Aproveitando Compósitos: A Chave para Peças Usinadas CNC Leves e Eficientes

Leveza (lightweighting) é o processo de reduzir o peso de uma peça por razões ambientais e/ou econômicas. Engenheiros alcançam peças leves no nível de design removendo material desnecessário, seja por meio de escavação (coring), empregando treliças em seus designs ou aproveitando a otimização topológica. Outro método eficaz de leveza é substituir um material pesado por um mais leve que atenda aos requisitos mecânicos críticos. Peças mais leves são mais fáceis para o meio ambiente, mais econômicas e mais eficientes em combustível, além de frequentemente oferecerem às equipes de produto mais opções de materiais.

Leveza é uma técnica muito popular nas indústrias automotiva, aeroespacial e de construção. Aplicações comuns de leveza na indústria automotiva — um de seus casos de uso mais proeminentes — incluem blocos de motor, chassis e uma ampla variedade de outras peças. Se uma equipe de produto não está buscando leveza através de elementos de design como treliças, mas através da incorporação de materiais mais leves, é importante que eles empreguem um material que não sacrifique resistência ou durabilidade — compósitos frequentemente atendem a essa necessidade.

O que é um material compósito?

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

Materiais compósitos são ideais para leveza porque, por peso, são mais fortes do que a maioria dos materiais homogêneos de alto desempenho no mercado. A estrutura mais comum para compósitos consiste em fibras mantidas juntas por uma matriz ligante. Esses componentes trabalham juntos para combinar os aspectos mais fortes de cada um. As fibras de reforço no compósito suportam a carga enquanto a matriz circundante, frequentemente consistindo de 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 notavelmente leves. Peças usinadas CNC construídas com materiais compósitos leves são mais eficientes em combustível e mais fáceis de transportar ou instalar.

Além de alta resistência, durabilidade e baixo peso, materiais compósitos tendem a oferecer maior flexibilidade de design. Eles podem ser facilmente moldados para se adequar a geometrias complexas, tornando-os ideais para uso com usinagem CNC. E como existem tantas combinações de materiais disponíveis para compósitos, designers podem encontrar compósitos CNC personalizados que se ajustem aos seus requisitos únicos.

Materiais de construção compósitos comuns

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

Compósitos de leveza podem ser feitos de muitas combinações diferentes de materiais, então os engenheiros têm muito terreno a cobrir quando se trata de seleção de materiais. Aqui estão três materiais de construção compósitos comuns usados para leveza de peças usinadas CNC.

1. Carbono

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-peso. O carbono é adequado para leveza porque é um material compósito 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 CNC incluem estruturas, 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, segundo o International Research Journal of Engineering and Technology, o que é proibitivamente caro para muitas equipes de produto. Além disso, as fibras de carbono têm baixa resistência a impactos, o que os engenheiros devem ter em mente para leveza na indústria automotiva.

2. Vidro

Materiais de enchimento de compósitos de vidro vêm em cinco composições comerciais diferentes — vidro E, vidro C, vidro S, vidro R e vidro T. O vidro E é a fibra de vidro mais comum usada em matrizes poliméricas para leveza e oferece excelentes propriedades mecânicas, alto isolamento elétrico e baixa suscetibilidade à umidade. Fibras de vidro C são melhores para aplicações onde a peça requer resistência química, mas o vidro S tem maior resistência, resistência ao calor e módulo.

Enchimentos de vidro ainda podem ser usados como material compósito para leveza, mas os engenheiros devem saber que peças reforçadas com fibra de vidro serão mais pesadas que peças reforçadas com fibra de carbono e requerem acomodações de design especiais em aplicações onde alta rigidez é necessária. 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 que fibras de carbono.

3. Alumínio

Compósitos de matriz metálica à base de alumínio são muito populares para leveza na indústria automotiva. Em geral, ligas de alumínio têm algumas das maiores relações resistência-peso de metais comumente disponíveis, oferecem excelente condutividade elétrica e são altamente resistentes à corrosão. Além disso, compósitos 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, coeficiente de expansão térmica mais baixo e dureza mais alta que o alumínio não reforçado. Aplicações comuns na indústria automotiva incluem estruturas de veículos, fiação elétrica, rodas, peças de motor e mais. Infelizmente, trabalhar com alumínio pode aumentar os custos de fabricação.

Começando com compósitos CNC

Para engenheiros que buscam usinar peças fortes, flexíveis e resistentes a danos sem adicionar volume extra, materiais compósitos são a escolha perfeita para leveza. Compósitos de matriz polimérica e compósitos de matriz metálica representam duas amplas 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 desafiador para 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, mecânicos e tecnólogos especialistas tem décadas de experiência em guiar equipes por todo o processo de desenvolvimento de produto, então sabemos que uma peça excepcional começa com os materiais certos. Entre em contato conosco hoje — estamos aqui para ajudar.

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