ESTUDO DE CASO: TANQUE CARAVANA

FACUDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO LEONARDO SANTANA ESTUDO DE CASO: TANQUE CARAVANA Professor: Doutor Viriato Teixeira de Abreu e Antunes Unidade curricular: Selecção e Ensaio de Materiais Programa de Doutoramento em Eng. Mecânica Porto Janeiro de 2016 LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Dimensões do tanque. ............................................................................................. 10 Figura 2 – Posição das abraçadeiras. ........................................................................................ 10 Figura 3 – Apoio das barras do chassi. ..................................................................................... 13 Figura 4 – Dimensões do tanque (a) vista superior, e (b) vista frontal..................................... 14 Figura 5 – Espessura em função do módulo de Young ............................................................ 16 Figura 6 – Determinação de limites para a espessura. .............................................................. 17 Figura 7 – Espessura vs. Módulo de Young, metais e polímeros. ............................................ 18 Figura 8 – Avaliação dos materiais em função da afinidade alimentícia. ................................ 19 Figura 9 – Avaliação dos materiais em função da resistência a água doce. ............................. 20 Figura 10 – Avaliação dos materiais em função da resistência a água salgada........................ 20 Figura 11 – Avaliação dos materiais poliméricos em função do preço e módulo de Young. ... 22 Figura 12 – Materiais poliméricos disponíveis, após a avaliação em função do preço e módulo de Young. .................................................................................................................................. 22 Figura 13 – Materiais poliméricos disponíveis, após a exclusão dos termofixos..................... 23 Figura 14 – Espessura gerada pelos materiais poliméricos analisados, em comparação com os metais. ....................................................................................................................................... 25 Figura 15 – Avaliação dos materiais metálicos em função do preço e do módulo de Young. . 28 Figura 16 – Avaliação dos aços inox em função da soldabilidade pelo processo MIG. .......... 29 Figura 17 – Avaliação dos aços inox em função da soldabilidade pelo processo TIG. ........... 29 Figura 18 – Avaliação dos aços inox em função da densidade e do módulo de Young........... 30 Figura 19 – Avaliação dos aços inox em função do preço e do módulo de Young. ................ 30 Figura 20 – Avaliação dos aços inox em função da dureza Vickers (HV). .............................. 31 Figura 21 – Análise dos materiais em função da aplicação e condições de contato com alimentos................................................................................................................................... 33 Figura 22 – Modelo 3D do tanque em chapas metálicas (a), planificado (b), propriedades de massa (c). .................................................................................................................................. 37 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Parâmetros de entrada, equação da espessura (t). ................................................... 15 Tabela 2 – Avalição dos materiais poliméricos em função de requisitos de projeto................ 24 Tabela 3 – Espessura gerada a partir das propriedades dos materiais. ..................................... 25 Tabela 4 – Espessuras geradas após a aplicação do fator de correção. .................................... 26 Tabela 5 – Parâmetros e classificação. ..................................................................................... 26 Tabela 6 – Seleção dos materiais em função dos parâmetros e classificação. ......................... 27 Tabela 7 – Avaliação dos aços inox em função dos índices. .................................................... 32 Tabela 8 – Propriedades alumínio 514.0. ................................................................................. 33 Tabela 9 – Comparação entre o aço inox e o alumínio selecionado......................................... 34 Tabela 10 – Comparação entre o material metálico e polimérico. ........................................... 35 SUMÁRIO 1 APRESENTAÇÃO DO ESTUDO DE CASO ..................................................................... 9 1.1 REQUISITOS DE PROJETO E INFORMAÇÕES RELEVANTES ........................... 9 1.2 APRESENTAÇÃO DO TANQUE ............................................................................... 9 2 SELECÇÃO DOS MATERIAIS ........................................................................................ 11 2.1 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DA ESPESSURA ............................................... 11 2.2 PROCESSO DE SELEÇÃO DOS MATERIAIS ........................................................ 15 2.2.1 Avaliação dos materiais poliméricos.............................................................. 21 2.2.2 Avaliação dos materiais metálicos ................................................................. 27 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 35 APÊNDICE A – Modelo 3D tanque ...................................................................................... 37 9 1 APRESENTAÇÃO DO ESTUDO DE CASO O presente estudo de caso visa o processo de seleção de materiais para a fabrico de um novo tanque de armazenamento de água potável para uma caravana. Salienta-se que o estudo está a ser realizado em função de o material originalmente utilizado por uma empresa fabricante de caravanas para a confecção do tanque de água potável apresentou problemas potenciais de toxidade em serviço, e, portanto, teve de ser abandonado. 1.1 REQUISITOS DE PROJETO E INFORMAÇÕES RELEVANTES Os principais requisitos de projeto encontram-se sintetizados nos tópicos a seguir: a) encomenda inicial de 200 tanques; b) material não deve apresentar problemas potenciais de toxidade em serviço; c) as dimensões do novo tanque devem ser iguais as do original; d) deverá ser usada a tubagem de origem; e) uso continuo para um mínimo de 5 anos; f) suportar:    temperaturas variando entre (-10 e 40)°C; contato com: óleos, lubrificantes, gases; contato externo com: salpicos de água, sal, e impacto com pedras. g) fornecer água potável; h) não provocar encadeamento de veículos que se cruzem com a caravana; i) as flechas na base do tanque não devem ser superiores a 10 mm. Solicita-se neste estudo: 1) calcular a espessura do tanque; 2) parâmetro para aferir o peso do tanque; 3) indicar o processo de fabrico; 4) incluir estimativas de custos. 1.2 APRESENTAÇÃO DO TANQUE O tanque, objeto deste estudo, apresenta uma geometria retangular com as seguintes dimensões: (0,9 x 0,3 x 0,3) m (Figura 1). 10 Figura 1 – Dimensões do tanque. A geometria apresentada na Figura 1 busca garantir melhor compatibilidade entre o tanque e as barras que compõem o chassi do veículo. O tanque é fixado ao veículo por duas abraçadeiras conforme representado na Figura 2. Figura 2 – Posição das abraçadeiras. Apresentadas as características do tanque, os próximos tópicos serão destinados ao processo de seleção dos materiais e processos de fabrico. 11 2 SELECÇÃO DOS MATERIAIS 2.1 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DA ESPESSURA A primeira etapa do estudo consiste em determinar a espessura necessária para o tanque, a partir das características dos materiais. É importante avaliar a relação entre a rigidez fornecida pelo material (considerando a espessura gerada pelo mesmo), na formação das flechas na base do tanque1. Para o cálculo da espessura (t) (eq.2) do tanque será determinada a relação matemática necessária, a partir da equação da flecha (Ym) (eq.1): 3Fr 4 (5  u  u 2 ) Ym  16 Et 3 (eq. 1) 3Fr 4 (5  u  u 2 ) t3 16 EYm (eq. 2) Onde: a) Ym é a flecha no centro da base do tanque; b) F é a força por área unitária exercida na base do tanque pela água; c) t é a espessura do tanque; d) u é o coeficiente de Poisson; e) E é o módulo de Young; f) r = (1/4)(a+b), sendo:   1 a = distância entre os apoios do tanque; b = largura da base do tanque. Em função do material atribui-se que uma maior ou menor rigidez vai gerar uma maior ou menor flecha na base do tanque. 12 Primeiramente a força F foi definida a partir da seguinte relação (eq.3): F P A (eq. 3) Onde: a) P − força peso exercida pela água na base do tanque (eq.4): P  mágua .g   (eq. 4) m água: massa de água; g: aceleração da gravidade. b) A − área da base do tanque. Substituindo o valor de P (eq.4) na equação da força F (eq.3), verifica-se a presença de duas novas variáveis, a aceleração da gravidade (g), e a massa de água (m), conforme mostrado na equação abaixo (eq.5). F mágua .g A (eq. 5) A aceleração é um valor conhecido, aproximadamente 9,8 m/s2. Já a massa de água foi calculada em função da fórmula da densidade (eq. 6), uma vez que a densidade da água é um valor disponível (1000 kg/m³). D água  m V água tq Sendo: a) D água − densidade da água; b) m água – massa de água; c) V tq – volume do tanque. (eq. 6) 13 O volume do tanque é calculado da seguinte maneira: Vtanque  V paralelepipedo  2(Vb.chassi ) (eq. 7) O valor Vb.chassi corresponde ao volume da região que suporta as barras do chassi, representado na Figura 3. Figura 3 – Apoio das barras do chassi. Logo o volume do tanque (eq.7) é: � ��� � = , ∗ , ∗ , � ��� � − = , ∗ � , ∗ , ∗ , Sabendo o volume do tanque e a densidade da água, obtém-se a massa de água a partir da equação 6. �á� � = �á� , ≈ � �� Com todos os dados disponíveis, pode-se então determinar a força F pela equação 5. 14 = ∗ , , ∗ , ≈ �/� Antes de calcular a espessura (t), outro fator precisa ser determinado, o valor “r”. A Figura 4 mostra esquematicamente a representação dos valores utilizados para o cálculo. (a) (b) Figura 4 – Dimensões do tanque (a) vista superior, e (b) vista frontal. �= �= , �≈ , + + , � Após calcular a força F, e o fator r, tem-se todos os valores necessários para determinar a espessura em função dos materiais. A Tabela 1 mostra os valores para cada um dos termos da equação 2. 15 Tabela 1 – Parâmetros de entrada, equação da espessura (t). Parâmetros de entrada F r Ym E u Valor 2757 N/m² 0,35 m 0,01 m CES Edupack CES Edupack 2.2 PROCESSO DE SELEÇÃO DOS MATERIAIS Para analisar a espessura da base do tanque em função dos materiais, foi construído um gráfico no software CES Edupack (Figura 5) 2 . Neste gráfico foi inserida a equação da espessura (t) no eixo Y, conforme mostrado abaixo, e o módulo de Young no eixo X. = 3 √ . �/� . , � . ∗ 9 �/� . 4 − − , � 2 ∗ Entrada no CES Edupack ((((3 * 2757 * (0,35^4) * (5 - [Poisson's ratio] - ( [Poisson's ratio]^2))) / (16 * ( [Young's modulus]) * 10^9) * 0,01)^(1 / 3))) * 1000 2 As análises foram feitas utilizando a base de dados no nível 3. 16 Figura 5 – Espessura em função do módulo de Young Ao analisar a relação entre a espessura e o módulo de Young, verifica-se um comportamento no qual a espessura diminui em função do aumento do módulo. Especificamente em relação às famílias de materiais, verifica-se que os materiais poliméricos, as espumas, e os materiais naturais necessitam de maiores espessuras em relação ao seu respectivo módulo de Young. Já os materiais metálicos e cerâmicos, por apresentarem maiores módulos, permitem a utilização de menores espessuras. Em seguida a esta primeira análise, que permitiu uma visão geral das espessuras geradas em função das propriedades dos materiais, aplicou-se o primeiro filtro, no qual se determinou uma faixa de espessuras desejável, conforme mostrado na Figura 6. 17 Figura 6 – Determinação de limites para a espessura. Como pode ser observado no gráfico da Figura 6, o limite superior de 3 mm foi estipulado a fim de se evitar grandes espessuras que pudessem aumentar o peso da estrutura, e também dificultar o processo de fabrico. O outro extremo, limite inferior, foi ajustado em torno de 0,1 mm, para que as ligas metálicas não fossem excluídas do processo de seleção de materiais. No entanto, neste estudo foi considerado que as espessuras menores que 1 mm, geradas pelos respectivos materiais de interesse (principalmente as ligas metálicas), passassem a ser equivalentes a 1 mm, como valor de partida — o que corresponde a aplicação de um fator de correção (fc) de 10x. Após a determinação de um intervalo de espessuras desejado, o segundo filtro aplicado na análise buscou reduzir o número de materiais disponíveis, a fim de avaliar apenas aqueles que apresentavam potencial para a aplicação em questão. Neste caso foram eliminados materiais como as cerâmicas, e os materiais naturais, mantendo-se apenas os polímeros e os materiais metálicos (Figura 7). 18 Figura 7 – Espessura vs. Módulo de Young, metais e polímeros. Considerando que o tanque seria utilizado para armazenar água potável para o consumo, o material utilizado para o fabrico deveria apresentar uma interação positiva com o líquido, ou seja, não liberar substâncias ao longo do tempo, que pudessem alterar a integridade do conteúdo. Para esta análise alterou-se a base de dados do CES Edupack para nível 3 Eco Design, que permite utilizar uma função chamada de “food contact” 3 , a qual avalia os materiais quanto a sua afinidade com alimentos. A partir da função disponibilizada, gerou-se um novo gráfico, conforme mostrado na Figura 8, onde se selecionou os materiais que apresentavam afinidade com alimentos e maior módulo de Young. A função “food contact” avalia os materiais em relação ao seu contato com alimentos, atribuindo as seguintes classificações:  Não: as especificações do material não atendem aos requisitos da legislação;  Condicional: as especificações do material atendem aos requisitos da legislação, mas apenas para um determinado conjunto de especificações, as quais são especificadas nas notas;  Sim: acredita-se que existem gruas de contato com alimentos, dentro das especificações do material, ou as especificações do material atende aos requisitos legislativos para adequação de alimentos. No entanto, isto não significa que todos os materiais são aplicados ao contato com alimentos, geralmente apenas uma minoria será. 3 19 Figura 8 – Avaliação dos materiais em função da afinidade alimentícia. Nesta etapa do processo de seleção, após a análise apresentada na Figura 8, verificou-se a presença de materiais como: ligas de alumínio, aço carbono, aço inox, aço ferramenta, magnésio, ligas de níquel, cobalto, ouro, prata, poliamidas, poliéster, entre outros, de um total de 943 materiais disponíveis. No entanto, conforme descrito nas especificações da função “food contact” (nota de rodapé 3), nem todos os materiais classificados como “yes”, são realmente utilizados em contato com alimentos. Posteriormente, após a análise dos materiais sobre outros requisitos de projeto, será necessário reavaliar a condição de interação com alimentos. A seguir à análise dos materiais em função da interação alimentícia, os mesmos foram avaliados em relação à resistência a água doce e salgada, a fim de corresponder aos requisitos de projeto do item “f” da seção 1.1. Nesta apreciação considerou-se que as melhores soluções seriam aquelas que apresentassem maiores módulos de Young e resistência à água doce e salgada entre aceitável e excelente, conforme mostrado nas Figuras 9 e 10. 20 Figura 9 – Avaliação dos materiais em função da resistência a água doce. Figura 10 – Avaliação dos materiais em função da resistência a água salgada. 21 Após analisar os materiais em relação à resistência a água doce e salgada, chegou-se a um total de 580 materiais, dentre os quais, as ligas de alumínio, cobalto, níquel, zinco, titânio, magnésio, aços inox, polímeros, entre outros. No entanto, uma parcela dos materiais disponíveis nesta etapa da análise caracterizava-se por materiais preciosos, tais como, ouro, paládio, platina, e prata. Em função da aplicação a qual o material seria submetido, determinou-se que os materiais preciosos, não eram interessantes, e, portanto, foi estabelecido um limite para remover os mesmos da análise, reduzindo assim o estudo a um total de 528 materiais. A fim de evitar exclusões precipitadas de alguns materiais neste estágio do estudo de caso, buscou-se, então, dividir a análise em dois grandes grupos de materiais, os quais correspondem aos “Poliméricos” e “Metálicos”. Para a realização da análise proposta, criouse dois limites no CES Edupack, sendo um que considerava apenas os plásticos e elastômeros, e outro apenas os metálicos. Durante o processo de análise, a dinâmica consistiu em um primeiro momento acionar o limite para os polímeros e avaliar os materiais em função dos requisitos de projeto, e no segundo momento o mesmo foi feito para os metálicos. 2.2.1 Avaliação dos materiais poliméricos Conforme citado anteriormente o primeiro grupo avaliado consistiu nos materiais poliméricos. Inicialmente os materiais foram avaliados em função do preço e do módulo de Young. Foi estabelecido um limite de preço em torno de 5 EUR/kg, além de considerar os materiais com os maiores módulos entre as opções disponíveis, conforme mostrado na Figura 11. 22 Figura 11 – Avaliação dos materiais poliméricos em função do preço e módulo de Young. Da análise apresentada na Figura 11 obteve-se 14 materiais que corresponderam aos limites impostos, os quais podem ser vistos na Figura 12. Figura 12 – Materiais poliméricos disponíveis, após a avaliação em função do preço e módulo de Young. 23 Dos materiais disponíveis, seis eram termofixos ou termoendurecíveis: alkyd molding compound (glass fiber reinforced)4, bisphenol molding compound (glass fiber), epoxy (glass fiber), novolak, UF. Estes materiais apresentam como principais aplicações a fabricação de componentes eletrônicos, revestimentos, encapsulamentos, impregnações, tratamentos de têxteis, fabricação de papel, entre outras. Desta forma passaram a ser desconsiderados para a aplicação estudada, conforme representado na Figura 13. Figura 13 – Materiais poliméricos disponíveis, após a exclusão dos termofixos. Com base nos materiais disponíveis, criou-se uma ferramenta (Tabela 2) que permitisse comparar os mesmos, com base em fatores de influência para a aplicação proposta, e assim selecionar a melhor opção dentre os polímeros. Na Tabela 2 foram avaliados fatores como: a resistência à água salgada e doce, a interação com alimentos (“food contact”), resistência do material em contato com óleo e combustível, inflamabilidade, resistência ao UV, módulo de Young (E), densidade (ρ), temperaturas de serviço, e preço por unidade de massa. 4 Compostos de moldagem alquídicas, são baseados em resinas poliéster insaturadas, os quais são combinados com monômeros de reticulação, catalisadores, reforços, lubrificantes, e agentes de preenchimento. As formulações são semelhantes às dos polímeros termoendurecíveis, porém, com menores quantidades de monômeros. Fonte: http://machinedesign.com/basics-design/alkyd 24 Tabela 2 – Avalição dos materiais poliméricos em função de requisitos de projeto. Material “Food Água Água Óleo e Contact” Salgada Doce Comb. Inflamável5 UV ρ E (GPa) Temp. Serviço (ºC) Preço (kg/m3) Min Máx (EUR/kg) PA6 yes Aceitável Excelente - S.B Razoável 11,8 1,60E+03 -64 130 3,78 PA66 yes Excelente Excelente - S.B Pobre 13,6 1,59E+03 -81 130 3,68 PARA yes Aceitável Excelente Aceitável S.B Boa 22,2 1,66E+03 - 207 6,16 PBT yes Excelente Excelente - S.B Boa 13,8 1,65E+03 -70 183 3,21 yes Excelente Excelente - S.E Boa 12,4 1,74E+03 -70 173 2,96 PC+PBT yes Excelente Excelente Aceitável H.F Boa 11,5 1,52E+03 -47 125 4,11 PLA yes Aceitável Aceitável - H.F Boa 10,3 1,49E+03 -20 130 2,95 TPU yes Excelente Excelente - H.F Razoável 10,6 1,54E+03 -54 101 4,2 PBT (4045%) Legenda: PA6 – PA6 (50% glass fiber); PA66 – PA66 (50% glass fiber); PARA – PARA (50% glass fiber); PBT – PBT (30% glass fiber); PBT (40-45%) – PBT (40-45%, glass and mineral); PC+PBT – PC+PBT (30% glass fiber); PLA – PLA (30% glass fiber); TPU – TPU (r) (40% long glass fiber). 5 S.B (Slow burning ), H.F (Highly flammable), S.E (Self-extinguishing). 25 Ao analisar os dados disponíveis na Tabela 2, imediatamente eliminou-se os materiais que eram altamente inflamáveis. Desta forma restaram cinco opções de materiais poliméricos para o processo de seleção. A espessura do tanque gerada pelos materiais poliméricos disponíveis nesta etapa do estudo, obtida a partir do gráfico da Figura 5, encontra-se na Tabela 3. Tabela 3 – Espessura gerada a partir das propriedades dos materiais. Material E (GPa) PARA 22,2 PBT 13,8 PA66 13,6 PBT (40-45%) 12,4 PA6 11,8 t (mm) 0,27 0,30 0,31 0,32 0,33 Conforme mostrado na Tabela 3, os materiais geram espessuras muito pequenas, gerando um comportamento semelhante ao das espessuras obtidas com os materiais metálicos. A Figura 14 permite visualizar graficamente o cenário descrito anteriormente. Figura 14 – Espessura gerada pelos materiais poliméricos analisados, em comparação com os metais. 26 A fim de se obter uma situação mais realística a nível de projeto, aplicou-se aos valores de espessura obtidos o fator de correção descrito na seção 2.2, e os valores resultantes encontram-se na Tabela 4. Tabela 4 – Espessuras geradas após a aplicação do fator de correção. Material E (GPa) PARA 22,2 PBT 13,8 PA66 13,6 PBT (40-45%) 12,4 PA6 11,8 t (mm) (fc) 2,7 3,0 3,1 3,2 3,3 Recapitulando o comportamento descrito no gráfico da Figura 5 — primeira análise da espessura, com todos os materiais disponíveis na plataforma de dados —, as informações descritas na Figura 14 e na Tabela 4, concordam com a tendência de que ao aumentar o módulo de Young, a espessura tende a diminuir. Antes de avançar nas análises em função da espessura do tanque gerada pelos materiais poliméricos disponíveis, buscou-se filtrar ainda mais os materiais, com o intuito de restringir a análise a um número menor de opções. Nesta avaliação foram considerados os parâmetros módulo de Young (E), densidade (ρ), e preço. Para cada um dos parâmetros foi atribuída uma classificação positiva (verde), e negativa (vermelho), em função do maior e menor valor, conforme mostrado na Tabela 5. Tabela 5 – Parâmetros e classificação. Parâmetro E (GPa) Classificação (+) Maior (-) Menor ρ (kg/m3) (-) Maior (+) Menor Preço (EUR/kg) (-) Maior (+) Menor Os materiais que apresentaram algum parâmetro considerado negativo, foram descartados da análise, conforme mostrado na Tabela 6. 27 Tabela 6 – Seleção dos materiais em função dos parâmetros e classificação. 1,66E+03 1,65E+03 1,59E+03 Preço (EUR/kg) 6,16 3,21 3,68 Descartado Adequado Adequado 12,4 1,74E+03 2,96 Descartado 11,8 1,60E+03 3,78 Descartado 22,2 11,8 1740 1590 6,16 2,96 Material E (GPa) ρ (kg/m3) PARA PBT PA66 PBT (4045%) PA6 Maior Menor 22,2 13,8 13,6 Avaliação Final Os resultados apresentados na Tabela 6 indica que dois materiais seriam adequados para a aplicação proposta no estudo. Entre as duas opções disponíveis, neste caso o PBT (30% glass fiber) e o PA66 (50% glass fiber), optou-se pelo PBT (30% glass fiber) uma vez que possui maior módulo de Young, e menor preço, quando comparado ao seu concorrente direto. Mesmo o fato de o PBT (30% glass fiber) apresentar maior densidade que o PA66 (50% glass fiber), a questão do peso do tanque pode ser compensada utilizando-se menores espessuras, uma vez que o material apresentado dispõe de maior módulo de Young. Conforme mostrado na Tabela 4, a espessura do tanque gerada a partir das propriedades do material PBT (30% glass fiber), considerando o fator de correção, foi em torno de 3 mm. Buscando-se informações sobre as espessuras de parede utilizadas em modelos de tanques de águas comerciais, os valores encontrados para soluções em polietileno, por exemplo, foram em torno de 4 mm 6.Como processo de fabrico para a confecção do tanque em PBT (30% glass fiber), sugere-se a injeção, ou a moldagem por sopro. 2.2.2 Avaliação dos materiais metálicos Após selecionar uma opção de material polimérico, busca-se encontrar um material metálico que possa atender as especificações de projeto, e por fim ser confrontado com a solução em polímero. Inicialmente os materiais metálicos foram avaliados em função do preço e do módulo de Young, conforme mostrado no gráfico da Figura 15. 6 Fonte: http://leisurelines.net/water-tanks-help-4-w.asp 28 Figura 15 – Avaliação dos materiais metálicos em função do preço e do módulo de Young. Desta análise restam como materiais disponíveis: ligas de alumínio, magnésio, aços inox, ligas de zinco, gerando um total de 353 materiais 7. As ligas de zinco, por sua vez, foram descartadas do processo de seleção, uma vez que ao analisar suas principais aplicações, disponíveis na plataforma CES Edupack, verificou-se que não havia nenhuma próxima ao projeto do tanque. Assim com as ligas de zinco as ligas de magnésio também foram desconsideradas da análise, pois suas principais aplicações, também não direcionavam para um interesse comum ao objetivo do estudo de caso realizado. Após descartar as ligas de zinco e magnésio, restam os alumínios e os aços inox. Para melhor tomada de decisão, nesta etapa do estudo, foi decidido, avaliar individualmente os dois grupos de materiais restante. Além da separação em dois grupos de materiais, criou-se um novo arquivo no CES Edupack, trabalhando na base de dados nível 38, que permitisse avaliar os materiais em função de uma maior variedade de processos de fabrico. O primeiro grupo de materiais avaliado foi o de aços inox, os quais foram investigados em relação a soldabilidade pelos processos convencionais MIG e TIG, conforme exposto nos gráficos das Figuras 16 e 17. Aceitou-se os materiais que apresentassem soldabilidade para os 7 É importante mencionar que este estágio da análise, considera todos os filtros realizados nas etapas inicias do processo de seleção, quando o estudo ainda não era divido em dois grandes grupos. 8 Esta ação é necessária, pois quando se trabalha na base de dados Eco design nível 3, alguns processos de fabricação, como as tecnologias de soldagem, não se encontram disponíveis. 29 processos entre “boa” e “excelente”. É importante ressaltar que desde esse momento, assumiu-se os processos de soldagem como adequados para a construção do tanque em material metálico. Figura 16 – Avaliação dos aços inox em função da soldabilidade pelo processo MIG. Figura 17 – Avaliação dos aços inox em função da soldabilidade pelo processo TIG. 30 Depois de avaliar os aços inox em relação aos processos de soldagem, selecionou-se as opções que apresentassem menores densidade e maiores módulos de Young, e menores preços e maior módulo (Figuras 18 e 19). Figura 18 – Avaliação dos aços inox em função da densidade e do módulo de Young. Figura 19 – Avaliação dos aços inox em função do preço e do módulo de Young. 31 Como foi utilizado um novo arquivo CES para fazer as análises apresentadas anteriormente, foram avaliados todos os aços inox disponíveis, isto é não foi considerado o fator de interação com alimentos, uma vez que esta ferramenta se encontra disponível apenas na base de dados nível 3 Eco design. Portanto, após selecionar os aços inox em função da soldabilidade, densidade, preço, e módulo de Young, retornou-se ao arquivo CES com a base de dados Eco design, e verificou-se dentre as opções selecionadas aquelas que tinham afinidade com alimentos. De todas opções disponíveis das análises realizadas anteriormente para os aços inox, 18 apresentavam propriedades positivas ao contato com alimentos. Para filtrar ainda mais os aços, buscou-se as soluções que apresentassem baixa dureza (Figura 20), pensando principalmente no beneficiamento da matéria prima durante a fabricação do tanque. Figura 20 – Avaliação dos aços inox em função da dureza Vickers (HV). Assim como foi feito para o processo de seleção dos polímeros, também foi criada uma tabela (Tabela 7) de seleção, para verificar as melhores opções mediante a classificação entre positivo e negativo para os respectivos índices de avaliação. 32 Tabela 7 – Avaliação dos aços inox em função dos índices. Material Stainless steel, austenitic, AISI 202, wrought, annealed Stainless steel, austenitic, AISI 205, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 429, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 430, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 434, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 436, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 442, wrought, annealed Stainless steel, ferritic, AISI 446, wrought, annealed Stainless steel, martensitic, 420S29, wrought Stainless steel, martensitic, AISI 403, wrought, annealed Stainless steel, martensitic, AISI 410, wrought, annealed Stainless steel, martensitic, AISI 410, wrought, intermediate temper Maior Menor Dureza Avaliação Preço Sold. Sold. (HV) (EUR/kg) Final MIG TIG 250 2,30 Excelente Excelente Descartado 245 1,64 Excelente Excelente Descartado 190 1,70 Boa Boa Adequado 195 1,84 Boa Boa Adequado 195 2,16 Boa Boa Adequado 170 2,14 Boa Boa Descartado 225 2,01 Boa Boa Descartado 225 2,23 Boa Boa Adequado 260 1,26 Boa Boa Adequado 200 1,11 Boa Boa Adequado 190 1,16 Boa Boa Adequado E (GPa) ρ (kg/m3) 210 201 205 205 205 205 205 205 205 205 210 7,90E+03 7,90E+03 7,85E+03 7,82E+03 7,83E+03 7,90E+03 7,90E+03 7,60E+03 7,80E+03 7,82E+03 7,85E+03 210 7,85E+03 330 1,16 210 201 7900 7600 330 170 2,3 1,11 Boa Boa Adequado 33 Entre as opções em aço inox, o Stainless steel, martensitic, AISI 410, wrought, annealed, não apresentou nenhum ponto negativo; manteve um equilíbrio entre os fatores densidade, dureza, e peso, além de dispor de um alto módulo de Young. Após selecionar o aço, em função da grande quantidade de opções, as ligas de alumínio foram filtradas em relação a aplicações destinadas ao contato com alimentos. Utilizou-se do comando search, inserindo a palavra-chave “food”, para verificar as opções que apresentavam aplicação irrestrita, isto é, não limitada a legislações específicas de alguns países, aplicações diretas para fins alimentícios (Figura 21). Figura 21 – Análise dos materiais em função da aplicação e condições de contato com alimentos. Sendo assim a melhor solução encontrada foi o Aluminium 514.0 sand cast F, cujas propriedades encontram-se disponíveis na Tabela 8. Tabela 8 – Propriedades alumínio 514.0. Propriedade E (GPa) ρ (kg/m3) Preço (EUR/kg) Sold. MIG9 Sold. TIG Valor 72,4 2,68 E+3 1,76 A A 9 A classificação “A” significa que a união pelo processo é fácil. As informações sobre a soldabilidade do alumínio 514.0 foram obtidas no Manual de Soldagem desenvolvido pela empresa Alcan Alumínio do Brasil S/A. 34 Assim como feito para os polímeros, as soluções disponíveis do processo de seleção entre os materiais metálicos foram submetidas a mais um processo de análise, o qual buscou definir qual a melhor opção para aplicação proposta, conforme mostrado na Tabela 9. Tabela 9 – Comparação entre o aço inox e o alumínio selecionado. Propriedade E (GPa) ρ (kg/m3) Preço (EUR/kg) Espessura gerada (fc) “Food Contact” Água Salgada Água Doce UV Infl. Avaliação Final AISI 410, Alumínio wrought, 514.0 annealed 210 72,4 7,85E+03 2,68 E+3 1,16 1,76 1,25 mm 1,72 mm Yes Yes Excelente Excelente Excelente Aceitável Excelente Excelente Não Não Selecionado Descartado Maior Menor 210 72,4 7850 7850 1,76 1,72 1,16 1,25 Como pode ser visto na Tabela 9 o aço inox (AISI 410, wrought, annealed), apresentou mais pontos positivos do que o alumínio, sendo então considerada a melhor opção para a fabrico do tanque em material metálico. Sugere-se a construção do tanque em aço inox, através dos seguintes processos: corte de chapas, dobramento (quinagem), e união das partes pelo processo de soldagem MIG. 35 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Após dividir o processo de seleção de materiais e dois grandes grupos, “Poliméricos” e “Metálicos”, encontrou-se em cada um deles a solução que melhor se adequava aos requisitos de projeto. Em outras palavras, ambos os materiais poderiam ser aplicados à fabricação do tanque. No entanto, para que o objetivo do trabalho fosse atingido, foi preciso determinar entre os dois materiais selecionados, o que de fato seria mais indicado para a construção do tanque especifico deste estudo. Sendo assim a determinação da melhor opção de material (Tabela 10), foi definida em função de características como: massa aproximada do tanque10, custo do material, custo total de material do tanque11, e o custo do processo de fabrico12 (considerando uma série de 200 unidades). Tabela 10 – Comparação entre o material metálico e polimérico. Stainless steel, martensitic, PBT (30% AISI 410, wrought, annealed glass fiber) Espessura (mm) 1,25 3,00 Massa total (kg) 13 6,5 Preço (EUR/kg) 1,16 3,21 15 20,7 Baixo Alto Fator Preço total (EUR) P. Fabrico Como pode ser verificado na Tabela 10, a solução polimérica apresenta um custo mais elevado em relação à matéria prima, o que implica em um maior custo ao produto final; além disso os processos sugeridos para a fabrico do tanque, injeção e sopro, são tecnologias que envolvem alto custo associado, principalmente para a produção de moldes, o que para uma série de 200 unidades, torna-se uma alternativa inviável. Em relação à massa total do tanque, o material polimérico fornece um menor valor, mesmo sendo utilizada uma espessura maior, o que se deve ao fato de a densidade do metal ser cerca de 5vezes maior que a do polímero. 10 O valor aproximado foi obtido a parti do software Solidworks. Foi utilizado o comando chapas metálicas para converter a estrutura em uma forma que pudesse ser determinada a espessura das paredes do tanque. O modelo desenhado encontra-se disponível no Apêndice A. 11 Determinado a partir da massa total do tanque e do preço por quilograma disponível no CES Edupack. Foi considerado o custo total de material. 12 Estimou-se em função dos recursos envolvidos. 36 Apesar da maior massa, a utilização do aço inox implica em menores custos, quanto à matéria prima e processo de fabrico. Desta forma o aço inox (Stainless steel, martensitic, AISI 410, wrought, annealed) foi selecionado como a melhor solução para a aplicação proposta, considerando ainda que o material apresenta melhores propriedades mecânicas, e maior potencial para suportar situações diversas em operação, garantindo uma vida útil de 5 anos. Por fim, com o objetivo de manter a temperatura da água e um nível que não congele, uma vez que o uso pode ser em condições entre (-10 e 40) ºC, sugere-se o uso de um sistema de aquecimento auxiliar automático, o qual permita monitorar a temperatura da água e acionar o aquecimento quando necessário. Outro fator que deve ser considerado é a aplicação de uma tintura fosca, que evite o encadeamento. 37 APÊNDICE A – Modelo 3D tanque Figura 22 – Modelo 3D do tanque em chapas metálicas (a), planificado (b), propriedades de massa (c). (a) (b) (c)