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Projecto FEUP

Tema:

Adesivos em engenhos mecânicos

Problema:

Que adesivos se utilizam em automóveis e qual a

sua função?

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João Silva, Ricardo Pacheco, Ricardo Rego,

Steven de Oliveira, Tiago Ferreira, Tiago Pedrosa

Trabalho elaborado no âmbito da unidade curricular de

Projecto FEUP, 1º semestre, do 1º ano, de Mestrado Integrado

em Engenharia Mecânica, Mestrado Integrado em Engenharia

Metalúrgica e de Materiais, Licenciatura em Ciências de

Engenharia – Engenharia de Minas e Geo-Ambiente da

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Outubro 2010

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Resumo

Neste trabalho iremos abordar o tema “Adesivos estruturais em automóveis”,

dando a conhecer ao vários aspectos relevantes para uma melhor compreensão da sua

importância na indústria automóvel moderna.

Vamos começar por definir o que são adesivos estruturais, incluindo também

uma componente histórica. De seguida, iremos focalizar-nos nas etapas do processo

de ligação entre materiais, nomeadamente a selecção do adesivo apropriado para o

fim a que se destina, projecto da junta de ligação, preparação da superfície e o fabrico

da junta. Também vamos dar a conhecer as vantagens e desvantagens e as aplicações

destes adesivos.

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Índice

Resumo …………………………………………………………………………………………………………………………..... 3

Indice…………………………………………………………………………………………………………………………………. 4

Introdução ………………………………………………………………………………………………………………………… 5

Definição ………………………………………………………………………………………………………………………….. 6

1-Etapas do processo de ligação ………………………………………………………………………………………. 7

1.1 Selecção do adesivo …………………………………………………………………………………………………… 7

1.2 Projecto da junta ………………………………………………………………………………………………………… 8

1.3 Preparação da superficie …………………………………………………………………………………………….. 9

1.4 Fabrico da junta…………………………………………………………………………………………………………… 10

2 – Tipos de adesivos e propriedades………………………………………………………………………………… 11

3 - Vantagens e desvantagens …………………………………………………………………………………………… 14

4 - Aplicações …………………………………………………………………………………………………………………… 16

4.1 - Utilização de adesivos em junção de peças do exterior do automóvel …………… 18

4.2 - Utilização de adesivos em junção de peças do interior do automóvel ……………. 19

4.3 - Utilização de adesivos estruturais no reforço da estrutura do automóvel ……… 20

4.4 - Utilização de adesivos estruturais na redução do ruído do automóvel …………… 21

Conclusão ……………………………………………………………………………………………………………….22

Bibliografia …………………………………………………………………………………………………………… 23

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Introdução

Desde há milhares de anos que o ser humano tenta conectar os mais diversos

tipos de materiais em ordem a obter estruturas resistentes, compactas, maleáveis, etc.

Para tal, o Homem descobriu os mais diversos tipos de adesivos, desde adesivos que

funcionem a nível físico, como por exemplo rebites, parafusos, a nível químico como é

o caso da soldadura.

Neste projecto iremos desenvolver um pouco este tema de adesivos

estruturais, dando exemplos destes e da maneira como são utilizados, esperando dar a

entender a grande importância que estes elementos têm no mundo moderno e

também prestar o devido agradecimento a estes componentes, que parecem ser

invisíveis aos olhos da maior parte da população mundial.

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Definição

Adesivos, vulgarmente conhecidos como colas, são vários componentes que

têm como principal função unir várias peças de determinados materiais.

Cada tipo de adesivo tem um comportamento diferente em cada tipo de

material em que é colocado, como tal é necessário utilizar o adesivo mais indicado ao

tipo de material e ao resultado que se pretende obter.

Os adesivos são, grande parte deles materiais orgânicos, pertencendo assim à

classe dos materiais sintéticos. Os adesivos sintéticos apareceram pela primeira vez em

1925, criados a partir de componentes fenólicos.

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1 - Etapas do processo de ligação

1.1 - Selecção do Adesivo

A utilização de adesivos estruturais deve ser feita de forma cuidada. Existe uma

grande gama de adesivos estruturais, cada um com as suas características, o utilizador

deve primeiramente ponderar quais as condições em que vai ter de aplicar esse

adesivo assim como o custo e só assim escolher o adesivo que lhe é mais favorável.

Fig.1 e 2 – Dois tipos de adesivos estruturais.

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1.2- Projecto da junta

A junta deve ser rigorosamente analisada, em especial 3 regras devem ser seguidas.

Existem quatro tipos de forças aplicadas na junta:

Fig.3 - Tipo de forças na junta.

Uma junta desempenha melhor a sua função caso esteja sujeita a forças de

corte, por isso uma das regras é projectar a junta para que esta permita

carregamentos em corte e onde carregamentos em tracção, clivagem e arrancamento

sejam minimizados.

Outra será que as cargas estáticas não devem exceder a capacidade de

deformação plástica do adesivo. Finalmente se for antecipado que a junta deverá ser

exposta a baixas cargas dílicas, a sobreposição deverá ser aumentada de modo a

minimizar fluência no adesivo.

Estas regras na prática são difíceis de ser aplicadas pois numa junta existe

sempre um conjunto de forças aplicadas o que torna extremamente difícil a projecção

de uma junta que esteja sujeita apenas a um tipo de força.

Tracção Corte Clivagem Arrancamento

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1.3- Preparação da superfície

Existem 3 grandes tipos de preparação da superfície que são a remoção de

material, a modificação química da superfície e a alteração da topografia da superfície.

Logo, qualquer tratamento necessita de uma limpeza e em seguida um tratamento

mecânico ou uma modificação química. Mas dentro desses processos podem ainda

distingui-los em processos passivos, que são processos em que não há modificação

química da superfície, e processos activos na qual há modificação química da

superfície.

Em relação aos processos passivos temos como exemplo métodos abrasivos,

solventes ou detergentes, e em relação aos processos activos temos o ataque químico,

anodização e ainda tratamento por chama, descargas de corona e plasmas.

Dentro dos metais podemos facilmente arranjar um exemplo para cada um desses

processos, temos o caso do aço em que necessitamos de efectuar uma abrasão

seguido da aplicação de um solvente em que se utilizam processos passivos e o caso do

alumínio, em que é necessário um ataque químico com ácido crómico seguido de uma

passagem de água e posterior secagem, em que são utilizados processos activos.

Fig.4 – Processo passivo. Fig.5 – Processo activo.

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1.4 - Fabrico da junta

O fabrico da junta começa pelo armazenamento correcto do adesivo estrutural

como cada adesivo tem temperaturas, húmidas, específicos para serem utilizados,

também devem ser armazenados em condições especiais.

De seguida devemos saber a quantidade de adesivo a utilizar e só depois aplicar o

adesivo de forma a que tenha uma espessura constante, não deixar bolhas de ar

aprisionadas dentro da junta e a união da junta deve ser feita num intervalo de tempo

inferior ao tempo de cura do adesivo, que é o tempo que demora as reacções químicas

a ocorrer ou o tempo que o adesivo demora a perder um solvente ou o tempo que o

adesivo demora a arrefecer do estado líquido. A fixação das partes a colar pode ainda

ser auxiliada de prensas, autoclaves ou sacos de vácuo.

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2 - Tipos de adesivos estruturais e propriedades

Geralmente os adesivos estruturais endurecem com calor, enquanto outros

endurecem com substâncias químicas.

As principais famílias de adesivos estruturais são :

Poliuretano

Acrílicos

• Epóxidos

• Fenólicos

• Poliaromáticos de alta temperatura

O poliuretano é um tipo de adesivo estrutural. Este polímero consiste num

material bastante flexível, resistente e duradouro que pode ser identificado em

materiais usualmente utilizados como o metal, o algodão, a borracha, a tinta, a

madeira e em outras tantas aplicações com que nos deparamos no quotidiano. O

poliuretano pode ser aplicado como fibra de vidro, como protecção como o verniz,

para rodas de borracha ou como cola bastante aderente. Desde que foi inventado, o

poliuretano tem sido utilizado em diversas situações, desde a aplicação em

brinquedos à aplicação em asas do avião, e continua a ser um elemento muito

importante para o avanço da tecnologia.

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Os acrílicos constituem um dos grandes tipos de adesivos estruturais. Este

material tem uma grande transparência e durabilidade e é através da polimerização do

metacrilato de metila que este é obtido. Os acrílicos são considerados materiais

versáteis e que se adaptam a diversas aplicações e situações devido às suas

propriedades físicas, mecânicas e químicas. Áreas como a Arte, a Joalharia, a medicina,

a publicidade e a indústria verificam frequentemente a utilização deste tipo de

materiais, nas quais os acrílicos podem ser preponderantes.

Adesivos epóxidos consistem numa resina epóxida adicionada a um

endurecedor. Apresentam grande versatilidade, devido à existência de diversos tipos

de resinas e endurecedores, que podem ser combinados conforme a necessidade. As

adesões formadas por estes adesivos são extremamente resistentes, e tem elevada

durabilidade, e com boa ocupação de vazios.

Fig.6 – Adesivo epóxido.

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Adesivos fenólicos são adesivos que requerem temperaturas e pressões

relativamente elevados para o processo de cura. São adesivos com uma longa história

de sucesso, tendo sido dos primeiros adesivos usados para metais. São conhecidos

pelas características de elevada resistência em ligações de metal-madeira e metal-

metal.

Fig.7 – Adesivo fenólico.

Adesivos poliaromáticos de alta temperatura são adesivos que tem como

principal problema, além do custo elevado e da dificuldade de processamento, o

aparecimento de bolhas devidos à água ou solventes, derivado da condensação. São

adesivos com excepcional resistência térmica. No processo de cura destes adesivos são

necessárias temperaturas entre os 290-340º e pressões elevadas.

Fig.8 – Adesivo poliaromático de alta temperatura.

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3 - Vantagens e Desvantagens

Como todo e qualquer utensílio e objecto, os adesivos estruturais têm as suas

vantagens e as suas desvantagens. Os prós e contras são vários, mas as vantagens

superam as desvantagens, ilustrando assim o benefício que os adesivos trazem aos

automóveis. Entre outros aspectos, os adesivos são uma boa opção uma vez que têm

um custo inferior a diferentes elementos de fixação mecânica, têm uma maior

resistência ao desgaste a que os materiais são devotados com o tempo, funcionam

também como isoladores termoeléctricos e como obstáculo às vibrações e tornam

possível a junção entre materiais com características não iguais.

Por outro lado, é necessária uma preparação delicada das superfícies que vão

ser unidas, temperaturas e pressões próprias durante o processo de montagem da

junta e o facto de ser preciso controlar rigorosamente o processo da aplicação dos

adesivos para se produzir uma junta de qualidade. De seguida, é apresentada uma

tabela que coloca em confronto a vantagens e desvantagens do uso de adesivos,

dando a perfeita noção daquilo que é bom ou mau numa utilização de adesivos

estruturais.

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Fig.9 – Vantagens e desvantagens na utilização de adesivos estruturais.

Vantagens Desvantagens

Melhor distribuição de esforços numa maior área comparado com as reuniões fixadas com elementos mecânicos.

Necessidade de um preparação cuidada da superfície dos materiais aderentes, que vão ser unidos.

Possibilidade de juntar materiais de diferentes espessuras num formato qualquer.

Alguns adesivos exigem largos períodos de tempo para estarem eficazmente aplicados para lhes ser dado o uso devido.

Possibilidade de anexação de qualquer combinação de materiais idênticos ou diferentes.

Os adesivos só suportam temperaturas inferiores ou iguais a 175 ºC, sendo que alguns adesivos podem resistir até aos 370 ºC.

Diminuição ou prevenção contra corrosão entre materiais com diferentes propriedades.

No processo de montagem, podem ser exigidas temperaturas e pressões específicas.

Resistência ao desgaste a que os materiais são sujeitos ao longo dos tempos.

Necessidade de diferentes dispositivos para a aplicação e montagem de juntas com propriedades adesivas.

Promoção de juntas com pouco relevo que não afecta a aerodinâmica da parte exterior à junção.

Usualmente, é necessário um controlo severo do andamento do processo para garantir a qualidade da junta em questão..

Permite a calafetagem, isolamento e defesa contra a vibração.

Custo muito inferior quando comparado às juntas fixadas com elementos mecânicos.

Temperatura necessária para a regeneração dos adesivos não afecta as propriedades mecânicas dos metais quando se dá a união.

Facilidade na limpeza após a aplicação do adesivo.

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4 - Aplicações

Os pontos de solda são hoje em dia substituídos pelos adesivos estruturais para

tornar os veículos mais leves. Com a mesma propriedade da solda, os adesivos colam

as partes de aço ou alumínio, mas não agregam peso ao conjunto e a propriedade

positiva do produto é a alta resistência a impactos. Estima-se que o emprego de um

quilo de adesivo estrutural propicie a redução de 25 quilos num veículo melhorando

muito a sua condiçao estrutural.

Os adesivos estruturais não dispõem da mesma confiança que os meios

mecanicos de união dispõem, mas dado que existe uma necessidade de criar veículos

mais leves e que emitam menos quantidades de CO2 para atmosfera, os adesivos

representam uma solução bastante promissora.Muitas peças de automóvel podem ser

unidas por adesivos de cura de alta velocidade (secagem rápida).

Os adesivos estruturais são colas Epóxi. As colas Epóxi são compostos orgãnicos

de ligação em que uma resina desenvolve as suas propriedades de ligação quando é

combinada com um catalizador.

Fig.10 – Localização de adesivos estruturais no automóvel.

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Há dois tipos principais de adesivos estruturais para automóveis que são as

colas Epóxi de base acrílica e as colas Epóxi de base poliuretano. As colas Epóxi acrílicas

são as mais rígidas e têm a necessidade de serem aplicadas em secções transversais

muito finas para o seu melhor desempenho. Estes adesivos têm grande resistência e

podem sustentar forças de corte. As colas Epóxi de poliuretano são mais flexíveis e em

consequência permitem que a energia seja transmitida através da ligação. Num veículo

isto permite que as forças sejam dispersas por toda a estrutura colada. Um exemplo de

cola Epóxi de poliuretano utilizada em automóveis é a cola que faz a junção do pára-

brisa com a carroçaria.

Fig.11 – Interior de um automóvel.

Os adesivos estruturais são essenciais em peças que necessitam de ser vedadas

e anexadas a outras estruturas como é o caso dos faróis, eixos, sistemas de ignição,

filtros de óleo ou o próprio motor. Um adesivo pode até ser utilizado na colocação do

logótipo do fabricante do automóvel. Apesar de todas as estruturas referenciadas

anteriormente necessitarem de adesivos para serem correctamente aplicados, são os

acabamentos interiores que mais utilizam estes componentes de colagem e fixação.

Este facto deve-se à enorme quantidade de peças que se encontram no interior da

viatura. Algumas empresas que são especializadas em adesivos estruturais são a Sika,

3M, Henkel e Dow Automotive.

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4.1 - Utilização de adesivos em junção de peças do exterior do automóvel

O design exterior é um elemento importante na decisão para a compra de um

automóvel. A tecnologia usada nas juntas para o pára-brisas, tejadilho solar e faróis é

uma parte essencial para garantir um desenho aerodinâmico, uma aparência atractiva,

uma boa visibilidade e segurança, e também os mais elevados padrões ambientais e

demandas de produção.

Os adesivos são também um elemento bastante benéfico quando se pretende

tornar o automóvel mais vistoso, ou seja, fazer com que o exterior do automóvel seja o

mais atractivo possível aos olhos do consumidor. Dentro dos vários benefícios que

estes podem oferecer ao aspecto exterior da viatura, os adesivos proporcionam um

alto desempenho no processo de adesão de diferentes peças devido à sua grande

flexibilidade, uma ampla gama de colagem para plásticos, metal e vidro, uma redução

do tempo de cura, e ainda uma maior resistência aos diferentes fenómenos

climatéricos e ao desgaste que as estruturas exteriores do automóvel sofrem à medida

que o tempo passa. A utilização de adesivos no exterior é notória nos faróis, na

colagem dos vidros e noutros pontos de ligação exterior.

Fig.12 – Adesivo na aplicação de um vidro Fig.13 – Adesivo no farol dianteiro.

Fig.14 – Adesivo na aplicação de um aileron. Fig.15 – Adesivo na junção vidro/ porta.

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4.2 - Utilização de adesivos em junção de peças do interior do automóvel

Com o mundo em mudança rápida, também as necessidades dos fabricantes de

automóveis passaram a ser outras num curto espaço de tempo. Na aplicação e

montagem de pontos de ligação interior, o avanço da tecnologia veio reduzir o tempo

de aplicação desses elementos de ligação e possibilitou o aumento da eficácia nessa

tarefa. Com a introdução de adesivos estruturais na junção de diferentes peças,

aumentou a resistência a altas temperaturas e foram reduzidos os valores de

emissões, sendo este processo rentável e ambientalmente saudável, oferecendo à

indústria automóvel novas soluções na estruturação de um carro.

A aplicação de adesivos no interior do automóvel trouxe bastantes benefícios

tecnológicos. Os baixos pesos de aplicação, a baixa temperatura de reactivação, a alta

resistência das ligações ao calor, os menores valores de emissões, a grande resistência

às condições atmosféricas e ao desgaste provocado pelo tempo de duração dos

diferentes materiais, o desenvolvimento de aderência mais rápida e eficaz e a forte

ligação a componentes de várias propriedades constituem grandes progressos na

junção de materiais no interior do veículo. As seguintes imagens dão uma maior

percepção dos locais interiores do automóvel onde os adesivos são aplicados.

Fig.16 – Aplicação de adesivos no interior do automóvel.

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4.3 - Utilização de adesivos estruturais no reforço da estrutura do automóvel

Durante os últimos anos, alguns requisitos do cliente para a segurança da

viatura da indústria automóvel sofreram um aumento progressivo. Dessa forma, o

emprego de variadas medidas estruturais destinadas a reforçar a estrutura da

carroçaria do veículo tornaram-se absolutamente essenciais. Estes reforços estruturais

vêm no seguimento da adopção de algumas medidas que tinham têm como principal

objectivo reduzir o risco de acidente, aumentando a rigidez de torção e reduzindo o

ruído e as vibrações do automóvel.

Alguns dos prós do uso de adesivos estruturais com o fim de aumentar a

segurança e reforçar a estrutura foram a redução da vibração do automóvel e, como

consequência, uma redução do ruído, uma maior resistência ao desgaste a que a

viatura é sujeita com o passar do tempo e uma maior rigidez, devido às propriedades

de flexão dos adesivos.

Fig.17 – Adesivo estrutural no reforço da estrutura do veiculo.

Fig.18 - Adesivo estrutural no reforço da estrutura do veiculo.

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4.4 - Utilização de adesivos estruturais na redução do ruído do automóvel

O ruído interior de um carro é de uma importância significativa no mundo

automóvel altamente competitivo como é o de hoje em dia. Também neste contexto

os adesivos estruturais são aplicados, ou seja, são também um grande aliado e um

grande instrumento na diminuição do ruído interior do veiculo. O cliente, cada vez

mais, dá um grande ênfase a este ponto. Um carro silencioso é um carro muito

apetecido porque quem está a pensar comprar um automóvel.

A utilização de adesivos estruturais como uma ferramenta de redução de ruído

fez com que ficassem a nu vários benefícios tecnológicos. Um desempenho acústico

bastante superior, o facto de os adesivos serem soluções bem leves e o isolamento

que estes proporcionam à água, à humidade e à poeira são alguns dos benefícios a

nível tecnológico que os adesivos vieram trazer.

Fig.19 – Adesivo estrutural na redução do ruído no interior do automóvel.

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Conclusão

Como já foi referido neste relatório, adesivos estruturais consistem em vários

componentes que têm como principal função unir várias peças de determinados

materiais, tornando-se numa ferramenta bastante útil e eficaz na junção de diferentes

estruturas, sendo, por exemplo, bastante utilizadas em automóveis.

Ao longo destas semanas e com o conhecimento que adquirimos acerca destes

adesivos, verificamos, com a nossa pesquisa e os esclarecimentos que obtivemos por

parte do monitor e supervisor do nosso projecto, que a aplicação destes,

particularmente nos automóveis, começa cada vez a ser mais notória e importante no

processo de construção e estruturação de um automóvel.

Este tema fez com que nos deparássemos com uma nova realidade, para alguns

desconhecida. Foi um trabalho muito enriquecedor e do qual gostamos, sabendo a

importância que os adesivos vão, progressivamente, adquirindo nos dias de hoje.

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Bibliografia

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