Compósitos e o segredo para reduzir o peso de peças usinadas CNC

Leveza é o processo de redução do peso de uma peça por razões ambientais e/ou econômicas. Os engenheiros obtêm peças leves no nível do projeto removendo material desnecessário, seja retirando o núcleo das peças, empregando treliças em seus projetos ou aproveitando a otimização da topologia. Outro método eficaz de redução de peso é trocar um material pesado por um mais leve que atenda aos requisitos mecânicos críticos. Peças mais leves são mais leves para o meio ambiente, mais econômicas e de combustível, além de oferecerem às equipes de produtos mais opções de materiais.

O peso leve é ​​uma técnica muito popular nas indústrias automotiva, aeroespacial e de construção. Aplicações comuns para redução de peso na indústria automotiva – um de seus casos de uso mais proeminentes – incluem blocos de motor, chassis e uma grande variedade de outras peças. Se uma equipe de produto não está buscando a redução de peso por meio de elementos de design, como treliças, mas pela incorporação de materiais mais leves, é importante que eles empreguem um material que não sacrifique a resistência ou a durabilidade – os compósitos geralmente se encaixam.

O que é um material composto?

Materiais compósitos são misturas heterogêneas de dois ou mais materiais projetados para alcançar propriedades específicas. As propriedades finais do material compósito dependerão, em última análise, de sua composição, mas, em geral, os compósitos são mais fortes do que qualquer material de base por conta própria.

Os materiais compostos são ideais para a redução de peso porque, em peso, são mais fortes do que a maioria dos materiais homogêneos de alto desempenho do mercado. A estrutura mais comum para compósitos consiste em fibras mantidas juntas por uma matriz de ligação. Esses componentes trabalham juntos para combinar os aspectos mais fortes de cada um. As fibras de reforço no compósito carregam a carga enquanto a matriz circundante, geralmente composta por polímeros, garante que as fibras mantenham suas posições relativas. Como resultado, em alguns casos, os compósitos podem ser até 10 vezes mais fortes que o aço e 8 vezes mais fortes que o alumínio, mas ainda assim notavelmente leves. As peças usinadas em CNC construídas com materiais compostos leves são mais econômicas e fáceis de transportar ou instalar.

Além de alta resistência, durabilidade e baixo peso, os materiais compostos tendem a oferecer maior flexibilidade de projeto. Eles podem ser facilmente moldados para se ajustarem a geometrias complexas, tornando-os ideais para uso com usinagem CNC. E como há tantas combinações de materiais disponíveis para compósitos, os projetistas podem encontrar compósitos CNC sob medida que atenderão às suas necessidades exclusivas.

Materiais de construção compostos comuns

As duas classificações de materiais compósitos mais aplicáveis ​​à redução de peso são os compósitos de matriz polimérica (PMCs) e os compósitos de matriz metálica (MMCs). Os PMCs, também conhecidos como polímeros reforçados com fibra, são os mais comuns e usam uma resina à base de polímero para a matriz e uma fibra de carbono ou de vidro para o reforço. Os MMCs são populares para redução de peso na indústria automotiva e usam um metal como alumínio para a matriz e carboneto de silício para reforço de fibra.

Compósitos leves podem ser feitos de muitas combinações diferentes de materiais, de modo que os engenheiros têm muito terreno a percorrer quando se trata de seleção de materiais. Aqui estão três materiais de construção compostos comuns que são usados ​​para reduzir o peso de peças usinadas em CNC.

1. Carbono

As fibras de carbono vêm em duas variedades principais - carbono à base de poliacrilonitrila (PAN) e carbono derivado de piche. 90% das fibras de carbono no mercado hoje são à base de poliacrilonitrila, e essas fibras oferecem altos valores de rigidez e módulo, bem como um impressionante valor de resistência a peso. O carbono é adequado para redução de peso porque é um material composto de baixa densidade com alto potencial de redução de peso - na verdade, é 50% mais leve que o aço.

Aplicações comuns para compósitos de fibra de carbono usinados em CNC incluem quadros, chassis e outros componentes nas indústrias aeroespacial e automotiva. Infelizmente, o custo é a limitação mais significativa do carbono. É 570% mais caro que o aço, de acordo com o International Research Journal of Engineering and Technology, que é proibitivamente caro para muitas equipes de produtos. Além disso, as fibras de carbono têm baixa resistência ao impacto, o que os engenheiros devem ter em mente para redução de peso na indústria automotiva.

2. Vidro

Os materiais de enchimento de compósito de vidro vêm em cinco composições comerciais diferentes - vidro E, vidro C, vidro S, vidro R e vidro T. E-glass é a fibra de vidro mais comum usada em matrizes poliméricas para redução de peso e oferece excelentes propriedades mecânicas, alto isolamento elétrico e baixa suscetibilidade à umidade. As fibras de vidro C são melhores para aplicações em que a peça requer resistência química, mas o vidro S tem maior resistência, resistência ao calor e módulo.

Os enchimentos de vidro ainda podem ser usados ​​como um material composto para redução de peso, mas os engenheiros devem saber que as peças reforçadas com fibra de vidro serão mais pesadas do que as peças reforçadas com fibra de carbono e exigirão acomodações de projeto especiais em aplicações onde é necessária alta rigidez. As equipes de produto e designers devem manter esses fatores em mente durante a fase de design. Apesar dessas limitações, muitos produtos usam fibras de vidro porque são consideravelmente mais econômicas do que as fibras de carbono.

3. Alumínio

Os compósitos de matriz metálica à base de alumínio são muito populares para redução de peso na indústria automotiva. Em geral, as ligas de alumínio têm algumas das maiores relações resistência-peso dos metais comumente disponíveis, oferecem excelente condutividade elétrica e são altamente resistentes à corrosão. Além disso, os compostos de alumínio pesam cerca de um terço do que o aço.

Quando o alumínio é incluído em um MMC, o material compósito pode ter um módulo mais alto, menor coeficiente de expansão térmica e maior dureza do que o alumínio não reforçado. Aplicações comuns na indústria automotiva incluem chassis de veículos, fiação elétrica, rodas, peças de motores e muito mais. Infelizmente, trabalhar com alumínio pode aumentar os custos de fabricação.

Introdução aos compostos CNC

Para engenheiros que desejam usinar peças fortes, flexíveis e resistentes a danos sem adicionar volume extra, os materiais compostos são a escolha perfeita para redução de peso. Os compósitos de matriz polimérica e de matriz metálica representam duas grandes categorias de materiais compósitos, e qualquer compósito que se enquadre em uma dessas categorias pode ser composto de muitas combinações diferentes de materiais. Como tal, pode ser um desafio para as equipes de produto garantir que estão escolhendo o material compósito certo para seu projeto.

Um parceiro de fabricação experiente como a Fast Radius pode ajudar as equipes de produto a dominar o processo de seleção de materiais. Nossa equipe de designers, engenheiros, maquinistas e tecnólogos especializados tem décadas de experiência em conduzir equipes durante todo o processo de desenvolvimento de produtos, por isso sabemos que uma parte excepcional começa com os materiais certos. Contacte-nos hoje - estamos aqui para ajudar.

Para obter mais dicas sobre como aproveitar ao máximo a usinagem CNC, confira os artigos de blog relacionados no centro de recursos Fast Radius.

Pronto para fazer suas peças com Fast Radius?

Comece sua cotação