Estudo da viabilidade de aplicação de material polimérico utilizando otimização topológica e manufatura aditiva FDM em um componente automotivo

Abstract

A busca por novos materiais é uma prática bem estabelecida na indústria automotiva desde os primeiros veículos que contém componentes poliméricos. A cada nova geração de materiais se faz possível desenvolver novas soluções para otimização estrutural que reduzem custos de processamento, melhora de desempenho e ainda diminuição de peso. Dentre as técnicas que permitem a redução de massa dos componentes automotivos se destaca a utilização combinada do método dos elementos finitos e de fórmulas matemáticas para a otimização topológica. Porém, muitas vezes esta levará a geometrias impraticáveis pelos processos de fabricação tradicionais, e neste ponto a manufatura aditiva leva vantagem, pois é capaz de produzir geometrias complexas de design orgânico. Assim, o presente trabalho tem como objetivo viabilizar e validar a substituição de um componente mecânico metálico, a alavanca de freio de estacionamento, encontrado em automóveis por uma peça fabricada em um polímero de alto desempenho e com sua topologia otimizada por meio da manufatura aditiva. Através da seleção de materiais do portfólio de materiais de engenharia da linha Ultrafuse® da BASF Forward AM, levantou-se as principais características de cada opção à fim de obter a matéria prima polimérica com melhor custo-benefício para a fabricação do componente que foi otimizado topologicamente no software Fusion360 da Autodesk e fabricado na impressora 3D FDM da BCN3D modelo Sigmax R19. Dentre as opções avaliadas, o polímero Acetonitrile Styrene Acrylate (ASA) se mostrou a melhor opção devido a sua alta temperatura de transição vítrea e principalmente a sua resistência à degradação frente a exposição a raios UV. Os resultados dos ensaios mecânicos foram satisfatórios e validaram o design otimizado do componente que tem cerca de 30% da massa do modelo original, visto que os corpos de prova resistiram à carga máxima de 40 kg prevista na norma NBR 10966-2 com coeficiente de segurança maiores que 2,4.

The search for new materials is a well-established practice in the automotive industry since the first vehicles that contain polymeric components. With each new generation of materials, it is possible to develop new solutions for structural optimization that reduce processing costs, improve performance and even reduce weight. Among the techniques that allow the mass reduction of automotive components, the combined use of the finite element method and mathematical formulas for topological optimization stands out. However, this will often lead to geometries that are impractical for traditional manufacturing processes, and at this point additive manufacturing has an advantage, as it is capable of producing complex geometries of organic design. Thus, the present work aims to enable and validate the replacement of a metallic mechanical component, the parking brake lever, found in automobiles by a part made of a high-performance polymer and with its topology optimized through additive manufacturing. Through the selection of materials from the engineering materials portfolio of the Ultrafuse® line of BASF Forward AM, the main characteristics of each option were raised in order to obtain the most cost-effective polymeric raw material for the manufacture of the component that was optimized topologically in Autodesk Fusion360 software and manufactured on the BCN3D model Sigmax R19 FDM 3D printer. Among the options evaluated, the polymer Acetonitrile Styrene Acrylate (ASA) proved to be the best option due to its high glass transition temperature and especially its resistance to degradation in the face of exposure to UV rays. The results of the mechanical tests were satisfactory and validated the optimized design of the component that has about 30% of the mass of the original model, since the specimens resisted the maximum load of 40 kg provided for in the NBR 10966-2 standard with a safety factor. greater than 2.4.