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Desafios e benefícios no uso de plásticos de engenharia para substituir peças de metal

AUTOMOTIVE DAY BRASIL, 6 de outubro de 2011

Fábio Moreira

Gerente de Engenharia de Desenvolvimento de

Produto da Mahle

MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE

Processo de conversão de metal em plástico

1. Razão – Custo, desempenho, qualidade, inovação, impacto ambiental

2. Conceito - Design review, abordagem de equipe

3. Seleção de materiais – Requisitos da produto

4. Design – Projeto adequado para o material e processamento

5. CAE - Análise de elementos finitos (FEA), análise do fluxo de moldagem

6. Desenvolvimento de protótipos – Suporte para o ferramental e moldagem

7. Testes - Resistência química, propriedades mecânicas

8. Produção – Projeto da ferramenta final, otimização do ciclo de produção

9. Operação secundária - Soldagem e montagem

10. Próxima Geração – Lições aprendidas promovem melhorias e mais benefícios

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MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE

Filtro combustível blindado

feito de alumínio ou aço

inox

Excelentes propriedades mecânicas e elétricas

Restrições de propriedades químicas

Baixa possibilidade de integração

Custo médio

Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção

Durabilidade elevada

Design compacto e robusto

Baixa geração de resíduos sólidos devido a manutenção

Custo médio

Tecnologia avançada de vedação

Filtro combustível

blindado feito de Plástico

(PA6.6/PA12)

Filtro combustível

ecológico feito de plástico

– Futura geração

Excelentes propriedades mecânicas e elétricas

Baixas restrições de propriedades químicas

Alta possibilidade de integração

Custo médio a baixo

Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção

Filtro do combustível flex fuel

Evolução técnica

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MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011

Requisitos do produto (highlights)


Química – Diversos tipos de

combustíveis

– Fluído transmissão

– Óleo de motor

– Fluído de freio

– Etileno glicol

– Propileno glicol

– Óleo diesel

– Desengraxante de motor

– Cloreto de zinco

– Permeabilidade

Térmica – Temp. baixa = -40º C

– Temp. alta = 125º C

Mecânica – Pressão trabalho

= 5 bar

– Pressão de estouro >= 14 bar @ -40º e 125º C

– Impacto a frio (-40ºC)

– Vibração com ciclo térmico

– Pulsação

– Esmagamento

– Dobramento das conexões

– Batida de pedra (gravelometer)

Elétrica – Resistividade

superficial

– Resistividade volumétrica

4


5

Simulação estrutural Medições na aplicação Durabilidade

Calibração do modelo

matemático

Testes laboratório Produto final

Filtro do combustível flex fuel – Desempenho,

inovação & impacto Ambiental

MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE 6

Peças submetidas a teste de esmagamento


Peças submetidas a teste de desempenho


Carcaça metálica - tratamento químico

anticorrosivo

Suporte metálico pintura anticorrosão

Descarte do filtro completo na troca (exceto

suporte e sensor)

Peso aproximado do conjunto: 700g

Somente o filtro: 370 g

Produzido em PA66GF35

Elemento filtrante substituível

Suporte integrado

Peso Aproximado: 395g

Somente o filtro : 337g

Somente elemento filtrante: 85g

8

Filtro combustível diesel – Inovação, custo &

impacto ambiental:

Design metálico x plástico

Filtro de

combustível

blindado metálico Filtro de combustível

ecológico


Filtro de

combustível

carcaça

metálica

Filtro de

combustível

plástico com

elemento

filtrante

ecológico Temperatura = -40º a 180º C – Contínuo 110ºC

Pressão trabalho = 3,0 bar

Pressão estouro = 10 bar estático

Vazamento vedação = 100 bolhas@6bar – 1 min

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Comparação das peças físicas

MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011

Resultado da Inovação

370 370337

85

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1ª Troca Demais trocas

Pe

so

(g

)

Comparação de resíduos sólidos gerados a cada troca do filtro do combustível

Filtro Blindado Filtro Ecológico


9% 77%

33 g 285 g

É necessário eliminar o

suporte metálico na

primeira vez que fizer

substituição do produto

(330g suporte)

1) Potencial de redução de 240t/ano

de resíduos sólidos gerados

devido a manutenção

2) Redução de peso do componente

em 43%

3) Redução do preço/peça

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Filtro blindado Filtro ecológico

MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE

Tampa em alumínio

Válvula solenóide integrada

Tampa do bocal de enchimento do óleo

Retorno do blow-by do motor com baixa eficiência de separação do óleo

Custo médio

Suporte para demais componentes (filtro do ar, sensor de fase, bobina de ignição)

Espessura de parede otimizada

Integração dos parafusos de fixação

Tecnologia avançada de vedação

Mesma performance acústica

Redução de peso

Redução de preço

Tampa em poliamida com fibra de

vidro

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Tampa do comando de válvulas –

custo & desempenho:

Design metálico x plástico


Temperatura = -40º a 180º C – Contínuo

150ºC

Pressão interna = 0,5 bar

Pressão trabalho = 3,5 bar (canais e VVT)

Pressão pico = 20 bar (VVT)

Pressão estouro = 7 bar estático/ 4 bar

dinâmico

Vazamento canais =< 1 cm3/min

Vazamento vedação = 1mbar@0,5bar – 19s

Aplicação no motor


Pressão trabalho = 3,5 bar

Pressão de pico = 20 bar

Pressão de estouro = 7 bar

Pressão interna =

0,5 bar

Deformação

=< 0,2mm

Referência

de

montagem

Válvula

solenoíde

Alojamento

sensor de

fase

Separador do óleo

Requisitos aplicados ao produto


FAR FIELD (1 m)

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Análise de vedação

Análise acústica

Análise estrutural

Processo de validação numérica

Análise de fluxo


Simulação de impacto de esfera

Discussão sobre targets

2 kg

400 g

2 kg

400 g

Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4

Modelo 1.0

Modelo 1.4

Falha Falha Falha Falha

Falha

Falha

Sem falha Sem falha Sem falha

Falha local


Aprisonamento de ar

Linhas de emenda

Simulação de moldagem

MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 17


Tensão principal [MPa]

Trinca após teste de

estouro

Simulação convencionais de FEM muitas vezes

não atendem os resultados experimentais

Estabelecimento de métodos mais precisos são

necessários para otimização

– Consideração de material ortotrópico

– Avaliação do alinhamento das fibras e seu

impacto nas propriedades do material

Nenhuma falha

prevista

Orientação das fibras Modelo matemático ajustado [-]

Falha é prevista

Crack

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Critério de falha – Testes & simulação


Redução do peso da peça em 53%

Redução do peso do conjunto em 35%

Melhoria de sistema de vedação

Integração do parafusos de fixação (processo de montagem)

Redução do custo

Criação de uma especificação de validação do produto para design em plástico

Introdução de novos processos de manufatura e operações secundárias

Resultados


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SUCESSO

DO

PROCESSO

• Desempenho

• Geometria

• Req. específicos

• Ciclo de produção

• Qualidade

• Repetibilidade

Uso do banco de dados

• Propriedades

• Suporte ao CAE

• Suporte a produção

• Moldabilidade

• Ciclo de produção

• Manutenção

Mente aberta

Gerenciamento

de conflitos Consciência

Comuni-

cação

Lições

aprendidas

Otimização

recursos

Desafios

Sumário - Projeto colaborado


Muito obrigado por sua atenção!

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