Nos últimos tempos, as denominadas "estruturas com múltiplos materiais" têm sido cada vez mais utilizadas na fabricação de automóveis. Isso inevitavelmente leva a ajustes nos métodos já existentes de manufatura que utilizam processos de união. Até o momento, o estado da arte consistia em aplicar o adesivo para uniões estruturais já na carroceria bruta, ou seja, nos estágios preliminares da cadeia de processos. O adesivo usado, geralmente do tipo estrutural monocomponente, sofria cura durante a secagem da pintura cataforética. Caso os componentes estruturalmente relevantes passem a ser feitos com plásticos reforçados com fibras, eles precisarão ser unidos à carroceria já pintada na etapa final de montagem. Há diferentes procedimentos a serem adotados caso seja necessária a união adesiva entre um componente pintado e outro não pintado, ou então entre dois componentes pintados. Por um lado, as regiões relevantes à operação de união adesiva precisam ser protegidas com máscaras antes da pintura. Por outro, pode-se propor a remoção automatizada da tinta antes que seja feita a união adesiva. A união adesiva direta sobre a superfície pintada e acabada também não está descartada. No caso da primeira opção, é necessário apenas levar em conta as sequências de processo em termos da aplicação e da retirada das máscaras; portanto, essa alternativa não foi analisada aqui. Dentro do escopo do projeto descrito neste trabalho, foram conduzidas investigações sobre métodos usados para a determinação das propriedades mecânicas da junta global, bem como sobre processos para a remoção de tinta usando diferentes fontes de laser.

Caracterização de tintas e métodos modificados de ensaio

Dentro deste trabalho foram analisadas duas tintas representativas

Fig. 1 – Tintas caracterizadas. Foto superior: branca; inferior: prata.

(branco e prata metálica ) em termos do seu comportamento dentro de uma união adesiva. Ambas as tintas consistiam em quatro diferentes camadas, a saber, de baixo para cima: pintura aplicada por eletroforese, carga, cor e camada de acabamento transparente (conforme mostra a figura 1). Numa primeira etapa, foram confeccionados corpos de prova destinados a ensaios mecânicos a partir de chapas de metal pintadas, nas quais uma tensão de cisalhamento será aplicada sobre uma junta de sobreposição de acordo com a norma técnica DIN EN 1465. Esses ensaios servem para efetuar uma comparação direta entre diferentes tintas e/ou diferentes processos de pré-tratamento.

 O ensaio mencionado acima não é adequado para uma caracterização mais precisa do comportamento mecânico da junta, especialmente quando forem aplicados diferentes modos de carregamento mecânico. Outros ensaios, como o de junta de topo, e o do tipo Arcan (1), já se encontram cons agrados para a caracterização de uniões estruturais. Embora os métodos de ensaio citados tenham sido concebidos para uniões entre aços, o ensaio da junta de topo e o Arcan podem ser facilmente adaptados para avaliar diferentes tipos de revestimentos ou tintas. Portanto, as peças a serem unidas precisam ser pintadas separadamente, o que pode resultar em diferentes níveis de qualidade em relação ao que pode ser obtido na produção em série. Desde que se disponha de chapas de metal pintadas provenientes do setor de controle de qualidade de uma linha de produção em série, é melhor usá-las para efetuar uma comparação direta entre as propriedades das tintas. Essas chapas apresentarão o mesmo nível de qualidade, uma vez que foram pint adas sob condições de produção em série. As modificações que serão apresentadas a seguir permitem utilizá-las nas

Fig. 2  – Desenho esquemático do ensaio  de junta de topo circular e do corpo de prova Arcan

geometrias de ensaio que serão mencionadas. A figura 2 mostra uma ilustração esquemática.

Numa primeira etapa, a chapa de metal pintada é unida por adesão sobre o lado não pintado da primeira peça do conjunto. Deve-se mencionar que a espessura da linha de união deve ser tão fina quanto possível para conseguir o máximo nível de rigidez possível e minimizar a deformação dentro dessa camada. Numa etapa posterior, a segunda peça do conjunto é unida por adesão sobre o lado pintado da chapa. O adesivo usado neste caso é aquele que deverá ser caracterizado junto com a tinta. Portanto, deve-se assegurar que a resistência mecânica desse adesivo seja inferior àquela usada na primeira junta, de forma que se

Fig. 3 – Gráfico polar dos resultados obtidos com corpos de prova do Arcan com parâmetros ajustados de elementos finitos

assegure que a falha ocorrerá na segunda linha de união.

Caracterização mecânica

Nesta etapa foram determinados os resultados da caracterização mecânica usando o corpo de prova Arcan, o qual foi desenvolvido para determinar as propriedades adesivas em casos de carregamento mecânico multiaxial. Os dois componentes da tensão (tração e cisalhamento) foram plotados separadamente para os três grupos de ensaios (figura 3). Pode-se determinar facilmente a direção dos resultados, bem como o efeito decorrente da tinta utilizada. Esses experimentos comprovam, de maneira exemplar, a menor resistência mecânica da tinta em comparação com o adesivo.

Adaptação do processo/remoção da tinta

Os ensaios mecânicos mostraram que a presença da tinta deve ser considerada ao se confeccionar uniões adesivas, uma vez que ela constitui o elo mais fraco da corrente. Uma ou mais camadas de verniz podem ser removidas antes de se efetuar a união adesiva para aumentar a resistência mecânica da união. Neste estudo foi investigada a remoção dessas camadas por meio de ablação seletiva a laser. Esse processo foi executado no Centro de Laser de Hannover (Laser Zentrum Hannover, L ZH ) e na empresa CleanLaser GmbH, um membro do comitê de usuários da Sociedade dos Engenheiros de Manufatura ( Societ y of Manufacturing Engineers, SME). Os parâmetros do feixe de laser, tais como comprimento de onda e potência, devem ser selecionados de forma tal qu e o processo de ablação pare por si só sobre a camada aplicada

por eletroforese. Essa estratégia implica o fato de que as camadas superiores devem apresentar um menor limiar de ablação que as camadas inferiores aplicadas por eletroforese.

Em uma primeira etapa, foi medida a capacidade de absorção em função do comprimento de onda das camadas de verniz coloridas, bem como da camada aplicada por eletroforese, uma vez que os limiares de ablação das diferentes camadas de verniz dependem fortemente da absorção. Essas medições revelaram que a absorção da camada aplicada por eletroforese nunca foi menor que a correspondente às camadas superiores de pintura na faixa de comprimentos de onda de 250 a 2.000 nm. Além disso, foram conduzidos ensaios de ablação a laser usando o sistema de laser aplicado em pulsos com duração de nanossegundos (nspulsed laser) operando a 355, 532 e 1.064 nm. Eles confirmaram os resultados das medições de absorção espectral. Não é possível ter um processo autolimitado de ablação pela  variação da potência de saída do laser e da estratégia de ablação. Se o laser

Fig. 4 – Espectro de absorção das diferentes camadas de tinta

remover a carga, então a camada aplicada por eletroforese também sofrerá ablação no mínimo parcial.

A figura 4 apresenta as medições de absorção das camadas de verniz colorido e da camada aplicada por eletroforese na faixa de comprimentos de onda de 2.500 até 20.000 nm. A absorção da camada aplicada por eletroforese é aproximadamente 10% menor que a das c amadas coloridas superiores apenas na faixa de comprimento de onda de 4.000 até 6.000 nm. Ainda não foram disponibilizadas comercialmente fontes de laser com alta potência de saída nesta faixa de comprimento de onda. No caso do laser de CO2 com comprimento de onda de 10,6 micra, a absorção difere por menos de 5%. Portanto, fo-

Fig. 5 – Ablação efetuada por laser ultravioleta sobre tinta branca (lado esquerdo) e prata (lado direito) até a carga. Foram alcançadas taxas de ablação de 2,88 cm2/s (tinta branca) e 2,75 cm2/s (tinta prata).

ram executados experimentos de ablação usando laser de CO2 com duração de pulso na faixa de microssegundos. Contudo, também não foi possível obter um processo de ablação autolimitado, uma vez que os valores do limiar de ablação das camadas de verniz estavam muito próximos entre si.

Uma estratégia alternativa para a remoção do verniz é efetuar uma ablação das camadas superiores sob parâmetros de processo controlados. Neste caso, os parâmetros do laser são ajustados de forma tal que o processo de ablação ocorre de forma consistente para uma camada de verniz com espessura constante. Ainda assim, o desafio consiste em criar uma camada de verniz remanescente com tolerância mínima de espessura, enquanto a espessura da camada inicial varia. Foi constatado que a ablação na carga constitui a melhor estratégia para permitir resultados constantes de união adesiva com espessura inicial variável.

Foram conduzidos estudos de ablação usando laser de ultravioleta (Coherent AVIA 23, 355 nm)

Fig. 6 – Ablação efetuada por laser infravermelho de tinta branca (lado superior) e de tinta prata (parte inferior) até a carga: foram alcançadas taxas de ablação de 2,6 cm2/s (tinta branca) e 3,9 cm2/s (tinta prata).

 

no Centro de Laser de Hannover, aplicando-se pulsos com duração da ordem de nanossegundos. A figura 5 (pág. 22) mostra imagens obtidas por microscopia óptica com luz refletida e micrografias de seções transversais, as quais indicam a ocorrência de ablação homogênea com baixas ondulações. Outros testes, feitos em cooperação com a CleanL aser GmbH, onde foi utilizado laser de infravermelho aplicado em pulsos com duração de nanossegundos (CL150, 1.064 mm), efetuaram ablações bem-sucedidas (figura 6). Investigações adicionais mostraram que podem ser alcançadas até mesmo maiores velocidades de ablação que as aplicadas na figura 6 para ambas as cores de verniz.

Após o tratamento a laser foram confeccionados e testados corpos de prova para os ensaios de cisalhamento de juntas a partir das chapas metálicas, de acordo com a norma técnica DIN EN 1465. Os resultados obtidos estão mostrados na figura 7 (pág. 25). Ficou óbvio a partir daí que, graças a um prétratamento adequado, a resistência mecânica resultante aumentou significativamente, tendo até mesmo duplicado no caso da tinta de cor prata. Os resultados obtidos a partir desses ensaios quase estáticos podem ser extrapolados qualitativamente para o caso de altas taxas de deformação. Também neste caso a fratura ocorreu dentro da camada de tinta, especialmente no caso da tinta prata.

Conclusões

Os ensaios mecânicos efetuados neste trabalho mostraram que as características de fratura de juntas adesivas em componentes pintados dependem fortemente da composição da tinta e das condições de carregamento mecânico. Eles mostraram modos de fratura similares para a tinta de cor prata e de falha parcialmente diferente no caso da tinta branca. As propriedades da junta são influenciadas significativamente pela pintura e precisam ser investigadas durante o desenvolvimento de um produto. Também foi mostrado que podem ser usados processos adequados de pré-tratamento para aumentar a resistência mecânica da junta.

 Fig. 7 – Comparação entre os valores de resistência ao  cisalhamento da junta de sobreposição após diferentes  tipos de pré-tratamento

Agradecimentos

Os resultados apresentados aqui foram obtidos dentro do projeto internacional de pesquisa (CrabLacs – Uniões Adesivas Resistentes a Colisões em Superfícies Pintadas). Este trabalho foi financiado pelo Ministério Federal Alemão da Economia e Tecnologia ( Bundesministerium für Wir tschaft und Technologie, BM W i ) e pela Fundação para Promoção de Pesquisa de Chipre (Research Promotion Foundation, RPF), entre 2010 e 2012. Os autores agradecem a todos os parceiros pela sua contribuição a este projeto.

Referências

  1. Cognard , J. Y. Numerical analysis of edge effects in adhesively-bonded assemblies – Application to the determination of the adhesive behaviour. Computers & Structures 86. 2008. p. 1.704-1717.

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