PMT 2501 – Prof. Sérgio D. BrandiMarço 2005.

Visão do processo de seleção de materiais

Introdução

• Seleção de materiais é etapa fundamental no projeto de um componente ou equipamento.

• Existem disponíveis mais de 100.000 tipos de materiais de engenharia.

• Engenheiro projetista deve trabalhar, na prática, com 50 a 80 materiais e deve ter acesso às suas propriedades.

• O custo do material fica, em média, próximo de 50% do custo de um produto ou equipamento.

• Projetar é trabalhar com informação.

Relação entre projeto, materiais e processamento.

• Classes de materiais:– Metais.– Polímeros.– Elastômeros.– Cerâmicas.– Vidros.– Materiais compósitos.

Estágios do projeto:

1. O conceito de marketing do produto.2. O conceito de engenharia.3. O projeto de configuração por partes.4. O projeto paramétrico.

Processo de projeto com as ferramentas de projeto e de seleção de materiais

O projeto paramétrico.

O conceito de marketing do produto.

O conceito de engenharia.

O projeto de configuração por partes.

Seleção de materiais:

• Escolha em quatro etapas segundo Dixon e Poli:– Primeira etapa: baseada em propriedades críticas,

determina a classe do material (ou dos materiais).– Segunda etapa: determina o tipo de processamento

para produção da peça. • Metal: processo por fundição, sinterização, soldagem ou

deformação;• Polímero: termoplástico ou termofixo.• Cerâmico: processo de moldagem.

– Terceira etapa: opções dentro de uma classe de materiais.

– Quarta Etapa: seleciona um material de acordo com uma especificação.

Exemplo: metal(paleta de turbina de avião)

– Primeira etapa: baseada em propriedades críticas: tenacidade e temperatura de aplicação 800oC.

– Segunda etapa: processo de fabricação: fundição de precisão.

– Terceira etapa: opções dentro de uma classe de materiais: aços inoxidáveis e ligas de níquel.

– Quarta Etapa: Inconel 625.

Exemplo: polímero(forma para gêlo)

– Primeira etapa: baseada em propriedades críticas: flexível na temperatura ambiente; grande produtividade.

– Segunda etapa: termoplástico. – Terceira etapa: polímeros termoplásticos

com Tg abaixo da temperatura ambiente.– Quarta Etapa: PP.

Processo de seleção de materiais

• Envolve duas situações:

1. Novo projeto.2. Substituição em um projeto antigo: não é

simplesmente substituir um material por outro. Geralmente implica em redução de custo, aumento de produtividade, confiabilidade, melhora de desempenho.

1. Definir as funções que o componente (equipamento) deve ter e traduzir em termos de propriedades como: rigidez, resistência mecânica e a corrosão e em termos de custo e disponibilidade do material.

2. Definir o(s) processo(s) de fabricação em termos de partes necessárias; tamanho; complexidade; tolerância; acabamento final; grau de qualidade e a fabricabilidade do material.

3. Comparar as propriedades necessárias e parâmetros em um banco de dados para selecionar alguns materiais.

4. Investigar os materiais candidatos em maior detalhe, em particular no custo, desempenho, fabricabilidade e disponibilidade no grau e forma necessários. Nesta etapa são realizados testes das propriedades e outros.

5. Desenvolvimento do projeto com um único material com um processo de manufatura sugerido. Especifica e classifica o material segundo normas como: ASTM, SAE, ANSI, MIL e outras.

Processo de seleção de materiais: novo projeto

Tubo de aço inoxidável segundo ASTM A 270, grau TP 304, com diâmetro de 25.4 mm e acabamento superficial T

(eletropolimento) e com requisito suplementar S1.1 (ensaio de corrosão intergranular)

1. Caracterizar o material empregado atualmente em termos de: desempenho, requisitos de manufatura e custo.

2. Determinar quais características devem ser aprimoradas.

3. Procurar materiais e/ou processos alternativos.4. Compilar uma pequena lista de materiais e/ou

processos de manufatura e estimar os custos envolvidos.

5. Avaliar os resultados da etapa 4 e fazer uma recomendação de substituição de material. Continuar as etapas 4 e 5 do processo para projeto novo.

Processo de seleção de materiais: substituição em projeto antigo

Abordagem para determinação da combinação material / processo de fabricação.

• Existem duas abordagens:1. Foco no material: seleciona primeiro a classe de

material; detalha os tipos dentro da classe; especifica um material e escolhe um processo de fabricação (produtividade, tamanho, forma e complexidade da parte).

2. Foco no processo de fabricação: seleciona primeiro o processo de fabricação. Em seguida avalia os materiais que se enquadram no processo de fabricação até chegar na especificação e classificação de um material.

– Ambas abordagens chegam ao mesmo ponto.

Características de desempenho dos materiais (I)

Características de desempenho dos materiais (II)

Características de desempenho dos materiais (III)

Características de desempenho dos materiais (IV)

Exemplo 1: Seleção de materiais para sistema de exaustão de gases de automóveis.(I)

• Funções do sistema de exaustão:– Condução de gases a partir do motor– Evitar entrada de gases no interior do veículo– Resfriar os gases– Reduzir o ruído do motor– Reduzir a exposição de partes do carro aos gases de

exaustão– Influir o mínimo possível no desempenho do motor– Auxiliar na prevenção de emissões poluentes– Duração considerada longa– Custo razoável, tanto no original como na

substituição

Exemplo 1: Seleção de materiais para sistema de exaustão de gases de automóveis.(II)

• Composição do sistema de exaustão:

(Manuel Nunes Baptista)

• Características adicionais:– Resistência ao ataque a quente dos gases.– Resistência à atmosfera, à lama, água e sal (locais

que nevam).– Resistência mecânica não é tão severa: rigidez para

evitar vibração e resistência à fadiga e à fluência. – Fabricabilidade: conformabilidade, soldabilidade.– Custo o menor possível.– Material disponível em larga escala.

Exemplo 1: Seleção de materiais para sistema de exaustão de gases de automóveis.(III)

• Material escolhido antigamente era aço carbono com revestimento anti-corrosão.

• Atualmente: aços inoxidáveis ferríticos nos na parte fria e aços inoxidáveis austeníticos nas regiões quentes.

Exemplo 1: Seleção de materiais para sistema de exaustão de gases de automóveis.(IV)

Relação entre seleção de materiais e processos de fabricação.(I)

CONFORMAÇÃO

ACABAMENTO

• Meta: menor custo e maior qualidade.

Relação entre seleção de materiais e processos de fabricação.(II)

• Determinados pelo ponto de fusão, resistência mecânica (dureza) e ductilidade/flexibilidade.

Relação entre seleção de materiais e processos de fabricação.(III)

• Tolerância dimensional , acabamento superficial, pequenos detalhes aumentam muito o custo.

Relação entre seleção de materiais e processos de fabricação.(IV)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∆=

llnC log

• Onde:– C = complexidade da parte.– n = número de dimensões que descrevem a forma

(esfera n = 1; cilindro n = 2; tubo n = 3).– = dimensão média da parte.– = tolerância geométrica média.

l

l∆

Relação entre seleção de materiais e processos de fabricação.(V)

• Quantidade de informação em função da complexidade e da massa da peça.

Métodos de seleção de materiais

• Método do custo por propriedade (física ou química):– índices de desempenho (mérito) de Ashby.

• Método ponderado de propriedades.– combina propriedades com pesos diferentes.

Método ponderado de propriedades (I)

• Enumera as propriedades desejáveis.• Compara duas a duas. A mais importante

recebe o valor 1 e a menos importante “zero”.

iiwepropriedadponderadoíndice ∑= β..

epropriedadvalormaiorepropriedadnumericovalor

....

=β

Exemplo do tanque para armazenagem de nitrogênio líquido (-196oC) (I)

Exemplo do tanque para armazenagem de nitrogênio líquido (-196oC) (II)

Exemplo do tanque para armazenagem de nitrogênio líquido (-196oC) (III)

Exemplo do tanque para armazenagem de nitrogênio líquido (-196oC) (IV)

• cálculo do índice ponderado para um material.