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Rodas híbridas: novo fator chave para a economia de combustível em automóveis

O desenvolvimento e a manufatura de rodas de composto termoplástico de carbono foram apresentados por Dr. Niccolo Pini, COO da Kringlan Composites (Suíça) durante a Conferência SAMPE Europe, que aconteceu nesta segunda-feira, dia 9 de março, em Paris, França.

O palestrante teve como objetivo mostrar a relação entre peso do veículo com o consumo de combustível e emissões. Explicou que não se pode pensar em nossa sociedade sem transporte. O transporte privado é a fonte de imensa liberdade, mas também de efeitos colaterais, cujas consequências estão cada vez mais perceptíveis: poluição do ar e contínuo crescimento do consumo de combustíveis fósseis, por exemplo. A emissão e o consumo de combustíveis estão diretamente relacionados com o peso do carro: o carro mais pesado requer mais energia.

Durante as últimas décadas, a tendência na indústria automotiva foi definitivamente por carros mais pesados: de um lado por causa dos sistemas de segurança (elementos de segurança passivos e ativos para o passageiro e pedestre); de outro lado para aumentar o conforto na direção. Entretanto, desde 2007-2008 uma mudança de posicionamento foi observada, com as OEMs tentando reduzir o peso de seus carros para atender as exigências ambientais cada vez mais severas e os desejos dos clientes. O exemplo mais gritante são os i-cars da BMW, construídos ao redor de um chassis de carbono.

As emissões e o consumo de combustível podem ser reduzidos através de várias formas como melhoria da eficiência da unidade de tração, redução da resistência, aerodinâmica, diminuição do atrito de rolamento e redução do peso. Ao reduzir o peso de um carro em 100 kg espera-se melhoria na redução de emissões de CO2 na ordem de 4-10 g/km. A

Os componentes de um carro que prometem o maior impacto quando da redução de peso são, indiscutivelmente, as rodas. A roda é uma massa em contínua rotação não suspensa:  de acordo com a física, uma massa em rotação pesa duas vezes. A roda industrial usa o fator 1.8 x para o peso do aro e do pneu. Ao reduzir o peso da roda em 50% consegue-se uma redução da emissão de dióxido de carbono entre 2.5 e 6 g/km, diminuindo assim também o pagamento compulsório de CO2. Além disso, a redução da massa não suspensa aumenta significativamente o conforto no veículo.

De outro lado, a indústria automotiva sofre com a forte competição e pressão de preços: novos produtos têm que encontrar uma relação entre performance e custos das rodas estado da arte. A invenção da roda foi o avanço técnico mais surpreendente da humanidade. Ela não apenas permite cobrir grandes distâncias sem esforço como também é a base para muitas máquinas. A roda não mudou quase nada em forma, função e construção nos últimos séculos. Apenas depois da invenção do automóvel houve uma mudança repentina e crescente nas exigências da roda. Não só a forma, mas também os materiais foram alterados: da madeira para o metal. Atualmente, cerca de 60% das rodas de automóveis são feitas de aço. Esta supremacia, entretanto, está fortemente ameaçada pelo alumínio, que é utilizado em cerca de 40% das rodas.

Nos últimos anos, surgiu a tendência do motorista esportivo e as OEMs estão mais atentas para o peso das rodas e sua influência na performance. As rodas de ligas podem ser fundidas ou forjadas: as fundidas são mais pesadas e mais quebradiças, mas têm custo reduzido de produção, enquanto as forjadas têm menor peso e melhores propriedades mecânicas, mas custos de produção mais altos.

Uma redução relevante de peso nas rodas sem comprometer a segurança só pode ser obtida com uma nova geração de rodas que explorem as vantagens dos reforços de fibras, como já se demonstra em vários outros campos.
 
Embora alguns desenvolvimentos já tenham sido feitos no passado, atualmente diversas empresas estão trabalhando com rodas em carbono, sejam híbridas ou totalmente de carbono. A maioria delas utiliza fibra de carbono orientada de forma contínua, impregnada em matriz termofixa (epóxi), geralmente com um processo de moldagem líquida de composites como RTM ou similar.  Alguns fabricantes fazem as rodas em matriz termoplástica com processo de moldagem por injeção. A Kringlan fabrica rodas reforçada com fibra de carbono orientada e contínua com matriz termoplástica.

O estado da arte de termoplásticos reforçados com fibras contínuas
Os materiais composites standards são fabricados com fibras de reforço e uma resina termofixa. Uma matriz termofixa (epóxi, éster-vinílica ou poliéster) mostra baixa resistência à fratura e longos tempos de processos, o que a torna inapropriada para uma produção de custo econômico de peças em composites com alto volume. O material ideal da matriz é um representante da classe dos termoplásticos, que mostra alta resistência à fratura e pode ser processado rapidamente. Além disso, os termoplásticos são recicláveis, o que os tornam muito interessantes para a indústria automotiva, com relação à política “fim de vida útil” que prescreve que os carros devem ser reciclados em, pelo menos, 85% (desde o dia 1 de janeiro de 2015).

As tecnologias de moldagem por injeção e GMT (termoplásticos com mantas de fibra de vidro) não garantem propriedades mecânicas suficientes para uma performance superior aos concorrentes metálicos. Assim, o uso de fibras de carbono orientadas e contínuas é necessário. A presença das fibras contínuas reduz drasticamente a maleabilidade do material. De um lado, o aro tem que ser fabricado, de forma que toda orientação necessária da fibra pode ser produzida. De outro lado, o aro aranha deve atender todas as exigências mecânicas e de design. Todas estas exigências não podem ser atendidas apenas com um processo produtivo. O método da Kringlan produz separadamente o aro e a aranha, para juntá-los na etapa seguinte. A empresa tem a chance de otimizar componentes individualmente, para que tanto as exigências óticas como mecânicas sejam atendidas. De outro lado, a Kringlan tem um sistema modular com influência positiva no baixo custo do processo como um todo.

O ponto mais importante na fabricação do aro é que não se pode ter juntas (pontos fracos) e a orientação da fibra do laminado deve ser bem escolhida. Além disso, o processo precisa garantir um curto ciclo de tempo.

Os processos standards de composites termofixos (hand lay-up, RTM) não podem ser usados para termoplásticos (a não ser em formulações específicas). Enrolamento filamentar (filament winding) e processos tape laying reduzem a liberdade de escolha da orientação do laminação e não permitem a fabricação da geometria necessária. A tecnologia de autoclave poderia ser uma possibilidade, mas requer longo ciclo de tempo e materiais de alto custo.

A tecnologia Kringlan de processamento de rodas foi desenvolvida especificamente para a produção automatizada de rodas termoplásticas com fibra de carbono. Para se ter um processo em composites com custo competitivo, é necessária uma preformagem automatizada. A empresa desenvolveu diversos conceitos e máquinas para diferentes aplicações, sendo sua expertise preforms planos e near net-shape 3d e também preforms redondos para a tecnologia de prensagem da empresa.
A tecnoloiga de prensagem redonda da Kringlan desenvolveu uma tecnologia própria para prensar peças circulares fechadas com geometrias complexas como o aro de um carro. Esta tecnologia permite que se produza peças com toda a orientação da fibra necessária para otimizar as propriedades das fibras, com variação do seção e espessuras por toda a peça. Os ciclos de tempo de 10 minutos por parte ou menos são possíveis na produção industrial, dependendo do material e da geometria.  
Para as rodas de carbono, os spokes são fabricados com um processo de prensagem convencional. A parte central da roda é feita de fibra de carbono reforçada com termoplásticos.
Não é novidade que o composites termoplástico pode ser soldado como, por exemplo, as rodas integralmente de carbono. Parâmetros críticos como temperatura, pressão da soldagem e tempo precisam ser bem controlados. A empresa desenvolveu fortes competências na soldagem de termoplástico de alta performance através de diferentes métodos de soldas: tecnologias de vibração, por termofusão, infravermelho e de gás quente foram todas testadas e usadas na Kringlan. A empresa se diz apta a realizar solda de 3 dimensões em peças de composites complexos e moldadas por injeção.

No caso de rodas híbridas, a disparidade no coeficiente de expansão térmica do centro da roda de alumínio e do aro em carbono é tão alto, que acima da temperatura de trabalho se pode observar uma diferença de diâmetro de mais de 0,5 mm. Produtos de última tecnologia tentam proteger o aro de carbono através da dissociação da junta com a deformação. A metodologia da empresa é o inverso, e utiliza a expansão térmica do centro de alumínio para garantir a perfeita junta das partes. Isso pode ser alcançado com uma geometria precisa das juntas e um layout de fibra feito sob medida na mesma região.

A empresa desenvolveu dois tipos de rodas automotivas: híbridas e integralmente em carbono. A roda híbrida é fabricada com o aro de carbono com o centro metálico. Esta solução é mais conservadora e reduz custos e riscos gerais (mantendo uma peça de metal), mas reduz o peso. As rodas híbridas são mais baratas e fáceis de se produzir do que as rodas de carbono, mas são um pouco mais pesadas.

As rodas integralmente em carbono são a meta final e são um salto quântico em termos de tecnologias de processamento, mas oferecem o maior potencial de redução de peso. O desenvolvimento desta roda está finalizado e a roda está pronta para aplicação, mas o principal obstáculo é a aceitação por parte da indústria automotiva. Rodas integralmente em fibra de carbono, feitas com termoplásticos, são muita novidade ainda e precisam mostrar alguns anos de experiência.

As rodas inteiramente em carbono da Kringlan têm 4 partes diferentes: aro, spokes internos, spokes externos e um núcleo. Todos os componentes, com exceção do núcleo, são fabricados com fibra de carbono orientada reforçada com PEI- Polieterimidas. O núcleo é feito com a mesma combinação de material das outras partes, mas com fibra curta. Este material é basicamente o resíduo de processo dos outros componentes.

As rodas em carbono, sejam híbridas ou inteiras em carbono, proporcionam melhor performance, e redução no consumo e emissões quando comparadas com as rodas de liga leve. As rodas de carbono termoplásticas acrescentam vantagens com maior resistência à fratura, reciclabilidade de materiais e adequação para produção de alto volume.

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