Polímeros com poder

Compostos estão agora sendo explorados como materiais alternativos para caixas de motores de cilindros e podem em breve se tornar mainstream – permitindo a produção de motorizações mais leves e veículos mais eficientes em termos de combustível

Image may be NSFW.
Clik here to view.

Em menos de três anos, o caixas de motores automotivos feitas de materiais poliméricos começarão a entrar no mercado como itens de produção de volume. Essa é a previsão de Hendrik De Keyser, diretor de tecnologia e marketing para fornecedor de material polímero SBHPP, uma unidade da Sumitomo Bakelite Company. A previsão de De Keyser é feita com base em um projeto de pesquisa no qual SBHPP tem colaborado com a organização de pesquisa alemã do Instituto Fraunhofer para construir e testar um motor real no qual a carroceria de metal tradicional foi substituída por uma fabricada a partir de um reforçado com fibra fenólica de vidro, material composto.

O projeto, ele explica, tem o objetivo de visualizar as possibilidades de grandes peças feitas a partir de materiais poliméricos de uma forma que pode aguçar o interesse dos fabricantes de automóveis. "Queremos criar uma mudança de mentalidade entre os OEMs", afirma. De acordo com De Keyser, o projeto mostrou o que o motor experimental foi capaz de executar, bem como – e em alguns aspectos melhor do que – sua contraparte convencional.

O projeto foi destinado a demonstrar a aplicação imediata dos conceitos envolvidos e o motor tema escolhido para o projeto era um que estava bem estabelecido no mercado: o de cilindro único, unidade de 650cc de Rotax que foi usada para alimentar a motocicleta BMW 650 GS.

Fazendo escolhas de material
Substituindo um material de polímero composto para o metal em uma tal encomennda, imediatamente levanta a questão de se usar um material reforçado com fibra de vidro ou de carbono, observa De Keyser; a primeira seria menos cara e a última seria mais leve no peso. Mas mesmo se a opção de fibra de vidro for selecionada, não é mais uma escolha a fazer entre o seu uso com um polímero fenólico ou epoxi – tendo como fatores cruciais a resistência mecânica e térmica superior de compostos fenólicos. Neste caso, tanto as considerações técnicas como comerciais foram a favor de um reforçado com fibra de vidro fenólico. A proporção de fibra de vidro foi de 55%.

Image may be NSFW.
Clik here to view.

SBHPP and the Fraunhofer Institute replaced an aluminium cylinder housing with a phenolic composite alternative

Como De Keyser sugere, substituir a caixa do cilindro de alumínio padrão com um composto fenólico alternativo, oferece um potencial de poupança de peso significativa. O material fenólico, neste caso, tinha uma densidade de apenas 1.7gm/cu.cm, enquanto o valor correspondente para o alumínio é de 2.7gm/cu.cm. A economia de peso total para a caixa quando se utiliza o composto fenólico, em vez de alumínio, foi da ordem de 20%. A economia comparativa seria ainda maior se o metal fosse substituído por ferro fundido.

Embora a maior parte da estrutura de alumínio anteriormente tenha sido substituída pelo composto fenólico, alguns elementos de metal tinham de ser retidos: insertos para fornecer robustez extra nas áreas altamente carregadas, tais como os parafusos, e um revestimento de alumínio no cilindro para facilitar a dispersão de calor. As novas caixas foram produzidas usando um molde de especificação de produção especialmente produzida, mas padrão. De Keyser acrescenta que o tempo de ciclo, era de menos de dois minutos, mas ele está confiante de que isso poderia ser ainda mais reduzido se necessário.

Teste de viabilidade comercial
Motores que utilizam as caixas fenólicas compostas passaram por um rigoroso conjunto de testes de rotina pelo Instituto Fraunhofer no qual seu desempenho foi comparado diretamente com os seus homólogos de alumínio convencionais. Os resultados, diz De Keyser, mostraram conclusivamente que um material fenólico composto pode ser uma alternativa tecnica e comercialmente viável para o metal dependendo do tipo de aplicação envolvida. Os testes incluíram tanto carga cheia – 30.6kW a 6.000 rpm – como rotinas de durabilidade curtas, e em todos os casos os motores fenólicos corresponderam ao desempenho daqueles com caixas de alumínio, sem vazamento de óleo ou água.

Além disso, afirma De Keyser, testes indicaram que houveram aspectos nos quais o desempenho dos motores fenólicos havia sido superiores. Dispersão de calor para a atmosfera circundante, por exemplo, foi mais rápido, bem como o tempo de aquecimento inicial. Níveis de ruído, vibração e aspereza (NVH) também foram cortados; por exemplo, a redução de ruído foi de 5 dB.

"Queremos criar uma mudança de mentalidade entre os OEMs" – Hendrik De Keyser, polmer supplier SBHPP

De Keyser argumenta que tudo isso faz sentido, e motores comparáveis ​​em serviço devem mostrar níveis superiores de emissões, desempenho de arranque a frio, bem como níveis mais baixos de corrosão, que por sua vez deve proporcionar tanto maior vida útil como redução de requisitos de manutenção.

Explorando vantagens de fabricação
Também deve haver vantagens quando processos de produção são aprimorados para níveis de produção em massa. De Keyser aponta que ferramentas utilizadas nos processos de moldagem de alumínio passam por ciclos de aquecimento e resfriamento extremos, e aliam-se com o alto desgaste que é intrínseco ao processo, isso significa que elas podem produzir cerca de 100.000 peças antes de serem substituídas. Em contraste, as temperaturas e pressões mais baixas necessárias para produzir as peças de fenólicos compostos significam que devem durar por pelo menos, 300.000 peças e talvez por até 500.000.

Além disso, peças de alumínio moldadas geralmente atingem apenas cerca de 60-70% de sua geometria final exigida como resultado do processo de moldagem por si só, e assim ao se fazer exigências consideráveis ​​para usinagem subsequente – mas para uma peça semelhante feita com material fenólico esse número aumenta para 80-90%.

As técnicas para a eliminação ambientalmente eficiente de fim-de-utilização de materiais fenólicos também já estão disponíveis. De Keyser diz que a SBHPP desenvolveu um processo de reciclagem que utiliza a tecnologia de fluido supercrítico para restaurar completamente as resinas do material ao seu estado de base. A fábrica piloto empregando esta técnica já está em funcionamento no Japão.

Tudo isso possibilitou uma maior adoção de tais materiais à base de polímero para motorizações. De Keyser confirma que um projeto para fazer grandes peças para um motor de automóvel está em andamento envolvendo SBHPP e um importante fabricante de veículo, com objetivo de iniciar a produção em 2018.

Empurrando o Polimotor 2
Há potencial para ir muito mais longe e fabricar quase todas as outras peças constituintes importantes de um motor automotivo a partir de materiais poliméricos; a bomba de água, bomba de óleo, de entrada/saída de água, corpo de borboleta e trilho de combustível, por exemplo. A idéia não é fantasiosa – uma tentativa de construir um motor de automóvel polímero já foi feita em 1980 em um projeto conhecido agora como Polimotor 1 que se distingue do Polimotor 2, um novo empreendimento que pretende começar a fabricar peças em janeiro de 2016.

Com sede nos EUA, a inovadora Matti Holtzberg é a força motriz para ambos os projetos e atualmente dirige sua própria empresa, Composite Castings, com sede em West Palm Beach, Florida. Holtzberg diz que, com os avanços recentes no campo, a hora agora é certa para uma nova tentativa de construir um motor automotivo polímero.

Holtzberg diz que o motor será de quatro cilindros, came duplo de sobrecarga e instalado em um carro Norma M-20 o qual participará de uma corrida nos EUA no verão deste ano. Holtzberg diz que dez unidades serão feitas inicialmente, para permitir que OEMs interessados ​​obtenham uma para a sua própria inspeção e validação. Ele diz que é possível que as variantes possam ser construídas utilizando diferentes formulações de materiais poliméricos, a fim de comprovar o potencial de, por exemplo, reforços de fibra de vidro ou fibra de carbono para proporcionar uma escolha entre baixo custo ou baixo peso nas mesmas aplicações. O objetivo básico do projeto, no entanto, será demonstrar de forma mais prática que os compósitos podem substituir o metal de muitas maneiras diferentes.

Considerando os componentes do núcleo
O núcleo do motor – o bloco, cárter e caixa de came – serão feitos, diz Holtzberg, a partir de materiais de resina termoendurecida, provavelmente com reforço de fibra de carbono, embora as câmaras de combustão sejam, necessariamente, feitas de alumínio. Um único fornecedor de material será escolhido para aquelas peças do motor, embora no momento que este texto foi escrito, nenhum nome tinha sido anunciado. No entanto, grande parte dos equipamentos e acessórios circundantes serão feitos a partir de materiais termoplásticos fornecidos exclusivamente pela Solvay com sede na Bélgica.

Image may be NSFW.
Clik here to view.

Solvay is providing carbon-fibre reinforced PAI for the Polimotor 2 project

Material 30% de fibra de carbono reforçado Torlon 7130 PAI (Poliamida-imida) da Solvay, será utilizado para fazer as rodas dentadas de came do motor. O Polimotor 2 incorporará duas rodas dentadas de diâmetro de quatro polegadas e uma roda dentada de diâmetro de duas polegadas em seu sistema de acionamento da unidade de tração. Valores próprios da Solvay indicam que as unidades devem ser capazes de proporcionar propriedades mecânicas comparáveis ​​a um tamanho semelhante do came da roda dentada de aço inoxidável pesando 2.4 libras (1 kg), mas com uma redução de peso de 75%.

De acordo com Brian Baleno, gerente de negócios automotivos globais para Solvay Specialty Polymers, polímeros de alto desempenho já são uma característica bem estabelecida de motorizações automotivas. No entanto, ele diz que este projeto deve contribuir para demonstrar sua viabilidade em diversas áreas nas quais os fabricantes tradicionais têm estado até agora reticentes em usar por exemplo corpos de borboleta e bombas de óleo. A linha inferior, diz ele, possui "ainda muito metal que pode ser substituído".

É importante notar que, embora o projeto como um todo seja um demonstrador com o objetivo de ampliar os limites existentes, os materiais utilizados não serão formulações experimentais mas produtos comercialmente disponíveis. No entanto, Baleno diz que alguns dos materiais são ainda relativamente novos e, portanto, representam avanços na tecnologia de polímero que têm ocorrido nos últimos cinco anos. Uma delas será o produto da empresa AvaSpire – um exemplo de uma formulação conhecida como um polyaryletherketone (PAEK). É uma substância que Baleno descreve como fazendo a ponte entre as famílias PPS e PEEK de materiais mais conhecidos e estabelecidos.

Para Matti Holtzberg, o projeto ainda é uma continuação de seus esforços anteriores, bem como uma demonstração de novas possibilidades. Desta vez, ele está confiante de produzir, um motor robusto viável que deve, por exemplo, ser capaz de suportar o teste de corrida de 24 horas, Le Mans. Mas ainda haverá aspectos genuinamente inovadores para a utilização de materiais poliméricos no motor. Um exemplo, ele promete, estará na fabricação do turbocompressor, embora ele ainda não esteja preparado para revelar mais detalhes. O bloco do motor também será significativamente mais leve e mais forte do que no projeto anterior.

Enquanto isso, Brian Baleno oferece mais alguns detalhes sobre as aplicações específicas de produtos Solvay. O núcleo da caixa de turbocompressor vai, diz ele, usar um grau elevado de material de calor Amodel PPA da empresa, que foi recentemente desenvolvido e pode ter funcionamento contínuo sob temperaturas de até 230°C.

Considerando aplicações futuras
Haverá inovações nas técnicas de fabricação, bem como aplicações de materiais; Holtzberg e Baleno concordam que isso implicará fabricação aditiva. Nem novas aplicações para materiais poliméricos, necessariamente, serão confinadas ao motor. Holtzberg diz que há uma forte probabilidade de que os semi eixos que ligam as rodas para a caixa de câmbio podem ser feitas de um composto de fibra de carbono. No que seria uma simetria muito pura, acrescenta que as rodas podem ser produzidas a partir do mesmo material que o bloco do motor. Holtzberg deixa claro que ele considera todo o veículo, não apenas o motor e sistema de transmissão, como uma possível aplicação de polímeros.

Holtzberg acredita claramente que o contexto atual de negócios é muito mais propício para a possível adoção de aplicações do projeto por OEMs tradicionais. Estes desenvolvimentos se encaixam com a tendência de redução das emissões de carbono através da redução de peso. O motor Polimotor 2 está projetado para pesar cerca de 90 libras, ou cerca de 40% menos do que um motor de produção padrão de hoje. No futuro, ele comenta, é provável que assistamos a uma maior utilização de motores menores, mais leves, turbocharged, e ele disse que OEMs confirmam que o projeto Polymotor 2 vai provar ser de importância fundamental na formação desse futuro.