Projecto FEUP: ^Adesivos estruturais em...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Projecto FEUP:

“Adesivos estruturais

em automóveis”

Carlos Manuel Prada Maia Neto

João Korrodi de Azevedo Gome Sottomayor

Jorge Manuel Maia de Andrade Moreira

Manuel Tiago Von Hafe Ferreira da Silva

Rita de Carvalho Mesquita Martins Afonso

Adesivos estruturais em automóveis

Vítor Rui Magalhães Veiga

Outubro de 2010

Projecto FEUP:

“Adesivos estruturais em automóveis”

Autoria:

Carlos Manuel Prada Maia Neto

João Korrodi de Azevedo Gome Sottomayor

Jorge Manuel Maia de Andrade Moreira

Manuel Tiago Von Hafe Ferreira da Silva

Rita de Carvalho Mesquita Martins Afonso


Vítor Rui Magalhães Veiga

Resumo

O presente trabalho decorre de uma pesquisa sobre adesivos estruturais,

nomeadamente a sua aplicação na indústria automóvel. Tem como objectivo

demostrar as aplicações específicas e pormenorizadas em automóveis, o porquê da

crescente utilização no mercado, assim como as razões subjacentes a este fenómeno.

Apresentam-se também, a título informativo, marcas e modelos de renome que

recorrem a esta tecnologia utilizam.

Hoje em dia, utilizam-se cada vez mais adesivos nas linhas de montagem da

indústria de automóveis, pois estes têm vantagens de peso sobre a vulgar soldadura.

Entre estas, surgem benefícios ao nível de custos, peso, resistência, flexibilidade e a

praticabilidade.

Existem vários tipos de adesivos, sendo que cada um tem um conjunto de

características específicas, que tornam a sua utilização mais adequada a partes

específicas do automóvel. Entre estas características, encontra-se a flexibilidade, a

resistência a condições extremas tanto de temperatura como de humidade, a

capacidade de aderir a superfícies sem rugosidade significativa entre outras.

Desta feita, a crescente utilização é um facto que decorre das incontestáveis

vantagens relativamente ao uso de soldadura. Os adesivos estruturais, surgem assim,

como parte integrante dos processos de fabrico na indústria automóvel da actualidade,

sendo previsível uma expansão da sua aplicação.


Nota do Autor

Agradecemos a pronta colaboração do Professor Lucas Silva e do monitor David

Gonçalves no decorrer deste trabalho. Juntos promoveram em nós, não só uma

vontade de saber mais acerca do tema, mas também uma capacidade crítica, dois

pontos fulcrais neste projecto. Agradecemos também à Sika que nos disponibilizou

material muito útil para a redacção do texto.


Índice

Agradecimentos

Índice

1. Introdução………………………………………………………………………………………………………..1

2. Adesivos estruturais ……………………………………………………………………………………….3

2.1. Constituintes dos adesivos estruturais ……………………………………………………..4

3. Tipos de Adesivos estruturais usados em automóveis....…………………………………..5

4. Vantagens e Desvantagens…………………………………………………………………………….7

4.1. Vantagens da utilização de adesivos estruturais em automóveis……………….7

4.2. Desvantagens da utilização de adesivos estruturais em automóveis………….8

5. Aplicações dos adesivos estruturais em automóveis……………………………………….9

6. Conclusão………………………………………………………………………………………………………21

7. Referências bibliográficas…………………………………………………………………………….22


Introdução

O propósito principal da elaboração deste relatório é de promover dinâmicas de

trabalho conducentes ao aprofundamento dos níveis de conhecimento sobre o tema

em análise. Por sua vez, tem também como função, desenvolver a capacidade crítica

dos alunos, face à diversidade de informação dos recursos disponíveis. Surge também

com finalidades de integração dos alunos, não só nas turmas, como também na

universidade.

Inicialmente iremos fazer uma pequena abordagem à evolução dos métodos de

junção de superfícies e seus constituintes. Posteriormente iremos esclarecer algumas

vantagens e desvantagens que advêm da utilização dos adesivos estruturais em

automóveis. Por fim, iremos desenvolver o tema fulcral do trabalho, indicando todas as

possíveis aplicações a nível dos automóveis. Em jeitos de finalização, explicaremos as

conclusões consequentes de todo o desenvolvimento trabalho.

No início de séc. XX as aeronaves usavam adesivos baseados em caseína

(material polimérico natural, derivado do leite), considerando-se que foi a primeira

utilização em massa de adesivos. No entanto, quando estes adesivos eram submetidos

a ambientes húmidos, tornavam-se muito fracos e produziam odores muito

desagradáveis.

Com o desenvolvimento desta área, os problemas de fraca durabilidade e

fragilidade foram ultrapassados nos anos 40 do século XX, o que contribuiu para o

aumento da utilização dos adesivos. Nesta altura, Bruyne e os seus colegas

modificaram a química dos adesivos, adicionando polímeros com uma boa tenacidade

(combinação de polivinilo formal com resol fenólico), o que permitiu a ligação de

materiais metálicos e de madeira com muito sucesso. Através dos trabalhos pioneiros

dos Engenheiros Britânicos nos anos 40 e 50, os aviões modernos estão dependentes

da sua utilização.

No geral, os adesivos actuais existentes são baseados em polímeros sintéticos,

tais como fenólicos, epóxidos, acrílicos e os uretanos.


As etapas de aplicação de um adesivo podem sequenciar-se de acordo com a

seguinte ordem:

1º - Selecção do adesivo;

2º - Projecto da junta;

3º - Preparação da superfície;

4º - Fabrico da junta;

5º - Controlo do processo;

Os parâmetros mais importantes da selecção do adesivo são a resistência, a

temperatura de utilização, o meio ambiente e o método de aplicação. Para projectar a

junta é necessário conhecer as propriedades do adesivo de forma a garantir que o nível

de tensão no adesivo não excede a sua resistência. Depois de se conhecer o tipo de

adesivo e material a ligar, deve-se preparar a superfície de modo a garantir uma boa

adesão inicial. Para garantir que a junta fabricada tem uma boa resistência a curto e

longo prazo, esta deve ser sujeita a um processo de controlo através de ensaios

destrutivos.


2. Adesivos estruturais

As ligações entre os componentes têm evoluído bastante ao longo das últimas

décadas. Uma das primeiras técnicas a ser utilizadas pelo Homem para proceder à

ligação de diferentes peças foi a colagem.

De facto, existem várias técnicas para fazer a ligação entre as diversas

componentes, como por exemplo a soldadura, brasagem, rebitagem, aparafusagem e

colagem. Deste entre todas as referidas, a que mais interesse tem despertado e aquela

que mais tem evoluído é a colagem estrutural de componentes.

Com os avanços da tecnologia, também as técnicas foram evoluindo, surgindo

os adesivos. Estes eram fabricados, de um modo geral, a partir de materiais de origem

orgânica. Hoje em dia recorre-se aos adesivos sintéticos, que são de qualidade

superior.

A noção de adesivo estrutural surgiu a partir da altura em que se começaram a

realizar colagens, pois havia necessidade de assegurar a transmissão de esforços de

uma peça para a outra. Nestas ligações o adesivo apresenta uma resistência

equivalente aos materiais constituintes da estrutura a ser colada. Ttorna-se parte

integrante de estrutura, em oposição aos produtos de revestimento, originando a

designação de adesivos estruturais para os adesivos capazes de suportarem a

transmissão de esforços de grandeza considerável.

Os adesivos estruturais são materiais de elevada resistência e desempenho.

Estes adesivos possuem, não só uma resistência ao corte superior a 5-10 MPa, como

também uma boa resistência às adversidades do meio ambiente. Os adesivos

estruturais são normalmente fabricados com base em resinas termoendurecíveis,

modificados por resinas termoplásticas. Têm como objectivos fazer a ligação entre os

substratos e resistir a elevados pesos, sem sofrer qualquer tipo de deformação. De

facto, ainda existe outro tipo de adesivos, denominados adesivos não estruturais. Estes

apenas têm como função manter a posição de elementos leves. Aparentemente os

adesivos não estruturais apresentam mais desvantagens, nomeadamente o facto de

não suportarem cargas muito pesadas, e apenas assegurarem ligações temporárias.


Contudo, o uso conjunto dos dois tipos de adesivos permite diminuir o número das

ligações mecânicas e evidencia determinadas vantagens, tais como o amortecimento

de vibrações, vedação ou isolamento.

2.1. Constituintes dos adesivos estruturais

Os adesivos modernos têm uma composição bastante complexa de

componentes, cujas funções são bastante especializadas. Como era de esperar, a

selecção dos ingredientes depende do produto desejado, do processamento e do

orçamento em vista. Deste modo, os diferentes constituintes dos adesivos são: “base

ou ligante; catalisador ou endurecedor, acelerador, inibidor, acelerador e retardador;

solventes; diluentes; distensores; cargas; suportes e reforços; plastificantes; tackifiers;

espessantes e agentes tixotrópicos; formadores de filme; agentes antioxidantes, anti-

hidrólse e antifungos; sabões, detergentes e agentes de molhagem.” (Silva, Lucas Filipe

Martins da, António G. de Magalhães and Marcelo F. S. F. de Moura. 2007. Juntas

Adesivas Estruturais. Porto: Publindústria.)

[1]


3. Tipos de adesivos estruturais

Efectivamente, existem diversos tipos de adesivos. A escolha destes é feita com

base no futuro uso que irão ter. Os adesivos estruturais funcionam como o meio de

ligação entre as junções estruturais. Deste modo, passo a citar os diferentes adesivos

estruturais mais utilizados:

3.1. Epóxidos

O aparecimento deste tipo de adesivos no mercado deu-se em 1946.Os

epóxidos são frequentemente aplicados a nível automóvel e aeronáutico, uma vez que

possuem enumeras propriedades vantajosas para estes tipos de estruturas. É de

salientar a grande resistência à tracção e ao corte. Contudo, têm pouca resistência ao

arrancamento. Estes são constituídos por uma resina epóxida e um endurecedor. Para

que a sua resistência às adversidades aumente, estas juntas adesivas são pós-curados

e, deste modo, o adesivo endurece.

.

3.2.Fenólicos

Este adesivo forma-se devido à condensação de fenol com o formaldeído, e

utiliza-se principalmente para colar madeira. Como têm uma boa resistência ao calor,

são usados em calços de travão, discos abrasivos, lixas e moldes de fundição. Uma das

suas vantagens é o custo baixo de produção. Geralmente, é aplicado como uma

solução em álcool, acetona ou água, que como o adesivo é curado a 140ºC durante

vários minutos, o que evapora a solução e permite a adesão dos dois substratos.


3.3.Poliuretanos

Contrariamente aos epóxidos, os poliuretanos são flexíveis e possuem elevada

resistência ao corte e ao arrancamento, são dos melhores adesivos para temperaturas

muito baixas (criogénicas), boa resistência química e baixa resistência a altas

temperaturas.

Como possuem boa molhabilidade e boa flexibilidade, os poliuretanos aderem

bem a uma elevada gama de substratos, incluindo polímeros difíceis de colar e devido

a sua flexibilidade são usados para ligar filmes, folhas metálicas e elastómeros.


4. Vantagens/ Desvantagens

4.1. Vantagens da utilização de adesivos estruturais nos automóveis

Durante os últimos anos a adesão à utilização das juntas adesivas tem vindo a

aumentar significativamente. Tal facto está relacionado com as inúmeras vantagens

adjacentes a estas novas estruturas e com um maior conhecimento público.

O processo evolutivo tem também pesado a favor, através de variados

progressos a nível do aumento da qualidade do processo e uma diminuição dos custos

a nível da indústria. Deste modo, todas as vantagens são fruto das características e

modo de utilização dos adesivos estruturais:

Distribuição uniforme dos esforços mecânicos (tensões). Assim é evitada

a concentração de forças num só local, permitindo, deste modo, uma

distribuição constante das tensões, bem como uma redução do peso

(LUCIC, 2006).

Permite agregar as mais variadas peças, independentemente da sua

estrutura geométrica e constituição.

Possuem um bom isolamento que impede a corrosão dos materiais e

origina um melhor contacto entre as superfícies ligadas.

Evita o uso de furos e eventuais soldas, levando a um melhor

acabamento, permitindo, assim, obter estruturas com contornos

regulares.

A simplificação do processo de colagem suscita uma diminuição do custo

de produção.

Diminuição das vibrações. As propriedades físicas dos adesivos, como a

alta resistência à compressão e elevado alongamento possibilitam a

utilização dos adesivos em determinadas zonas onde é necessária a

absorção de tensões.

Quando sujeitos a factores externos como vibrações e corrosão, etc, a

sua constituição/ forma não se altera, mantendo-se uniforme. [2]


4.2.Desvantagens da utilização de adesivos estruturais nos automóveis

De facto, os adesivos estruturais têm algumas limitações. Para que se

obtenham os resultados esperados é necessário ter em causa todas as restrições,

de modo a verificar um melhor aproveitamento da aplicação. É de salientar:

Os materiais constituintes dos adesivos (natureza polimérica), não são

totalmente resistentes a determinadas condições extremas.

Para que se consiga a junção de duas superfícies, através dos adesivos, é

necessário que ambas as zonas sejam devidamente preparadas e testadas.

Não existe um critério de dimensão universal, dos adesivos. Existem alguns que

funcionam bem, mas apenas em determinadas situações.

[3]


5. Aplicações dos adesivos estruturais nos automóveis

Os adesivos estruturais são utilizados em diversos ramos da indústria como por

exemplo poliuretano expansíveis na construção Civil ou epóxidos estruturais aplicados

na carroçaria de veículos. Os adesivos em automóveis são utilizados em quatro

aplicações: vedação, adesão, travamento e fixação.

1. Vedação

Nesta aplicação os adesivos têm como função impedir a passagem de gases ou

líquidos entre as superfícies em quais os adesivos são colocados. As diferentes formas

exigem diferentes tipos de adesivos.

Na figura 1 está representada a aplicação de adesivo (neste caso silicone) no carter de

um automóvel.

Figura 1 – Vedação de Carter usando silicone (Handbook Loctite, 1995). [4]


2. Adesão

A adesão consiste na união de duas ou mais partes não cilíndricas. O adesivo

que deve ser utilizado é determinado tendo em conta as características da aplicação. É

apresentado na Figura 2 um componente estrutural de um automóvel que adere à

carroçaria do automóvel através da utilização de adesivo acrílico especial.

Figura 2 e 3 – Adesão de “front end” automóvel com adesivo acrílico (VW POLO) [4].

3. Travamento

O conjunto porca/parafuso ainda é um dos sistemas mais utilizado para união de

partes. A função deste sistema é unir e manter ligadas as peças através de compressão,

permitindo ao mesmo tempo a sua desmontagem para operações de manutenção das

peças. Devido a factores externos como corrosão, vibrações ou simplesmente

relaxamento da tensão no parafuso, existe a possibilidade de falha do conjunto

porca/parafuso. Desta forma a utilização de adesivos anaeróbicos entre as superfícies

roscadas impede a falha. A utilização destes adesivos permite também amortecer as

vibrações e aumenta a área de atrito entre as partes.


4. Fixação

A fixação consiste na união de elementos cilíndricos, tendo-se como exemplo a

união da engrenagem ao eixo. Neste caso além de impedir o deslocamento, o adesivo é

responsável por transmitir esforços para o eixo. Nesta aplicação o adesivo pode

complementar os processos de montagem aliviando as condições de interferência.

Em automóveis a utilização de adesivos estruturais é feita em vários locais e como

exemplo temos:

Árvores de transmissão (o elemento que transmite a potencia do motor para as

rodas);

Ligações compósito/metal;

Colagem da grelha frontal e selagem dos faróis

Fig.4-Faróis dianteiros VW Golf V. [11] Fig.5- Grelha frontal Audi. [11]


Reforço estrutural

Fig.6- Alguns pontos estruturais onde se aplicam adesivos para aumentarem a

resistência ou flexibilidade.

Fig.7- Visão geral dos reforços estruturais. [11]


Revestimentos acústicos e insonorização interior com aplicação de painéis

isolantes

Fig.8 e fig.9 – Locais de aplicação dos adesivos. [11]


Pára-brisas

Fig.10 e fig.11 – Aplicação de adesivo no pára-brisas e aplicação robotizada do mesmo.

[11]


Fig.12 – Montagem robotizada da estrutura inferior do automóvel. [11]

O bloco da frente do Automóvel, se este for construído em compósito e

alumínio, e na aplicação do pára-choques, na sua fixação a estrutura do

automóvel;

Fig. 13:

1 - Tablier

2 – Apoio do pára-brisas

3 – Longarina estrutural frontal direita

4 – Cones de absorção

5 – Suporte do pára-Choques

6 – Suporte da bateria

7 - Longarina estrutural frontal esquerda

1

3

2

4

5

6

7


Na estrutura inferior do automóvel

Fig.14:

8 – Fixação dos assentos

9 – Túnel

10 – Pavimento da frente

11 – Pavimento de trás

12 - Bagageira

10

11

12

8

9


Exemplos:

A Lotus é das contrutoras que mais utiliza adesivos nos seus automóveis, aqui como

exemplo do Exige S, modelo inspirado nos modelos de competição. A Lotus, que anunciou em

Setembro de 1995 a sua utilização, foi pioneira utilizando resina de epoxido para unir partes da

estrutura. Representou um grande avanço na tecnologia de construção dos carros desportivos.

[5]

Fig. 15 – Lotus Exige S.


O Lamborghini Reventon Roadster, tal como a versão Coupé, a célula do piloto é

fabricada em aço de alta resistência e fibra de carbono unidos por adesivos estruturais

altamente sofisticados e por rebites especiais. A maior parte do exterior do veículo

também é feita de carbono. [6]

Fig. 16 - Lamborghini Reventon Roadster.

O modelo Serie 7 da BMW é um dos automóveis que utiliza mais colagem, com

cerca de 150 m de falanges colados, que corresponde a cerca de 80 % do total e 1,5kg

de adesivos, isto aumenta a rigidez estática global entre 10 e 15 % e incremento na

rigidez na dinâmica global entre 1 e 1,5%. [7]

Fig.17 – BMW 7 Series 2002.


O Ford GT-40 tem o tejadilho de compósito moldado onde os painéis são ligados por

adesivo; [8]

Fig.18 – Ford GT.

O Aston Martin Vanquish S contém alumínio e compósito de carbono que são

ligados por adesivo; [8]

Fig.18 - Aston Martin Vanquish S.


O modelo FXX da Ferrari também utiliza adesivos estruturais para unir as várias peças

de fibra de carbono. [9]

Fig.19 – Ferrari FXX Evo.

Fig.20 – Mazda 3. [10] Fig. 21 – Ilustração do adesivo

no aileron trazeiro do Mazda 3. [11]


5. Conclusão

Concluímos que a utilização de adesivos é essencial em inúmeras ocasiões,

proporcionando vantagens a nível estrutural bastante relevantes, tanto em resistência

como em flexibilidade. A utilização dos mesmos terá um crescimento positivo para o

futuro visto que essas características em bastantes situações superam as normais

soldas e outros métodos de união de materiais.

A pesquisa e análise de informação sobre o tema do estudo proporcionaram

aquisições relevantes, numa área de todo desconhecida. Desta feita, o Projecto FEUP,

através do seu objecto de estudo configurou-se como uma mais-valia para o

enriquecimento do nosso conhecimento sobre adesivos estruturais, assunto este pelo

qual de outra maneira nunca teria, com certeza, a nossa atenção.

Para além da aquisição de conhecimentos, é ainda de salientar a sua

importância no âmbito do desenvolvimento de competências. Implicou a capacidade

de pesquisar, seleccionar e resumir informação sobre este tema e tentamos dispô-la

neste relatório de maneira a que seja facilmente compreensível e interpretada para

aqueles que queiram saber mais sobre o tema. De igual modo, surgiu como uma

estratégia privilegiada para promover a integração dos alunos na FEUP e o

conhecimento dos novos colegas.


Referências bibliográficas

[1]http://www.engenhariacivil.com

[2]http://multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId=66666UuZjcFSLXT

tNXM_4XM6EVuQEcuZgVs6EVs6E666666-- (1 de Outubro de 2010, 12:07h)

[3]http://conceicaocamargo.wdfiles.com/local--files/engenhariadeproducao5-

periodo/resistência%20mecânica%20de%20junções%20adesivas.pdf (21 de

Setembro de 2010, 20:33h)

[4]http://www.netcarshow.com/volkswagen/2006-

olo_bluemotion/800x600/wallpaper_0f.htm (21/10/2010)

[5]http://www.netcarshow.com/lotus/2005-elise/ (21-10-2010)

[6]http://www.netcarshow.com/lamborghini/2010-reventon_roadster/ (21-10-

2010)

[7] TECNOLOGIA DE UNIÃO DE MATERIAIS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA por

Johnny K Larsson; Volvo Car Corporation, Suécia: Artigo publicado

anteriormente na Revista Welding Journal)

[8] Silva, Lucas F. PDF Adesivos Estruturais.

[9] http://www.netcarshow.com/ferrari/2008-fxx_evolution/ (21-10-2010)

[10]http://www.netcarshow.com/mazda/2006-

3_mps/800x600/wallpaper_0b.htm (22-10-2010)

[11] Sika Portugal - Produtos Construção e Indústria, SA, [email protected]

http://www.engenhariacivil.com/

http://multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId=66666UuZjcFSLXTtNXM_4XM6EVuQEcuZgVs6EVs6E666666--

http://multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId=66666UuZjcFSLXTtNXM_4XM6EVuQEcuZgVs6EVs6E666666--

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http://www.netcarshow.com/volkswagen/2006-olo_bluemotion/800x600/wallpaper_0f.htm

http://www.netcarshow.com/volkswagen/2006-olo_bluemotion/800x600/wallpaper_0f.htm

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