Veículos conectados, eletrificação do acionamento, direção autônoma e compartilhamento de carros estão desafiando os fabricantes de automóveis e seus fornecedores a repensar os modelos comerciais vigentes e a desenvolver conceitos de mobilidade modificados. Em alguns casos essas tendências estão introduzindo tecnologias inteiramente novas no veículo.

Embora estes desenvolvimentos geralmente estejam relacionados apenas a classes ou segmentos específicos de veículos, uma exigência permeia praticamente todas as áreas: a redução de peso para aumentar a eficiência. 

No caso de carros com motores de combustão interna, uma redução de peso de 100 kg leva a uma diminuição do consumo de gasolina de 0,2 a 0,3 L/100 km. Isso pode ser convertido em uma redução de emissões de até 8 g CO /km. Entretanto, a 2economia real depende muito do comportamento ao volante. Ao se manter velocidade constante durante o trajeto, por exemplo, em uma autoestrada, o peso tem papel secundário no consumo de energia. Neste caso, a resistência do ar exerce influência significativa sobre o balanço energético. Ocorre exatamente o oposto no início do movimento e na frenagem.

A montadora automotiva chinesa NIO utiliza formulações de PP reforçadas com fibra de carbono para o suporte do console central em seu SUV elétrico ES8 (NIO)

 

O mesmo raciocínio se aplica aos veículos elétricos: neles, parte da energia da frenagem pode ser recuperada como energia elétrica por meio da regeneração. Entretanto, este processo não é isento de perdas. Além disso, os veículos elétricos geralmente são mais pesados do que os modelos análogos dotados de motores de combustão interna. No caso de modelos idênticos, os carros elétricos apresentam em média peso 15% superior. Embora muitos componentes sejam eliminados do conjunto propulsor elétrico, as baterias pesadas acarretam no aumento de peso. É verdade que a densidade de energia das baterias está aumentando continuamente, mas a autonomia dos carros elétricos ainda é significativamente menor do que a dos veículos convencionais. A construção leve, portanto, continua sendo um dos requisitos decisivos.

Com densidade de 0,9 g/cm3, o polipropileno (PP) é mais leve do que a água e, portanto, um dos materiais mais leves usados em veículos. As altas exigências no setor automotivo geralmente não permitem o uso de PP puro. Na maioria

Fig. 1  –  A  formulação PP Daplen EE001AI possui boa resistência a arranhões e qualidade superficial, apesar de sua baixa densidade, de 0,95 g/cm3. É por esse motivo que a Skoda conta com esse material no interior de seu modelo Scala – por exemplo, no painel da porta (Skoda)

 

dos casos são utilizadas formulações de PP. Embora sua densidade aumente um pouco devido ao uso de materiais de reforço como talco, fibras de vidro ou fibras de carbono, ela ainda se situa na faixa de 1,05 g/cm3 (±0,1).

Fração de cargas reduzida abaixo de 10%  

A Borealis AG (Viena, Áustria) tem trabalhado intensamente nos últimos anos para reduzir a fração de materiais para reforço no caso das formulações de PP reforçadas com cargas minerais. Por intermédio da otimização apropriada do projeto do polímero, foi possível conseguir uma redução significativa da densidade das formulações, mantendo suas propriedades mecânicas e melhorando a processabilidade. Ao invés das formulações de PP anteriormente utilizadas, com fração de cargas igual ou superior a 20%, agora se encontram em uso materiais com fração igual ou inferior a 10%. Os materiais atuais usados nas guarnições de portas apresentam valores de densidade de aproximadamente 1 g/cm3. Um exemplo disso é a formulação de PP Daplen EE001AI, com alta

Fig. 2 – O PP reforçado com fibra de vidro é um substituto adequado para a PA e é atualmente utilizado, por exemplo, nos módulos da extremidade frontal (front-end) dos modelos atuais de veículos (Borealis)

 

resistência ao impacto. Ela possui densidade de apenas 0,95 g/cm3, mas apresenta qualidade superficial muito alta e resistência a arranhões.

Além de atender aos requisitos estéticos, os materiais usados no interior dos veículos também devem apresentar baixas emissões e ser inodoros, bem como estar em conformidade com os padrões OEM, de acordo com as normas técnicas VDA 278 e VDA 270. O grau Daplen EE001AI atende a ambos os requisitos e permite redução do peso do componente de até 6% em comparação com as formulações de PP convencionais. Esse material é utilizado em vários modelos de diferentes fabricantes de veículos, incluindo o Skoda Scala (figura 1), e também se espera que desempenhe um papel importante nos futuros veículos elétricos.

Um dos pontos focais na região externa dos veículos é a integração de vários sensores e da instrumentação que são necessários para os sistemas de assistência à condução e, no futuro, para a condução autônoma. Os fabricantes esperam que isso possa ser implementado sem qualquer restrição em termos estéticos ou do fluxo de ar (ou seja, do coeficiente de arraste cw). Esta integração total funcionalizada requer materiais com propriedades conhecidas, mas que apresentem maior fluidez e menor coeficiente de expansão linear. Esta combinação é obtida, por exemplo, com a formulação de PP Daplen EH227AE a qual oferece, ao mesmo tempo, qualidade superficial muito boa para aplicações sem pintura.

Além das aplicações clássicas de poliolefinas, tais como para-choques, mini estribos e aerofólios, módulos inteiros da porta traseira também são fabricados usando PP. Para isso são utilizados diferentes

Fig. 3 – Comparação dos valores de rigidez sob flexão (E1/3/p) de materiais para construção leve (o número nas barras indica a densidade, expressa em g/cm3): a fração de carga nos plásticos foi de 40% (fonte: Borealis)

 

conceitos, como uma solução usando três cascas mais componentes para revestimento, ou uma solução com duas cascas mais estrutura de suporte visível. O suporte metálico que era usado até agora foi substituído por um quadro estrutural feito com PP reforçado com fibras.

Substituindo PA por PP reforçado com fibras de vidro

Quando, como no caso das portas traseiras, é necessário conseguir melhores índices das propriedades e da resistência mecânica para substituir, por exemplo, a poliamida (PA) ou materiais metálicos, as fibras de vidro continuam sendo o padrão para reforçar o PP. Tais

Fig. 4 – O console central do veículo elétrico NIO ES8 é feito com PP reforçado com 20% em peso de fibra de carbono. Sua geometria complexa apresenta implementação mais fácil usando fibras de carbono ao invés das de vidro (Borealis)

 

materiais também são utilizados em travessas submetidas a pesadas solicitações e para componentes localizados no ambiente do motor. Um exemplo dessa aplicação é o grau PP Fibremod GB477HP da Borealis, que é reforçado com 40% em peso de fibras curtas de vidro. Atualmente ele é utilizado para módulos da extremidade frontal do veículo (front-end), entre outras aplicações (figura 2).

O PP reforçado com fibra de carbono apresenta alta resistência mecânica, similar à do PP reforçado com fibra de vidro (figura 3). Além disso, ele apresenta densidade extremamente baixa, boa processabilidade, além de expansão linear térmica e tendência à deformação muito baixas. A Fibremod CB201SY, uma formulação de PP contendo 20% em peso de fibra de carbono, atinge módulo de flexão com magnitude de quase 10.000 MPa sob densidade de 1 g/cm3. A montadora NIO, por exemplo, utiliza este material no suporte do console central de seus veículos elétricos NIO ES8 (figura 4) e

Fig. 5 – A fim de poder efetuar simulações de componentes de forma realista, é necessário que os fabricantes procedam a uma caracterização abrangente de seu material. Isso requer a execução de ensaios de materiais, como os de tração (Borealis)

 

NIO ES 6. Além da complexa geometria do componente, cuja manufatura seria difícil ao usar o PP reforçado com fibra de vidro, a adoção da formulação CB201SY resultou em uma economia de peso de 20% em comparação com um grau de PP reforçado com fração de 40% de fibras longas de vidro com nível de rigidez semelhante.

Contudo, em muitos casos, a mera substituição de materiais não é conveniente. Para implementar componentes estruturais complexos é necessário dispor de sólido conhecimento básico em simulação o que, além dos modelos de material usados em cálculo e previsão, também inclui o conhecimento no que diz respeito ao seu processamento. O desenvolvimento de ferramentas de simulação e modelamento cada vez

Fig. 6 – Os componentes expandidos apresentam peso reduzido e, portanto, também diminuem o consumo de energia dos veículos. Portanto, o uso de componentes expandidos constitui uma opção interessante para veículos elétricos em particular (Borealis/Trexel)

 

 

mais precisas permite um projeto de componente específico para o material e abre um potencial adicional de economia. Entretanto, alcançar esse objetivo requer que os fabricantes de materiais criem modelos abrangentes para seus produtos. Para poder efetuar estudos desde casos complexos de carregamento até simulações de colisão, é necessário o desenvolvimento contínuo no campo da caracterização de materiais (figura 5). Os comportamentos estático e dinâmico, assim como o relativo à fadiga do material, devem ser determinados ao longo de uma ampla faixa de temperaturas. Influências de correntes do processamento, tais como orientações, linhas de solda etc., também devem ser levadas em consideração.

Espumas de PP: 60% a menos de peso

Além do peso do veículo, há também um grande potencial para o aumento da eficiência energética no condicionamento de ar nos veículos elétricos. Estudos demonstraram que mais de um terço da carga da bateria é usada pelo equipamento de ar-condicionado em um carro elétrico. Portanto, melhorias na gestão da temperatura dos veículos elétricos como, por exemplo, por meio de um maior isolamento térmico do interior do veículo, são uma chave para aumentar sua autonomia.

As espumas de PP são uma possibilidade para alcançar esse objetivo.

Para tanto, a Borealis desenvolveu o PP Daploy, com cadeia longa ramificada. Ele combina alta resistência mecânica (High Melt Strength, HMS) e alta capacidade de estiramento no estado fundido. É por esse motivo que as espumas de PP com baixa densidade podem ser produzidas a partir desses graus. Além da redução de peso, essas espumas oferecem as vantagens habituais do PP: alta resistência à temperatura, excelente resistência química e fácil reciclabilidade. No setor automotivo, os forros de teto, barreiras contra vapor de água nas portas e dutos de ar, bem como várias outras peças, já são feitas com espumas leves de PP.

Um estudo conceitual sobre um duto de ar feito com PP expandido e moldado por extrusão e sopro mostra como a combinação de métodos de processamento e materiais apropriados pode reduzir o peso dos componentes e o consumo de energia (figura 6). Em comparação com os modelos de referência, os dutos de ar expandidos apresentam peso 20 a 60% menor e características de isolamento acústico e térmico significativamente melhoradas.

Considerando a pegada total de CO do veículo

As formulações de PP oferecem uma ampla gama de possibilidades para melhorar a eficiência energética dos veículos. No entanto, não basta apenas reduzir as emissões de CO₂. Na verdade, o balanço energético deve considerar desde a extração da matéria-prima, passando pela produção e fase de utilização, até a reciclagem dos materiais ao final da vida útil do veículo. A pegada global de CO₂ do veículo está cada vez mais em foco. Os plásticos reciclados fazem uma contribuição importante para a redução das emissões de CO₂. Portanto, a Borealis desenvolveu formulações elaboradas a partir de materiais reciclados pós-consumo. Por exemplo, os graus Borcycle ME2220SY, MD2550SY e MD3230SY contêm entre 25 e 50% em peso de conteúdo de materiais reciclados pós-consumo. As formulações de PP podem ajudar a implementar uma mobilidade mais eficiente. Devido à sua baixa densidade, moldagem simples, baixas emissões de CO₂ e reciclabilidade relativamente fácil, o PP e suas formulações, ao substituir outros materiais, muitas vezes reduzem a quantidade emitida dos gases que promovem o efeito estufa.