Seleção de materiais: estudo de casos segundo a metodologia de ashby, Notas de estudo de Engenharia de Materiais

Baixe Seleção de materiais: estudo de casos segundo a metodologia de ashby e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Materiais, somente na Docsity! 0 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS RAYLLA GLLIAN SAMPAIO LIMA RIBEIRO SELEÇÃO DE MATERIAIS: ESTUDO DE CASOS SEGUNDO A METODOLOGIA DE ASHBY MARABÁ 2009 1 RAYLLA GLLIAN SAMPAIO LIMA RIBEIRO SELEÇÃO DE MATERIAIS: ESTUDO DE CASOS SEGUNDO A METODOLOGIA DE ASHBY Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Pará Orientador: Prof.° MSc. Alacid do Socorro Siqueira Neves. MARABÁ 2009 4 AGRADECIMENTOS A Deus Pai, a Jesus Filho e ao Espírito Santo por mais uma etapa vencida, por terem me guiado e me carregado por todos os caminhos, me aconselhando em todas as escolhas, e por terem designado um Anjo para me acompanhar por todos os lugares. Agradeço também por ter me dado uma família unida, amorosa e amiga, que sempre me apoiou nas minhas decisões, e deram forças nos meus fracassos e continuam me apoiando em todos os momentos da minha vida. Agradeço de coração, principalmente meus pais Neto e Deusa, que são exemplos de vida, perseverança e dedicação para mim. Ao meu irmão Rayan que morou comigo por anos e sempre me apoiou, sempre acreditou em mim, e hoje, mesmo distante continua me inspirando. A vocês meus amores obrigada, do fundo do meu coração. Que Deus nos ilumine cada dia de nossas vidas. A todos os meus parentes que me deram força para obter essa vitória, em especial as minhas avós Leonília e Rita, duas grandes guerreira; meu padrinho José Sampaio grande engenheiro que me apoiou na minha escolha, minha madrinha Nininha grande mulher, e minha Tia Didi por ser sido e ainda ser uma grande amiga. As famílias que me adotaram em Marabá, família Andrade: Emival, Janete, Lucas e Bruno, que todos os dias me deram amor; família Portil: Pastora Sandra, Pastor Portil, Bruno, Radassa e Wendell; família Marcelo, Aline e Lara; família Paracampos: Tia Maria, Andinha e Thamires; vocês deram-me amor, carinho e os ótimos almoços de domingo. A Tia Sandra, Tio Léo, Dennys, David e Jéssica por torcerem e por acreditarem em mim. Agradeço também a todos os meus amigos, que me acompanharam nessa jornada. Aos que estão ausentes e aos que estão presentes, aos que sempre me deram forças para conseguir enfrentar todos os obstáculos em minha vida. Em especial as minhas amigas ninjas da UFPA que me apoiaram aqui em Marabá. E uma pessoa especial que está distante, Jocinete, você sabe o quanto significa pra 5 mim minha amiga. Ao trio, Deusimare, Lorrany e Laysse, pela amizade e pelas orações. Ao meu irmão torto Júnior e seu amor Leninha. Minhas duas grandes irmãs Joyce e Aninha. Amigos da faculdade, de infância, do dia-a-dia, da igreja, de Altamira, de Gurupi, dos estágios, vizinhos, a todos vocês obrigada por tudo que sempre fizeram por mim. Em especial aos de Pacajá que fazem parte da minha história, desde a minha partida em busca de meus estudos, obrigada aos professores da Aluísio Loch. E em especial Dona Nini minha alfabetizadora. A vocês agradeço com todo o amor e carinho que tenho. Um agradecimento especial ao meu orientador, Professor Alacid, que me acolheu na hora mais difícil e acreditou na capacidade da realização de um bom trabalho. Pela paciência, amizade e principalmente a sabedoria que me foi concedida. Aos professores Múcio Nóbrega e Reginaldo Sabóia, pelos quais tenho profunda admiração pela conduta, que estão sempre dispostos ajudar, e por terem aceitado o convite de participação da banca examinadora. Aos demais professores que ajudaram na minha formação acadêmica. A todos os funcionários do campus. Agradeço a todos aqueles que direta ou indiretamente tem influência nesta vitória que Deus me concedeu. A cada um o meu MUITO OBRIGADA. 6 “As coisas têm peso Massa, volume, tamanho Tempo, forma, cor Posição, textura, duração Densidade, cheiro, valor Consistência, profundidade Contorno, temperatura Função, aparência, preço Destino, idade, sentido As coisas não tem paz” Arnaldo Antunes 9 RESUMO Referencia a importância da Seleção de Materiais devido ao surgimento contínuo de novos materiais e suas aplicações em novos contextos. Existem mais de 50.000 tipos de materiais à disposição de um profissional de engenharia (ASHBY, 2007) e selecioná-los sem uma sistemática adequada pode ser uma tarefa tão penosa quanto frustrante. Os procedimentos de seleção de materiais obedecem a múltiplos critérios, quando analisados individualmente cada critério pode ser levado a uma alternativa, entretanto, na prática formam um conjunto que devem ser satisfeitos simultaneamente. Com base em pesquisas e estudos de caso avalia a aplicação da seleção de materiais na inovação do desenvolvimento de produtos de maneira a atender aos requisitos exigidos na fabricação para uma dada qualidade industrial especificada. Através dos critérios de seleção evidencia um panorama evolutivo da escolha do material através dos Mapas de Propriedades de Ashby. Em suma, a proposta deste estudo é ser utilizado por estudantes ou simpatizantes da área que não tenham nenhum conhecimento anterior ao assunto, dando ênfase aos projetos desenvolvidos por Ashby. Palavras-chave: Seleção de Materiais, Critérios de Seleção, Mapas de Propriedades de Ashby, Estudo de Caso. 10 ABSTRACT Reference to the importance of the Materials Selection due to the continuous appearance of new materials and their applications in new contexts. Have more than 50.000 types of materials to an engineering professional's disposition (ASHBY, 2007) and to select them without an appropriate systematic it can be so painful as frustrating task. The procedures of materials selection obey multiple criteria, when individually analyzed each criterion can be taken to an alternative, however, in practice they form a group that should be satisfied simultaneously. Based in researches and case studies evaluates the application of the materials selection in the innovation of the development of products to assist to the requirements demanded in the production for a specified industrial quality. Through the selection resources it evidences an evolutionary panorama of the choice of the material through the Ashby's Properties Maps. In short, the proposal of this study is to be used by students or sympathetic of the area that don't have any previous knowledge to the subject, giving emphasis to the projects developed by Ashby. Key-words: Materials Selection, Selections Criteria, Ashby’s Properties Maps, Case Studies. 11 LISTA DE FIGURAS Figura 01 – A evolução da Engenharia de Materiais com o tempo ............................ 19 Figura 02 – Heliópolis. Máquina de guerra movida à força muscular ......................... 21 Figura 03 – Celerífero. Significa velocidade, marcha ou cavalo de duas rodas .......... 22 Figura 04 – Drasiana do Barão de Von Drois. Primeira pedicleta dirigível que foi criada em madeira ............................................................................... 22 Figura 05 – Linha do Tempo. Evolução dos Materiais das Bicicletas.......................... 23 Figura 06 – O design da bicicleta do futuro. Designer Scott Robertson ...................... 24 Figura 07 – O design da bicicleta do futuro. Designer Scott Robertson ...................... 24 Figura 08 – O design da bicicleta do futuro. Designer Harald Cramer ........................ 24 Figura 09 – O design da bicicleta do futuro. Designer Alex Suvajac ........................... 24 Figura 10 – Modelo de Bradford Waugh ...................................................................... 25 Figura 11 – Evolução dos ferros de passar roupa ....................................................... 25 Figura 12 – Evolução das embalagens ........................................................................ 26 Figura 13 – Camadas da embalagem Longa Vida....................................................... 27 Figura 14 – Brindes reciclados ..................................................................................... 28 Figura 15 – Cabide Reciclado ...................................................................................... 28 Figura 16 – Bebidas são comercializadas em latas - metal (foto superior), garrafas de vidro - cerâmico (foto central) e garrafas plásticas - polímeros (foto inferior)............................................................................. 29 Figura 17 – Relação entre Estrutura, Propriedades, Processamento e Aplicação de Materiais .............................................................................................. 51 Figura 18 – Representação de um tirante submetido à um carregamento de tração de uma força F; Ao é a área da seção transversal resistente do tirante. ................................................................................. 55 Figura 19 – Mapa de Propriedades dos Materiais relacionando módulo de Elasticidade (módulo de Young - E) em função da densidade do material (ρ). ...............................................................................................58 14 LISTA DE SIGLAS SM Seleção de Materiais IM Índice de Mérito SMPF Seleção de Materiais e Processos de Fabricação CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic (Polímero Reforçado por Fibra de Carbono). MIT Massachusetts Institute of Technology (institu PE Polietileno PVC Policloreto de Vinila PP Polipropileno PS Poliestireno ASTM American Society for Testing and Materials MPM Mapa de Propriedades dos Materiais 15 1 INTRODUÇÃO No conceito de Engenharia de Materiais cabe ao engenheiro de materiais estudar a estrutura, as propriedades, as aplicações, o processamento e o desempenho de materiais novos ou já existentes, nas áreas de metais, polímeros, cerâmicos ou compósitos. Compete também ao engenheiro de materiais atuar na fase de projeto, de modo a escolher os materiais mais indicados para as aplicações desejadas, ou seja, a Seleção de Materiais (SM). Não há produto sem um material para constituí-lo, pode-se afirmar este conceito analisando que a existência de um produto depende de seu material constituinte e de um processo de fabricação para dar-lhe forma. A concepção de um produto, ainda que nas primeiras etapas, em geral, carrega consigo a escolha de um material e a opção por um processo de fabricação. Os meios utilizados pelo engenheiro para determinar sua opção de material/processo está intimamente ligado a sua formação, sua experiência prática e às informações a que tem acesso. A Seleção de Materiais (SM), portanto, é uma atividade das mais importantes para o engenheiro de materiais, mas também para profissionais de outras especialidades tecnológicas. Talvez uma das tarefas mais importantes de execução que um engenheiro possa ser chamado é a da seleção de materiais em relação ao projeto de componentes (CALLISTER, 2002), daí a importância dos métodos e critérios utilizados na escolha de um material para um determinado projeto. Entretanto, os métodos de Seleção de Materiais e Processos de Fabricação (SMPF), e seus respectivos sistemas de informação, não vêm sendo utilizados por designers no Brasil por conta de sua inadequação à atividade de projetos. E os métodos utilizados para selecionar um material devem ser tão acessíveis quanto os modelos de projeto de produto, permitindo sua utilização em estágios que vão do design conceitual ao projeto para manufatura. Inserido neste contexto, o estudo segue uma linha de pesquisa onde são estudados os critérios de SM para uso em produtos industriais, isto é, são apresentados os principais requisitos de seleção e as diferentes situações nas quais 16 exerce-se a SM. Destacando o conceito de Índice de Mérito (IM) e, em especial ao trabalho pioneiro de Michael F. Ashby que apresenta a utilização de Mapas de Propriedades de Materiais, que são utilizados e exemplificados através de estudos de casos. O trabalho envolve entender as propriedades básicas dos materiais e como essas propriedades podem influenciar em uma escolha bem sucedida. O foco do trabalho consiste em desenvolver um estudo sobre a Seleção de Materiais a partir da constatação da importância dos critérios de seleção aliados ao conceito da ciência da Engenharia de Materiais. Ampliando a visão tradicional dos métodos utilizados para selecionar um material para novas possibilidades de escolha através do método atual. Por fim discute-se a metodologia de formalização dos procedimentos de Seleção de Materiais através de matrizes de decisão, ilustradas por estudos de casos resolvidos pelo método de Ashby para consolidar a aplicação dos critéros de seleção. 19 avançados, pois o desenvolvimento e o avanço das sociedades estão intimamente ligados às habilidades em produzir e manipular materiais para satisfazer suas necessidades. Esta evolução pode ser observada na Figura 01 que apresenta um mapa do crescente desenvolvimento dos materiais em função do tempo. Na pré-história (a Idade da Pedra) eram utilizados cerâmicas e vidros, polímeros naturais e compósitos, madeira e pedra, ouro e prata. A descoberta do cobre, bronze e ferro marcou a Idade do Bronze e a Idade do Ferro, o que resultou em enormes avanços, em substituição a madeira e pedra utilizados na confecção de armas e ferramentas. Figura 01: A evolução da Engenharia de Materiais com o tempo. Fonte: ASHBY (1999). Com a tecnologia do Ferro fundido por volta do ano 1600 estabeleceu-se a dominância de metais nas áreas de engenharia, bem como a evolução do aço (1850 em diante), ligas leves (1940) e ligas especiais. Até a década de 1960, “engenharia materiais” significava “metais” (ASHBY, 1999). Essa evolução está ligada a usabilidade dos materiais que estão disponíveis no mercado. Observa-se na Figura 01 que os materiais que DATA 20 conquistaram seu espaço, o conseguiram pela sua proliferação nos produtos industriais através dos benefícios proporcionados por suas propriedades. Um exemplo disso é o Titânio, um metal de baixa densidade resistente à corrosão, projetado para aplicações especializadas, antes era visto como um material caro e para uso militar, foi descoberto para diversos outros fins, como a aplicação em próteses humanas, relógios, acessórios para alpinismo, tornando-os mais resistentes, leves e de custo moderado. Outro material em alta é a Fibra de Carbono que ao ser combinada com materiais matrizes, resulta num material com propriedades mecânicas excelentes. Estes materiais compósitos, também designados por Materiais Plásticos Reforçados por Fibra de Carbono (CFRP - Carbon Fiber Reinforced Plastic) estão neste momento a assistir a uma demanda e um desenvolvimento extremamente elevados por parte da indústria aeronáutica, na fabricação de peças das asas, na indústria das bicicletas na construção de todo o tipo de peças desde quadros, guiadores, selins, rodas e até mesmo travões de disco em fibra de carbono e transmissões. Essa repercussão da evolução de materiais e a substituição de materiais existentes por novas tecnologias são consolidadas por Ashby (1999) afirmando que a taxa de desenvolvimento de novas ligas metálicas está lento, a demanda por aço e ferro fundido, em alguns países está realmente baixa. Os polímeros e compósitos industriais, por outro lado, estão a crescer rapidamente, e projeções do crescimento de produção de alto desempenho de cerâmicas também sugerem rápida expansão. 3.1 EVOLUÇÃO DOS PRODUTOS Se traçarmos uma linha temporal que envolva um produto desde o seu aparecimento até hoje, deparamo-nos com a sua evolução estética e funcional, caracterizada pela introdução de novos materiais. Linhas, tendências e até mesmo cores, promovem todo um visual que nos permite caracterizar esse objeto, nomeadamente como moderno. Todos os produtos e serviços tem seus ciclos específicos determinados pelo período que vai do seu lançamento no mercado até que desapareça, existe uma relação direta entre a evolução de produtos e serviços 21 com as tecnologias utilizadas que refletem diretamente no ciclo de vida das indústrias (NORI, 2007). Produtos característicos de agregação tecnológica em materiais são os provenientes dos meios de transportes, onde as bicicletas demonstraram uma evolução até os dias atuais. Os veículos de tração muscular já existiam desde o século IV antes de Cristo. Alguns construtores do Rei Felipe da Macedônia inventaram as chamadas Heliópolis (Figura 02), poderosas máquinas de guerra movidas à força muscular pelos que estavam dentro. Na verdade, não se sabe exatamente a data da invenção da bicicleta e nem seu inventor, entretanto “um fato que ninguém pode negar é que foi criada e hoje é um dos meios de transportes mais eficientes do mundo” (PEQUINI, 2000, não paginado). Figura 02: Heliópolis. Máquina de guerra movida à força muscular. Fonte: PEQUINI (2000) Por volta do ano de 1791, a bicicleta demonstrou-se um importante meio de locomoção, no entanto era um veículo grande feito em madeira pesando 40 kg não tinha freio e só andava em linha reta, chamado celerífero (Figura 03). 24 designers ligados ao aspecto de excelência de material, a visão futurística das empresas fabricantes de bicicletas envolve além da utilização destes materiais o investimento em laboratórios para desenvolver tecnologia própria, as Figuras de 06 a 09 mostram as possíveis bicicletas do futuro. O designer Bradford Waugh, lançou um novo modelo do futuro sem cubos, raios e corrente (Figura 10). As rodas giram presas por um trilho com rolamentos que suportam todo o peso, e ainda, a roda traseira é tracionada por uma engrenagem dentada. Não é preciso dizer que para suportar toda a tração e peso em uma posição fora do eixo, esse trilho é extremamente resistente e provavelmente caro. Figura 07: O design da bicicleta do futuro. Designer Scott Robertson. Fonte: ESTRATÉGIA EMPRESARIAL (2008). Figura 06: O design da bicicleta do futuro. Designer Scott Robertson. Fonte: ESTRATÉGIA EMPRESARIAL (2008). Figura 08: O design da bicicleta do futuro. Designer Harald Cramer. Fonte: ESTRATÉGIA EMPRESARIAL (2008). Figura 09: O design da bicicleta do futuro. Designer Alex Suvajac. Fonte: ESTRATÉGIA EMPRESARIAL (2008). 25 Figura 10: Modelo de Bradford Waugh. Fonte: ESTRATÉGIA EMPRESARIAL (2008). As evoluções dos produtos seguem uma tendência de inovação que são: buscar menor matéria, menor energia e mais informação do produto. Para Ashby et al. (2000, p. 55): “Um material é selecionado para um determinado componente porque seu perfil de propriedade corresponde ao exigido pela aplicação. As aplicações em que um novo material tem excelência são aquelas nos quais a disputa entre seu perfil de propriedade e a aplicação é particularmente boa”. Atualmente a informação encontra-se muito mais explícita nos materiais atuais, temos hoje uma facilidade de encontrar produtos que no passado eram agregados de informação e qualidade considerados especiais, hoje se encontram incorporados em produtos simples, temos como o exemplo o ferro de passar roupa, unindo sua tarefa principal a aspectos como a temperatura da roupa ou a umidade como um meio de inovação, desenvolve-se recursos tecnológicos unidos a sua função a tendência de diminuir custos (Figura 11). Figura 11: Evolução dos ferros de passar roupa. Fonte: SILVA (2001). 26 Outro segmento que há espaço para novos produtos é o campo das embalagens, muitos anos se passaram e as marcas estampadas nos invólucros ainda possuem a mesma função, a apresentação do produto/produtor. O que mudou, e mudou muito foram os materiais, estes evoluíram e se multiplicaram nas mais diversas formas e atributos. São utilizados papéis, papelões forrados e revestidos, vidros, alumínios, flandres e as mais diversas possibilidades de variações e combinações usando polímeros. Para Caram (2008) “uma embalagem inovadora pode representar o sucesso de um novo produto, ou mesmo a revitalização de um produto já existente. Mas, para obter uma embalagem que represente sucesso de venda é preciso pesquisar, planejar e testar”. A embalagem deve proteger o conteúdo, facilitar o transporte, melhorar o aproveitamento e identificar o produto. Uma embalagem de destaque e tecnologicamente testada para melhor acondicionamento dos alimentos foi a Tetra Pak, popularmente conhecida entre outras marcas como do tipo Longa Vida passou por uma transformação em sua estrutura e design, veja a Figura 12. Figura 12: Evolução das embalagens. Fonte: SILVA (2001). Com a função de envasar alimento (leites e sucos), molhos de tomate, maionese, entre outros, é uma embalagem de multicamadas que trás como 29 4 MATERIAIS DE ENGENHARIA Selecionar um material adequado é de fundamental importância para o desenvolvimento de um projeto e a aceitação do público e o bom desempenho do produto final depende desta etapa. Uma grande dificuldade a ser vencida na SM é encontrar, agrupadas organizadamente, todas as características importantes em um material para concepção de um produto. Segundo Morris Cohen (apud PADILHA, 2000, p.13), conceituado cientista de materiais do não menos conceituado Massachusetts Institute of Technology (MIT), “materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais do universo que o homem utiliza para ‘fazer coisas’”. Em Callister (2002) há um exemplo da utilização a partir de três tipos de materiais diferentes na evolução dos recipientes de bebidas (Figura 16), o que demonstra a aplicação das classes dos materiais para uma mesma finalidade. Os materiais sólidos tem sido classificados em três principais grupos: materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. Ainda existem três grupos de materiais importantes na engenharia, os compósitos, os semicondutores e os biomateriais (CALLISTER, 2002). Sem deixar de dar importância aos materiais naturais ainda muito utilizados. Figura 16: Bebidas são comercializadas em latas – metal (foto superior), garrafas de vidro – cerâmico (foto central) e garrafas plásticas – polímeros (foto inferior). Fonte: CALLISTER (2002). 30 Os Materiais aos quais submetemos a processos de seleção se subdividem a cinco classes reconhecidas como: Materiais Metálicos; Materiais Cerâmicos; Materiais Poliméricos; Materiais Compósitos e Materiais Naturais. 4.1 MATERIAIS METÁLICOS Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Ashby e Jones (2007) afirmam que há tantos metais diferentes que seria impossível lembrar-se de todos eles. Um metal, assim como qualquer outra substância ou matéria, é formado por elementos químicos sendo geralmente descrito como um aglomerado de átomos com caráter metálico em que os elétrons da camada de valência fluem livremente. Segundo Callister (2002), grande parte das propriedades dos metais é atribuída diretamente a estes elétrons. Metais e ligas metálicas, como aço, alumínio, magnésio, zinco, titânio, cobre, níquel, ferro, entre outros, são condutores extremamente bons de eletricidade e calor. Geralmente, os metais apresentam boa ductilidade (ou formabilidade) e resistência, daí o seu uso extenso em aplicações estruturais. 4.1.1 Metais Ferrosos São as ligas no qual o ferro é o principal constituinte. Elas são especialmente importantes como materiais de construção de engenharia. Segundo Callister (2002, p. 247) o seu uso difundido se deve basicamente a três fatores: 1) Compostos contendo ferro existem em quantidade abundante na crosta terrestre; 31 2) Ferro metálico e aços podem ser produzidos utilizando técnicas relativamente econômicas de extração, de refino, de adição de elementos de liga e de fabricação. 3) Essas ligas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser elaboradas sob medida para ter uma larga faixa de propriedades mecânicas e físicas. A principal desvantagem de muitas dessas ligas ferrosas é sua susceptibilidade à corrosão. 4.1.2 Metais Não-Ferrosos São ligas metálicas nas quais o ferro não é o principal constituinte. Estas oferecem uma grande variedade de propriedades mecânicas e físicas, temperatura de fusão, e diferem muito em custo e desempenho. Muito dos processos de fabricação utilizados nas ligas ferrosas podem também ser usadas para conformação, corte e união de metais não ferrosos e suas ligas. 4.2 MATERIAIS CERÂMICOS Esta classe de materiais é caracterizada pela combinação entre os elementos metálicos e não-metálicos. Destacam-se os óxidos, nitretos e carbonetos. A esse grupo de materiais também pertencem os argilo-minerais, o cimento e o vidro. Produtos cerâmicos tais como tijolos, vidros, refratários e abrasivos, possuem normalmente baixa condutividade térmica e elétrica, consequentemente, são muito utilizados como isolantes. Esses materiais são geralmente duros, mas frágeis (quebradiços). Existem novas técnicas de processamento desenvolvidas para permitir que estes possam ser utilizados em aplicações que exijam resistência, 34 se, ao invés de amolecer, quando exposta ao calor. Como não se fundem, os termofixos são processados diferentemente dos Termoplásticos, geralmente por processos de cura (calor, reação química, etc.). São conformáveis plasticamente apenas em um estágio intermediário de sua fabricação. O produto final é duro e não amolece mais com o aumento da temperatura. Uma conformação plástica posterior não é, portanto possível. Não são atualmente recicláveis. Os termofixos são completamente amorfos, isto é, não apresentam estrutura cristalina. Exemplos típicos de termofixos são: baquelite, resinas epoxídicas, poliésteres e poliuretanos. 4.3.3 Elastômeros O termo elastômero vem do inglês (elastomers = elastic polymers) e é comumente empregado no que se refere a borrachas. Segundo a ASTM, borrachas ou elastômeros são materiais capazes de recuperar-se, rápida e forçadamente, de uma grande deformação. São materiais conformáveis plasticamente, que se alongam elasticamente de maneira acentuada até a temperatura de decomposição e mantém estas características em baixas temperaturas. Os elastômeros são estruturalmente similares aos termoplásticos, isto é, eles são parcialmente cristalinos. Exemplos típicos de elastômeros são: borracha natural, neopreno, borracha de estireno, borracha de butila e borracha de nitrila. 4.4 MATERIAIS COMPÓSITOS Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais, criando propriedades muitas vezes vantajosas do que um único material. Concreto e fibra de vidro com resina de poliéster são típicos exemplos. Com os materiais compósitos é possível obter produtos com diferentes propriedades, como leveza e ductilidade, bem como materiais resistentes a altas temperaturas, ao choque, a cortes e a propagação de 35 trincas. Modernos meios de transporte aéreo e veículos espaciais tem se utilizados de compósitos da de fibra de carbono. 4.5 SEMICONDUTORES Tem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes. Além disto, as características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de pequenas concentrações de impurezas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indústrias eletrônicas e de computadores nas últimas duas décadas. Os semicondutores podem ser elementos semi-metálicos puros como o silício e o germânio ou compostos como GaP, GaAs e InSb 4.6 BIOMATERIAIS É definido como todo material utilizado para substituir – no todo ou em parte – sistemas biológicos que se encontram doentes ou danificados. Assim, podemos ter biomateriais metálicos, cerâmicos, poliméricos (sintéticos ou naturais), compósitos ou biorecobrimentos. Dada às especificidades que os biomateriais apresentam a tendência é que eles sejam considerados, hoje, uma classe especial de materiais. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (isto é, não devem causar reações biológicas adversas). 4.7 MATERIAIS NATURAIS Podem ser considerados materiais naturais, todos utilizados “in natura”. Entre os materiais naturais destacam-se as fibras, os minerais, as madeiras e outros. 36 Os materiais naturais tem sido muito pesquisados ultimamente como alternativos para diversas aplicações, isto por serem recicláveis, biodegradáveis e por apresentarem baixa toxidade. 4.7.1 Fibras Enquanto em uso, fibras podem ser submetidas a uma variedade de deformações mecânicas – esticamento, retorcimento, cisalhamento e abrasão – consequentemente, elas devem ter uma alta resistência à tração (ao longo de uma relativamente grande faixa de temperatura) e um alto módulo de elasticidade, bem como boa resistência à abrasão. Por exemplo, polímeros em fibra são capazes de serem estirados em longos filamentos tendo pelo menos uma razão comprimento/diâmetro de 100:1. Muitos polímeros em fibras comerciais são utilizados na indústria têxtil, sendo trançados em forma de tela ou tecido. 4.7.2 Madeiras Consistem de fibras de celulose fortes e flexíveis circundadas mantidas juntas por um material mais rígido denominado lignina, pode ser considerada como um compósito natural. São amplamente utilizadas na construção civil, fabricações de imóveis, estruturas, etc. 4.7.3 Minerais Minerais são substâncias sólidas, inorgânicas e homogêneas, que possuem composição química definida e estrutura atômica característica. Na natureza, se formam por cristalização, a partir de líquidos magnéticos ou soluções termais, pela recristalização em estado sólido ou, ainda, como produto de reações 39 5.1 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS O desempenho em serviço de um material é determinado não apenas pelo material escolhido, mas também pelas modificações advindas do processamento. Para os critérios de seleção estão diretamente relacionados com as distintas propriedades dos materiais disponíveis que se classificam basicamente em propriedades mecânicas, térmicas, físicas e elétricas. 5.1.1 Propriedades Mecânicas As propriedades mecânicas dos materiais metálicos devem ser consideradas como uma das questões básicas apresentadas na seleção e especificação desses materiais. As propriedades mecânicas estáticas são obtidas comumente do ensaio de: Tração; Compressão; Dureza; Flexão. As propriedades dinâmicas são determinadas a partir de ensaios de: Fadiga; Impacto; Fluência. Dentre os parâmetros determinados nos diferentes ensaios os principais são os seguintes: • Ductilidade; • Dureza; • Limite de resistência a tração; • Limite de escoamento; • Módulo de Elasticidade; • Resiliência e Tenacidade; • Resistência à Fadiga; • Resistência ao Impacto; • Resistência à Fluência. 40 5.1.1.1 Ductilidade Essa propriedade, no ensaio de tração, é medida através da deformação plástica ocorrida no corpo de prova tanto no que se refere a seu comprimento (alongamento) como a sua secção transversal (estricção). É a quando o material se deforma até a ruptura. 5.1.1.2 Dureza A propriedade de dureza expressa apenas uma propriedade superficial do corpo de prova devido à natureza de sua concepção. É, na realidade, uma medida de resistência a penetração de uma ponta (esférica, cônica ou piramidal constituída de material duro) oferecida pelo material do corpo de prova. Essa propriedade é de particular interesse para: • Se avaliar a resistência ao desgaste do material (que é uma propriedade dependente da superfície do corpo); • Para se medir o grau de endurecimento superficial por tratamento térmico; • Para estimar aproximadamente a resistência mecânica em geral do material do corpo de prova na medida em que as características mecânicas de sua superfície são representativas também das características de todo o material do corpo. 5.1.1.3 Limite de Resistência à Tração Essa propriedade é comumente utilizada como índice de resistência mecânica do material, pois reflete a sua capacidade de suportar cargas, contudo a sua utilização sobre limitações de três ordens: 41 1) Ela se refere a um valor limite acima do qual já se inicia a instabilidade lógica que conduz à fratura; 2) Que decorre da primeira é necessário para determinar a tensão de projeto utilizar um fator de segurança cujo valor é uma questão discutível em face da confiabilidade desejada; 3) Nem sempre é possível estabelecer uma correlação entre esses parâmetros e outras propriedades mecânicas exigidas para um determinado projeto. 5.1.1.4 Limite de Escoamento É também um parâmetro obtido no ensaio de tração e se constitui numa propriedade fundamental tanto para o projeto do produto como do processo, pois: • Indica explicitamente qual é a tensão máxima acima do qual se inicia a deformação plástica numa solicitação do estado simples de tração; • No caso de estados complexos de tensão, constitui a constante dos critérios de resistência; • Para o (projeto de produto), de forma semelhante, fornece o valor limite inferior para se iniciar um processo de conformação plástica, quer como valor diretamente correspondente à tensão limite na solicitação de tração quer como constante constituinte dos critérios do escoamento necessários aos estados complexos de tensão existentes nos processos usuais de laminação, trefilação, forjamento etc. 5.1.1.5 Módulo de Elasticidade Ainda no ensaio de tração determina-se o módulo de elasticidade que corresponde à relação entre tensão e deformação no regime elástico. É uma medida 44 respostas térmicas dos materiais. A propriedade térmica é a resposta de um material à aplicação de calor. Dentre essas propriedades destacam-se: • Calor Específico; • Calor Latente de Fusão; • Condutividade Térmica; • Expansão Térmica; • Ponto de Fusão. 5.1.2.1 Calor Específico É a relação existente entre a capacidade térmica de um material e a água. O calor específico é a quantidade de calor que temos que fornecer ou retirar de um grama de uma substância para que varie em um grau centígrado sua temperatura. 5.1.2.2 Calor Latente de Fusão A quantidade de calor por unidade de massa, que precisa ser transferida para que a amostra do material mude completamente de fase é chamada de calor de transformação ou calor latente. O calor latente de fusão é aplicável quando a mudança de fase é de sólida para líquida ou vice-versa. 5.1.2.3 Condutividade Térmica A condução térmica é o fenômeno pelo qual o calor é transportado de região de alta temperatura para regiões de baixa temperatura em uma substância 45 (CALLISTER, 2002). Condutividade térmica é uma propriedade física dos materiais que descreve a habilidade desses de conduzir calor. 5.1.2.4 Expansão Térmica É a expansão produzida na matéria devido à absorção de energia térmica. Todos os estados da matéria demonstram expansão térmica. A maioria dos materiais sólidos quando submetidos a aquecimento sofrem expansão e a resfriamento sofrem contração. 5.1.2.5 Ponto de Fusão É a temperatura na qual ocorre a mudança do estado sólido para o estado líquido. 4.1.3 Propriedades Físicas As propriedades físicas são aquelas que não envolvem qualquer modificação estrutural a nível molecular dos materiais. Dentre as propriedades físicas aplicadas ao critério de SM temos: Absorção de Água; Densidade; Índice de Refração. 5.1.3.1 Absorção de Água Indica o quanto foi absorvido de água em massa; é a diferença de massa antes (corpo de prova seco) e depois da imersão em água (corpo de prova úmido), sendo dado em percentagem. 46 5.1.3.2 Densidade É a razão entre a massa e o volume, a densidade nos informa se a substância de que é feito um corpo é mais, ou menos compacta: os corpos que possuem muita massa em pequeno volume, como os de ouro e de platina, apresentam grande densidade. Corpos que possuem pequena massa em grande volume, como os de isopor, cortiça e os gasosos em geral, apresentam pequena densidade. É uma importante propriedade no contexto de SM para previsão dos índices de mérito. 5.1.3.3 Índice de Refração Representado por um valor adimensional que é atribuído a uma substância (meio), utilizado para calcular o desvio de uma onda ao trocar de meio. Este índice é basicamente uma relação entre a velocidade da luz no vácuo e sua velocidade na substância considerada. 5.1.4 Propriedades Elétricas As propriedades elétricas são importantes na SM ou tomando decisões durante um projeto de um componente ou de uma estrutura. Dependendo da função do produto alguns materiais devem ser altamente condutores elétricos e para outros são exigidas propriedades de isolamento elétrico. As propriedades elétricas que se destacam na SM são: • Condutividade Elétrica; • Resistividade. • Constante Dielétrica. 49 Tabela 1 Preços relativos aproximados por tonelada (continua) Material Preço relativo US$ Diamante 200 milhões Platina 5 milhões Ouro 2 milhões Prata 150.000 CFPR (mat. 70% do custo; fabr. 30% do custo) 20.000 Cobalto/cermets de carbeto de tungstênio 15.000 Tungstênio 5.000 Ligas de cobalto 7.000 Ligas de titânio 10.000 Ligas de Níquel 20.000 Polimidas 8.000 Carbeto de silício (cerâmica fina) 7.000 Ligas de magnésio 1.000 Náilon 66 1.500 Policarbonato 1.000 Polimetilmetacrilato 700 Magnésia, MgO (cerâmica fina) 3.000 Alumina, Al2O3 (cerâmica fina) 3.000 Aço-ferramenta 500 Polímero reforçado com fibra de vidro – GFPR (mat. 60% do custo; fabr. 40% do custo) 1.000 Aços inoxidáveis 600 Cobre, usinado (chapas finas, tubos, barras) 400 Cobre, lingotes 400 Ligas de alumínio, usinadas (chapas finas, barras) 400 Lingotes de alumínio 300 Latão, usinado (chapas finas, tubos, barras) 400 Latão, lingotes 400 Epóxi 1.000 50 Tabela 1 (conclusão) Material Preço relativo US$ Poliéster 500 Vidro 400 Polímeros espumosos 1.000 Zinco, usinado (chapas finas, tubos, barras) 400 Zinco, lingotes 350 Chumbo, usinado (chapas finas, tubos, barras) 250 Chumbo, lingotes 200 Borracha natural 300 Polipropileno (PP) 200 Polietileno (PE), alta densidade 200 Poliestireno (PS) 250 Madeiras duras 250 Polietileno (PEDB), baixa densidade 200 Cloreto de Polivinila ou polivinilcloreto (PVC) 300 Compensado 200 Aços de baixa liga 130 Aço doce, usinado (cantoneiras, chapa, barras) 100 Ferro fundido 90 Ferro, lingotes 70 Madeiras macias 70 Concreto, armado (vigas, colunas, lajes) 50 Óleo combustível 50 Cimento 20 Carvão 20 Fonte: ASHBY & JONES (2005). Entre disponibilidades de materiais, que podem tomar forma por um grande número de processos de fabricação, gerando inúmeras combinações de 51 propriedades, tem-se a indicação da melhor aplicação para tal material. Realizando o caminho inverso, a partir de uma determinada aplicação desejada – um produto – que demanda certo conjunto de propriedades possíveis através de determinadas estruturas obtidas por determinado processamento, faz-se necessária uma sistemática de atuação que permita mergulhar nesta vasta possibilidade de combinações, extraindo daí um candidato vencedor, que cumpre com maior eficiência possível os requisitos da aplicação. Ao conjunto destas sistemáticas tem- se a aplicação da Seleção de Materiais, daí a importância ao se selecionar um material analisar sua disponibilidade no mercado envolvendo o custo. Tomasi & Botta (1991) posicionam a aplicação dos materiais sobre a tríade Estrutura - Propriedades - Processamento, indicando o escopo de ação da Seleção de Materiais (Figura 17). É interessante para o Engenheiro de Materiais procurar entre os materiais existentes aquele mais adequado, através de sucessivas etapas de eliminação, de modo a não ignorar possibilidades anteriormente não reconhecidas pela experiência e percepção do projetista (FERRANTE, 2002) – durante o projeto de produtos. Figura 17: Relação entre Estrutura, Propriedades, Processamento e Aplicação de Materiais. Fonte: TOMASI & BOTTA (1991). Todo material pode ter uma determinada propriedade especialmente atrativa. Entretanto possui uma dada combinação de propriedades, que deve ser 54 determinado material para a fabricação de um produto que permita ao projetista conhecer, de maneira rápida todo o universo de materiais que podem atender à sua demanda e escolher dentro deste universo aquele que melhor se adéqua à solução buscada. As metodologias de Seleção de Materiais e Processos de Fabricação evoluíram a partir do empirismo e da busca desordenada de dados em “handbooks” e folhas de dados para uma atividade sistematizada e, sobretudo, científica. Segundo Ferrante (2002), para a adequada seleção de um material ou processo frente a outro, pode-se, tomar como ponto de partida a função do material, passando-se pelos requisitos de projeto, condições de serviço e ambientais, e chegando a propostas alternativas de diferentes materiais e processos que atendem aos fatores condicionantes estabelecidos. Na busca de ferramentas que facilitem o processo de SM o projetista necessita investigar bancos de dados, o conceito importante neste caso é o Índice de Mérito (ou de desempenho) que rege a aplicação buscada, e também os mapas de propriedades que permitem a observação da situação de cada classe de materiais ou cada material dentro de uma classe com respeito às suas necessidades específicas. 6.1 ÍNDICE DE MÉRITO Os Índices de Mérito (IMs), também conhecidos como figuras de mérito ou índices de desempenho, são fórmulas algébricas que combinam propriedades dos materiais e que, quando maximizadas, aperfeiçoam algum aspecto de desempenho. Sua fórmula algébrica expressa um compromisso entre duas características ou propriedades. Em sua forma mais simples um IM é geralmente uma fração, tendo no numerador a propriedade que se quer maximizar e no denominador a que se deseja minimizar. 55 Para se deduzir o IM devem ser seguidas algumas etapas: • Estabelecimento da função do produto ou componente: normalmente realizada por simples inspeção do objeto. • Estabelecimento do objetivo principal: expressa o requisito imposto àquela etapa de seleção. • Identificação da restrição: identificada com o desempenho e com a propriedade que o controla, no contexto do objetivo desejado. 6.1.1 Analisando um Estudo de Caso Considerando o caso do projeto de um tirante que deve resistir a uma força de tração sem falhar por escoamento plástico, e que seja leve representado pela Figura 18. Figura 18: Representação de um tirante submetido à um carregamento de tração de uma força F; Ao é a área da seção transversal resistente do tirante. Fonte: ASHBY; CHERCLIF; CEBON (2007). 56 Como o IM é uma fórmula algébrica a partir da fórmula da densidade que é a razão entre massa (m) e volume (V) isolando a massa (m) e considerando o volume igual o produto da área pelo comprimento obtem-se: m =Ao.L.ρ • Ao é a área da seção transversal do tirante; • L o comprimento do tirante; • ρ a densidade do material do qual ele é feito. O comprimento L do tirante e a carga F são especificados pelo projeto e não podem ser modificados. O raio do tirante r é livre e vai determinar a seção resistente do tirante. A seção deve ser suficiente para suportar a carga F de modo que Onde σf é a tensão de falha do material (resistência), e Sf, o fator de segurança. Eliminando Ao das equações (6.1) e (6.2) chega-se a equação abaixo, o lado direito tem um primeiro grupo de variáveis que caracterizam os parâmetros (os requerimentos) funcionais do projeto; um segundo grupo de parâmetros especifica a geometria do projeto; o terceiro grupo de parâmetros define as propriedades do material. m = (Sf.F).(L).(ρ/σf) A melhor solução para o projeto de um tirante leve é aquela que propõe um material com menor valor de (ρ/σf). O IM é exatamente o inverso dessa razão, assim, aquele que possui o máximo valor de IM é um material que possui alto nível de desempenho. F = σf . Ao Sf (6.1) (6.2) (6.3) 59 no conceito da seleção de materiais é a relação resistência/peso. Deste modo, analisando o mapa, sua adoção como critério permite comparar situações em termos do peso da estrutura ou componente, característica importante nos campos automotivo e aeroespacial. Figura 20: Mapa de Propriedades dos Materiais relacionando Resistência (σf) em função da densidade do material (ρ). Fonte: ASHBY (1999). No estudo de caso do tirante a comparação direta de materiais em termos do IM “resistência/peso” o mapa é construído em torno de uma série de informações definidas segundo Ferrante (2002, p. 51): • O intervalo de densidades vai de 0,3 a 15 mg/m3. Valores inferiores a 1 estão associados a materiais que exibem vazios ou porosidades, como madeiras leves, espumas e cortiça. 60 • O intervalo de resistência vai de 1 a 10.000 MPa. A resistência mecânica não tem o mesmo significado para todas as famílias de materiais, sendo também medida por técnicas diferentes. • Os maiores valores de resistência mecânica são exibidos pelas cerâmicas de engenharia. • A cerâmica, tanto as de engenharia como as convencionais, têm alta resistência mecânica, mas o grau de incerteza de seus valores aconselha circundar essas famílias com linhas pontilhadas. • Os compósitos de engenharia caracterizam-se por resistência mecânica de aproximadamente uma ordem de grandeza maior que as suas matrizes de correspondentes antes do reforço. Isso explica as inúmeras pesquisas voltadas ao desenvolvimento daqueles materiais. Analisando o mapa, além de listar um grande número de materiais em termos de resistência/densidade, a Figura 20 mostra os meios de proceder às escolhas segundo critério de peso mínimo. O IM tem valores específicos que dependem da geometria do elemento ao qual a carga é a aplicada e ao modo de aplicação desta: σ/ρ: índice de mérito para barra de tração; σ 2/3/ρ: índice de mérito para barra em flexão; σ 1/2/ρ: índice de mérito para placa em flexão. Os IM são representados por linhas retas superpostas ao gráfico, tem-se: σ/ρ = C; σ2/3/ρ = C; σ1/2/ρ = C. Onde C é uma constante cujo valor aumenta à medida que as linhas são deslocadas para cima e para esquerda (FERRANTE, 2002). Deste modo, todos os materiais que estiverem acima e à esquerda de uma determinada linha terão IM (desempenho) mais favoráveis do que os materiais localizados ao longo da linha. Os que se encontram localizados na mesma linha tem IM equivalentes. Os gráficos resumem as propriedades dos materiais, cada área dos mapas tem espaços ocupados por cada classe de material. Que podem ser utilizados de duas maneiras: 61 1) para obter valores aproximados de propriedades materiais; 2) para selecionar materiais que tenham perfis prescritos. Portanto o processo de escolha dos mapas pode ser usado como uma fonte de dados, ou seja, é uma importante ferramenta seleção. A melhor maneira de resolver problemas na seleção é trabalhar diretamente sobre os mapas. Há uma permissão para copiar os mapas para esta finalidade (ASHBY, 1999). Não é possível utilizar os mapas de propriedades em todas as combinações em um caso de seleção, entretanto, os mapas desenvolvidos por Ashby apresentam os materiais mais comumente utilizados. Por isso é importante que se conheça as propriedades dos materiais, um exemplo é o mapa da Figura 21, que relaciona resistência em função da temperatura. Figura 21: Mapa de Propriedades dos Materiais relacionando Resistência a Temperatura σf (T) em função da Temperatura (T). Fonte: ASHBY (1999). 64 de materiais no pré-projeto, na substituição de materiais em projetos já existentes, visando sempre um melhor desempenho. Além disso, o estudo de casos tem como estratégia proporcionar uma ampla visão sobre o processo de seleção de materiais através da prática dirigida utilizando os recursos e critérios de SM. As etapas do projeto consistem em: • Definição do Problema: um projeto não tem início sem um problema, sem uma necessidade a ser preenchida. Para entender melhor como funciona o método de seleção, primeiramente, deve-se identificar qual o objetivo que este deve cumprir e quais são as propriedades restritivas do material desejado. • Descrição do Produto: a descrição do produto é a etapa onde se define a função, os requisitos que o produto deve atingir, o objetivo da seleção, as restrições do projeto e o desenho da peça com suas dimensões. • Critérios de Seleção: nesta etapa são definidas as características do material que será utilizado na fabricação do produto; ainda nesta fase é definido o modelamento de esforços, ou seja, a demonstração do problema que deseja minimizar. • Cálculos e desenvolvimento: os cálculos na seleção de materiais dependem do objetivo do projeto, nos casos apresentados é desenvolvida a equação a massa do material; em seguida determina-se o momento de inércia que depende da seção transversal que sofre o esforço mecânico, o momento de inércia pode ser encontrado em base de dados ou em livros de resistência dos materiais; a parir da equação da massa determina-se a variável livre de acordo com o projeto, a variável livre é a grandeza que pode variar nos cálculos do projeto, essa variação ocorre de acordo com o material; a ultima fase da etapa de cálculos é a equação que determina a minimização do problema, no caso 1 do suporte do cabide, por exemplo, utiliza-se a equação da deflexão, que também são encontradas em base de dados acompanhadas de um sistema que demonstra o esforço sofrido pelo equipamento. • Determinação do Índice de Mérito: Como dito anteriormente, um conceito dos mais importantes em Seleção de Materiais é o de Índices de 65 Mérito, que é uma fórmula algébrica que expressa uma relação entre duas características ou propriedades. Em sua forma mais simples um IM é geralmente uma fração, tendo no numerador a propriedade que se quer maximizar e no denominador a que se deseja minimizar. O índice de mérito é obtido a partir da relação entre a equação da variável livre e a equação de minimização do problema, isto de acordo com o projeto que está se desenvolvendo. • Verificação dos Mapas de Propriedades dos Materiais: A base das informações é o projeto de Ashby (1999) que organizou os materiais através de grupos de propriedades que são os principais requisitos de escolha dos materiais nos projetos mecânicos. Os seus MPMs mostram claramente quais materiais satisfazem da melhor maneira os vários grupos de propriedades. A partir do Índice de Mérito encontrado procura- se o MPM que tem a relação das grandezas do IM, desta maneira cria-se uma ferramenta de grande utilidade, e através das linhas retas e paralelas temos um índice de desempenho. • Análise do Mapa e Seleção dos Materiais: depois de obtido o MPM, faz- se a análise dos materiais a serem selecionados; o primeiro passo é identificar no mapa a linha correspondente ao IM; em seguida verifica-se o material tomado como base para o caso de produtos já existentes, ou seleciona-se um material que poderá ser utilizado na fabricação de um produto novo, selecionando o material faz-se uma linha sobre o material, paralela a linha ao IM; todos os materiais que estão localizados na linha do material base irão apresentar um desempenho semelhante, os materiais localizados acima da linha irão apresentar índices de desempenho mais altos, enquanto aqueles que estão localizados abaixo dessa linha irão exibir desempenhos inferiores. Fica a critério do projetista fazer a seleção dos materiais que apresentam bom IM, a partir dos materiais disponíveis no MPM e em relação ao que responde os critérios do projeto. 66 7.2 INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS A seleção do material mais apropriado para determinada aplicação em um projeto de engenharia entre duas ou mais alternativas com base em dois ou mais critérios (propriedades, custos e etc.) é um problema de multi-critério de processo de decisão. Os valores das propriedades dos materiais são muitas vezes descritos qualitativamente ou medidos imprecisamente, sendo fornecidos em intervalos. Estes valores qualitativos e a importância de uma determinada propriedade são geralmente descritos de uma maneira lingüística. Por exemplo, o material apresenta uma “alta” resistência à corrosão, ou o material é de “baixo” custo. Esta falta de precisão no processo de seleção dos materiais recomenda a utilização da teoria de Ashby no processo de decisão. Após as etapas de metodologia, parte-se para etapa de decisão que é realizada do seguinte modo: • Realizam-se os cálculos com as grandezas correspondentes a cada material pré-selecionado, pode envolver, por exemplo, a massa, assim será obtida a quantidade de material envolvido em cada projeto, nos estudos de casos realizados esta etapa será melhor visualizada, além disso faz-se o cálculo do índice de mérito; • Com todos os cálculos finalizados monta-se uma tabela de decisão para selecionar materiais onde cada propriedade ou índice de mérito foi ponderada pela classificação dos materiais baseada na alternativa mais próxima da ideal positiva e a mais afastada da ideal negativa; • Analisando a tabela de decisão tem-se como critério principal o IM, que é o valor da relação entre propriedades que determina o material mais adequado para a necessidade do produto, deste modo quanto maior o índice de mérito, melhor o potencial do material; o segundo critério analisado é a quantidade (massa) do material, pois quanto menos material envolvido maior a economia, critério este que está ligado ao custo, que é outro tópico abordado na tabela de decisão. Se necessário, há a possibilidade de realizar novas análises baseadas em outras propriedades restritivas o que filtrará ainda mais os possíveis materiais. 69 Para produção do suporte considera-se o comprimento da base L de 38 centímetros, o raio interno corresponde a um tamanho de 0,30 centímetros (bitola do arame r=0,25 cm), enquanto o raio externo do revestimento R pode ser variado de acordo com os cálculos realizados e o material de fabricação. A carga a ser suportada corresponde a 5 quilogramas de roupa por cabide, equivalente a uma força F de 50 N e a deformação (δ ) de 1 centímetro. Uma expressão foi desenvolvida para o cálculo desse raio R, e para a massa de material que é exigida em termos do objetivo do projeto. A partir dessas expressões determina-se o Índice de Mérito. Usando esses parâmetros, é possível avaliar o desempenho, ou seja, maximizar a resistência da base de suporte de peso em relação à sua massa e, além disso, em relação ao custo do material. a) Modelamento de Esforços Figura 24: Modelamento de esforços sofrido pela base do cabide. 7.3.4 Cálculos e desenvolvimento a) Equação para massa A massa suporte é calculada a partir da fórmula da densidade, desta maneira tem-se: F, δ L 70 Vm ×= ρ Como o volume do tubo vazado é: LrRV ×−= )( 22π Substituindo a equação (7.1) em (7.2): ( ) LrRm ×−×= 22πρ Sendo m a massa total do tubo, ρ a densidade dos materiais selecionados para fabricação do produto, R o raio variável, r o raio fixo de 0,30 cm, L o comprimento do tubo de revestimento de 38 cm. b) Momento de Inércia para o tubo vazado Consultando base de dados em Ashby (1999, p. 64), o momento de inércia para seção circular vazada, tem-se: 64 )( 44 dD I −= π Logo, em função do raio a equação é: 4 )( 44 rR I −= π (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) 71 c) Equação para deflexão Em Ashby (1999, p. 381), a equação da deflexão de acordo com os esforços representados pela Figura 24 é: EI FL 48 3 =δ fazendo a relação com a equação (7.5), logo, a equação da deflexão é: )(12 44 3 rRE FL − = π δ d) Determinação da variável livre Determina-se o raio R como variável livre, pois o raio r é fixo que corresponde ao tamanho de r = 0,30 cm, com 0,05 cm de folga em relação bitola do arame do cabide (diâmetro do arame é de 0,50 cm). e) Determinação do Índice de Mérito Para obtenção do IM, faz-se uma relação entre as equações da massa (7.3) e a equação da deflexão (7.7). A partir da equação da massa, encontra-se a função em relação à diferença dos quadrados dos raios: ( ) L m rR ρπ =− 22 como, ( ) ( ) ( )222244 rRrRrR −×+=− (7.6) (7.7) (7.8) (7.9) 74 Após as possíveis escolhas são realizados os cálculos da variável livre R e da massa para cada material selecionado (os cálculos estão dispostos no tópico Resultados e Discussões). Utilizando a equação (7.3) e a equação (7.7) realizam-se os cálculos da massa e da variável livre. Para o cálculo da massa e do raio devem-se adotar os valores da densidade dos materiais e seus respectivos módulos de elasticidade, que podem ser encontrados em base de dados de engenharia Lembrando que L = 0,38 m, δ = 0,01 m, F = 50 N, r = 0,003 m. Tabela 2: Módulo de elasticidade e densidade para seis materiais Material Módulo de Elasticidade Densidade Papelão 0,7x109 Pa 0,5 g/cm3 Liga de Alumínio 70x109 Pa 2,71 g/cm3 Aço Inox 210x109 Pa 8,9 g/cm3 PVC 4,14x109 Pa 1,58 g/cm3 PP 1,55x109 Pa 0,905 g/cm3 Madeira 11x109 Pa 0,61 g/cm3 Fonte: CALLISTER 2002. A Tabela 2 dispõe as propriedades de módulo de elasticidade e densidade dos materiais pré-selecionados, que são as propriedades que o IM forneceu para esta seleção, e estão dispostas no mapa. 7.3.7 Resultados e Discussões Para entender o objetivo de pré-selecionar os materiais, é necessário a realização dos cálculos da variável livre, da massa utilizada para confecção do produto e o IM de cada material, que servirá como o indicador de desempenho dos seis materiais citados. 75 1) Papelão Cálculo do raio R: cmR R 34,1 03,0 01,0107,012 38,050 4/1 4 9 3 =       + ×××× ×= π Cálculo da massa: ( ) ( ) gramasm m LrRm 80,101 3830,034,15,0 22 22 = ×−×= ×−×= π πρ Índice de Mérito: 6 9 104,1 500 107,0 xIM IM = ×= 2) Liga de Alumínio Cálculo do raio R: cmR R 36,0 03,0 01,0107012 38,050 4/1 4 9 3 =       + ×××× ×= π 76 Cálculo da massa: ( ) ( ) gramasm m LrRm 76,12 3830,036,071,2 22 22 = ×−×= ×−×= π πρ Índice de Mérito: 7 9 1058,2 2710 1070 xIM IM = ×= 3) Aço Inox Cálculo do raio R: cmR R 32,0 03,0 01,01021012 38,050 4/1 4 9 3 =       + ×××× ×= π Cálculo da massa: ( ) ( ) gramasm m LrRm 17,13 3830,032,09,8 22 22 = ×−×= ×−×= π πρ 79 Cálculo da massa: ( ) ( ) gramasm m LrRm 13,13 3830,052,061,0 22 22 = ×−×= ×−×= π πρ Índice de Mérito: 7 9 108,1 610 1011 xIM IM = ×= Segue uma tabela com os dados para efeito de comparação dos materiais: Tabela 3: Comparação de Resultados Índice de Mérito (IM), Massa (m), Custo Material e Custo Total para seis materiais. Material IM m (Kg) Custo Material R$/Kg Custo Total (R$) Papelão 0,14x107 0,1018 0,20 0,02 Liga de Alumínio 2,58x107 0,0127 12,39 0,15 Aço Inox 2,35x107 0,0131 17,10 0,22 PVC 0,26x107 0,0627 4,78 0,29 PP 0,17x107 0,0647 2,83 0,18 Madeira 1,80x107 0,0131 5,73 0,07 Segundo os critérios exigidos pelo método de Ashby entre todos os parâmetros analisados, em primeiro destaca-se o Índice de Mérito, em seguida a quantidade de massa do material e o custo. Portanto, em ordem de Índice de Mérito, a seqüência de materiais selecionados é: 80 1º - Liga de Alumínio 2º - Aço Inox 3º - Madeira 4º - PVC 5º - PP 6º - Papelão Isto significa dizer que os três melhores materiais em função do IM são: Liga de Alumínio, Aço Inox e Madeira. Em função da quantidade de massa empregada a liga de Alumínio também se destaca, entre os três selecionados necessita de menor massa para produção de uma unidade do tubo de revestimento, enquanto o Aço Inox e a Madeira utilizam aproximadamente a mesma quantidade de massa empregada no produto, e não tão superior a massa do Alumínio. Entre os três envolvidos, analisando em termos de custo, a madeira apresenta custo mais baixo, entretanto, o alumínio mesmo sendo de um custo mais elevado, tem a seu favor as outras duas outras considerações. Além disso, a madeira tem menor índice de mérito e maior quantidade de massa na fabricação. O aço apresenta maior custo material, em relação ao alumínio entra em desvantagem em função dos três parâmetros analisados. Os polímeros PVC e PP em comparação aos três materiais selecionados têm desvantagem em relação ao baixo índice de desempenho e quantidade de massa elevada, entretanto o custo dos dois materiais poliméricos é favorável, além de sua disponibilidade. O papelão como foi explicado anteriormente é o material mais utilizado atualmente na fabricação do revestimento, nota-se que este fato está relacionado com o baixo custo deste material, observando os outros parâmetros, é o material de maior quantidade de massa empregada, devido ao seu baixo IM. 81 Portanto, seguindo os critérios adotados por Ashby, a liga de Alumínio é o melhor material para produção do tubo de revestimento do cabide, pois mesmo sendo o material de segundo maior custo, tem maior Índice de Mérito e menor quantidade de massa empregada, garantindo integridade, boa aparência, resistência à degradação, além da capacidade de carga e fácil acessibilidade. 7.4 ALAVANCA DE UM SACA-ROLHA Para este estudo de caso apresentam-se as etapas de seleção do material para a alavanca de um saca-rolha. Este projeto foi desenvolvido em Ashby (1999) e Ashby, Sherclif e Cebon (2007), onde desenvolve uma estratégia de SM. Visando responder uma necessidade de mercado o projeto apresenta as etapas da SM, neste trabalho Ashby apenas demonstra as primeiras etapas sem concluir os materiais a serem selecionados para o caso, baseado no estudo proposto por Ashby, Sherclif e Cebon (2007) que em seu trabalho definiram os materiais a serem utilizados sem demonstrar a metodologia, este estudo tem por objetivo comprovar se os materiais por eles definidos serão os encontrados na etapa final de seleção. 7.4.1 Descrição do Problema O problema em destaque consiste em uma fratura na alavanca do saca- rolha (Figura 26). Figura 26: Modelo do saca-rolha com a fratura devido ao esforço mecânico. Fonte: ASHBY et al. (2007). 84 b) Momento de Inércia para a secção retangular Consultando base de dados em Ashby (1999, p. 164) o momento de inércia para seção retangular é definido por: 12 3bh I = c) Equação para deflexão Em Ashby (1999, p. 381), a equação da deflexão de acordo com os esforços representados pela Figura 28 é: EI FL 3 3 =δ fazendo a relação com a equação (7.13), logo, a equação da deflexão é: 3 34 Ebh FL=δ d) Determinação da variável livre A altura h da secção retangular e o custo foram definidos como a variáveis livres. e) Determinação do Índice de Mérito Desenvolve-se a equação (7.15) em função da altura: 3134       = Eb FL h δ (7.13) (7.14) (7.15) (7.16) 85 De modo que substituindo a equação (7.16) na equação da massa (7.12), determina-se o IM:              = 3 1 3 1 2 4 Eb F bLm ρ δ O Índice de Mérito é:         = ρ 3 1 E IM 7.4.5 Verificação no Mapa de Propriedades de Materiais O critério estabelecido se estende a propriedade do módulo de elasticidade, neste caso não se utiliza um material como base da escolha, assim para esta seleção os melhores materiais devem ter menor deflexão, ou seja, maior módulo de elasticidade. Portanto, determina-se materiais que tenham módulo de elasticidade maior que 10 MPa. Figura 29: Mapa de Propriedades dos Materiais relacionando módulo de Elasticidade (módulo de Young - E) em função da densidade do material (ρ). Fonte: ASHBY & CHERCLIF & CEBON (2007). (7.17) (7.18) 86 7.4.6 Análise do Mapa e Seleção dos Materiais Para o caso estudado há limitações óbvias, por exemplo, no caso de queda o objeto deve resistir a impactos, neste caso materiais como vidro ou cerâmicos são inaceitáveis. Portanto, possíveis escolhas são: 1º - Aço Inox 2º - CRPF (Polímero Reforçado com Fibra de Carbono) 3º - Liga de Alumínio 4º - Liga de Magnésio 5º - Madeira 7.4.7 Resultados e Discussões Para cada material pré-selecionado foram realizados cálculos do IM, da altura h, da massa m, utilizando respectivamente as equações (7.18), (7.16) e (7.12), e para finalizar o custo por peça fabricada. A Tabela 4 ilustra os resultados obtidos. Tabela 4: Comparação de Resultados Índice de Mérito, Altura (h), Massa (m), Custo Material e Custo Total para cinco materiais Material IM h (mm) m (Kg) Custo Material R$/Kg Custo Total (R$) Aço Inox 0,60 8,7 0,017 17,10 0,29 CRPF 3,55 8,6 0,0032 260,00 0,83 Liga de Alumínio 1,52 12,6 0,0076 12,39 0,09 Liga de Magnésio 1,96 14,6 0,0059 22,00 0,12 Madeira 3,64 23,3 0,0031 5,73 0,01 Em comparação de resultados, pelo método de Ashby, dentre os materiais pré-selecionados, os que se destacam em função do IM são a Madeira e o 89 já recomendados por Ashby através apenas da interpretação dos MPM, sem a realização dos cálculos. A partir do entendimento do processo de utilização dos mapas, por meio da base de dados, constatou-se pontos críticos nas informações contidas nos mapas de propriedades, os dados nos mapas são aproximados, eles tipificam cada classe do material (aço inoxidável, ou polietilenos, por exemplo), mas dentro de cada classe, existe uma grande variação (ASHBY, 1999). Eles são adequados para as grandes comparações, necessários para desenho conceitual e, muitas vezes, para o cálculo inicial quando surge um problema. Eles não são adequados para cálculos detalhados. Os gráficos ajudam a estreitar a escolha dos materiais candidatos a uma curta lista de possíveis materiais, mas não nos fornece números exatos para a análise final. Segundo Ashby (1999), os gráficos são um auxílio para o pensamento criativo, e não uma fonte de dados numéricos para a análise precisa. Portanto, a Seleção de Materiais é uma atividade técnica essencialmente interdisciplinar, que inclui conhecimentos técnicos, mercadológicos e econômicos. A metodologia de resolução de problemas de seleção aqui apresentada apoia-se nos conceitos de IM e MPM enfatizando sua integração e mostrando que, sem efetuar cálculos de dimensionamento, é possível proceder a uma SM preliminar, mas satisfatória. 8.2 RECOMENDAÇÕES Através dos resultados e observações feitas ao longo dessa pesquisa, as seguintes sugestões para execução de trabalhos futuros, ou, para quem tem interesse em obter conhecimento da área, podem ser apresentadas: • Para realização de um estudo de seleção recomenda-se adotar uma visão macroscópica inicial, gradualmente refinada pela aplicação sucessiva dos requisitos de seleção relevantes, incluindo aí os relativos ao processamento. 90 • Realização de novos estudos de casos para melhor visualização do conceito de Seleção de Materiais e a metodologia de Ashby, buscando aplicar nas diversas propriedades dos materiais. • Estudar dentro da Seleção de Materiais o processamento, ou seja, realizar um estudo do processo de fabricação a ser utilizado após a seleção. • Estudo aprofundado da metodologia dos Mapas de Propriedades de Ashby para Seleção de Materiais, ou seja, pesquisar a origem de seus estudos e a metodologia utilizada para gerar os mapas. • Apresentação de uma proposta para aplicação de meios tecnológicos automatizados, como softwares para montagem dos mapas com os materiais de forma a ter um banco de dados. 91 REFERÊNCIAS ASHBY, Michael F. Materials Selection in Mechanical Design. 2. ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999. ______. et al. Metal Foams: A Design Guide. 2. ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2000. 495 p. ______. DAVID, R. H. Jones. Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design. 3. ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2005. 448 p. ______. DAVID, R. H. Jones. Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures, Processing and Design. 3. ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2007. 352 p. ______. SHERCLIF. Hugh. CEBON. David. Materials: Engineering Science Processing e Design. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2007. 514 p. CABILAVE. Modelos de Cabide. Disponível em:<http://www.cabilave.com.br>. Acesso em: 12 de jan. 2009. CALLISTER, William D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. 589 p. CARAM, Rafael. Embalagens, a evolução do design de consumo. Disponível em: <http://www.caramdesign.com.br/artigos_pdf/mercado %204.pdf>. Acesso em: 20 de mar. 2009. ESTRATÉGIA Empresarial. Concept Bicycle: O design de 43 bicicletas do futuro. Disponível em: <http://estrategiaempresarial.wordpress.com/ 2008/03/16/concept- bicycle-o-design-das-bicicletas-do-futuro/>. Acesso em: 20 de mar. 2009. + FERRANTE, Maurizio. Seleção de Materiais. 2. ed. São Carlos: Editora da Universidade Federal de São Carlos, 2002. 286 p. NORI, Lúcio Jr. Curva de Adoção (2007). Portal do Marketing. Disponível em: <http://www.portaldomarketing.com.br/Artigos/Curva_de_Adocao.htm>. Acesso em: 20 de mar. 2009. +