Por Ajay Yadav, Michael Mirtsch e Taylan Altan*

Publicada em Corte e Conformação de Metais, edição de outubro de 2008.

 

Há uma demanda significativa nas indústrias aeronáutica e automotiva por construções de baixo peso usando componentes feitos com chapas metálicas. O aumento da rigidez desses componentes, ao mesmo tempo em que se reduz seu peso, pode ser conseguido substituindo-se o aço comum por ligas de alumínio, magnésio ou titânio, aços avançados de alta resistência mecânica (AHSS) ou chapas de metal com estruturação tridimensional.

 

Chapas estruturadas são chapas metálicas finas com uma estrutura tridimensional, a qual melhora as propriedades mecânicas dos componentes. A princípio isso ocorre pelo aumento da rigidez à flexão devido à elevação do momento de inércia (quanto mais alta for a estrutura, mais rígido será o aço).

 

Fig.1 – Painel traseiro do automóvel Mercedes SLK produzido com chapa estruturada em abóbada com um padrão hexagonal escalonado. Esta estruturação melhora a rigidez da chapa, bem como suas propriedades de amortecimento de ruído. Fonte: F. Mirtsch, “Bionic-Method of Efficient Light-Weight Production”, nos anais da Global Conference Sustainable Products – 29/09 a 1/10/2004, p. 97.

 

O encruamento que ocorre durante o processo de estruturação também melhora a rigidez do produto. As aplicações mais conhecidas dos produtos planos estruturados incluem as chapas corrugadas para tetos e fachadas. Inicialmente, as chapas estruturadas tridimensionais foram usadas para a fabricação de produtos que requeriam rigidez intensificada; contudo, estes materiais agora são usados em uma variedade maior de produtos.

 

Aplicações automotivas

Tanto os consumidores como os governos estão requerendo veículos eficientes do ponto de vista do consumo de combustível, para que atendam a padrões mais elevados de segurança e impacto ambiental.

 

A figura 1 mostra o painel traseiro estruturado de um automóvel Mercedes SLK modelo 2004. Este painel incorpora rigidez e melhora o comportamento acústico do carro pelo amortecimento do ruído proveniente do porta-malas e da região traseira do veículo, o qual pode ser transmitido para o compartimento de passageiros.

 

As chapas estruturadas também podem ser usadas em produtos com aplicações térmicas. Por exemplo, em trocadores de calor, em que o aumento da turbulência do fluido ao longo de superfícies estruturadas tridimensionalmente, combinadas com maior área superficial, melhora significativamente a taxa de transferência de calor.

 

Outras aplicações para as chapas estruturadas incluem a construção civil, produtos para arquitetura (tetos, paredes e painéis para portas) e embalagens (latas, recipientes e garrafas).

 

Processos para produção de chapas de metal estruturadas

Chapas de metal estruturadas, feitas de aço ou ligas de alumínio, são produzidas principalmente por laminação (chapas estruturadas laminadas), gravação em relevo (chapas estruturadas do tipo waffle) ou hidroconformação (chapas estruturadas do tipo esférico), conforme mostrado na figura 2.

 

Fig. 2 – As chapas estruturadas de aço e liga de alumínio são produzidas principalmente por laminação (chapas estruturadas laminadas), gravação de relevo (chapas estruturadas do tipo waffle) ou hidroconformação (chapas estruturadas do tipo esférico).

 

Estes processos criam altos níveis de encruamento, mas requerem grandes pressões de conformação. O método de estruturação em abóbada (a figura 1 mostra uma estrutura de abobadado hexagonal) é uma nova tecnologia que produz chapas estruturadas mediante menores pressões de conformação.

 

O encruamento neste tipo de estruturação é reduzido, o que proporciona melhor conformabilidade para os processos secundários. Exemplos de chapas manufaturadas com estes processos são mostrados na figura 3, bem como as alturas de estruturas que podem ser alcançadas e as pressões necessárias para conformá-las.

 

 

Fig. 3 – Comparação entre alturas de estruturas e pressões de conformação para a liga de alumínio AA 5052-O e aço estampado obtidas por diferentes processos de estruturação. O método de estruturação em abóbada apresentou capacidade de conformar estruturas relativamente altas sob baixas pressões de conformação. Fonte: M. Hoppe, “Umformverhalten strukturierter Feinbleche”, Diss., Bradenburgische Technische Universitat (BTU), Cottbus, Alemanha. 2003, p. 28, 46.

 

Processo de estruturação em abóbada

O processo básico de estruturação em abóbada é mostrado na figura 4. Uma chapa fina, conformada cilindricamente, é apoiada internamente com anéis. Após a aplicação de uma pressão externa hidrostática ou elastomérica, a chapa se deforma para dentro e, sob um valor crítico da pressão aplicada, sofre colapso, obtendo-se automaticamente uma estrutura retangular escalonada. Não se usa matriz retangular nesse processo; a estrutura escalonada é auto-organizada.

 

As dobras circulares diretas na peça final são aplicadas pelos anéis de apoio. Contudo, as dobras axiais (dobras horizontais), que são escalonadas e não-alinhadas, são criadas automaticamente durante o processo de conformação, com base no princípio de economia de energia.

 

 

Fig. 4 - Processo de estruturação em abóbada.

 

Ao contrário das técnicas convencionais, a estruturação em abóbada não é feita com ferramentas altamente sofisticadas sob pressões de conformação muito altas (ver figura 3), mas sim sob baixas pressões e com ferramentas de apoio muito simples (anel ou hélice). O princípio da estruturação em abóbada também pode ser usado como base para o desenvolvimento de métodos para a produção de chapas com estruturas escalonadas hexagonais ou retangulares.

 

Propriedades das chapas estruturadas

A chapa de metal estruturada possui elevada rigidez à flexão. Pode ser usado um ensaio de flexão em três pontos para se avaliar esta propriedade. Obtém-se como resultado uma curva de deflexão versus força de flexão, conforme mostrado na figura 5. Este ensaio indica que as chapas estruturadas em abóbada são de três a cinco vezes mais rígidas do que as não-estruturadas.

 

Uma comparação similar aplicando o ensaio de flexão em três pontos em chapas planas, chapas estruturadas por laminação e aços de alta resistência estruturados em abóbada (DPK30/50) gerou resultados similares aos mostrados na figura 5.

 

 

Fig. 5 – A rigidez sob flexão para chapas produzidas por estruturação por meio de laminação, hidroconformação e em abóbada pode ser determinada por um ensaio de flexão em três pontos. Fonte: F. Mirtsch, “Bionic- Method of Efficient Light-Weight Production”.

 

Os aços de alta resistência apresentam conformação difícil, e às vezes não podem ser estruturados usando-se técnicas convencionais de forma a se conseguir altas profundidades de estruturação. O uso de baixas pressões de conformação, tais como as associadas à técnica de estruturação em abóbada, pode estruturar até mesmo chapas de aço de alta resistência, ligas de alumínio e materiais fibrosos como papel e papelão.

 

Espera-se no futuro que projetos inovadores e otimizados de estruturas, juntamente a processos econômicos de estruturação, aumentem o uso de componentes feitos com chapas estruturadas de metal. A parte II deste estudo, que será publicada no site de Corte e Conformação de Metais, discutirá as aplicações específicas e as vantagens da chapa “Vault Structured”.

 

*Este estudo foi preparado por Michael Mirtsch e Ajay Yadav, do Centro de Pesquisa em Engenharia para a Manufatura Próxima ao Formato Final (Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing – ERC/ NSM) da Universidade do Estado de Ohio (EUA), e por Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor da mesma instituição. Este artigo foi Publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de outubro de 2008 da revista Corte & Conformação de Metais. Reprodução autorizada. 

 

Tecnologia em conformação

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