico de pe?as automóveis leves. Uma escola de pensamento diz que o peso leve pode ser alcan?ado através da escolha do material. Por outras palavras, um automóvel pode tornar-se mais leve simplesmente mudando para materiais mais leves.

Com base neste equívoco, vêem os processos de fabrico como moldagem por inje??o para automóveis, ferramentase Maquina??o CNC A segunda escola pensa que a utiliza??o de materiais mais leves compromete a seguran?a. A segunda escola de pensamento é que a utiliza??o de materiais mais leves compromete a seguran?a. Nenhuma destas escolas de pensamento sobre o fabrico de veículos ligeiros é verdadeira.

De facto, os compósitos modernos demonstraram ser mais resistentes ao choque ^[2]. S?o mais eficazes na absor??o da energia de impacto do que os metais utilizados nos automóveis tradicionais.

Fabrico de pe?as leves para automóveis utilizando moldagem por inje??o

Sem dúvida, a escolha do material desempenha um papel importante na redu??o do peso. No entanto, a resistência e a forma ideais s?o quase inteiramente alcan?adas sem aumentar o peso através da otimiza??o do design e de práticas de fabrico inovadoras, como se segue:

1. Esvaziamento de sec??es para reduzir a utiliza??o de material

As pe?as volumosas podem ser criadas para terem sec??es interiores ocas. Este vazio é normalmente conseguido através de moldagem por inje??o assistida por gás ou espuma??o. Por exemplo, na espuma??o física, é injetado gás nitrogénio ou dióxido de carbono no plástico fundido. O gás provoca a expans?o do plástico fundido no molde. O plástico fundido aprisiona as bolhas de gás, criando uma estrutura interna que é porosa e se assemelha a uma espuma.

A espuma??o química também é frequentemente utilizada e envolve a adi??o de um agente de expans?o químico (CBA), como a azodicarbonamida (ADC) e o bicarbonato de sódio ou o ácido cítrico, à resina. Após o aquecimento, o CBA decomp?e-se e liberta gás para criar o mesmo efeito que se verifica na forma??o de espuma física. A forma??o de espuma cria uma pele exterior sólida e um núcleo semelhante a espuma. Isto reduz a utiliza??o de material e ajuda a manter o produto leve, sem prejudicar a estabilidade dimensional.

2. Utiliza??o de nervuras para complementar estruturas de paredes finas

Outra prática importante no fabrico de pe?as leves para automóveis é a utiliza??o de técnicas de fabrico avan?adas (como a moldagem por inje??o de paredes finas e a moldagem a vácuo) para criar pe?as com paredes mais finas (<1 mm de espessura), preservando simultaneamente a integridade estrutural da pe?a.

Esta técnica de moldagem por inje??o utiliza alta press?o, velocidades (>1000mm/s) e maquinaria avan?ada para garantir o enchimento adequado das cavidades finas. As paredes finas s?o normalmente suportadas por nervuras e refor?os para proporcionar rigidez e resistência onde estas propriedades s?o necessárias. As nervuras também podem evitar defeitos como marcas de afundamento.

3. Consolida??o de partes múltiplas

Quando uma pe?a automóvel é composta por vários componentes, cada um dos diferentes componentes tem de ser soldado ou fixado entre si. O agente de soldadura ou de fixa??o acaba por aumentar o peso da pe?a acabada. No fabrico leve, as pe?as demasiado complexas s?o redesenhadas para facilitar a sua produ??o através de um único processo de moldagem por inje??o.

A consolida??o de várias pe?as numa única unidade moldada elimina a necessidade de fixadores secundários, tais como rebites e parafusos, o que reduz o peso da pe?a. No entanto, os moldes para criar modelos de encaixe que n?o necessitam de fixadores adicionais durante a montagem podem necessitar da adi??o de elevadores ou controles deslizantes, o que aumentará potencialmente o seu custo. Outras vantagens da consolida??o de pe?as para a indústria automóvel ligeira incluem:

• A cria??o de estruturas com uma única pe?a contínua tem normalmente uma maior integridade estrutural em compara??o com várias pe?as unidas, que podem introduzir pontos fracos nas juntas.
• A consolida??o permite aos fabricantes criar mais pe?as utilizando menos m?o de obra e a um custo reduzido.

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Fabrico de pe?as leves para automóveis utilizando maquinagem CNC

A maquinagem por controlo numérico computorizado, ou maquinagem CNC, é um dos métodos comuns de fabrico subtrativo. Neste processo de fabrico, um software pré-programado controla uma máquina-ferramenta para cortar com precis?o um bloco de material (madeira, plástico ou metal) numa pe?a ou produto desejado.

O elevado nível de precis?o da ferramenta de maquinagem torna esta técnica útil para a cria??o de desenhos complexos. Além disso, o elevado nível de automatiza??o elimina erros e interven??es humanas, o que pode ajudar os fabricantes a poupar custos de m?o de obra. Os componentes automóveis leves mais comuns criados com esta técnica incluem:

• Componentes de motores de veículos eléctricos e sistemas de arrefecimento
• Chassis e suspens?es, incluindo bra?os de controlo e suportes
• Partes do motor, incluindo o bloco do motor, o pist?o, as cabe?as dos cilindros e as cambotas

Uma das raz?es pelas quais a maquinagem CNC é crucial para o fabrico de pe?as leves é a sua versatilidade de materiais. Pode ser utilizada para criar pe?as de diferentes materiais, incluindo alumínio, fibra de carbono, ligas de tit?nio, magnésio e outros plásticos especializados. Estes materiais s?o frequentemente escolhidos pela sua rela??o resistência/peso.

? crucial manter uma elevada precis?o dimensional ao criar componentes leves e optimizados. As imprecis?es nas dimens?es podem comprometer o desempenho, a funcionalidade ou a integridade estrutural do produto ou da pe?a. A maquinagem CNC multieixos moderna, como as máquinas de 5 eixos, pode criar pe?as multidimensionais complexas. As modifica??es avan?adas de design de fabrico leve que podem ser alcan?adas utilizando a maquinagem CNC incluem:

• Canais complexos ocos ou internos: Na conce??o de sec??es ocas de pe?as automóveis, como componentes de motores e placas de arrefecimento, a maquinagem CNC é utilizada para remover com precis?o materiais dos componentes internos de uma forma que é praticamente impossível de conseguir manualmente. Para criar pe?as automóveis leves, esta técnica pode ser utilizada para esvaziar sec??es onde a resistência n?o é necessária, reduzindo assim o peso da pe?a.
• Cria??o de pe?as com toler?ncia apertada: A maquinagem CNC pode ser utilizada para atingir um nível extremo de precis?o (cerca de ±0,01 mm), exatid?o e consistência. Este nível elevado de precis?o garante que cada pe?a se encaixa na perfei??o, o que pode aumentar a seguran?a através da utiliza??o da menor espessura de material possível.

A elevada precis?o da maquina??o CNC optimiza a produ??o de uma forma que reduz o desperdício de material em compara??o com outros métodos tradicionais. Isto é particularmente útil para o fabrico de pe?as leves para automóveis que utilizam materiais caros e de elevado desempenho.

础耻迟辞尘ó惫别濒 leve utilizando o fabrico híbrido

O fabrico híbrido é um termo que descreve a combina??o de diferentes técnicas de fabrico para criar pe?as leves. Por exemplo, a maquinagem CNC (um processo de fabrico subtrativo) é combinada com Impress?o 3D (um processo de fabrico aditivo) para criar pe?as complexas e leves com toler?ncias apertadas que seriam mais difíceis de obter utilizando qualquer um dos métodos.

Fabrico híbrido com impress?o 3D e maquinagem CNC

O fabrico híbrido aproveita os pontos fortes complementares das técnicas individuais em termos de eficiência dos materiais, conce??o e acabamento. Um fabrico leve híbrido comum combina os poderes da impress?o 3D e da maquinagem CNC.

A impress?o 3D é utilizada para criar geometrias internas altamente complexas, como canais ocos ou redes. O fabrico híbrido permite um nível de liberdade de conce??o que n?o é igualado por outros métodos. A maior for?a deste processo de fabrico aditivo reside na cria??o deste tipo de geometrias internas complexas sem comprometer a integridade estrutural. No entanto, o seu desempenho é fraco em termos de toler?ncia e acabamento.

Por conseguinte, após a impress?o 3D da pe?a oca utilizando um material leve, a maquinagem CNC é utilizada no pós-processamento para obter a toler?ncia desejada e precis?o extrema (±0,002 mm) na estrutura interior e acabamento superficial liso no exterior (Ra0,4μm). Outras vantagens da utiliza??o de um processo de fabrico leve híbrido que envolve a impress?o 3D e a maquinagem CNC incluem:

• Maior redu??o dos resíduos de materiais: A impress?o 3D é utilizada primeiro para criar a forma oca, e a maquinagem CNC só tem de remover o mínimo de material, reduzindo os desperdícios e os custos.
• Ciclos de produ??o mais rápidos: Uma vez que a impress?o 3D e a maquinagem CNC podem ser automatizadas, a combina??o de ambas elimina o movimento manual das pe?as, o que pode atrasar o processo de fabrico.
• Racionaliza??o do processo de produ??o: Um software integrado gere ambos os processos, o que ajuda a eliminar ineficiências e erros.

Fabrico híbrido de materiais leves utilizando a impress?o 3D e a moldagem por inje??o

A impress?o 3D é frequentemente combinada com a moldagem por inje??o, especialmente no processo Voxelfill ^[3]. O processo foi desenvolvido e patenteado pela AIM3D. O processo Voxelfill utiliza um processo de fabrico em duas fases para ultrapassar a fraqueza associada ao eixo Z das pe?as impressas em 3D camada a camada, da seguinte forma:

• O primeiro passo é a cria??o da estrutura de rede utilizando a impress?o 3D: A estrutura que se assemelha a um favo de mel é impressa em 3D utilizando um sistema de modela??o por extrus?o de compósitos.
• O segundo passo é o preenchimento da grelha ou preenchimento do Voxel: Uma extrusora é utilizada para injetar material termoplástico nas cavidades internas da estrutura. O material de enchimento pode ser uma espuma e destina-se a aumentar a rigidez e a resistência sem aumentar o peso.

O futuro do fabrico leve gira em torno da conce??o multimaterial (MMD). Em vez de uma substitui??o generalizada de material, o MMD coloca estrategicamente o melhor material para um requisito específico no local correto. Por exemplo, o a?o de alta resistência pode ser utilizado em áreas que exigem uma elevada resistência ao choque, enquanto o alumínio é utilizado em painéis exteriores onde a prioridade é a redu??o do peso.

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[1] Departamento de Energia dos EUA. (n.d.). Materiais leves para automóveis e cami?es. Gabinete de Eficiência Energética e Energias Renováveis.

[2] Universidade do Tennessee Knoxville. (2023, fevereiro 27). Estudante de doutoramento testa a resistência ao choque de materiais compósitos com uma profundidade sem precedentes. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.

[3] Engineering.com. (2022, 24 de outubro). O que é o processo Voxelfill? Engenharia.com.