12-Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais - Poli-Elétrica - Seleção de Materiais

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
PMT 3100 - Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais
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SELEÇÃO DE MATERIAIS
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SELEÇÃO DE MATERIAIS
Tópicos da aula
Aspectos gerais sobre os materiais e projeto de um produto.
Propriedades dos materiais e concepção de um produto: 
tradução das restrições, objetivos e definição de “índice de 
desempenho”.
Diagramas de propriedades (diagramas de Ashby).
Exemplo de seleção de materiais.
Análise de ciclo de vida (ACV) de um produto.
Exemplo de aplicação de ACV.
Eco-design.
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http://inventor.grantadesign.com/en/notes/science/material/C04%20Annual%20world%20production.htm
Produção mundial anual de materiais por tonelagem 
(dados de 2002-2004)
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http://www.matweb.com/search/MaterialGroupSearch.aspx
QUAL MATERIAL SELECIONAR?
>108000
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EVOLUÇÃO EM MATERIAIS COM O TEMPO
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SELEÇÃO DE MATERIAIS: DESAFIOS ATUAIS
Número de materiais de engenharia e dos processos de
fabricação cresceu de modo muito intenso ao longo do
século XX.
 Durante a revolução industrial existia aproximadamente uma
centena de materiais. E hoje em dia? Muito mais do que
100.000 materiais....
Como selecionar materiais e projetos tendo em vista 
objetivos e condições de contorno do projeto do 
componente?
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SELEÇÃO DE MATERIAIS: O PROJETO
Projeto: processo de traduzir uma ideia nova ou
necessidade de mercado em informações detalhadas de
manufatura de um produto.
Cada etapa do projeto envolve decisões sobre materiais e
processo de fabricação.
Processo de seleção: baseia-se na relação existente entre as
condições de uso do componente e as propriedades
desejadas para o material.
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Nota
Botar no papel
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Nota
selecionar o material.null1-Tem condições? Corrói, é caro, tem temp de fusão adequada, sofre desgaste, etc?null2-Visto se tem condições, as propriedades dele atingem as expectativas do uso final? Ou seja, é adequado para o projeto esse material?
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PROJETO
As condições de contorno do projeto são obtidas através da 
elaboração da “tradução dos requisitos de projeto”, a qual se 
faz através de perguntas e respostas, tais como: 
Qual a função do componente?
• suportar momento fletor, conter uma pressão externa, 
transmitir calor, etc.
Quais as condições essenciais que devem ser atendidas?
• o componente deve suportar as tensões sem falhar, possuir 
controle dimensional adequado, suportar faixas de 
temperaturas e diferentes ambientes
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Nota
Para não dar problemas!!
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Nota
Para ver em que peça será convertido o material
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PROJETO
... perguntas e respostas: 
Quais os objetivos do projeto?
• fazer produto o mais barato possível, ou mais leve, ou 
ecologicamente correto
Quais os parâmetros que o projetista tem liberdade de 
alterar?
• material, processo de fabricação, geometria, condições de 
uso.
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Nota
o que TEM que ter?
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Nota
o que não precisa ter?
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ESTÁGIOS DO PROJETO CONFORME ASHBY
Repetir
Necessidades do mercado:
Requisitos do projeto
Especificação 
do produto
Conceito
Realização
Detalhe
Definir especificação.
Determinar a estrutura da função. 
Procurar princípios de trabalho. 
Avaliar e selecionar conceitos.
Desenvolver layout, escala, forma.
Modelar e analisar as montagens.
Otimizar as funções.
Avaliar e selecionar os layouts.
Analisar os componentes em detalhe. 
Escolha definitiva do material e do 
processo.
Otimizar o desempenho e custo. 
Preparar o projeto detalhado.
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1-Teoria
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Nota
2-simulação
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Nota
3-mais simulação, e por fim o veredito final
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5-revisar se tudo funciona mesmo. Se não, ver outro material ou até redesenhar as etapas de conceito e de realização, se necessário
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FERRAMENTAS DE PROJETO E SELEÇÃO DE MATERIAIS
Necessidades do mercado:
Requisitos do projeto
Especificação 
do produto
Modelagem e 
otimização.
Estimativas de 
custo.
Ferramentas
do projeto
Precisão e 
detalhes 
aumentam em 
cada etapa
Necessidades de 
dados dos materiais
Conceito
Realização
Detalhe
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NX, word, CADs photoshop, notebook, ACV etc,
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SELEÇÃO DE MATERIAIS
Deverá ser adequada a cada situação e depende de uma 
boa análise de fatores relevantes para cada circunstância.
 Interage com todos os pontos do projeto de engenharia e o 
processo de fabricação do produto.
Material
FunçãoForma
Processo
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Exemplo: dispositivo para abrir garrafa com rolha
Modos para ter acesso ao vinho:P
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EXPLORANDO OS PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
EXIGÊNCIAS FUNCIONAIS
• Uma rosca barata para transmitir uma carga específica para a 
rolha;
• Uma alavanca leve para realizar um momento de flexão 
específica;
• Uma lâmina fina que não se dobre quando conduzida entre a 
rolha e o gargalo;
• Uma agulha oca fina, dura e forte o suficiente para penetrar na 
rolha;
• etc
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Propriedades 
dos Materiais
Estrutura
Composição e 
Processo de 
Fabricação
DESEMPENHO
DO PRODUTO
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METODOLOGIA NA SELEÇÃO DOS MATERIAIS
Tradução dos requisitos do projeto que se exprime pela 
função, restrições, objetivos e variáveis livres.
Triagem usando as restrições permite eliminar os materiais 
que não podem executar o trabalho.
Classificação usando os objetivos que vai individualizar os 
materiais que fazem o trabalho melhor.
Procura de informações de apoio através da pesquisa dos 
“antecedentes familiares” dos materiais que se destacaram 
como melhores.
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Nota
"usando os", "de acordo com" os objetivos
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Nota
ver histórico do produto
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ÍNDICES DE DESEMPENHOS (ID)
• ID: funções específicas derivadas das equações do projeto 
que envolvem não somente propriedades do material.
 ferramenta fundamental para a seleção de materiais: são 
grupos de propriedades do material (incluindo o custo) as 
quais são medidas úteis para comparação.
permitirá classificar os materiais mais adequados para o 
uso
 a escolha final depende de vários outros fatores: vão 
desde legislação ambiental até a situação política dos 
fornecedores de matérias primas.
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Nota
matematizar e rankear de acordo com os materiais mais adequados. Atribuir "notas" ao material de acordo com sua sintonia com a proposta do projeto.
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Exemplos de índices de desempenho
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Exemplo: Tirante forte e leve
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Função: Tirante
Objetivo: Minimizar a massa  m = AL   = densidade
Restrições: O comprimento é especificado (L).
Não pode falhar sob carga.
Deve ter tenacidade à fratura adequada.
Variável livre: A escolha do material.
A área (A) eliminar usando as equações acima.
Assim para minimizar a massa, escolher o 
material com o menor valor de (/y)
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Nota
área sujeita a análise de ID
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DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES OU DE ASHBY
São gráficos (mapas) onde se representa uma propriedade 
contra uma outra mostrando a correlação entre elas.
A concepção original é do Prof. Michael F. Ashby publicada 
nos anos 80-90.
São muito bons na seleção de materiais por apresentarem um 
resumo de uma ampla faixa de propriedades.
As combinações mais comuns são:
 Módulo versus Densidade
 Módulo versus Resistência
 Resistência versus Custo
 Tenacidade à fratura versus Resistência
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Elastômeros
Metais
Madeira
Cerâmicos
Compósitos
Velocidade 
das ondas 
longitudinais
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Módulo-Densidade
Densidade (mg/m3)
102 m/s
3x102 m/s
3x103 m/s
103 m/s
Espumas Polímeros
: velocidade das ondas longitudinais; 
E: módulo de Young; : densidade.
DIAGRAMA DE ASHBY DOS MATERIAIS
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Exemplo: Materiais para remo
Mecanicamente, o remo é uma viga sob carga de flexão.
Punho
Eixo
Colar Luva Pá
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REQUERIMENTOS
Função: Remo – significando uma viga rígida e leve
Objetivo: minimizar a massa
Restrições: Comprimento (L) especificado.
Resistência a flexão (S) especificada.
Tenacidade (G) > 1kJ/m2.
Variável livre: Diametro do eixo
Escolha do material
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DIAGRAMA DE ASHBY DOS MATERIAIS
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Possíveis escolhas
Madeiras – tendem a absorver água.
Cerâmicas (B4C, Si3N4, SiC) – não apresentam a 
tenacidade especificada. 
Polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP).
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ANÁLISE DE CICLO DE VIDA (ACV) DE UM PRODUTO
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Atributos ecológicos
• Energia;
• CO2 e outras emissões;
• Toxidez;
• Habilidade de ser reciclado ou 
coisa semelhante.
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ACV
Necessidades do mercado:
Requisitos do projeto
Conceito
Realização
Detalhe
Manufatura e 
distribuição
Especificação 
do produto
Ferramenta para 
análise do produtoSeiji
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 Passo 1: Procurar método rápido e preciso para guiar o 
processo de decisão – ferramenta de projeto.
 Passo 2: Procurar medida única para tensores ambientais: 
energia ou CO2?
Aumentando detalhe, custo e tempo de ACV....
Eco-
triagem
ACV
simplificado
ACV 
completo
ACV
dimensionamento
Minutos Horas Dias Meses
ESTRATÉGIAS PARA GUIAR UM PROJETO SUSTENTÁVEL
Seiji
Nota
Os tensores ambientais são definidos como qualquer fator que retire energia dos organismos e restrinja qualquer etapa de seu desenvolvimento causando um desequilíbrio no ambientenullnullhttp://www.aba-agroecologia.org.br/revistas/index.php/rbagroecologia/article/view/9794
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 Passo 3: Separar as fases de vida de um produto e
identificar as fases críticas; exemplo em termos de energia
despendida.
ESTRATÉGIAS PARA GUIAR UM PROJETO SUSTENTÁVEL
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Nota
identificar onde dá mais problema, que etapa torna(ria) o material mais vantajoso, etc
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 E
P
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31
Qual a energia incorporada (Hm) no material?
É a energia (excluindo a dos biocombustíveis) que é usada
para produzir uma unidade de peso de material a partir do
processamento e transporte de suas diversas matérias-
primas.
Exemplo: a produção do poli(tereftalato de etileno) (PET)
Seiji
Realce
Seiji
Realce
P
M
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 3
1
0
0
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32
Qual a energia incorporada (Hp) no produto?
Os materiais são uma entrada na fábrica desde matérias-
primas, materiais para acabamento até a embalagem e eles
têm uma “energia incorporada”. Além disso, eles são
transportados para a fábrica, que consome energia para
funcionar e manter os equipamentos de processo, etc. O total
deste gasto energético é a entrada de energia para a planta.
Este valor do gasto energético total dividido pelo peso do
produto produzido ​​é a “energia incorporada” do produto:
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
Seiji
Realce
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33
Seiji
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34
ANÁLISE DE CICLO DE VIDA
Distinguir as fases de vida do componente em termos de 
consumo de energia e emissões de CO2 equivalentes.
600
400
300
200
100
0
-100
E
n
er
g
ia
(M
J
)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
C
0
2
eq
u
iv
 (
k
g
)
* EoL= fim de vida (end of life)
Energia e CO2 durante a vida
Benefícios potenciais: podem 
ser recuperado no fim de via
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1
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0
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35
Material Manufacture Transport Use 
End of life 
12
10
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6
4
2
0
-2
-4
-6
C
ar
b
o
n
o
(k
g
)
100% virgin PET
with recycling
Material Manufacture Transport Use 
End of life 
400
300
200
100
0
-100
-200
E
n
er
g
ia
(M
J)
100% virgin PET
with recycling
Etapas intensivas de 
energia e de carbono...
PET ou vidro?
ACV de uma centena de garrafas PET:
energia ou emissão de CO2?
P
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 3
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P
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S
P
36
=
Virgin PET
=
Glass
Ações e comparação: PET x vidro
Comparação permite criar guias
para melhor projeto.
Como reduzir impacto energético?
Como reduzir a emissão de CO2? 
Usar um “conteúdo reciclado” tão 
grande como possível no material. 
Usar PET?
Análise deve ser mais cuidadosa,
pois garrafa de vidro poderá ser
reciclada mais vezes do que a
garrafa PET.
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0
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37
SELEÇÃO PARA MINIMIZAR A ENERGIA INCORPORADA
Inicialmente se aplica as restrições e usar então o índice de 
desempenho para otimizar a escolha.
Restrições para a garrafa:
Ser processada por moldagem
Ser transparente; translúcida
Seiji
Realce
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38
SELEÇÃO PARA MINIMIZAR A ENERGIA INCORPORADA
O poli(ácido lático) (PLA) atende as restrições ao menor energia 
incorporada; os bio-polímeros estão em verde.
Minimizar a energia incorporada
Aumenta
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39
PET atende as restrições ao menor custo.
SELEÇÃO PARA MINIMIZAR O CUSTO
Minimizar o custo
Aumenta
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40
REFERÊNCIAS
Michael F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Elsevier, 
Amsterdam, 3ª Ed (2005). Cap. 1,2,4, 5,16.
http://jpkc.fudan.edu.cn/picture/article/255/1c/8c/8a256ed84a98beafbd225ea6
936e/43f6d2e4-9479-4872-9970-f70754fce954.pdf
Outras referências importantes
Software: http://www.grantadesign.com/products/ces/