Os materiais compósitos à base de fibras de carbono devem ter um papel essencial na busca por carros mais leves, apesar dos enormes desafios para a produção.
Exigências ambientais cada vez mais rigorosas e o aumento do uso de automóveis nas cidades em desenvolvimento têm forçado a indústria automobilística a pensar diferente. O objetivo é obter novos formatos mais leves para a carroceria e maior duração para as baterias, sob a forma de carros híbridos ou puramente elétricos.
Até 2014, o mais tardar, quase todos os fabricantes oferecerão carros híbridos. Mas isso é apenas o começo. Ferdinand Dudenhöffer, professor e diretor do Centro de Pesquisa Automotiva da Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha, fala em mudança tecnológica.
“Até 2025, a porcentagem de carros novos movidos apenas a combustível terá caído para 35% em termos globais”, prevê.
Outra previsão estima que, dentro de 10 anos, serão vendidos cerca de 24 milhões de carros híbridos ou elétricos por ano. Segundo Dudenhöffer, essa cifra é conservadora. Porém, todos os fabricantes enfrentarão o mesmo problema – o peso. Quando se instala uma bateria, o peso de um carro puramente elétrico aumenta cerca de 250 kg, enquanto que no caso de um híbrido plug-in, esse aumento é de cerca de 200 kg.
A Volvo Cars está buscando uma possível solução. Juntamente com pesquisadores do Departamento de Aeronáutica do Imperial College de Londres, engenheiros de Gotemburgo, na Suécia, desenvolveram um material compósito feito de uma mistura de fibras de carbono e polímero que é capaz de carregar e armazenar energia. A ideia é que os futuros carros da Volvo tenham uma carroceria que funcione como uma bateria eletroquímica. Mas essa solução ainda está distante?
Per-Ivar Sellergren, engenheiro de desenvolvimento do Centro de Materiais da Volvo Cars, é otimista. “Se tudo correr conforme o planejado, teremos um protótipo na forma de um porta-malas até o final de 2012”, anuncia. O custo é um problema, mas segundo Sellergren, embora ainda sejam consideravelmente mais caros que o aço e o alumínio, os compósitos prometem ser o futuro dos carros elétricos e híbridos.
De acordo com os cálculos da Volvo, o custo de um capô feito com o novo material de bateria pode ser igual ao de um capô convencional mais uma bateria de íons de lítio. “Enquanto fabricantes, podemos absorver esse custo extra para o capô de fibra de carbono, porque na realidade estamos obtendo uma bateria de graça”, observa.
Segundo Ulf Carlund, especialista em compósitos da Volvo Cars, até agora os métodos de produção têm sido muito lentos, e é necessário aproveitar os investimentos anteriores nas fábricas de automóveis tradicionais. Em parte, isso também se deve ao fato de que as montadoras tradicionais, que trabalham com aço, têm tido dificuldade em pensar e trabalhar com compósitos. Porém, há uma grande vontade de mudar, e a presença de polímeros será cada vez maior tanto no interior como no exterior dos veículos novos, acreditam os especialistas da Volvo.
A Audi, com seu carro de alumínio A2, foi precursora na fabricação de carros leves. No centro para “estudos sobre peso” da empresa em Neckarsulm, no sul da Alemanha, os engenheiros da Audi aproveitam as técnicas de fibras de carbono já utilizadas pela subsidiária Lamborghini, bem como a tecnologia e a experiência com compósitos desenvolvidas pela empresa matriz, a Volkswagen, em seu modelo de luxo Bugatti.
No esportivo Audi R8 Spyder, que custa mais de 120 mil euros e é produzido a um ritmo de apenas 15 a 20 unidades por dia, a Audi utiliza polímeros reforçados com fibras de carbono nas duas laterais e na parte superior da estrutura da capota. Um prérequisito para que essa tecnologia seja mais rentável em carros mais baratos produzidos em massa é a possibilidade de substituir algumas peças de alumínio por uma única peça de fibra de carbono. “Em vez de cinco ou seis ferramentas diferentes, talvez possamos utilizar uma só”, destaca Karl Durst, engenheiro de desenvolvimento do Leichtbauzentrum da Audi.
Ali, entre outros projetos, as fibras são comprimidas para formar um material compósito, a fim de aumentar a diferença de peso em relação ao alumínio de cerca de 17–18% para cerca de 25%. O projeto busca encontrar um material que tenha a mesma capacidade para suportar cargas de peso e pressão que o alumínio. Mesmo assim, ainda há vários outros problemas, maiores e menores, a serem resolvidos, sobretudo a corrosão nas junções entre os compósitos e os outros materiais, ressalta Durst. Além disso, há o fator ruído. Quanto menor o peso do carro, maior o nível de ruído. Isso exige isolamento, o que por sua vez cria mais peso. Outro desafio será fazer com que os mecânicos aprendam a manusear o material. “Deve ser possível consertar o carro e substituir as peças de compósito até mesmo na menor oficina da Audi em qualquer lugar do mundo”, diz Durst.
O carro esportivo Audi R8 Spyder utiliza polímeros reforçados com fibras de carbono nas duas laterais e na parte superior da estrutura da capota.
O processo de fabricação precisa ser melhorado. Lars Herbeck, gerente da Voith Composites, subsidiária do fabricante alemão de máquinas Voith, prevê grandes necessidades em várias áreas. Uma delas é otimizar os processos quanto ao fluxo de materiais; outra seria conseguir um ritmo de produção de mais de 100 mil peças por ano, além de um ciclo muito mais rápido. Comparadas com as peças em alumínio, que podem ser fabricadas em segundos, a produção de peças maiores em compósito pode demorar de 20 minutos a uma hora. Isso funciona bem na indústria aeroespacial, mas não na indústria automotiva, que trabalha com linhas de montagem para produção em larga escala, injetando mais de 55 milhões de carros por ano no mundo.
Oliver Geiger, pesquisador do departamen to de materiais compósitos do instituto de pesquisa Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie em Pfinztal, Alemanha, está buscando formas de fazer com que grandes empresas trabalhem juntas em vários setores. Durst, da Audi, menciona a necessidade de um salto tecnológico, em vez de contar com uma evolução lenta.
A Daimler, que desde 2004 usa fibras de carbono em seu carro de corrida SLR McLaren, também está se concentrando fortemente no desenvolvimento tecnológico. Em abril de 2010, iniciou uma cooperação com a Toray, empresa química japonesa, líder mundial na fabricação de fibras de carbono. O objetivo é que, dentro de três anos, a empresa possa desenvolver peças em fibras de carbono para modelos com volume de produção média de 20 mil a 40 mil carros por ano.
Enquanto isso, a arquirrival BMW está sendo ainda mais ousada. Em parceria com a alemã SGL Carbon, a BMW está investindo 100 milhões de dólares em uma fábrica de compósitos em Moses Lake, Washington, nos Estados Unidos. Segundo o diretor financeiro da BMW, Friedrich Eichinger, a fábrica vai produzir “grandes volumes a preços competitivos”, pela primeira vez. A meta é reduzir o preço dos materiais para menos da metade do preço atual das fibras de carbono, utilizadas atualmente em carros de corrida a um custo de US$ 22 a US$ 55 o quilograma.
As fibras de carbono serão produzidas em duas linhas com capacidade anual de cerca de 1.500 toneladas e serão utilizadas na fabricação do novo carro elétrico da BMW, o Megacity Vehicle, um hatch de quatro lugares com uma bateria de lítio de 35 kWh, que terá autonomia de 100 km com uma carga. Uma variação esportiva, com um pequeno motor a diesel adicional e dois motores elétricos, deve ser capaz de atingir uma velocidade máxima de mais de 200 km/h.
O Megacity deve começar a sair da linha de produção em 2013–2014, em Leipzig, onde a BMW investiu mais de 400 milhões de euros. Segundo a empresa, será o primeiro carro de série do mundo com uma célula de passageiros toda feita de um compósito leve de fibras de carbono sobre um chassi de alumínio. Os primeiros esboços divulgados pela BMW mostram um carro que parece saído de um filme de ficção científica, com uma bateria semelhante a um colchão por baixo de todo o cupê, rodas de grandes dimensões e um visual dinâmico, mais agressivo.
Resta saber qual será o efeito no chão de fábrica em um setor já sob pressão. “É uma aposta”, admite um especialista em estudos sobre peso de um dos concorrentes da BMW.
O gerente Norbert Reithofer também está totalmente ciente dos riscos. Em uma conferência sobre carros em Nurembergue, em outubro de 2010, ele afirmou: “É possível que não ganhemos dinheiro durante o primeiro ciclo de produção com esta tecnologia, mas então ela será subsidiada pelas técnicas tradicionais.”
A linha de montagem constitui um grande desafio para os carros do futuro.
24
milhões de carros híbridos ou elétricos serão vendidos por ano até 2025.
35%
dos carros novos serão movidos apenas a combustível, segundo estimativas para o ano de 2025.
Fibra de carbono
Os compósitos utilizados nas indústrias aeroespacial e automotiva são formados, na sua maioria, por epóxi ou viniléster reforçados com fibras de carbono. As vantagens desses compósitos estão no baixo peso e nas propriedades mecânicas, como sua grande firmeza. As fibras de carbono se rompem facilmente, mas também podem ser conformadas para absorver grandes quantidades de energia. Isso é necessário nos carros de corrida, que podem sofrer colisões frontais em altas velocidades.
Os plásticos reforçados com fibras, menos avançados, são utilizados na indústria automotiva há muito tempo. Na antiga Alemanha Oriental, mais de 3 milhões de Trabants foram fabricados com duroplástico, composto de resinas fenólicas oriundas de fábricas de produtos químicos e algodão da União Soviética.
VISÃO TÉCNICA
Futuro incerto
Os compósitos já são um mercado em crescimento na indústria aeroespacial. A Sandvik Coromant oferece várias soluções de ferramentas nessa área, como brocas de metal duro e PCD (diamante policristalino). Na indústria automotiva, porém, ainda há muita incerteza com relação ao tipo de utilidade real que pode haver para os compósitos.
A tecnologia de fibras de carbono já está bem estabelecida para carros de Fórmula 1 e veículos caros de luxo ou esportivos. Mas esses carros são fabricados quase que manualmente em quantidades muito pequenas.
“Quando se trata de produção em massa, ainda estamos na fase de pesquisa e desenvolvimento”, diz Francis Richt, que trabalha com desenvolvimento de compósitos na Sandvik Coromant. “Mas estamos contando com que esse novo material seja utilizado em breve para reduzir o peso dos carros elétricos e híbridos.” Richt acrescenta que os equipamentos são mais complexos na indústria aeroespacial do que na automotiva, exigindo maior qualidade e o processamento simultâneo de compósitos e outros materiais, como o titânio.
“Sabemos que os carros têm uma estrutura mais homogênea do que os aviões. Isso reduz a necessidade de produzir milhares de furos e de fresar grandes áreas”, compara Richt. “Por outro lado, temos que estar preparados para usinar outros tipos de furos e cavidades. Mesmo assim, enxergamos demandas diferentes na indústria automotiva, em comparação com a aeroespacial.”
Hoje já existem ferramentas que podem ser usadas na indústria automotiva. Por exemplo, as brocas CoroDrill da Sandvik Coromant têm uma superfície de diamante, que melhora a qualidade do furo e o desempenho das máquinas dos clientes.
Os compósitos já estão sendo utilizados em carros de Fórmula 1. O desafio é trazer a técnica utilizada em pequenas quantidades para a produção em massa de carros particulares.
Como transformar a carroceria de um carro em uma bateria
Volvo Cars tem uma solução simples para reduzir o peso dos carros elétricos: em vez de instalar baterias pesadas, a empresa pretende transformar toda a carroceria do veículo em uma bateria. Isso pode poupar até 250 kg de peso, e cada kg é crucial para fazer com que os carros elétricos funcionem de verdade. No centro desta nova técnica está a utilização de novos materiais compósitos. A solução funciona assim:
