Espuma metálica de alumínio no design automotivo

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE – UNIBH

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – DCET

ESPUMA METÁLICA DE ALUMÍNIO NO DESIGN AUTOMOTIVO

GOMES, Ana Laura Oliveira1; GOMES, Verônica Serretti Mendes1; ROQUETTE, Sérgio Andrade1; SIMÕES, Mariana Soares Marinho Fernandes ; RODRIGUES, Christianne Garcia

RESUMO

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre e o metal mais jovem usado em escala industrial. Devido as suas características favoráveis como leveza, condutividade elétrica e térmica, impermeabilidade e opacidade, alta relação resistência/peso, durabilidade, maleabilidade, ductibilidade, resistência a corrosão, beleza e reciclabilidade se tornou o metal não ferroso mais produzido atualmente. Com o objetivo de aperfeiçoar o uso do alumínio, em meados do século XX, foram realizadas as primeiras patentes das espumas metálicas que consiste em materiais de estrutura porosa que combinam as propriedades de materiais celulares com uma matriz metálica. Elas podem ser produzidas de diversas formas, mas o método mais promissor é o processo de compactação de pós e posterior formação de espuma em que uma mistura de pó de alumínio e um agente de expansão são compactados. As espumas metálicas de alumínio têm a indústria automotiva como grande potencial de aplicação, pois esta busca veículos mais seguros, resistentes e ao mesmo tempo mais leves. Por isso, elas são usadas em painéis sanduíches, reforços estruturais, elementos absorvedores de impacto e amortecimento de vibrações. A ênfase desse trabalho esta dirigida ao emprego da espuma metálica de alumínio no design automotivo, com o propósito de estudar o comportamento mecânico e possíveis alternativas de novos projetos que utilizem esse material para absorção de energia de impacto. Sendo assim, foi feita uma simulação computacional do estudo de caso Sabiá 5. Essas simulações são uma poderosa forma de avaliar e propor soluções no que diz respeito a segurança dos ocupantes em caso de colisões veiculares. Para esta finalidade a espuma metálica se mostrou ideal, conforme os resultados apresentados.

Palavras-chave: Alumínio, Espuma metálica, Área automotiva, Teste de impacto

ABSTRACT

Aluminum is the third most abundant element in Earth's crust and the younger metal used in industrial scale. Due to their favorable characteristics such as lightness, electrical and thermal conductivity, impermeability and opacity, high strength/weight, durability, malleability, ductility, corrosion resistance, recyclability and beauty, aluminum became the most non-ferrous metal produced nowadays. With the goal to optimize the use of aluminum, in the mid-twentieth century were held the first patents for metal foams consisting of porous materials that combine the properties of cellular materials with a metal array. It can be produced by various ways, but the most promising method is the process of compaction of powders and subsequent formation of foam in which a mixture of aluminum powder and a blowing agent are compressed. The aluminum metal foams have the automotive industry as a potential application, because this industry searches safer, durable and lighter vehicles. Therefore, it is used in sandwich panels, structural reinforcements, impact-absorbing elements and damping vibrations. The emphasis of this work is directed to the use of aluminum metal foam in automotive design with the purpose of studying the mechanical behavior and possible new design alternatives that use this material for absorbing impact energy. Thus, a computer simulation was made in the study case “Sabiá 5”. This simulation constitute a powerful way to evaluate and propose solutions regarding the safety of occupants in vehicle collisions. For this purpose, the metal foam has proved ideal, as the results presented.

Keywords: Aluminum, Metallic foam, Automotive area, Impact test.

1 INTRODUÇÃO

A história das espumas metálicas tem seu início na década de quarenta, quando muitas patentes são registradas, mas as primeiras surgem mesmo entre 1950 e 1970, data em que muitas variações para os métodos de produção são propostas.

Entende-se por espuma metálica o material composto por uma matriz metálica com vazios em seu interior. As espumas metálicas possuem baixa densidade e propriedades físicas, mecânicas e acústicas peculiares, trazendo grandes vantagens em termos de peso e resistência. A estrutura em células (abertas ou fechadas) determina o comportamento macroscópico destes materiais que exibem comportamento mecânico e propriedades físicas que diferem muito dos materiais ditos sólidos, sem a presença de ar incorporado.

As espumas metálicas têm sido cada vez mais empregadas na indústria automobilística, especialmente como parte dos equipamentos de segurança passiva. São adequadas para a fabricação de peças leves e com grande capacidade de absorção de impacto. Também tem emprego na indústria aeroespacial em situações envolvendo otimização, reduzindo-se o peso mantendo a rigidez.

Para empregar as espumas metálicas como componente principal em estruturas, torna-se necessário dispor de métodos numéricos e modelos constitutivos confiáveis, desenvolvidos e validados a partir de propriedades mecânicas, geométricas e físicas do componente estrutural e da espuma metálica em si.

Espumas metálicas de alumínio são estruturas metálicas porosas que combinam as propriedades típicas dos materiais celulares com as dos metais. A rigidez elevada em relação à massa e boa capacidade de dissipação de energia em caso de impacto levaram a uma variedade de aplicações, especialmente na indústria automotiva. As propriedades das espumas metálicas dependem muito das características morfológicas, como a distribuição de tamanho dos poros, a curvatura da parede celular e defeitos.

As espumas metálicas podem ser produzidas de diversas formas. Algumas técnicas partem de um metal especialmente fundido com viscosidade ajustada e são injetados gases ou adicionados agentes efervescentes neste metal fundido causando a formação de bolhas em seu processo de composição. Outro método é preparar um sistema gás-metal supersaturado sob alta pressão e com formação de bolhas iniciais com pressão e temperaturas controladas. Finalmente, espumas metálicas podem ser feitas misturando metais cristalizados com agentes efervescentes, compactando-os, gerando