Alunos d Fundição

Investigação acadêmica em técnicas de fundição está ajudando OEMs e fornecedores a preencher uma lacuna no conhecimento.

Quase todas as peças de metal usadas na fabricação de um automóvel terão passado por um processo de fundição em algum ponto previamente - seja através de uma técnica tal como a areia de fundição ou simplesmente como um bloco para ser submetido a um outro processo, tais como a extrusão. Isto é verdade, por exemplo, em todos os aços e de ligas de alumínio, assim como o cobre e magnésio. Além disso, todas as propriedades próximas aos metais serão condicionadas pelo processo de fundição, não menos por força e qualidade de superfície. As únicas exceções a esta regra em qualquer tipo de produção, pode envolver um material altamente especializado, como tungstênio processado por alguma forma de pó metalúrgico.

Esse breve resumo da importância fundamental de lançar procedimento de fabricação de metais é fornecido por Dr. Ian Stone, vice-diretor do Centro de Brunel de Tecnologia Avançada de Solidificação (BCAST) na Universidade de Brunel, em Londres. BCAST foi o local para a investigação sobre tecnologias de processamento de metais por quase 15 anos e acaba de anunciar uma série de novas iniciativas que visam especificamente o desenvolvimento contínuo de fundição para atender às demandas de fabricação do século 21 e, particularmente, as da indústria automóvel. A mais proeminente delas é Advanced Metal Casting Centre (AMCC), um empreendimento de £17m (US $ 25 milhões) com o apoio do fabricante de outros veículos Jaguar Land Rover (JLR) e fornecedor de alumínio Constellium.

Dr. Stone explica que, apesar do fato de que vazamento é essencial para a indústria automotiva uma série de fatores contribuem tanto com OEMs de veículos como fornecedores de materiais que são capazes de realizar atividades deste tipo de pesquisa por si mesmos. OEMs, por exemplo, geralmente "simplesmente não possuem" fundições em desenvolvimento. Entretanto, os fornecedores de matérias ao mesmo tempo em que são capazes de levar a cabo os processos envolvidos não estão geralmente dispostos a interromper os processos em grande escala do dia-a-dia de fabricação para produzir quantidades relativamente pequenas de materiais experimentais.

Preenchendo a lacuna

Em contraste, uma instituição de pesquisa acadêmica pode efetivamente preencher a lacuna, o Dr. Stone argumenta, uma vez que tanto pode produzir tamanhos de lote de materiais adequados para fins de pesquisa como fazê-lo de uma forma que imita a vida real, as condições industriais. "Podemos lançar, digamos, apenas 200kg de material, mas a um ritmo que a indústria pode entender", explica ele. Como tal, ele continua, a AMCC opera de uma maneira que faz com que seja uma organização altamente distintiva. "Eu não posso dizer que ela é única a nível global, mas certamente é muito incomum e não há nada parecido na Europa", afirma.

Trabalhar na AMCC incidirá, principalmente, sobre alumínio e magnésio. Ela fará com o auxílio de uma gama de equipamentos destinados a replicar os procedimentos que seriam encontrados num contexto industrial real. Essas incluem:

• uma força de bloqueio de 1.600 toneladas de alta pressão na matriz de fundição para ligas de alumínio e magnésio
• uma força de fechamento 240kN de baixa pressão da matriz de fundição
• uma prensa de extrusão de 16MN direta com cone de controle de aquecimento
• um fundidor moldador hot-top direto de escala piloto para tarugos de 2m de comprimento de até 204 milímetros de diâmetro
• um laminador de cilindros duplos incorporando na tecnologia de fusão condicionado de Brunel
• inspeção por raios-X de alta resolução em tempo real

The Constellium University Technology Centre supports the work of engineers, researchers and technicians

Importantemente, as três primeiras são todas descritas como estando na escala "comercial". No entanto, Dr. Stone diz que alguns dos equipamentos foram modificados para proporcionar um nível extra de flexibilidade para adequá-lo para as demandas relacionadas à investigação. A matriz de fundição de alta pressão, por exemplo, tem a capacidade de ser transferida muito rapidamente entre o trabalho com as ligas de alumínio e magnésio - uma capacidade que não seria necessária em um ambiente de produção dedicado a longas execuções que envolvem o mesmo material.

Explorando o potencial

Talvez o maior desvio da tecnologia de produção convencional, porém, envolva duplo rolo de fusão condicionado caster da AMCC. Como explica o Dr. Stone, a técnica é utilizada na indústria, mas apenas para o processamento de "uma gama limitada de ligas de baixa resistência". Em contraste, o trabalho em Brunel está explorando o seu potencial como um meio de fabricação de produtos de chapas finas utilizando ligas de magnésio, uma família de materiais que, observa, é difícil de rolar.

Enquanto isso, outra técnica que Brunel desenvolveu Castparticular é o "alto cisalhamento de derretimento condicionado de materiais de alumínio. Dr. Stone diz que isso decorre de um reconhecimento de que a parte mais crucial do processo de fundição está em seu "primeiro estágio no qual a nucleação dos grãos ocorre." Ele explica que, ao controlar a nucleação é possível controlar tanto "a dimensão de grão durante a solidificação" como a "dispersão dos elementos de liga". A capacidade crucial que se segue é a de ser capaz de produzir peças de paredes finas com uma taxa de defeito muito reduzida em comparação ao que é realizável agora.

O dr. Stone indica que embora a técnica tenha sido testada na indústria, ela ainda não foi adotada para a produção real em qualquer lugar. Mas a técnica, como o Dr. Stone também explica, tem implicações potenciais muito além de ser um outro processo de produção até mesmo um com algumas vantagens muito distintas sobre aquelas em uso agora. A perspectiva envolvida é a de ser capaz de usar ligas de sucata de alumínio como matéria-prima para fazer novas peças que atendem aos exigentes padrões da indústria automotiva. No momento, ele confirma, que simplesmente "não é possível."

Em vez disso, o máximo que pode ser atingido com tal sucata no presente é ela será reciclada, em outras palavras reciclada para utilização em aplicações menos exigentes. Mas pode muito bem ser que o material seja colocado em uso ainda menos produtivo - por exemplo, como desoxidante na fabricação de aço, exportado para uma economia menos desenvolvida a preço muito baixo ou mesmo apenas enviada para aterro. Seja qual for o caso, porém, o resultado final é que a possibilidade de reutilizar o metal como um material de fabricação de alto valor que é perdida. Como Dr. Stone diz: "Isto representa um recurso valioso que podemos usar se pudéssemos reciclá-la corretamente."

O problema-chave que precisa ser abordado é a das impurezas que o material pode pegar tanto durante seu ciclo de vida ou durante algum tipo de processamento de fim-de-uso. O dr. Stone diz que os tais contaminantes mais comuns incluem partículas de óxido de ferro e que o trabalho na Brunel concentrou-se em ambas as formas de lidar com a situação - quer fosse "tolerar" tais inclusões ou "remove-las. A relevância da técnica de alto cisalhamento, explica ele, é que ela pode "dispersar os filmes de óxido que estão sempre presentes com alumínio líquido para partículas de retenção." Isto tem o efeito de negar o seu potencial para causar fissuras, em vez torna-las inofensivas.

The alloys UTC aims to develop will help lower the weight of components by 15-30% compared to current solutions

Nível experimental

Dr. Stone confirma que, de novo, o uso da técnica tem sido demonstrado como um modo eficaz para tratar materiais de película com alumínio e óxido de magnésio", a nível experimental". Além disso, também tem sido demonstrado que possuem alguma capacidade de mitigar o efeito semelhante que de outra forma deletéria de resíduos de ferro. Outros testes de demonstração, ele indica, estão em andamento. Quanto tempo pode demorar antes que a técnica torne-se, um processo de nível industrial viável ainda está para ser determinado, embora Dr. Stone tenha dito que poderia ser "menos de dez anos".

Mas, ao mesmo tempo, outro trabalho dentro da AMCC se concentrará em "desenvolvimento da liga", com uma linha de investigação particular que incida na "ductilidade aumentanda". O dr. Stone indica que que será, certamente, uma prioridade para o trabalho envolvendo JLR, o OEM de veículo atualmente ativo na AMCC, uma vez que ajudará a melhorar a utilização de rebitagem autoperfurante como uma técnica de união de JLR. De acordo com Dr. Stone as negociações também estão em andamento com outro OEM sobre o seu possível envolvimento no trabalho da AMCC e um anúncio pode ser feito em algum momento no verão deste ano. Ele também está otimista de que o trabalho com OEMs poderia ocorrer em uma base multi-lateral com a AMCC atuando como uma facilitadora para o trabalho cooperativo, envolvendo partes em contrário concorrentes.

Haverá também envolvimento com fornecedor de material de trabalho no local, embora Dr. Stone tenha indicado que a maneira como tais empresas interagem com os investigadores acadêmicos pode ser diferente do OEM de veículo. Ele explica que, apesar de projetos de três vias envolvendo um OEM, fornecedor de material e de fundição são praticáveis, a natureza altamente competitiva do mercado de fornecimento de materiais significa que qualquer empreendimento de pesquisa envolvendo mais de uma dessas empresas é altamente improvável.

Em consequência o fornecedor de envolvimento é mais provável que seja de forma independente e que é, de fato, exatamente o caso com uma iniciativa anunciada ao mesmo tempo que a AMCC. Este é o Constellium University Technology Centre (UTC) na qual além de seu cargo na AMCC o fornecedor de alumínio vai apoiar o trabalho de 15 engenheiros, pesquisadores e técnicos que compreendem uma mistura de ambos os seus próprios empregados e pessoal Brunel, incluindo seis companheiros de doutorado.

De acordo com Paul Warton, presidente de estruturas automotivas da Constellium e unidade de negócios da indústria, o foco inicial será sobre o uso de equipamentos da AMCC para desenvolver novas ligas de alumínio de alta resistência, que, por sua vez, está sendo utilizada na fabricação de componentes estruturais automotivas numa outro instalação em Brunel de metais do Centro de Processamento Avançado (AMPC), que deverá entrar em linha no próximo ano. Ele confirma que, embora a empresa tenha projetos com cerca de 50 universidades ou outras organizações de pesquisa em todo o mundo a UTC constituirá um "ambiente único" para o trabalho futuro. Ele explica: "Brunel oferece uma combinação de recursos acadêmicos e industriais exemplificadas por meio do desenvolvimento da ciência fundamental para a aplicação prática de técnicas de tratamento líquido de metal novos que suportam a estratégia de sustentabilidade da Constellium."

Em última análise, diz Warton, as ligas de alumínio Constellium têm como objetivo desenvolver a UTC ajudando a diminuir significativamente o peso de componentes automotivos em pelo menos 15% e até mesmo tanto quanto 30% em comparação com soluções de alumínio atuais. Ele também diz que a UTC fornecerá uma capacidade de prototipagem rápida, que é esperado para reduzir o tempo de desenvolvimento em pelo menos 50 por cento para as ligas de alumínio avançadas necessárias para a leveza de componentes estruturais automotivos. Como tal, ele indica, dado o ciclo de desenvolvimento de programa de veículo seriam provavelmente dois ou três anos antes de uma liga desenvolvida para o UTC estivesse em um veículo.