Os métodos convencionais de construção leve estão atingindo seus limites nos mercados de grande volume de produção, como a indústria automotiva. Para continuar conseguindo uma redução de peso economicamente significativa, a construção funcional leve está se destacando pela utilização de métodos de construção envolvendo o uso de múltiplos materiais, os chamados componentes híbridos, feitos com metais e plásticos. A vantagem neste caso está na possibilidade de implementar melhorias como, por exemplo, a integração de funções ou a criação de pontos de união, por meio da combinação de materiais e processos. Entretanto, a combinação de materiais metálicos com plásticos requer conceitos de fixação modificados para a conexão de componentes adicionais devido às diferentes propriedades desses materiais.

O projeto híbrido pode ser usado para reduzir o peso dos componentes, melhorar seu desempenho por intermédio da integração funcional, otimizar o processo de produção e aumentar a relação custo-benefício da manufatura em larga escala (1, 2). A implementação de um projeto híbrido de componentes relevantes

Os insertos metálicos rosqueados com superfície estruturada em ambos os lados evitam a fluência de resinas termoplásticas em componentes híbridos (IK, IWF)

Fig. 1 – O uso de insertos metálicos rosqueados híbridos sem estruturação de superfície no material compósito híbrido leva a efeitos de assentamento na união parafusada (fonte: IK, IWF; Gráfico: Hanser)

 

para a estrutura na fabricação de veículos pode ser dividido em dois princípios básicos (3):

Além disso, elementos funcionais como insertos rosqueados e estruturas como, por exemplo, nervuras ou grampos na forma de plásticos reforçados com fibra, são aplicados à estrutura da casca utilizando processos de vazamento e moldagem por compressão (por exemplo, moldagem por injeção, extrusão por impacto e termoformação). Pode-se reduzir o peso do componente por meio da diminuição da espessura da parede do semi-produto de chapa e da utilização de aços de alta resistência e ligas leves(4) . A combinação envolvendo o uso de plásticos reforçados com fibra permite obter componentes com desempenho igual ou até melhor e peso reduzido em comparação com uma variante monolítica confeccionada com aço(5, 6) .

A fixação de peças adicionais através de estruturas rosqueadas conformadas no plástico pode não atender às exigências tanto de propriedades mecânicas como de resistência a longo prazo. Por esta razão, componentes metálicos na forma de insertos planos ou rosqueados são frequentemente embutidos no plástico como pontos de conexão para suporte de carga ao se aplicar a estrutura funcional no processo de fabricação. Neste processo, os componentes metálicos são fornecidos com recessos, tais como nervuras, furos ou texturas superficiais(7). Estes insertos são impregnados com resina termoplástica fundida ou uma mistura de resinas. Após a resina fundida ter se solidificado, ou após sua reticulação, ocorre a formação de uma união predominantemente positiva.

Este tipo de conexão é normalmente usado para uniões parafusadas diretamente no lado funcional dos componentes plásticos e híbridos. Entretanto, no caso da união rosqueada de peças adicionais, o uso de plásticos em combinação com insertos rosqueados metálicos apresenta a desvantagem de que as resinas permanentemente submetidas a solicitações mecânicas apresentam escoamento parcial devido ao seu comportamento viscoelástico.

Fig. 2 – Quando se usa insertos metálicos rosqueados com superfície texturizada os pinos penetram na fita e evitam efeitos de assentamento na conexão parafusada (fonte: IK, IWF; Gráfico: Hanser)

Este problema pode ser visto claramente na Figura 1. Trata-se aqui de um conjunto híbrido de chapa metálica e um semi-produto de plástico reforçado com fibra contínua, com matriz termoplástica, de acordo com o segundo princípio básico de construção com múltiplos materiais. Foi colocado um inserto metálico rosqueado sobre o laminado para se efetuar a união rosqueada no material compósito híbrido. Este inserto é parafusado a um componente adicional através do material compósito híbrido, de modo que o fluxo de força resultante do parafusamento também passe através do componente plástico do material compósito híbrido. Ao se utilizar um semi-produto compósito reforçado com fibras e matriz termoplástica ocorre um efeito de relaxação devido às tensões compressivas permanentes no plástico que surgem como resultado de suas propriedades viscoelásticas – e, portanto, ocorre escoamento de sua matriz. O alívio de tensões no plástico faz com que ocorra redução da força de pré-tensionamento da conexão rosqueada. Particularmente os componentes montados que se encontram submetidos a cargas mecânicas permanentes podem estar sujeitos a efeitos de ajuste relacionados aos materiais, os quais resultam em mudanças na posição original de montagem ao longo da vida útil do componente montado.

Transpondo o fluxo de carga através do plástico reforçado com fibras

Para evitar que a junta ceda e para melhor introduzir o efeito da carga mecânica da junta parafusada no material compósito híbrido, o fluxo de força deve passar através do plástico reforçado com fibras. O objeto de investigação neste caso é a estruturação superficial no lado de contato da rosca presente no semi-produto reforçado com fibras. A estrutura estudada, na forma de projeções em forma de pino (figura 2), penetra na matriz de resina termoplástica fundida do semi-produto plástico durante a prensagem do material compósito híbrido e se apoia no lado metálico. O comprimento da estrutura foi definido em um valor cerca de 25% superior ao da espessura do plástico a ser atravessado. Como resultado disso, a estrutura se deforma quando pressionada sobre o lado metálico do material compósito híbrido, podendo formar recessos que levam a uma

Fig. 3 – O processo de soldagem CMT permite a confecção de insertos rosqueados em forma de pinos, com comprimento definido e cabeças apresentando diferentes formatos (fonte: IK, IWF)

união positiva. Dessa forma se garante o apoio das forças de parafusamento, do torque de aperto e das cargas operacionais através do material compósito híbrido, reduzindo o efeito de assentamento da união.

Métodos como impressão tridimensional, estruturação a laser , conformação da superfície e soldagem podem ser usados para se obter as estruturas superficiais no inserto rosqueado (8-11). Foi utilizado o processo de soldagem por transferência a frio de metal (Cold Metal Transfer, CMT) para o inserto rosqueado de rosca descrito a seguir. É uma boa alternativa para se implementar a estrutura necessária na forma de pinos sobre a superfície. A vantagem desse processo é a possibilidade de aplicação controlada por robô e, portanto, com alta repetibilidade e dimensionamento reprodutível e definido (comprimento e forma da ponta) das estruturas superficiais.

A soldagem CMT é um aperfeiçoamento do processo clássico a arco com gás ativo (MAG) ou inerte (MIG). Trata-se, portanto, de uma versão da soldagem a arco. A característica especial desse método é o controle ativo do material de adição durante o processo de soldagem. O sistema de controle digital do processo detecta um curto-circuito entre a peça e o metal de adição durante a soldagem. Dessa forma se garante a estabilidade do processo pela retração controlada do arame de soldagem. O processo CMT, em comparação com o MIG, apresenta melhor separação entre as gotas e menor introdução de calor na peça de trabalho. O ajuste dos parâmetros do processo permite unir uma parte do arame de soldagem à superfície e cortá-lo em um comprimento definido. O comprimento dos insertos em forma de pino confeccionados desta forma, doravante denominados pinos, situou-se entre 0,8 e 3,0 mm. As cabeças dos pinos podem assumir formato plano, pontiagudo ou esférico, conforme as condições selecionadas de processo(12).

Os pinos com cabeças esféricas são adequados para unir metais e plásticos reforçados com fibras

Fig. 4 – Pinos pontiagudos (vistos à esquerda) são particularmente adequados para uso com semirodutos têxteis. Neste experimento, uma camada de fita feita de PA6 reforçada com fibra de vidro foi perfurada por eles (fonte: IK, IWF; Gráfico: Hanser)

 

para que sejam formados recessos para uma conexão positiva (11). Por outro lado, quando se deseja penetração de materiais com pouca ocorrência de danos, devem ser selecionados pinos com cabeça

pontiaguda. Particularmente semi-produtos têxteis, como laminados reforçados com fibras contínuas, na forma de chapas orgânicas ou camadas de fita, podem ser perfurados com esse tipo de pino, como se fosse uma agulha, sem danificar severamente as fibras (13).

Foi adotado um processo de soldagem automatizado , com robô, para a confecção dos insertos rosqueados (figura 3). Os corpos de prova em forma de chapa foram fixados em um suporte fixo sobre a mesa em frente ao robô para efetuar a confecção reprodutível das estruturas dos pinos . Foram aplicados seis pinos pontiagudos em uma placa de base feita com aço bifásico (DP1000) para se investigar o comportamento de penetração das estruturas com pinos na camada de fita (figura 4, à esquerda). Esses corpos de prova com pinos foram então

Fig. 5 – Evolução da força ao longo do deslocamento ao efetuar a prensagem do corpo de prova com pinos sobre o material compósito híbrido. O ensaio foi feito conforme a norma técnica DIN EN ISO 604 sob influência da temperatura (fonte: IK, IWF; Gráfico: Hanser)

 

prensados sobre um material híbrido compósito constituído por um aço para carrocerias (HX380 LAD) e camada de fita constituída por matriz de poliamida 6 (PA6) com fração de 47% de fibras de vidro (figura 4, à direita).

Dimensionando o comprimento correto dos pinos

A penetração foi iniciada na parte lateral do componente plástico. Inicialmente, a matriz da camada de fita foi fundida por aquecimento durante 300 s a 220 °C em um forno para plásticos. O ensaio também foi realizado sob essa mesma temperatura para manter a matriz no estado fundido durante o processo. O valor selecionado corresponde ao da temperatura de fusão do material da matriz, ou seja, PA6. Este experimento foi baseado no ensaio de compressão para plásticos conforme especificado pela norma técnica DIN EN ISO 604. Foi aplicada uma pré-carga de 50 N para garantir que todos os pinos da amostra estivessem em contato com o material híbrido compósito no início do teste. Posteriormente a amostra foi prensada em 3 mm sobre o material híbrido compósito. Os pinos foram dimensionados com comprimento de 2,5 mm de tal forma que, após a penetração da fita sob uma espessura nominal de 2,0 mm, ainda houvesse um vão de 0,5 mm entre o corpo de prova e a camada de fita. Essa lacuna foi preenchida em uma etapa posterior do processo. Por isso os pinos se deformaram devido às forças que atuaram durante a prensagem.

A força necessária para a prensagem foi registrada durante o teste. As evoluções medidas das curvas força versus deslocamento dos corpos de prova individuais podem então ser combinadas para se obter uma evolução média na qual, em cada ponto dessa curva, pode-se obter um valor médio das forças de penetração necessárias de todos os corpos de prova (figura 5).

Três fases essenciais podem ser identificadas. Na primeira fase os pinos penetram através da camada de fita. A força aumenta de forma quase linear com a profundidade de penetração. Isso se deve a um deslocamento crescente da matriz e das fibras durante a penetração, o que aumenta as forças de compressão que atuam sobre o pino que, por sua vez, elevam as forças de fricção que se opõem ao movimento. A segunda fase se inicia após aproximadamente 1,75 mm. A distância percorrida ainda não corresponde à espessura da camada de fita. No entanto, pode-se supor que já esteja ocorrendo uma crescente deformação elástica dos pinos. Isso se manifesta em um aumento da declividade do diagrama de força versus deslocamento e pode ser

Fig. 6 – O contorno peculiar da ponta do pino mostra claramente que ocorreu contato entre ele e o aço da carroceria durante a prensagem (fonte: IK, IWF; Gráfico: Hanser)

explicado por desvios da espessura nominal da fita depositada, tolerâncias dos comprimentos dos pinos individuais e acúmulos de fibras na frente dos pinos durante a penetração. O início da terceira fase é caracterizado pela deformação plástica dos pinos. Inicialmente é possível observar um aumento menor do que o anteriormente verificado no diagrama de força versus deslocamento. A partir de uma profundidade de penetração de aproximadamente 3,0 mm a compressão sobre a camada de fita se intensifica, o que aumenta os gradientes de força. A força máxima verificada ao longo de um comprimento de curso de 3,0 mm foi, em média, de 3.700 N.

A formação de um recesso sobre os pinos deformados plasticamente foi investigada por meio da preparação e observação microscópica de amostras metalográficas. A figura 6 mostra uma das micrografias assim obtidas, na qual o pino foi flexionado em cerca de 19° em relação à sua orientação original. É possível observar o contorno moldado das pontas dos pinos no aço para carroceria. Isso constitui uma clara indicação de que o pino esteve em contato com o componente de aço durante o processo de prensagem. A distância X em que isso ocorre (figura 6) se deve ao retorno elástico da camada de fita deformando, o que faz com que os pinos se levantem a partir do aço para carroceria. Essa elevação é reduzida pelo torque de aperto do parafuso devido à deformação elástica e plástica da resina. Se os valores de torque de aperto forem muito baixos, permanecerá um vão preenchido com restos de plástico entre os pinos e o componente metálico. Isso pode levar a uma redução da força aplicada pelo parafuso devido ao escoamento viscoelástico do plástico. Portanto, é necessária a aplicação de um torque de aperto com valor suficientemente alto para promover o contato entre os pinos e o componente metálico.

Minimizando o efeito de assentamento

Nas juntas parafusadas com transferência de carga presentes em materiais compósitos híbridos ocorrem efeitos de assentamento devido à contração do semi-produto plástico sob ação da carga mecânica e da temperatura. A consequência desses efeitos é uma alteração na posição em que a peça acessória estava montada. O uso de um inserto metálico rosqueado com estruturação especial de sua superfície permite que o efeito de assentamento seja minimizado e a introdução de carga mecânica na estrutura híbrida seja melhorada. Os insertos rosqueados em forma de pino penetram através da matriz termoplástica do semiproduto polimérico durante a prensagem e se apoiam no lado do metal. Isso isola o componente plástico do ponto de vista do fluxo de força proveniente da união parafusada e reduz o efeito de assentamento. A deformação dos pinos durante a prensagem no semi-produto plástico garante uma melhor transferência de carga por meio de uma união positiva adicional.

 

 


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