+ Entrevista:
Meta da vez: mais alumínio
+ Ensaio:
Estudo do emprego da espuma metálica no design
automotivo
Espuma metálica
Em colisões, espumas metálicas com alumínio desempenham satisfatória absorção de
+ Inovação:
energia
Alumínio para carros populares
+ Transporte:
Eduardo Cardoso, [email protected]
Alumínio rodoviário
Branca Freitas de Oliveira, [email protected]
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil.
As espumas metálicas vêm se mostrando fortes aliadas na construção de estruturas cada vez
mais leves e resistentes, gerando economia com manutenção de desempenho. Atualmente ainda
existe carência de estudos computacionais tratando da caracterização e de aplicações para estes
materiais. Como contribuição a essa difusão do conhecimento, tanto na área acadêmica quanto
industrial, apresentamos a seguir as principais conclusões de um trabalho que relacionou, pelo
método dos elementos finitos, o design automotivo, a seleção de materiais e a simulação
computacional através de software para modelagem e análise do comportamento estrutural com
o emprego da espuma metálica no modelo do estudo de caso - chassi do veículo Sabiá 5 – UEMG
(Figura 1), quando submetido ao crash test (teste de colisão) virtual. Em outras palavras, foi
comparada e simulada a aplicação da espuma metálica com outros materiais.
Segundo Oliveira (2007), os
metais
nova,
celulares
e
são
ainda
uma
não
perfeitamente caracterizada,
classe
de
materiais.
Entende-se por metal celular
(Figura
2)
o
material
composto por uma matriz
metálica com vazios em seu
interior, chamados de poros
Figura 1: Veículo Sabiá 5. Fonte: Botelho (2003)
ou células. A estrutura em
células
determina
o
comportamento destes materiais que exibem comportamento mecânico e propriedades físicas
que diferem muito dos materiais ditos sólidos. Para Banhart (2002), apresentam combinações
interessantes de propriedades físicas e mecânicas, como alta rigidez combinada a peso específico
muito baixo.
Aplicações na indústria automotiva
Com relação à aplicabilidade dos materiais
celulares, a indústria automotiva tem se
mostrado
como
um
dos
campos
mais
promissores para a utilização e viabilização
de seu custo por meio da produção em
massa para um grande mercado. A crescente
demanda por segurança no setor automotivo
impulsionou
a
busca
por
veículos
mais
resistentes e ao mesmo tempo mais leves.
De acordo com Banhart (2000), as espumas
Figura 2: Espuma de alumínio com célula aberta
(DUOCEL®). Fonte: Oliveira (2007)
metálicas
oferecem
a
possibilidade
de
solução para alguns destes problemas. Uma
aplicação ideal seria quando um mesmo componente, com peso reduzido, capaz de absorver
energia em caso de impacto também é isolante de som e/ou calor. Tem-se assim, como
potenciais aplicações das espumas metálicas na indústria automotiva (Figura 3) em painéis
sanduíches, reforços estruturais, elementos absorvedores de impacto, amortecimento de
vibrações etc.
Figura 3: Aplicação de espumas metálicas no design automotivo. Fonte: ALUSION (2008)
Teste de colisão virtual
Segundo Bertocchi (2005), durante uma colisão veicular, toda a energia cinética tem que ser
dissipada de alguma forma até que os corpos (veículo e ocupantes) cheguem à condição de
repouso. No caso do veículo, a energia será dissipada através da deformação de sua estrutura e
de seu deslocamento. No caso dos ocupantes do veículo, a energia será dissipada através do seu
amortecimento pelos componentes do interior do habitáculo. O risco para os ocupantes de um
veículo em caso de impacto está diretamente associado com o como e o quão rápido eles perdem
a sua velocidade presente no momento da colisão.
Para realização do crash test virtual, a geometria do estudo de caso foi impulsionada contra uma
barreira rígida a uma velocidade de 50km/h, a partir dos testes dinâmicos realizados
anteriormente, de três diferentes formas: maciça em alumínio AA 8011, maciça em espuma
metálica de alumínio(1.0-HYMFM_ALHD007)e com painel sanduíche composta por laterais de
1mm e barras de ligação de 32mm em alumínio e preenchimento de 12mm em espuma
metálica., igualmente em alumínio.
Figura 4: Dissipação plástica no sistema para o modelo em seus três
tipos
de composição de materiais.
Fonte: Gerado em parceria com Smarttech
–
SP (2009)
A figura 4 mostra a distribuição da deformação plástica equivalente para o modelo nas três
diferentes composições de materiais. O modelo de composição tipo sanduíche uniu as
propriedades dos dois materiais (alumínio e espuma metálica) resultando em um conjunto mais
rígido, com menor deformação, porém com melhor absorção da energia do impacto do que o
modelo em alumínio maciço. Já o modelo todo em espuma metálica foi o que sofreu maior
deformação plástica, porém o que desacelerou mais lentamente. Ou seja, com o crash test, fica
evidente o comportamento da espuma metálica como bom absorvedor da energia de impacto,
sendo o material que desacelera mais lentamente e conseqüentemente o que tem maior
dissipação plástica (deformação), transferindo para o material maior parte da energia do impacto
e não para o ocupante do veículo. matriz metálica.
Figura 5: Energia cinética no sistema para o modelo em seus três tipos
de composição de materiais.
Fonte: Gerado em parceria com Smarttech – SP (2009)
Tomando como exemplo as colisões frontais, pode-se dizer que veículos com baixa rigidez em
sua região frontal deformarão mais rapidamente, diminuindo, portanto, o tempo que os
ocupantes possuem para chegar ao repouso. Como visto, pode-se afirmar que a boa proteção
dos ocupantes durante o impacto depende principalmente de três fatores: uma conversão
eficiente da energia cinética em trabalho de deformação; baixos níveis de desaceleração para o
ocupante e manutenção da integridade do habitáculo. De acordo com os testes realizados,
segundo estes critérios, a espuma metálica apresenta bom comportamento para atender aos dois
primeiros fatores, assim auxiliando muito para atender ao terceiro também.
Referências Bibliográficas
ALUSION METAL FOAMS. In: Alusion, 2008. (http://www.alusion.com/product.html)
BANHART , John. Manufacturing Routes for Metallic Foams. Bremen, Alemanha, 2000.
BANHART , John. On the road: metal foams find favor. Physics Today, Bremen, Alemanha,
2002.
BERTOCCHI, M. Segurança Veicular. Skill Ed., Curitiba, Paraná, 2005.
BOTELHO, R. D., Eco-Design e Seleção de Materiais como Ferramentas para o
Transportation Design – Estudo de Processos. Dissertação de Mestrado. REDEMAT – Rede
Temática em Engenharia de Materiais, Minas Gerais, 2003
OLIVEIRA, B. F.; CUNDA, L. A. B.; ÖCHSNER, A., CREUS, G. J. Comparison between RVE and
Full Mesh Approaches for the Simulation of Compression Tests on Cellular Metals. In:
ACE-X - 2007 Advanced Computational Engineering and Experimenting, Algarve 2007.