Processos de conformação de alumínio para o setor automotivo: estampagem a quente, estampagem profunda hidromecânica, gigacasting

Estampagem a quente de ligas de alumínio

A escassez de energia e a deterioração ambiental estão impulsionando grandes mudanças na indústria automotiva. Pesquisas indicam que a redução da massa total do veículo em 10% pode melhorar a eficiência de combustível em 6% a 8% e reduzir as emissões em 4%. Consequentemente, a redução do peso dos veículos tornou-se um importante tema de pesquisa nos Estados Unidos, na Alemanha, no Japão e em outros países fabricantes de automóveis. As três principais abordagens são: materiais leves de alta resistência, otimização estrutural e processos avançados de conformação.

As ligas de alumínio são materiais leves amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais. À medida que os custos dos materiais diminuíram, suas vantagens em termos de redução de peso as tornaram um dos materiais leves que mais crescem em veículos a combustão de gama média e alta e em veículos elétricos movidos a novas fontes de energia. O alumínio pode ser moldado a frio ou a quente. À temperatura ambiente, ele apresenta baixa ductilidade e formabilidade, retorno elástico difícil de controlar e precisão dimensional incerta. Em temperaturas elevadas, geralmente entre 200 e 450 °C, a conformabilidade das chapas melhora com o aumento da temperatura, o que beneficia a produção de painéis de carroceria automotiva. Por isso, painéis complexos, de alta resistência e alta precisão costumam ser submetidos à conformação a quente.

A estampagem a quente tornou-se uma importante área de pesquisa acadêmica e industrial. Componentes de alumínio estampados a quente substituíram algumas peças convencionais de aço em pilares A, pilares B, capôs e outros locais críticos da carroceria. A Austria Metall AG produziu a viga de proteção contra colisão do BMW i8 a partir de alumínio AA7075 por estampagem a quente. O Land Rover L405 utilizou alumínio da série 6xxx e estampagem a quente para produzir o que era, em 2015, o maior painel lateral da carroceria em peça única. A Aston Martin utilizou a solução integrada de tratamento térmico, conformação e processo de têmpera a frio em matriz (HFQ) para fabricar o complexo reforço do pilar A do DB11. A Morgan aplicou o HFQ ao primeiro capô formado por esse método para seu Aero 8. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Wuhan submeteram à estampagem a quente peças em bruto soldadas por fricção e agitadas (TWS) para produzir um pilar B automotivo com alta precisão dimensional e boas propriedades mecânicas.

Estampagem profunda hidromecânica

A estampagem profunda hidromecânica é um processo de conformação de chapas desenvolvido recentemente, no qual um líquido sob alta pressão substitui uma matriz rígida. A pressão do líquido força a chapa contra o punção para formar o componente. É adequado para peças complexas e materiais de baixa ductilidade, como ligas de alumínio, e oferece um alto limite de conformação, boa qualidade de superfície e alta precisão dimensional.

Um sistema típico inclui um punção, uma matriz, um prendedor de chapa, uma câmara hidráulica e uma válvula de alívio hidráulica. A câmara é preenchida com líquido, a chapa é posicionada e o prendedor de chapa a prende contra a matriz. À medida que o punção empurra a chapa para dentro da câmara, a pressão regulada pela válvula de alívio mantém a chapa firmemente contra o punção. Uma retenção por atrito benéfica se desenvolve entre a chapa e o punção, enquanto a lubrificação por fluido entre a chapa e a matriz reduz o atrito e melhora a qualidade da superfície e o limite de conformação.

A figura a seguir compara a estampagem profunda convencional com a hidromecânica.

[ESPAÇO RESERVADO PARA IMAGEM: Comparação entre a estampagem profunda convencional e a hidromecânica]

1. Custo menor das matrizes e ciclo de produção mais curto. O líquido sob alta pressão substitui o punção ou a matriz, de modo que é necessária apenas uma ferramenta rígida.
2. Alta precisão dimensional e boa qualidade de superfície. A lubrificação por fluido entre o flange e a matriz reduz substancialmente os arranhões durante a conformação.
3. Limite de conformação mais alto. A retenção por atrito, a lubrificação por transbordamento e o abaulamento inicial em sentido contrário reduzem as fissuras no raio do punção e o enrugamento em áreas sem apoio. A taxa de estampagem aumenta, são necessárias menos etapas de conformação e os custos diminuem.
4. Adequado para peças complexas. Componentes estruturalmente ou geometricamente complexos podem ser estampados em uma única operação, economizando tempo e melhorando a aproveitamento do material.
5. Espessura mais uniforme. A retenção por atrito benéfica reduz a tensão de tração radial, promove um fluxo uniforme da chapa, diminui o afinamento e a concentração de tensão e melhora a uniformidade da espessura da parede.
6. Economia de materiais e de custos de processamento. O processo reduz o consumo de material e os custos de usinagem.

Fundição sob pressão integrada

Desde 2020, a Tesla vem utilizando a fundição sob pressão integrada para consolidar mais de 70 peças da parte traseira da carroceria em uma única peça fundida, desafiando os métodos convencionais de estampagem e soldagem e transformando a fabricação de carrocerias. A fundição sob pressão oferece alta produtividade, precisão dimensional, desempenho mecânico, aproveitamento do material e economia vantajosa na produção em massa. Uma peça fundida de peça única elimina a complexa sequência de estampagem e soldagem, reduz as necessidades de ferramentas e as verificações do processo peça a peça, além de evitar o acúmulo de erros de montagem. Como o componente utiliza um único material, os resíduos podem ser refundidos diretamente em outros produtos.

O Model Y foi o primeiro veículo da Tesla a utilizar esse processo, com a parte inferior traseira da carroceria produzida como uma peça fundida integrada. Em comparação com o Model 3, o Model Y reduziu o número de peças em 79, diminuiu os pontos de solda de 700-800 para 50 e encurtou o tempo de fabricação de 1-2 horas para 3-5 minutos.