- Palestra - Extrudados de alumínio: produção e aplicações. Marcelo Gonçalves, PhD

(1)

- Palestra -

Extrudados de alumínio:

produção e aplicações

Marcelo Gonçalves, PhD

Transmissão ao vivo via web 13/08/2014

(2)

Extrudados de alumínio: produção e aplicações

Marcelo Gonçalves

Engenheiro Metalurgista, Mestre em Engenharia e Ph.D. pela

Universidade de Sheffield-Inglaterra. Tem atuado como Pesquisador, Consultor e Professor nas áreas de metalurgia e materiais. Atualmente,

é diretor da Alpina Consultoria e professor da ESEG - Escola Superior de Engenharia e Gestão. Nos últimos 25 anos vêm coordenando e

gerenciando projetos de pesquisa, desenvolvimento e inovação tecnológica voltados para processos e produtos metalúrgicos,

principalmente relacionados à indústria do alumínio, além de exercer atividades docentes nas áreas de metalurgia,

engenharia de materiais e engenharia de produção.

(3)

ROTEIRO

 Alumínio extrudado - generalidades

 Processo de extrusão do alumínio

 Aplicações do alumínio extrudado

(4)

O ALUMÍNIO EXTRUDADO:

GENERALIDADES

(5)

Al  150 anos

Cu, Pb, Sn  milhares de anos Produção mundial

em 2013 (toneladas):

Al primário  44,7 milhões Cu  21,4 milhões

Zn  13,1 milhões Pb  10,3 milhões

Ni  2,0 milhões Sn  0,4 milhões

Fonte: World Metal Statistics, June 2014

Atualmente são conhecidos 86 metais

Em ordem cronológica de

“descoberta”

• Ouro – 6000 AC

• Cobre – 5000 AC

• Prata – 4000 AC

• Chumbo – 3500 AC

• Estanho – 1750 AC

• Ferro – 1500 AC

• ...

• Alumínio – 1886 DC

• o mais jovem metal de

uso intensivo na sociedade contemporânea

Alumínio

(6)

 Metal estrutural mais abundante da Terra

 Excelente combinação de

propriedades mecânicas e físicas

 Aplicações desde a construção

civil até em sofisticados veículos aeroespaciais

 Metal de maior vocação para a reciclagem

 Al e suas ligas:

perspectiva de expansão de produção e utilização

bauxita - mineração

alumina - refinação

redução do minério

processamento

reciclagem

extrusão laminação

fundição

Alumínio

(7)

Produção Bauxita Alumina Alumínio Primário

1 Austrália China

2 China Austrália Rússia

3 Indonésia Brasil Canadá

4 Brasil EUA

5 Índia Índia Austrália

6 Guiné Rússia Emirados Árabes

7 Jamaica Índia

8 Rússia Irlanda Brasil

3. Brasil

1. Guiné

2. Austrália 4. Vietnã

7. Índia 5. Jamaica

7. Indonésia

Reservas de Bauxita

Alumínio

(8)

Brasil  7^o Produtor de Al primário 1.440 mil toneladas em 2011

Extrudados Transformados

2010 2011 2012 2013 2010 2011 2012 2013 Canadá e EUA 4,2 5,3 5,6 n.d. - - - -

Canadá - - - - 25,0 26,4 24,2 n.d.

EUA - - - - 25,7 26,8 27,5 n.d.

Japão 6,0 6,2 6,4 n.d. 25,7 28,7 29,2 n.d.

Brasil 1,6 1,7 1,8 1,8 6,9 7,4 7,4 7,5

Consumo “per capita” de alumínio (kg/hab. ano) O setor de extrusão no Brasil -

Generalidades

Fontes: The Aluminum Association, Japan Aluminum Association e ABAL

(9)

Bauxita e Alumina - Localização das Minas e Refinarias -

O setor de extrusão no Brasil - Generalidades

Fonte: ABAL, 2013

(10)

Alumínio Primário e Transformados

Fonte: ABAL, 2013

- Localização das Produtoras -

(11)

Extrudados Transformados 2011 2012 2013 2011 2012 2013

Produção (mil t) 326,1 332,1 357,8 1428,8 1398,3 1452,1

Consumo (mil t) 333,5 340,7 367,5 1451,8 1440,8 1512,5

Consumo (kg/hab.) 1,7 1,8 1,8 7,4 7,4 7,5

Extrudados ^ 22,3% do consumo de transf. em 2013

Produção e Consumo de Alumínio no Brasil

Fonte: ABAL, 2013

(12)

Total = 367,5 mil toneladas de alumínio em 2013

Fonte: ABAL, 2013

Consumo de Extrudados de Alumínio por Segmento Consumidor

(13)

Capacidade de Produção Instalada - Extrudados

Prensas Capacidade *

2007 107 271.000

2008 123 314.000

2009 128 324.000

2010 150 389.000

2011 162 469.000

2012 174 489.000

2013 209 833.000

* valores em toneladas

Fonte: ABAL, 2013

(14)

Extrudados de alumínio: produção

(15)

Vantagens do Alumínio:

- Reciclável e não tóxico - Baixa densidade

- Elevada resistência mecânica - Elevada resistência à corrosão

- Altas condutividades elétrica e térmica

- Não magnético, não combustível e não produz faiscamento

- Boa resistência mecânica em aplicações criogênicas

Vantagens na extrusão do alumínio

(16)

Vantagens do Processo de Extrusão:

- Diversificação de formas nos produtos - Rentabilidade elevada

- Possibilidade de produção única (perfis complexos) - Praticamente, produtos “sem costura”

- Fácil fabricação posterior (montagem) - Estreita tolerância dimensional

Vantagens na extrusão do alumínio

(17)

Extrusão de alumínio:

Conceitos gerais

(18)

Processo compressivo, pelo qual um lingote (também

chamado de tarugo ou billet) é forçado a passar pelo orifício de uma matriz, de maneira que ocorra uma redução de sua seção transversal (do tarugo), assim produzindo-se uma barra,

um perfil ou um produto tubular.

Extrusão

(19)

O Processo de Extrusão

Configuração básica

Extrusão

(20)

Extrusão Direta e Extrusão Indireta ou Inversa

Extrusão quanto ao método

(21)

Atrito MAIOR  Força ELEVADA Atrito MENOR  Força BAIXA

Forças da prensa: Extrusão direta x Indireta

(22)

Portanto:

Na extrusão direta a força durante a extrusão é ALTA, e

Na extrusão indireta a força durante a extrusão é BAIXA.

Mas:

Extrusão direta é mais fácil de se aplicar, e

Extrusão indireta é muito difícil de se aplicar .

(23)

Esquema de uma prensa de extrusão horizontal

(24)

Classificação dos metais para quanto à temperatura de extrusão

(25)

Tipos de Perfis Extrudados de Alumínio

(26)

Extrusão de ligas de alumínio:

Fundamentos sobre

processamento

(27)

Fluxograma típico de operações de processamento de Al extrudado

(28)

1. Temperatura de re-aquecimento/extrusão 2. Velocidade de extrusão

3. Deformação aplicada - Relação de Extrusão (4. Resistência à deformação da liga )

Relação de Extrusão:

RE = Área container / Área do perfil

1,2,3  pode-se controlar durante o processamento 4  característica do material, não controlo durante processamento

Principais variáveis a serem controladas no processo de extrusão do Al

(29)

Esquema mostrando as principais variáveis de processo na extrusão de Al

(30)

Outras variáveis práticas de processo:

1. Uso de lubrificante

(facilita a extrusão)

2. Temperatura do conteiner/ferramental

(temperatura  facilita a extrusão)

3. Uso de conicidade na matriz

^{(uso de}

conicidade facilita a extrusão)

(31)

1. Carregamento 2. Extrusão

3. Retirada do conteiner 4. Remoção do descarte

Sequência de operações na extrusão de Al

(32)

Extrusão com Mandril (pouco usado para Al) Extrusão de produtos tubulares

(33)

Extrusão de produtos tubulares

Extrusão com Mandril (pouco usado para Al)

(34)

Extrusão com matriz tipo aranha, típica para Al Extrusão de produtos tubulares

(35)

Extrusão com matriz tipo aranha, típica para Al

(36)

Extrusão com matriz tipo aranha, típica para Al (costura microscópica)

(37)

Câmara de caldeamento x Fluxo do metal Extrusão de produtos tubulares

(38)

Extrusão com matriz tipo aranha, típica para Al

(costura microscópica)

(39)

Prensas de extrusão

Generalidades

(40)

 Prensas Horizontais - típicas para Al

Prensas Verticais (não usadas para Al)

 Geralmente: Extrusão Direta

Extrusão indireta é rara

 Capacidade (força): 400 a 4.000 ton (típico)

 Diâmetro de conteiner: 3 a 10 polegadas

^(típico)

Prensas para extrusão de alumínio

(41)

Prensa típica para extrusão de ligas de Al

(42)

Prensa horizontal para extrusão direta Lay-out típico

(43)

Prensa típica para extrusão de ligas de Al

(44)

Extrusão de alumínio

Visita virtual a uma Fábricaf

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

(60)

Ferramentas para

Extrusão de Alumínio

(61)

Devemos lembrar sempre que:

“Um bom projeto da ferramenta é um dos principais fatores do sucesso na extrusão”

“Sem uma matriz adequadamente projetada, deverei ter

problemas no produto, e gastarei muito tempo na sua correção”

(62)

Ferramenta  MATRIZES de EXTRUSÃO (Ferramental  Matriz + ferramental acessório)

Esquema de arranjo típico de ferramental para extrusão de Al (perfil sólido)

(63)

Pontos importantes sobre MATRIZES:

Projeto 

Fabricação 

Correção (fluxo)  Material 

Tratamento Superficial - Nitretação 

Matrizes de extrusão

(64)



O PROJETO de uma ferramenta é um dos pontos mais importantes da operação de extrusão.

- A experiência do projetista de ferramentas é muito importante (o projeto é muitas vezes uma “Arte”  Arte x Ciência).

- Atualmente, uso intenso de CAD no projeto de matrizes.

(65)



A FABRICAÇÃO da matriz é a etapa seguinte ao projeto.

- Importância de uma boa ferramentaria.

- Técnicas de usinagem convencional: máquinas operatrizes convencionais, centros de usinagem com controle CNC.

- Uso extensivo de eletro-erosão.

- Atualmente, uso de CAM, muitas vezes associado a CAD.

(66)



A CORREÇÃO da ferramenta é uma etapa comum na extrusão do alumínio.

- Muito importante uma boa ferramentaria e a experiência do corretor.

- Métodos usados são “artesanais”.

- A correção é baseada em tentativa e erro.

- Interação com setor de producão é importantíssima.

- Visa principalmente a correção/otimização do fluxo do metal, controlando-se a geometria e dimensões do extrudado, e ainda evitando-se distorção do perfil.

(67)

MATERIAIS usados nas matrizes

 Aços ferramenta para trabalho a quente da série H:

tipicamente H11, H12 e H13 (temperados e revenidos)

 Características dos aços para matrizes:

• Elevada Dureza a frio

• Elevada Dureza a quente

• Elevada Tenacidade

• Elevada Resistência mecânica

• Boa Usinabilidade

• Elevada resistência ao desgaste abrasivo

• Elevada resistência à fadiga (térmica e mecânica)

(68)

NITRETAÇÃO de matrizes

Toda a ferramenta de extrusão é submetida a intenso desgaste superficial



Faz-se um tratamento termoquímico para endurecimento superficial das matrizes



NITRETAÇÃO

 Uma fina camada nitretada causa um aumento de dureza superficial na matriz, resultando na diminuição do desgaste abrasivo e assim aumentando a vida útil da ferramenta.

(69)

Esquema das instalações de uma unidade de Nitretação a gás

(70)

Fabricação de matrizes

Visita virtual a uma ferramentaria

(71)

(72)

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

(79)

Extrudados de alumínio:

aplicações

(80)

muito leve

~ 60% da densidade do Al resistência mecânica baixa

PVC

muito leve

~1/3 da densidade do Al boa resistência a compressão;

varia de acordo com o tipo de madeira Madeira

muito leve

~ 60% do peso do Al ampla variação de propriedades;

de 0,08 a 0,8 da resistência a tração dos extrudados de Al

Plástico conformado

~ 3 vezes do Al resistência mecânica

de média para baixa Extrudados

de Cobre

alta resistência mecânica muito alta

Aço laminado

leve

~ 1/3 do Cu ou do Aço resistência mecânica muito boa

Extrudados de Alumínio

Densidade Resistência à Tração

Propriedades

Extrudados de alumínio - propriedades

(81)

facilmente conformável ou moldado

pobre; não pode ser conformado rotineiramente

facilmente conformável ou moldado

excelente conformabilidade;

facilmente extrudado facilmente conformável facilmente conformável

e extrudado Conformabilidade

Excelente

(subst. alcalinas e sais) não diretamente aplicável;

se decompõe na presença de alguns ácidos

excelente; a escolha do composto e da cor são

importantes excelente

pobre; usualmente requer um revestimento para proteção

excelente; pode ser aumentada de acordo com o

acabamento Resistência a Corrosão

baixa - boa baixa - boa baixa - boa

baixa boa muito boa

Razão Peso / Resist.

PVC Madeira

Extrudados de Cobre Aço laminado

Extrudados de Alumínio Propriedades

(82)

cor integrada ao material pintura

deposição, pintura, impressão a quente muitos revestimentos

revestimentos protetores tais como pintura ou galvanização

pré acabamento mecânico / químico; pintura, anodização,

galvanização Acabamento

baixo valor de sucata; reciclado rotineiramente

PVC

baixo valor de sucata Madeira

reciclado rotineiramente porém com perdas de propriedades

valor de sucata muito alto Extrudados

de Cobre

baixo valor de sucata Aço laminado

alto valor de sucata; reciclado, rotineiramente, para gerar novos

extrudados Extrudados

de Alumínio

Reciclabilidade Propriedades

(83)

CONSTRUÇÃO CIVIL

PRODUTOS DE ENGENHARIA

 Bens de Consumo

 Ind. de Eletricidade

 Máquinas e Equipamentos

 Food Display e Refrigeração

TRANSPORTES

Extrudados de alumínio - aplicações

(84)

CONSTRUÇÃO CIVIL

 portas, portões, janelas e boxes

 fachadas, toldos, forros e divisórias

 persianas

 telhas, calhas e revestimentos externos e internos

 formas e estruturas

 sinalização rodoviária e urbana

 mobiliário urbano

 outros (respiradouros, dutos, trilhos de cortinas, etc.)

(85)

CONSTRUÇÃO CIVIL

(86)

CONSTRUÇÃO CIVIL

(87)

CONSTRUÇÃO CIVIL

(88)

 ar condicionado

 refrigerador

 freezer

 lavadora

 secadora

 microondas

 fogão

 aspirador de pó

PRODUTOS DE ENGENHARIA - BENS DE CONSUMO



Utensílios

(89)

 televisores

 aparelhos de som/vídeo

 câmeras de segurança

 escadas

 carrinhos



Utensílios

(90)

 produtos de escritório

 mobílias residenciais

 molduras para quadros

 persianas

 estantes, prateleiras



Mobiliário

(91)



Mobiliário

(92)

 luminárias

 lustres

 arandelas

 abajours

 refletores



Iluminação

(93)

 luminárias

 lustres

 arandelas

 abajours

 refletores



Iluminação

(94)

 pára-brisa

 suporte para lonas

 estruturas de portas e janelas

 tampas e compartimentos

 vigas estruturais

 quilhas

 yachts

 barcos  lanchas  navios

 canopie

 trilhos

 escadas



Ind. Marítima

(95)

 snowmobil e trailers

 sets de arco e flexa

 bastões de baseball

 bicicletas

 varas de esqui

 acessórios de pesca

 tacos de hockey / lacrosse

 poste de volleyball

 carrinhos de golf

 trilhos de piscina



Equipamentos Esportivos

(96)

 acessórios de alpinismo

 acessórios de camping

 dardos

 patinete

 outros



Equipamentos Esportivos

(97)

PRODUTOS DE ENGENHARIA – IND. DE ELETRICIDADE

 trocadores de calor

 gabinetes

 antenas

 unidades de força

 caixas

 painéis fotovoltaicos

 componentes de comunicação

PRODUTOS DE ENGENHARIA – MÁQ. E EQUIPAMENTOS

 máquinas e equipamentos para a indústria, agricultura e mineração

 sistemas e tubos de irrigação

 equipamentos de serviços

 transportador de caçambas

 andaimes

 componentes maquinários em geral

(98)

PRODUTOS DE ENGENHARIA

FOOD DISPLAY E REFRIGERAÇÃO

(99)

TRANSPORTE

(100)

 Extrudados - 45%

são utilizados em trocadores de calor

(radiadores / componentes do sistema de ar condicionado)

 Extrudados - 55%

são usados em componentes

do chassis, estruturas,

assentos, eixo de direção,

para-choques,

cilindros de freios TRANSPORTE

(101)

TRANSPORTE

Componentes de air bag

Estrutura do painel de instrumentos

Coxim de suspensão

Estrutura da carroceria Estrutura do

assento

Coluna de direção

Pistão de freio Sistema de

absorção de impacto Coxim do

motor Pistão para

compressor de ar-condicionado Sistema de

ar-condi- cionado Componentes

para radiador Alma do pára-choque

Componentes do motor

Coxim de transmissão Sistema

para teto Estruturas de

portas e janelas

Sistema de distribuição elétrica

(102)

Chapas – 71% (237)

Extrudados – 14% (47 peças) Fundidos – 15% (50 peças)

Audi A8 (1994) TRANSPORTE

(103)

Chapas – 64% (170 peças) Extrudados – 22% (59 peças) Fundidos – 14% (31 peças)

Audi A8 (2002) TRANSPORTE

(104)

Fundidos (Al) Extrudados (Al) Chapas (Al) Fundidos (Magnésio)

Audi R8 TRANSPORTE

(105)

1. Window/Door Frames

2. Air Intake Manifolds and Oil Coolers 3. AC Components (coolant lines,

condenser, charged air cooler) 4. Bumper

5. Radiator Enclosures/Grills 6. Steering Column

7. Cab Access Steps 8. Mirror Bracket

9. Seat Frames and Components 10. Grab Bar

11. Fuel Tank Filler Tube 12. Air Brake Dryer

13. Front Roof Radius

14. Refrigeration Components 15. Roof Bows

16. Top Rails

17. Scuff Liners 18. Wear Bands 19. Hinges

20. Structural Posts/Trim

21. Cross Members 22. Panel Dividers 23. Flooring

24. Bottom Rails

TRANSPORTE

(106)

Existem muitos usos de extrudados de Al em utilitários, incluindo:

 Suporte da roda

 Suporte do farol

 Suporte da lanterna

 Porta fusível

 Sistema de ventilação

 Vigas de segurança

 Tubo do sistema de injeção de combustível

Principais benefícios do uso de extrudados de Al em utilitários:

 Leveza

 Resistência a corrosão

 Soldável

 Conformável

 Tolerâncias curtas

 Reciclável

TRANSPORTE

(107)

20/08 Alumínio: parte da solução para construções sustentáveis 17/09 Laminados de alumínio: produção e aplicações

24/09 Fachadas unitizadas: tendências de aplicação do alumínio para obras institucionais e governamentais

22/10 Revestimentos de alumínio aplicados com eficiência na arquitetura moderna

29/10 Reciclagem do alumínio no Brasil: um caso de sucesso

12/11 O alumínio na indústria automotiva: inovação e competitividade

19/11 Mercado de trabalho e oportunidades para arquitetos e engenheiros civis na indústria do alumínio

Próximas Palestras via Web

(108)

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Extrudados de alumínio:

produção e aplicações

Marcelo Gonçalves, PhD

Marcelo Gonçalves

O ALUMÍNIO EXTRUDADO:

GENERALIDADES

Extrudados de alumínio: produção

Vantagens do Alumínio:

- Reciclável e não tóxico - Baixa densidade

- Elevada resistência mecânica - Elevada resistência à corrosão

- Altas condutividades elétrica e térmica

- Não magnético, não combustível e não produz faiscamento

- Boa resistência mecânica em aplicações criogênicas

Vantagens do Processo de Extrusão:

- Diversificação de formas nos produtos - Rentabilidade elevada

- Possibilidade de produção única (perfis complexos) - Praticamente, produtos “sem costura”

- Fácil fabricação posterior (montagem) - Estreita tolerância dimensional

Extrusão de alumínio:

Conceitos gerais

Processo compressivo, pelo qual um lingote (também

chamado de tarugo ou billet) é forçado a passar pelo orifício de uma matriz, de maneira que ocorra uma redução de sua seção transversal (do tarugo), assim produzindo-se uma barra,

um perfil ou um produto tubular.

O Processo de Extrusão

Configuração básica

Extrusão Direta e Extrusão Indireta ou Inversa

Portanto:

Na extrusão direta a força durante a extrusão é ALTA, e

Na extrusão indireta a força durante a extrusão é BAIXA.

Mas:

Extrusão direta é mais fácil de se aplicar, e

Extrusão indireta é muito difícil de se aplicar .

Extrusão de ligas de alumínio:

Fundamentos sobre

processamento

1. Temperatura de re-aquecimento/extrusão 2. Velocidade de extrusão

3. Deformação aplicada - Relação de Extrusão (4. Resistência à deformação da liga )

Outras variáveis práticas de processo:

1. Uso de lubrificante

2. Temperatura do conteiner/ferramental

3. Uso de conicidade na matriz

Extrusão com matriz tipo aranha, típica para Al

Prensas de extrusão

Generalidades

Extrusão de alumínio

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Ferramentas para

Extrusão de Alumínio

Devemos lembrar sempre que:

“Um bom projeto da ferramenta é um dos principais fatores do sucesso na extrusão”

“Sem uma matriz adequadamente projetada, deverei ter

problemas no produto, e gastarei muito tempo na sua correção”

Ferramenta  MATRIZES de EXTRUSÃO (Ferramental  Matriz + ferramental acessório)

Pontos importantes sobre MATRIZES:

Projeto 

Fabricação 

Correção (fluxo)  Material 

Tratamento Superficial - Nitretação 







Fabricação de matrizes

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Extrudados de alumínio:

aplicações

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