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Desafios e benefícios no uso de plásticos de engenharia para substituir peças de metal
AUTOMOTIVE DAY BRASIL, 6 de outubro de 2011
Fábio Moreira
Gerente de Engenharia de Desenvolvimento de
Produto da Mahle
MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE
Processo de conversão de metal em plástico
1. Razão – Custo, desempenho, qualidade, inovação, impacto ambiental
2. Conceito - Design review, abordagem de equipe
3. Seleção de materiais – Requisitos da produto
4. Design – Projeto adequado para o material e processamento
5. CAE - Análise de elementos finitos (FEA), análise do fluxo de moldagem
6. Desenvolvimento de protótipos – Suporte para o ferramental e moldagem
7. Testes - Resistência química, propriedades mecânicas
8. Produção – Projeto da ferramenta final, otimização do ciclo de produção
9. Operação secundária - Soldagem e montagem
10. Próxima Geração – Lições aprendidas promovem melhorias e mais benefícios
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MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011 © MAHLE
Filtro combustível blindado
feito de alumínio ou aço
inox
Excelentes propriedades mecânicas e elétricas
Restrições de propriedades químicas
Baixa possibilidade de integração
Custo médio
Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção
Durabilidade elevada
Design compacto e robusto
Baixa geração de resíduos sólidos devido a manutenção
Custo médio
Tecnologia avançada de vedação
Filtro combustível
blindado feito de Plástico
(PA6.6/PA12)
Filtro combustível
ecológico feito de plástico
– Futura geração
Excelentes propriedades mecânicas e elétricas
Baixas restrições de propriedades químicas
Alta possibilidade de integração
Custo médio a baixo
Elevada geração de resíduos sólidos devido a manutenção
Filtro do combustível flex fuel
Evolução técnica
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MAHLE Metal Leve S.A., BU2 - Filtration and Engine Peripherals, Fábio Moreira, 06-October-2011
Requisitos do produto (highlights)
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Química – Diversos tipos de
combustíveis
– Fluído transmissão
– Óleo de motor
– Fluído de freio
– Etileno glicol
– Propileno glicol
– Óleo diesel
– Desengraxante de motor
– Cloreto de zinco
– Permeabilidade
Térmica – Temp. baixa = -40º C
– Temp. alta = 125º C
Mecânica – Pressão trabalho
= 5 bar
– Pressão de estouro >= 14 bar @ -40º e 125º C
– Impacto a frio (-40ºC)
– Vibração com ciclo térmico
– Pulsação
– Esmagamento
– Dobramento das conexões
– Batida de pedra (gravelometer)
Elétrica – Resistividade
superficial
– Resistividade volumétrica
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Simulação estrutural Medições na aplicação Durabilidade
Calibração do modelo
matemático
Testes laboratório Produto final
Filtro do combustível flex fuel – Desempenho,
inovação & impacto Ambiental
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Peças submetidas a teste de esmagamento
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Peças submetidas a teste de desempenho
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Carcaça metálica - tratamento químico
anticorrosivo
Suporte metálico pintura anticorrosão
Descarte do filtro completo na troca (exceto
suporte e sensor)
Peso aproximado do conjunto: 700g
Somente o filtro: 370 g
Produzido em PA66GF35
Elemento filtrante substituível
Suporte integrado
Peso Aproximado: 395g
Somente o filtro : 337g
Somente elemento filtrante: 85g
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Filtro combustível diesel – Inovação, custo &
impacto ambiental:
Design metálico x plástico
Filtro de
combustível
blindado metálico Filtro de combustível
ecológico
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Filtro de
combustível
carcaça
metálica
Filtro de
combustível
plástico com
elemento
filtrante
ecológico Temperatura = -40º a 180º C – Contínuo 110ºC
Pressão trabalho = 3,0 bar
Pressão estouro = 10 bar estático
Vazamento vedação = 100 bolhas@6bar – 1 min
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Comparação das peças físicas
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Resultado da Inovação
370 370337
85
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1ª Troca Demais trocas
Pe
so
(g
)
Comparação de resíduos sólidos gerados a cada troca do filtro do combustível
Filtro Blindado Filtro Ecológico
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9% 77%
33 g 285 g
É necessário eliminar o
suporte metálico na
primeira vez que fizer
substituição do produto
(330g suporte)
1) Potencial de redução de 240t/ano
de resíduos sólidos gerados
devido a manutenção
2) Redução de peso do componente
em 43%
3) Redução do preço/peça
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Filtro blindado Filtro ecológico
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Tampa em alumínio
Válvula solenóide integrada
Tampa do bocal de enchimento do óleo
Retorno do blow-by do motor com baixa eficiência de separação do óleo
Custo médio
Suporte para demais componentes (filtro do ar, sensor de fase, bobina de ignição)
Espessura de parede otimizada
Integração dos parafusos de fixação
Tecnologia avançada de vedação
Mesma performance acústica
Redução de peso
Redução de preço
Tampa em poliamida com fibra de
vidro
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Tampa do comando de válvulas –
custo & desempenho:
Design metálico x plástico
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Temperatura = -40º a 180º C – Contínuo
150ºC
Pressão interna = 0,5 bar
Pressão trabalho = 3,5 bar (canais e VVT)
Pressão pico = 20 bar (VVT)
Pressão estouro = 7 bar estático/ 4 bar
dinâmico
Vazamento canais =< 1 cm3/min
Vazamento vedação = 1mbar@0,5bar – 19s
Aplicação no motor
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Pressão trabalho = 3,5 bar
Pressão de pico = 20 bar
Pressão de estouro = 7 bar
Pressão interna =
0,5 bar
Deformação
=< 0,2mm
Referência
de
montagem
Válvula
solenoíde
Alojamento
sensor de
fase
Separador do óleo
Requisitos aplicados ao produto
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FAR FIELD (1 m)
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Análise de vedação
Análise acústica
Análise estrutural
Processo de validação numérica
Análise de fluxo
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Simulação de impacto de esfera
Discussão sobre targets
2 kg
400 g
2 kg
400 g
Posição 1 Posição 2 Posição 3 Posição 4
Modelo 1.0
Modelo 1.4
Falha Falha Falha Falha
Falha
Falha
Sem falha Sem falha Sem falha
Falha local
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Aprisonamento de ar
Linhas de emenda
Simulação de moldagem
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Tensão principal [MPa]
Trinca após teste de
estouro
Simulação convencionais de FEM muitas vezes
não atendem os resultados experimentais
Estabelecimento de métodos mais precisos são
necessários para otimização
– Consideração de material ortotrópico
– Avaliação do alinhamento das fibras e seu
impacto nas propriedades do material
Nenhuma falha
prevista
Orientação das fibras Modelo matemático ajustado [-]
Falha é prevista
Crack
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Critério de falha – Testes & simulação
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Redução do peso da peça em 53%
Redução do peso do conjunto em 35%
Melhoria de sistema de vedação
Integração do parafusos de fixação (processo de montagem)
Redução do custo
Criação de uma especificação de validação do produto para design em plástico
Introdução de novos processos de manufatura e operações secundárias
Resultados
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SUCESSO
DO
PROCESSO
• Desempenho
• Geometria
• Req. específicos
• Ciclo de produção
• Qualidade
• Repetibilidade
Uso do banco de dados
• Propriedades
• Suporte ao CAE
• Suporte a produção
• Moldabilidade
• Ciclo de produção
• Manutenção
Mente aberta
Gerenciamento
de conflitos Consciência
Comuni-
cação
Lições
aprendidas
Otimização
recursos
Desafios
Sumário - Projeto colaborado
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Muito obrigado por sua atenção!