Novos desenvolvimentos, soluções e desafios na conformação de chapa metálica de alta resistência

Daniel Casellas, diretor científico do centro tecnológico Eurecat (Barcelona, Espanha).

Os aços e as ligas de alumínio foram os principais protagonistas na redução de peso no setor dos transportes. Os aços de alta resistência (AHSS, do inglês Advanced High Strength Steel) consolidaram-se como solução de construção leve em veículos, constituindo atualmente mais de 50% do peso da carroçaria em veículos de série, além de conferir uma maior segurança aos passageiros, no caso de impacto. Não obstante as ameaças constantes de outros materiais com maior potencial de redução de peso, a reciclabilidade, baixo custo de produção e rácio ideal resistência/peso das novas gerações de aços e ligas de Al fazem destes os principais materiais para peças de chapa estrutural do setor dos transportes nos próximos anos.

Os recentes avanços em aços e ligas metálicas de alta resistência, que permitem a redução da espessura de componentes de chapa e reduzem os custos de produção, são essenciais para impulsionar a competitividade das indústrias europeias

O futuro das indústrias da UE depende fundamentalmente da sua capacidade tecnológica para fabricar produtos de alto valor acrescentado, mantendo ou reduzindo os custos de produção e garantindo 100% da sua qualidade. Tem de ser esta a estratégia para enfrentar a crescente concorrência dos países com baixo custo de mão de obra e as recentes estratégias de taxas alfandegárias dos EUA. Os novos materiais, desenvolvidos para satisfazer as procuras crescentes de redução de peso, implicam novos desafios, que a indústria europeia deve enfrentar para manter a sua posição de mercado.

A ampla e rápida aplicação industrial dos AHSS introduziu novos problemas: a reduzida ductilidade, associada à alta resistência, pode originar defeitos inesperados durante o processo de conformação, tais como fendas de arestas (edge cracking) e adelgaçamentos localizados. Estes defeitos afetam as propriedades e a qualidade das peças, pelo que é necessário ajustar detalhadamente os parâmetros de conformação e, em alguns casos, efetuar um controlo exaustivo da qualidade das peças. Neste sentido, as chapas de alta resistência podem ser consideradas como materiais altamente sensíveis ao respetivo processamento. Por isso, são necessários métodos experimentais e de simulação numérica que permitam identificá-los antecipadamente e proponham soluções.

O setor de conformação de chapa enfrenta novos desafios relacionados com o fabrico de peças de altas prestações com novos materiais de chapa de alta resistência, em particular a previsão de defeitos de conformação, como fendas, estiramentos heterogéneos ou adelgaçamentos localizados. Foram utilizados diferentes enfoques para abordar estes problemas, mas apesar do progresso alcançado neste âmbito, a utilização de novos materiais de chapa de alta resistência ainda representa um desafio para o setor transformador, que enfrenta sérios problemas para garantir 100% de qualidade na sua produção (zero deffect production), o que implica perdas de produtividade devido ao aparecimento de defeitos e falta de aptidão à conformação global destes novos materiais.

Os enfoques tradicionais, como ensaios de tração ou curvas FLC, não permitem prever os problemas relacionados com o aparecimento de fendas e não podem ser utilizados para calcular a aptidão à conformação de peças fabricadas com process sensitive materials, como os materiais de alta resistência.

São necessários enfoques inovadores para avaliar a aptidão à conformação de novos materiais de alta resistência e poder prever o aparecimento de defeitos de processamento durante a etapa de conceção do produto, com o objetivo de, assim, evitar perdas de produtividade e competitividade

O aparecimento de defeitos durante a conformação de chapa de alta resistência é um problema ainda por resolver no setor e não são possíveis de prever na etapa de conceção do produto utilizando as aproximações experimentais ou de simulação tradicionais. Esta falta de capacidade de previsão de defeitos de conformação dificulta a implementação de novos materiais e o desenvolvimento de peças de altas prestações a custos razoáveis.

A utilização de novos materiais de chapa de alta resistência, com um promissor potencial de redução de peso, está atualmente limitada pela dificuldade em prever a sua aptidão à conformação e obter peças sem defeitos de processamento. Em muitos casos são necessários sistemas de controlo dispendiosos para garantir a qualidade a 100% da produção. As tendências tecnológicas atuais e futuras, como os veículos elétricos ou as fábricas do futuro (Indústria 4.0), requerem soluções para enformar materiais de alta resistência a custos razoáveis.

O objetivo principal do projeto FormPlanet é abordar os desafios industriais no fabrico de peças de chapa de altas prestações através do desenvolvimento de novas metodologias de caracterização de chapa metálica, tanto para aço, ligas de alumínio, titânio e níquel, entre outros, como para novos materiais híbridos (chapas multimaterial).

O conhecimento e as metodologias de ensaio desenvolvidas permitirão uma avaliação detalhada das propriedades da chapa, irão prever o comportamento da peça enformada e evitar perdas de produção para as indústrias de conformação de chapa. Este enfoque irá impulsionar a utilização de materiais de alta resistência para produtos de elevado valor acrescentado, reduzir os custos de produção e permitir encurtar o tempo de comercialização de novos produtos.

Resistência da chapa metálica à fratura: a tenacidade da fratura, medida no âmbito da mecânica de fratura, permite prever a resistência ao aparecimento de fendas na aresta da chapa (edge cracking) e calcular a resistência ao impacto. No entanto, o setor industrial não utiliza esta propriedade para selecionar materiais, devido à complexidade experimental da sua determinação. No FormPlanet está a ser desenvolvida uma metodologia de ensaio rápida e simples para medir com precisão a tenacidade de fratura de chapa, o que irá permitir que esta propriedade seja acessível e útil para fins de caracterização industrial.

Resistência ao impacto: o desenvolvimento de metodologias laboratoriais em pequena escala para prever o comportamento do choque é essencial para otimizar a seleção de materiais e ajudar ao desenvolvimento de novos materiais. Está a ser desenvolvida uma nova metodologia para determinar os parâmetros do material que influenciam a resistência ao impacto. Também está a ser avaliada a implementação de resultados em modelos de simulação numérica.

Aptidão à conformação à temperatura ambiente e a alta temperatura: o FormPlanet está a desenvolver um dispositivo experimental para determinar a aptidão à conformação de chapa a temperaturas elevadas. Os resultados serão aplicados à estampagem a quente (aços B, ligas de Al ou Ti), conformação superplástica, moldagem por sopro a alta temperatura, etc. Para medir a aptidão à conformação à temperatura ambiente, são utilizadas duas aproximações: ensaios de tração biaxiais (amostras cruciformes) e ensaios de embutidura profunda. Estes ensaios combinam a vantagem de reproduzir quase qualquer caminho de deformação linear e não linear em diferentes estados de deformação. A combinação destes ensaios irá contribuir para a melhor compreensão da conformação de chapa a frio e para aumentar a fiabilidade dos métodos de previsão.

Avaliação da qualidade das peças durante o processo de fabrico: os métodos e técnicas de deteção de falhas e métodos de controlo de qualidade são cada vez mais solicitados para garantir a qualidade a 100% da produção. O FormPlanet desenvolve e implementa novos sistemas de controlo durante o processo de fabrico baseados em sistemas 3MA (Microestrutura Multiparamétrica Micromagnética e Análise de tensão), acompanhamento por laser e termografia avançada. Além disso, será otimizado e implementado um teste de medição de hidrogénio em peças enformadas para determinar a sua sensibilidade à fragilização por hidrogénio.

Ensaios rápidos de fadiga: os ensaios de fadiga costumam requerer muito tempo e várias amostras para ensaiar, pelo que são geralmente utilizados para a caracterização rotineira de materiais. Propõe-se uma nova metodologia de ensaio, baseada na mecânica de fratura, para calcular o limite de fadiga rapidamente e com pouco material. O ensaio irá reduzir drasticamente a duração dos ensaios de fadiga e permitir considerar as propriedades de fadiga como uma propriedade mecânica básica para a caracterização do material.

Caracterização de amostras pequenas: as técnicas de amostras pequenas são cada vez mais utilizadas para determinar as propriedades mecânicas quando está disponível uma quantidade limitada de material. O FormPlanet irá melhorar e otimizar os testes de microtração para a determinação de propriedades mecânicas, para o desenvolvimento à escala laboratorial de novas ligas de chapa metálica ou para medir propriedades locais de peças enformadas.