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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA Escola de Engenharia Mauá Engenharia Mecânica ANDRÉ SUCCISSI RINALDI JULIO CÉSAR LOPES DA SILVA MATEUS VALE FARKAS Estudo da resistência mecânica da união de chapas metálicas por conformação a frio com aplicação de adesivo estrutural São Caetano do Sul 2020 ANDRÉ SUCCISSI RINALDI JULIO CÉSAR LOPES DA SILVA MATEUS VALE FARKAS Estudo da resistência mecânica da união de chapas metálicas por conformação a frio com aplicação de adesivo estrutural Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Me. Alisson Alves Sarmento Área de concentração: Engenharia Mecânica São Caetano do Sul 2020 Succissi Rinaldi, André Estudo da resistência mecânica da união de chapas metálicas por conformação a frio com aplicação de adesivo estrutural / André Succissi Rinaldi, Julio César Lopes da Silva, Mateus Vale Farkas — São Caetano do Sul : CEUN-IMT, 2020. 82 p. Trabalho de Conclusão de Curso – Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, SP, 2020. Orientador(a): Prof. Me. Alisson Alves Sarmento 1. Clinching. 2. Conformação de chapas metálicas. 3. Método dos Elementos Finitos (MEF). 4. Adesivo estrutural. 5. Simulação computacional. I. Lopes da Silva, Julio César. II. Vale Farkas, Mateus. III. Instituto Mauá de Tecnologia. Escola de Engenharia. IV. Título. ANDRÉ SUCCISSI RINALDI JULIO CÉSAR LOPES DA SILVA MATEUS VALE FARKAS Estudo da resistência mecânica da união de chapas metálicas por conformação a frio com aplicação de adesivo estrutural Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Escola de Engenharia Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Banca avaliadora: Prof. Me. Alisson Alves Sarmento Orientador(a) Nome completo do professor(a) avaliador(a) 1 e título Prof. Me. Marcelo Ferreira Moreira Nome completo do professor(a) avaliador(a) 2, se houver, e título Prof. Dr. Marcelo Otávio dos Santos São Caetano do Sul, data da apresentação de mês de ano. DEDICATÓRIAS Dedicamos este trabalho para os nossos familiares e amigos, por nos acompanharem e nos incentivarem nesta jornada. AGRADECIMENTOS Ao nosso orientador Prof. Me. Alisson Alves Sarmento por todo apoio e oportunidades que nos proporcionou ao longo do desenvolvimento deste trabalho. Aos professores Dr. Marcelo Otávio dos Santos e Me. Marcelo Ferreira Moreira, que deram grandes contribuições técnicas. Às nossas namoradas, por nos apoiar e nos incentivar em todas as etapas deste trabalho. Aos técnicos Eduardo Jardim da Silva, Kenner de Araujo Mendes e Matheus Martinez Oliveira e à responsável técnica Margarete Cristina Moreira Serbino do Instituto Mauá de Tecnologia, que auxiliaram de forma ativa na obtenção dos dados do ensaio mecânico e nos exames metalográficos. À TOX Pressotechnik, em especial ao Rafael Ferreira de Mello, Renan Dalmazo e Vanderlei Bastos. À Sika, em especial ao Alison Mendonça. Ao Me. Rafael Tedim Terra. À Antonieta Aparecida Tescari Medeiros, por apoiar e investir no desenvolvimento de estudos para crescimento do país. A todas as pessoas que colaboraram na execução e desenvolvimento deste trabalho e que, involuntariamente, foram omitidas. “O homem que não está disposto a morrer por uma causa não é digno de viver.” (Martin Luther King) RESUMO Este trabalho visou verificar de que forma a aplicação de adesivo estrutural poderia influenciar na União de Chapas por Conformação à Frio (UCCF), também conhecida pelo termo em inglês clinching, no quesito de aumento da resistência mecânica estática da união. Além disso, o presente trabalho também procurou realizar um comparativo entre os resultados obtidos por ensaio de tração real e o ensaio realizado por meio de simulação computacional, buscando a convergência destes resultados. Para isso, foi utilizado o aço AISI 1012, que é um aço de baixo carbono e alta ductilidade, material bastante utilizado na indústria metalmecânica. A união em questão foi submetida à ensaios de tração com diferentes configurações de corpo de prova, como: união feita apenas por adesivo estrutural, apenas por UCCF e união híbrida (UCCF + adesivo estrutural), levadas ao seu limite, até o rompimento da união. Os corpos de prova feito apenas com adesivo estrutural chegaram a suportar cargas de até 12 kN, enquanto aqueles apenas com UCCF suportaram aproximadamente 3,6 kN. Por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF), o ensaio feito por simulação computacional apenas para a UCCF resultou em uma diferença de 20,73 % na resistência mecânica, comparando com a média dos resultados obtidos experimentalmente, e 9,19 % comparando com a maior resistência mecânica obtida nos ensaios de tração, sendo estas diferenças associadas a simplificações realizadas na simulação e variações no processo de UCCF. Palavras-chave: Clinching. Conformação de chapas metálicas. Método dos Elementos Finitos (MEF). Adesivo estrutural. Simulação computacional. ABSTRACT This work aimed to verify how the application of structural adhesive could influence the clinching, in terms of increasing the static mechanical resistance of the union. Besides, the present work also sought to make a comparison between the results obtained by real tensile test and the test performed using computational simulation, seeking the convergence of these results. For this, the Steel AISI 1012 was used, which is a low carbon steel and high ductility, a material widely used in the metal industry. The join in question was submitted to tensile tests with different test body configurations, such as: join made only by structural adhesive, only by clinching and hybrid union (clinching + structural adhesive), carried to its limit, until the union rupture. The specimens made only with structural adhesive came to withstand loads of up to 12 kN, while those with clinching only supported approximately 3.6 kN. Using the Finite Element Method (FEM), the test performed by computational simulation only for clinching resulted in a difference of 20.73% in mechanical resistance, comparing with the average of the results obtained experimentally, and 9.19% comparing with the higher mechanical resistance obtained in the tensile tests, and these differences were associated with simplifications performed in the simulation and variations in the clinching process. Keywords: Clinching. Forming sheet metal. Finite Element Method (FEM). Structural adhesive. Computer simulation. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Comparação de custos por união ............................................................................. 28 Figura 2 – Gráfico da Taxa de Fluxo Expiratório Forçado ......................................................... 29 Figura 3 - Parâmetros da UCCF em vista de corte .................................................................... 32 Figura 4 - Fratura pelo pescoço da junta .................................................................................. 33 Figura 5 - Modo de falha por separação do botão ................................................................... 33 Figura 6 - Distribuição dos esforços sob condições de cisalhamento ...................................... 34 Figura 7 - Curva de Carga em função do Deslocamento sob condições cisalhantes ............... 34 Figura 8 - Resultado do teste experimental e computacional sob condições de cisalhamento ..................................................................................................................................................35 Figura 9 - Corte na seção transversal da união e identificação das variáveis .......................... 36 Figura 10 - Seção transversal da união durante o processo de UCCF ...................................... 36 Figura 11 - Características do campo de tensões e a dureza nas regiões do botão ................ 37 Figura 12 - Aplicação da UCCF na indústria .............................................................................. 38 Figura 13 - Aplicação da UCCF na fabricação de assento automotivo ..................................... 38 Figura 14 - Curva de Tensão normal na direção de X em função da posição em Y ................. 39 Figura 15 - Curva de Tensão de Cisalhamento ZX em função da posição em Y ....................... 40 Figura 16 - Média de componentes estruturais de um automóvel (Body-in-white, portas e tampas) ..................................................................................................................................... 40 Figura 17 - Investimento no mercado global por categoria de material na estrutura veicular .................................................................................................................................................. 41 Figura 18 - Dimensões do corpo de prova ................................................................................ 43 Figura 19 – Primeiro modo de falha do corpo de prova indesejável ....................................... 44 Figura 20 – Segundo modo de falha do corpo de prova indesejável ....................................... 44 Figura 21 - Etapas do processo de confecção dos corpos de prova......................................... 47 Figura 22 - Matriz modelo Round-Joint TOX ® ......................................................................... 48 Figura 23 - Punção TOX® .......................................................................................................... 48 Figura 24 - Medida do diâmetro do ponto de união ............................................................... 49 Figura 25 - Gráfico do aumento da resistência em função da dimensão do ponto utilizado . 49 Figura 26 - Cilindro hidropneumático TOX ®............................................................................ 51 Figura 27 - Processo de união de único passo de matriz rígida ............................................... 52 Figura 28 - Equipamento para ensaio de tração ...................................................................... 53 Figura 29 - Snapshot do início do ensaio e do momento da ruptura do adesivo .................... 53 Figura 30 - Gráfico de força por deslocamento apenas para UCCF ......................................... 54 Figura 31 - Gráfico de força por deslocamento para união apenas com adesivo estrutural .. 55 Figura 32 - Gráfico de força por deslocamento para união híbrida......................................... 56 Figura 33 - Regiões de encruamento geradas pela UCCF ........................................................ 58 Figura 34 - Visão superior da região de atrito da chapa inferior ............................................. 59 Figura 35 - Visão inferior da região de atrito da chapa superior ............................................. 60 Figura 36 - Ensaio de tração da chapa de aço .......................................................................... 61 Figura 37 – Face de aplicação do deslocamento para simulação – Chapa Superior ............... 62 Figura 38 – Face de aplicação do deslocamento para simulação – Chapa Inferior ................. 62 Figura 39 - Vista paralela da seção transversal da UCCF ......................................................... 63 Figura 40 - Geração do sólido a partir das linhas de construção ............................................. 63 Figura 41 - Seção transversal do sólido gerado via CAD .......................................................... 64 Figura 42 - Região de refino de malha - element size .............................................................. 65 Figura 43 - Região de refino de malha - Sphere of Influence ................................................... 66 Figura 44 - Vista isométrica da malha ...................................................................................... 67 Figura 45 - Vista Isométrica em corte da malha ...................................................................... 67 Figura 46 - Gráfico de qualidade da malha: qualidade ortogonal (orthogonal quality) .......... 68 Figura 47 - Escala de qualidade da malha (orthogonal quality scale) ...................................... 69 Figura 48 - Gráfico de qualidade da malha: assimetria (skewness) ......................................... 69 Figura 49 – Escala de assimetria (skewness) ............................................................................ 70 Figura 50 - Resultado da simulação de UCCF utilizando o Ansys ............................................. 71 Figura 51 – Resultado da região de ancoramento esperada ................................................... 71 Figura 52 - Comportamento gráfico de cada tipo de corpo de prova ...................................... 73 Figura 53 - Comparativo da menor resistência mecânica obtida ............................................. 74 Figura 54 - Gráfico comparativo entre simulação e real .......................................................... 75 Figura 55 - Região de maior solicitação da UCCF ..................................................................... 75 Figura 56 - Região de rompimento da UCCF ............................................................................ 76 Figura 57 - Composição química do aço AISI 1012 ................................................................... 83 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a UCCF .......................................... 54 Tabela 2 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a união feita com adesivo estrutural .................................................................................................................................................. 55 Tabela 3 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a UCCF com aplicação de adesivo estrutural .................................................................................................................................. 56 Tabela 4 - Parâmetros de operação do conjunto ..................................................................... 59 Tabela 5 – Propriedades mecânicas do material ..................................................................... 60 Tabela 6 - Dados obtidos do ensaio de tração da chapa de aço .............................................. 61 Tabela 7 – Deslocamentos aplicados no conjunto ................................................................... 61 Tabela 8 – Parâmetros de análise e solução da simulação ...................................................... 63 Tabela 9 - Parâmetros de refino – Patch Conforming .............................................................. 65 Tabela 10 - Parâmetros de refino – Body Sizing ....................................................................... 65 Tabela 11 - Parâmetros de refino – Body Sizing ....................................................................... 66 Tabela 12 - Quantidade de nós e elementos da malha gerada................................................ 68 Tabela 13 – Propriedades físicas normalizadas - AISI 1012 ..................................................... 82 Tabela 14 – Propriedades químicas normalizadas - AISI 1012 ................................................. 82 Tabela 15 – Propriedades químicas do material utilizado - AISI 1012 ..................................... 82 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................ 27JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMA ....................................................... 27 MOTIVAÇÃO .............................................................................................. 27 1.2.1 BAIXO CUSTO ................................................................................................. 27 1.2.2 LIVRE DE EMISSÕES ......................................................................................... 28 1.2.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ................................................................................... 29 1.2.4 EFEITOS NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO MATERIAL ................................................... 30 OBJETIVOS DO TRABALHO ......................................................................... 30 2 REVISÃO DA LITERATURA .......................................................... 31 DEFINIÇÃO DO PROCESSO DE UNIÃO ......................................................... 31 2.1.1 PARÂMETROS IMPORTANTES DE UMA UCCF .............................................. 31 2.1.2 EFEITOS MICROESTRUTURAIS CAUSADOS PELA UCCF.................................. 36 2.1.3 APLICAÇÕES DA UCCF ................................................................................ 37 ADESIVOS ESTRUTURAIS ............................................................................ 39 3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................ 43 ESCOLHA DO MATERIAL DA CHAPA PARA O CORPO DE PROVA .................. 43 DIMENSÕES DO CORPO DE PROVA ............................................................ 43 CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ........................................................ 46 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DA UCCF ............................................ 47 3.4.1 MATRIZ E PUNÇÃO ......................................................................................... 47 3.4.2 ESCOLHA DO DIÂMETRO DO PONTO ........................................................... 48 3.4.3 DIMENSÃO “X” .......................................................................................... 49 3.4.4 ESCOLHA DO ADESIVO ............................................................................... 50 FERRAMENTA DE CLINCHING ..................................................................... 50 O ENSAIO MECÂNICO ................................................................................ 52 3.6.1 RESULTADO DO ENSAIO DE TRAÇÃO ..................................................................... 54 3.6.2 ANÁLISE METALOGRÁFICA ................................................................................. 57 4 SIMULAÇÃO .............................................................................. 59 PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROPRIEDADES MECÂNICAS ..................... 59 CONFIGURAÇÃO DE ANÁLISE DA SIMULAÇÃO ............................................ 62 GEOMETRIA .............................................................................................. 63 MALHA...................................................................................................... 64 4.4.1 METHOD – PATCH CONFORMING ....................................................................... 64 4.4.2 BODY SIZING – ELEMENT SIZE ........................................................................... 65 4.4.3 BODY SIZING – SPHERE OF INFLUENCE ................................................................. 66 4.4.4 MALHA RESULTANTE....................................................................................... 66 SIMPLIFICAÇÕES ........................................................................................ 70 4.5.1 REGIÕES DE ENCRUAMENTO .............................................................................. 70 4.5.2 RÓTULA PLÁSTICA........................................................................................... 72 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................... 73 RESULTADOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO ........................................................ 73 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ....................................... 74 5.2.1 SIMULAÇÃO X ENSAIO REAL .............................................................................. 74 6 CONCLUSÕES ............................................................................. 77 7 TRABALHOS FUTUROS ............................................................... 78 ENSAIO MECÂNICO ................................................................................... 78 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL.................................................................. 78 27 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMA A união de chapas metálicas é bastante utilizada na indústria e pode ser feito por diversas formas, podendo ser uma união permanente, feita por solda, rebite, ou união desmontável, como parafusos, porca, dentre outros. Tal processo é muito abrangente, e pode ser aplicado desde a indústria de eletrodomésticos até na produção de aeronaves, que exige grande resistência estrutural à esforços externos. O estudo de técnicas para união de chapas metálicas levou a um processo a frio, conhecido por União de Chapas por Conformação a Frio (UCCF) (também conhecido pelo termo em inglês Clinching) que existe no mercado há mais de 80 anos, porém foi pouco explorado para que se possa atingir uma gama maior de aplicações. O estudo da técnica de UCCF tem crescido devido a questões de sustentabilidade e ao emprego de novos materiais na composição de carrocerias automotivas (PEREIRA, et al., 2013). MOTIVAÇÃO Comparado a outros métodos de união de chapas metálicas, a UCCF se sobressai em alguns aspectos gerais como, por exemplo: 1.2.1 BAIXO CUSTO Como pode ser visto na Figura 1, a fabricante TOX® realizou um comparativo de custos por união, na qual é perceptível uma redução de cerca de 40% em relação à soma dos custos de investimento, operação e ferramenta quando comparado à solda ponto. 28 Figura 1 - Comparação de custos por união Fonte: TOX Pressotechnik, 2020. 1.2.2 LIVRE DE EMISSÕES A tecnologia de UCCF não emite vapores ou gases tóxicos, que permite ao operador melhores condições de trabalho e reduz a insalubridade. Não há descarte de produtos químicos, nem consumo de líquidos refrigerantes, óleos ou gases (TOX® PRESSOTECHNIK, 2020). A fim de dar ênfase nessa vantagem e ilustrar sua necessidade, (LEE, 1990) realizou um estudo com foco na asma ocupacional, causada pelo efeito dos gases emitidos por solda a ponto em uma mulher de trinta e seis anos que não tinha histórico de asma. Após dois anos trabalhando com solda a ponto, a mulher passou a ter alguns episódios de tosse, falta de ar e aperto no peito. Na Figura 2, segue um gráfico mostrando a Taxa de Fluxo Expiratório Forçado (TFEF) num período de um mês, sendo oito dias contínuos em casa e dois intervalos de dez dias cada no local de trabalho, com medições a cada três horas. Como esperado, a Taxa de Fluxo Expiratório 29 Forçado foi melhor em casa e pior durante o período de trabalho, em que a mulher estava sob condições críticas, exposta a gases nocivos: Figura 2 – Gráfico da Taxa de Fluxo Expiratório Forçado Fonte: Adaptado de Lee, 1990. Legenda: • Máximo diário de pico de taxa de fluxo expiratório (□); • Taxa média de fluxo expiratório (+); • Taxa mínima de fluxo expiratório (◊). A fim de concluir o raciocínio, o estudo realizado por (LEE, 1990) reforça ainda mais a motivação em busca do desenvolvimento da UCCF, que trará benefícios não só para o meio ambiente, com a redução de emissão de gases poluentes, como também para a saúde humana. 1.2.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Em um estudo realizado por (SARMENTO e PEREIRA, 2012), eles destacam que para realização de apenas um ponto feito por solda ponto, gasta-se cerca de 100 kW de energia. Enquanto, paraa realização de apenas um ponto feito por UCCF, gasta-se cerca de 0,5 kW de energia. 30 Ou seja, tem-se um consumo de energia 200x menor, quando comparado a solda ponto, o que torna a UCCF ainda mais atraente. 1.2.4 EFEITOS NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO MATERIAL A UCCF não produz faíscas e não aquece a chapa a ser unida, o que poderia fazer com que a chapa sofresse alterações microestruturais indesejadas na superfície e, consequentemente, perdesse suas propriedades mecânicas na região. Utilizando novamente o estudo realizado por (SARMENTO e PEREIRA, 2012), a UCCF possui alta resistência dinâmica (resistência à vibração). Entretanto, possui resistência mecânica menor do que a solda ponto quando comparado ao esforço estático, sendo aproximadamente 80% menos resistente, o que se torna um ponto fraco da união. OBJETIVOS DO TRABALHO Como mostrado nos itens anteriores, a UCCF possui características interessantes, que dão destaques para o processo. Entretanto, a fim de buscar melhorias para diminuir o fator negativo, que é a baixa resistência estática da união, este trabalho tem como objetivo analisar qual o efeito da introdução de adesivo estrutural na UCCF por meio do ensaio de tração de corpos de prova. Além disso, este trabalho tem como objetivo realizar um comparativo entre o ensaio mecânico real com o ensaio por simulação computacional, realizado por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF), a fim de verificar a convergência dos dois resultados. Com base nas motivações mencionadas no item 1.2 e no estudo realizado ao longo deste trabalho, acredita-se que a União de Chapas por Conformação a Frio (UCCF) com aplicação de adesivo estrutural entre as chapas, podendo chamar também de união híbrida, trará resultados positivos na melhoria da resistência mecânica estática da união. Caso essa hipótese seja confirmada, isso traz a possiblidade de substituição, ainda que parcial, do método de união mais utilizado atualmente (que é a solda ponto) pela UCCF com adesivo 31 estrutural, que trará não apenas benefícios de redução de custos e redução de tempo mas, ainda mais importante, benefícios para o meio ambiente e para a saúde do operador. 2 REVISÃO DA LITERATURA DEFINIÇÃO DO PROCESSO DE UNIÃO A ideia central da UCCF é unir chapas metálicas através de deformações plásticas, que utilizam a deformação local (união de pequenas áreas), sem a adição de nenhum elemento de união, como acontece em alguns tipos de solda. Basicamente, este processo utiliza dois elementos de conformação, a matriz e o punção. O punção é responsável por realizar a conformação, seguindo, consequentemente, o molde da matriz, gerando o intertravamento (interlock) das placas (BABALO, FAZLI e SOLTANPOUR, 2018). A UCCF é um processo de fabricação mecânica, dentre os diversos processos presentes atualmente. Com a conformação mecânica, a união de diferentes tipos de materiais e de diferentes tipos de ligas, assim como materiais pré-acabados e poliméricos, se tornou um marco e uma fonte de estudos aprofundados devido tamanha a complexidade deste tipo de união. A união em si nunca foi um problema tão grande, porém a combinação de esforços para cada tipo de material e os diferentes tipos de falhas mecânicas ainda é um parâmetro que, mesmo que não reflita intensamente nos resultados, como em união por adesivos e união por solda, ainda é um fator importante de estudo (LAMBIASE e ILIO, 2015) Segundo (LAMBIASE e ILIO, 2015), os problemas de UCCF entre metal e materiais poliméricos, ou até mesmo com outros materiais metálicos, são influenciados pelo limite de escoamento dos materiais durante o processo e, também, à alta carga axial aplicada. A solução encontrada para materiais de diferentes valores de limite de escoamento e a dureza é a de aquecer os materiais e aplicar a UCCF. 2.1.1 PARÂMETROS IMPORTANTES DE UMA UCCF Para estudo da UCCF, de início é necessário conhecer quais são os fatores importantes que afetam diretamente a qualidade e a resistência da união. De acordo com o estudo de (LEI LEI 32 e TONGXIN YU, 2019) mostrado na Figura 3, têm-se dois parâmetros que devem ser analisados nesse processo. São eles: Espessura do pescoço (𝑡𝑁) e o rebaixo produzido (𝑡𝑈). Segundo os autores mencionados, esses são os fatores centrais que interferem na resistência da UCCF. Figura 3 - Parâmetros da UCCF em vista de corte Fonte: Lei Lei & Tongxin Yu, 2019. Conhecer o esforço limite que a união suporta, permite a escolha correta da aplicação do método. Por isso, realizar repetidos estudos com alteração de parâmetros, como os mencionados anteriormente, a espessura e o material da chapa, formato da matriz/punção, dentre outros parâmetros, permitem verificar que tipo de influência cada um traz para a resistência final. Como descrito por (LEI et al., 2019), o processo de falha para UCCF depende da diferença da resistência estrutural entre o pescoço formado (𝜎𝑁 ) e o rebaixo (𝜎𝑈 ) produzido, que é determinado pela resistência do material da chapa, a espessura do pescoço (𝑡𝑁) e a espessura do rebaixo (𝑡𝑈) formado. Baseado nas descrições acima, é possível ter ideia de algumas características necessárias do material das chapas para que o mesmo possa ser utilizado nesta técnica. O processo mecânico de UCCF exige materiais que permitem deformações plásticas, ou seja, materiais com alta ductilidade (FRIEDRICH et al.,2014) e de baixo carbono, que permitirá melhor conformação com a matriz, garantindo encaixe mais firme com o rebaixo, assim, possivelmente, trazendo uma melhor resistência estrutural para a união. Sem contar que, para materiais com alta tensão de escoamento, o esforço que a máquina precisará fazer para conformar o material na 33 matriz será muito grande e, muito provavelmente, o material não escoará tão bem para os canais da matriz. No estudo e nas observações de (LEI et al., 2019), dois modos de falha da UCCF foram identificados como tradicionais, sendo elas: modo de fratura no pescoço e o modo de separação do botão, que podem ser observados na Figura 4 e Figura 5: Figura 4 - Fratura pelo pescoço da junta Fonte: Song, et al., 2018. Figura 5 - Modo de falha por separação do botão Fonte: Song, et al., 2018. Fazendo uma comparação com o estudo de (SONG et al., 2018), é possível verificar os esforços na união sob condições de cisalhamento utilizando o método dos elementos finitos (MEF), que demonstrou com clareza que o esforço sob essas condições fica concentrado no pescoço formado da chapa superior, conforme Figura 6. 34 Figura 6 - Distribuição dos esforços sob condições de cisalhamento Fonte: Song, et al., 2018. Fazendo um comparativo entre a carga de pico, que se trata de um gráfico de carga por deslocamento (Figura 7), obtido por simulação computacional e os valores obtidos experimentalmente, o erro é de apenas 6,31% (SONG et al., 2018) que, ainda segundo os autores, é um erro aceitável, especialmente para a predição de modos de falhas. Figura 7 - Curva de Carga em função do Deslocamento sob condições cisalhantes Fonte: Adaptado de Song, et al., 2018. Na Figura 8, é possível observar como a falha computacional ficou bem próxima da experimental: 35 Figura 8 - Resultado do teste experimental e computacional sob condições de cisalhamento Fonte: Adaptado de Song, et al., 2018. Observando os modelos de falhas descritos anteriormente, é possível verificar que há um efeito da espessura envolvido, visto que boa parte da estrutura que suporta os esforços solicitantes, são provenientes do pescoço e do rebaixo formado pela UCCF. Baseado nos estudos de (LEI et al., 2019) a espessura do pescoço formado e o rebaixo possui influência direta na resistência da união. Chamado de fator c, que segue equacionado abaixo, a conclusão de seus estudos foi que tal parâmetro possui impacto considerável no modo de falhae nas propriedades mecânicas estáticas das uniões. Ou seja, é um importante fator que, ao ser variado, modifica o modo de falha e a resistência mecânica da união. 𝑐 = 𝑡𝑁 𝑡𝑈 (2.1) 𝑡𝑁: Espessura do pescoço 𝑡𝑈: Espessura do rebaixo Tomando como base os estudos de (MUCHA, 2011) outro fator importante, que define a qualidade de uma união feita por uma matriz, é a medição da espessura X, demonstrada na Figura 9: 36 Figura 9 - Corte na seção transversal da união e identificação das variáveis Fonte: Mucha, 2011. Em seus resultados apresentados no artigo referenciado, (MUCHA, 2011) conclui que a geometria da ferramenta (que define os parâmetros da Figura 9) é o fator central que determina a geometria final da união e, consequentemente, sua resistência mecânica. 2.1.2 EFEITOS MICROESTRUTURAIS CAUSADOS PELA UCCF Na UCCF, por ocorrer deformação plástica para criação do intertravamento entre as chapas, ocorre o fenômeno conhecido por encruamento. O fenômeno consiste no aumento da resistência mecânica do material da chapa nas regiões que efetivamente sofreram deformação plástica. Na Figura 10, é possível observar as etapas de deformação das chapas durante o processo de união: Figura 10 - Seção transversal da união durante o processo de UCCF Fonte: TOX Pressotechnik, 2020. 37 Outro ponto relevante mostrado no artigo, (MUCHA, 2011) correlaciona a dureza do material e o campo de tensões, no qual os maiores valores são observados na parede formada após a conformação, identificada pela cor vermelha na legenda do nível de tensão da Figura 11: Figura 11 - Características do campo de tensões e a dureza nas regiões do botão Fonte: Mucha, 2011. 2.1.3 APLICAÇÕES DA UCCF A UCCF, devido à versatilidade e facilidade da aplicação, permite ser utilizada em diversas situações. Na Figura 12, é possível observar algumas aplicações relacionadas à linha branca, automotiva e na indústria de eletrônicos, como caixa de fusíveis e peças de iluminação. 38 Figura 12 - Aplicação da UCCF na indústria Fonte: TOX Pressotechnik, 2020. Figura 13 - Aplicação da UCCF na fabricação de assento automotivo Fonte: TOX Pressotechnik, 2020. 39 ADESIVOS ESTRUTURAIS Seguindo outra vertente, que contribuirá de forma bastante relevante para o desenvolvimento deste trabalho, está o adesivo estrutural. Há muitos estudos de uniões híbridas que utilizam adesivos estruturais com outros tipos de uniões, como, por exemplo, na união por solda ponto. Conforme os gráficos da Figura 14 e Figura 15, nota-se que os adesivos estruturais conferem um aumento na resistência à tensão normal (força de destacamento), porém não influenciam diretamente na resistência a tensão de cisalhamento em uma união soldada. A resistência adicionada a junta se dá diretamente através da espessura do cordão de adesivo aplicado, que é diretamente proporcional a esta adição de resistência (CHANG, SHI e DONG, 1999). Figura 14 - Curva de Tensão normal na direção de X em função da posição em Y Fonte: Adaptado de Elanur & Murat, 2018. 40 Figura 15 - Curva de Tensão de Cisalhamento ZX em função da posição em Y Fonte: Adaptado de Elanur & Murat, 2018. Pensando no mercado automotivo, segundo a fonte CAR Research, atualmente apenas 6% da massa total de um veículo corresponde à plásticos e compósitos. Entretanto, há uma tendência de que esse valor chegue a patamares de 15% no ano de 2040, devido à entrada de carros elétricos no mercado, que acarretará numa demanda por redução de massa do veículo. Na Figura 16, é possível observar a média de componentes estruturais que vão na montagem de um carro, em porcentagem: Figura 16 - Média de componentes estruturais de um automóvel (Body-in-white1, portas e tampas) Fonte: CAR Research - DuPont, 2020. 1 Body-in-white, traduzido do inglês como corpo branco, é o estágio em que a estrutura de uma carroceria veicular é unida. 41 De acordo com um estudo mostrado em maio de 2020, no webinar apresentado pela empresa DuPont, uma das maiores empresas químicas do mundo, uma redução de 20% da massa de um veículo pode resultar em um aumento de 14% na autonomia de uma bateria de veículos elétricos. Ainda nessa apresentação, foi mostrado o estimado de custos no mercado global automotivo separado por categorias, como pode ser visto na Figura 17. Percebe-se que entre 2018 e 2024, é esperado um aumento de 23,7% nos gastos com materiais compósitos / plásticos / naturais aplicados à veículos. Figura 17 - Investimento no mercado global por categoria de material na estrutura veicular Fonte: BCC Research – DuPont, 2020. Seguindo a linha automotiva, o artigo de (ALFANO et al.,2017) comenta que os carros são responsáveis por 12% das emissões de dióxido de carbono (CO2) na União Europeia. Tendo isso como base, a fim de melhorar a economia de combustível, existe uma legislação da União Europeia que reforçou as metas de redução de emissão de poluentes, que foram discutidas no Climate Action EU no. 333. Como pôde ser observado ao longo da leitura dos parágrafos anteriores deste item, a redução de emissão de poluentes está ligada à redução de massa do veículo e, pensando nisso, de acordo com (ALFANO et al.,2017), para este primeiro momento, é importante que a introdução de adesivo estrutural no processo de fabricação de veículos gere o menor impacto 42 possível na infraestrutura das montadoras e, por este motivo, os adesivos são aplicados no estágio body-in-white, enquanto a cura do adesivo ocorre no estágio de paint shop. Em suma, baseado no cenário que é previsto nos estudos apresentados, percebe-se que é uma área que promete bons resultados e que ainda existe muito espaço para pesquisas e desenvolvimento, o que reforça ainda mais a motivação deste projeto em seguir com o estudo da aplicação deste importante artifício que são os adesivos estruturais em processos de UCCF. 43 3 MATERIAIS E MÉTODOS Metodologia é a explanação das ações que serão realizadas no decorrer do estudo aqui apresentado. Para introduzir este tópico, será falado um pouco sobre a ferramenta, o ensaio mecânico, seleção dos materiais de estudo, do exame metalográfico e, por fim, a simulação computacional. Este trabalho visa mostrar como a adição de adesivo estrutural na UCCF interfere na resistência mecânica da união, que será quantificada por meio de ensaios de tração dos corpos de prova. ESCOLHA DO MATERIAL DA CHAPA PARA O CORPO DE PROVA Para a definição do material, optou-se por um aço AISI 1012, de 2,0 mm de espessura, que possui baixo teor de carbono e alta ductilidade. Este material foi escolhido por ser comumente utilizado na indústria metalmecânica. A especificação do aço pode ser vista no Anexo A. DIMENSÕES DO CORPO DE PROVA Para realização dos ensaios de tração, as dimensões dos corpos de prova seguirão os padrões adotados pelo fabricante dos equipamentos de UCCF, a fim de utilizar as mesmas dimensões dos corpos de prova que são testados por eles. Na Figura 18, é possível verificar as dimensões: Figura 18 - Dimensões do corpo de prova Fonte: Detalhamento fornecido pela TOX. 44 Para determinar a espessura da chapa que será utilizada, foi necessário observar a resistência à ruptura do adesivo e realizar um breve comparativo com a resistência à ruptura das chapas. Isso porque, caso a resistência à tração da chapa seja menor do que a resistência à tração do adesivo, quer dizer que a chapa se romperá antes que o adesivo e fora do ponto de união, não permitindo identificar a resistência mecânica que o adesivo proporcionará para a união. Em seu artigo, (ZHOU, 1990) menciona sobre alguns modos de falhas, dentre os quais, dois deles, são os que não podem ocorrer, ou seja, os indesejados para o ensaio que será realizado, que podem ser vistos na Figura 19 e Figura 20: Figura 19 – Primeiro modode falha do corpo de prova indesejável Fonte: Adaptado de Zhou, 1990. Figura 20 – Segundo modo de falha do corpo de prova indesejável Fonte: Adaptado de Zhou, 1990. 45 Para isso, sabendo que a tensão de escoamento pode ser calculada pela equação abaixo: 𝜎 = 𝐹 𝐴𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Considerando uma chapa de 0,8 mm de espessura e resistência à tração do aço AISI 1012 sendo 310 MPa (conforme Anexo A): 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 0,8 [𝑚𝑚] × 25[𝑚𝑚] × 310[ 𝑁 𝑚𝑚2 ] 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 6200 [𝑁] Agora, considerando uma chapa de 1,5 mm de espessura e resistência à tração do aço AISI 1012 sendo 310 MPa (conforme Anexo A): 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 1,5 [𝑚𝑚] × 25[𝑚𝑚] × 310[ 𝑁 𝑚𝑚2 ] 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 11625 [𝑁] Por fim, considerando uma chapa de 2,0 mm de espessura e resistência à tração do aço AISI 1012 sendo 310 MPa (conforme Anexo A): 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 2,0 [𝑚𝑚] × 25[𝑚𝑚] × 310[ 𝑁 𝑚𝑚2 ] 𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 15500 [𝑁] Em paralelo, para o adesivo estrutural, a força de tração será calculada pela tensão de cisalhamento, visto que a tendência das chapas será de escorregar na face de contato com o adesivo. Sendo a área de aplicação do adesivo com comprimento de 25 mm, largura da aplicação de 25 mm e resistência ao cisalhamento do adesivo de 20 MPa (obtido da folha de dados exclusiva do fabricante disponibilizado para este trabalho, a qual não está disponível ao público). 46 𝜏 = 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 Á𝑟𝑒𝑎 𝐹 = 25 [𝑚𝑚] × 25[𝑚𝑚] × 20[ 𝑁 𝑚𝑚2 ] 𝐹 = 12500 [𝑁] Portanto, para garantir que o adesivo se rompa antes das chapas, a espessura utilizada será de 2,0 mm, tanto na chapa inferior quanto na chapa superior. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA Em parceria com a empresa TOX Pressotechnik®, foi disponibilizado a utilização dos laboratórios da unidade de Joinville/SC para confecção dos corpos de prova. Essa troca de experiências permitiu utilizar do grande know-how da empresa, que facilitou no momento da confecção dos corpos de prova e que fizeram a diferença no momento de realizar a UCCF. Foram fabricados vinte corpos de provas, sendo dez apenas com UCCF e dez híbridos (UCCF + adesivo estrutural). Além disso, foram fabricados mais cinco corpos de prova apenas com adesivo estrutural nas instalações do Instituto Mauá de Tecnologia. Na Figura 21 é possível observar alguns passos da fabricação dos corpos de prova em Joinville. 47 Figura 21 - Etapas do processo de confecção dos corpos de prova Fonte: Os Autores, 2020. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DA UCCF Neste tópico do relatório serão descritas as etapas de escolha dos parâmetros que foram utilizados para realização da UCCF. Com base no desenvolvimento do tópico Revisão da literatura, é possível observar que existem parâmetros que interferem diretamente na resistência mecânica da união. Como utilizaremos equipamentos da fabricante TOX® para confecção dos corpos de prova, o parâmetro de controle da qualidade do ponto será a medida “X”, que consiste na espessura do ponto, como mostrado na Figura 9. 3.4.1 MATRIZ E PUNÇÃO A matriz será rígida circular, modelo Round-Joint TOX ® (Figura 22), que tem como resultado um botão redondo, sem rebarbas. O punção que será utilizado é o punção com flange de junta redonda TOX®, que pode ser visto na Figura 23. 48 Figura 22 - Matriz modelo Round-Joint TOX ® Fonte: TOX, 2019. Figura 23 - Punção TOX® Fonte: TOX, 2019. 3.4.2 ESCOLHA DO DIÂMETRO DO PONTO Como informado pelo fabricante, um fator crítico para o processo de união nos termos de resistência mecânica é sempre o tamanho do diâmetro do ponto da união, no qual quanto maior ele for, maior resistência à tração e cisalhamento a união terá, como pode ser visualizado nas Figura 24 e Figura 25. 49 Para aços de baixo carbono, a fabricante TOX® recomenda pontos de 6 mm a 8 mm. No estudo de (SARMENTO, 2012), ele mostra com base experimental que o ponto de 8 mm demonstrou maior resistência tanto aos esforços de cisalhamento quanto aos esforços de arrancamento. Portanto, para as análises deste trabalho, o botão utilizado será o de 8 mm. Figura 24 - Medida do diâmetro do ponto de união Fonte: Adaptado de TOX, 2012. Figura 25 - Gráfico do aumento da resistência em função da dimensão do ponto utilizado Fonte: Adaptado de TOX, 2012. 3.4.3 DIMENSÃO “X” Como dito nos tópicos anteriores, a dimensão “X” é um dos principais parâmetros que ditam a qualidade da união confeccionada. Trazendo um trecho da dissertação de (SARMENTO, 2012), “o procedimento para determinação da medida “X” é algo não difundido na literatura, 50 pois trata-se de “know-how” dos fornecedores de equipamentos de UCCF, que indicam aos clientes e pesquisadores a Medida “X” ideal para um dado tipo de união”. Seguindo o argumento acima, assim aconteceu durante a visita presencial para confecção dos corpos de prova. A medida “X” foi estabelecida pelo fabricante, seguindo sua base de dados experimental. Sendo assim, para os corpos de prova fabricado, a Medida “X” utilizada foi de 0,85 mm, com tolerância de ±15%. 3.4.4 ESCOLHA DO ADESIVO Em uma parceria com a fabricante de adesivos estruturais SIKA®, o adesivo escolhido para realizar o teste é um adesivo a base de resina epóxi, conhecido comercialmente por SikaPower®-487. A escolha de utilizar este adesivo na análise experimental, se deve ao fato deste ser um dos mais utilizados na união de chapas metálicas no processo de montagem das carrocerias na indústria automobilística. Com base no datasheet disponibilizado pelo fabricante, que pode ser visto no Apêndice A, dentre as vantagens de utilização deste adesivo, está o fato dele curar em uma temperatura relativamente baixa (155°C) e em um tempo relativamente curto (cerca de 10 minutos). FERRAMENTA DE CLINCHING A ferramenta utilizada para realizar a UCCF é a TOX® Clinching, fabricada pela companhia alemã TOX PRESSOTECHNIK®, que se trata, basicamente, de uma prensa hidropneumática. Na Figura 26 é possível visualizar o equipamento de forma mais detalhada. 51 Figura 26 - Cilindro hidropneumático TOX ® Fonte: Vídeo institucional TOX. 2 A primeira patente para equipamentos de UCCF foi registrada em 1897 (VARIS; LEPISTÖ, 2003), mas somente em 1987 (90 anos depois) as primeiras máquinas foram fabricadas pela empresa TOX®. Atualmente existem diversas versões fabricadas pela empresa, com matriz rígida, de lamelas móveis e fixas, de único passo ou não, dentre outros modelos. Neste caso, foi considerado uma matriz rígida circular, de único passo, em que o processo pode ser visto de forma simplificado na Figura 27 a seguir: 2 https://youtu.be/RQLKe7UU9es. Acesso em 04/10/2020. https://youtu.be/RQLKe7UU9es 52 Figura 27 - Processo de união de único passo de matriz rígida Fonte: Adaptado de Budde, 1994. O ENSAIO MECÂNICO Como dito anteriormente nos tópicos de introdução, a UCCF apresenta uma baixa resistência estática quando comparada a união de chapas por solda ponto (SARMENTO e PEREIRA, 2012). Por este motivo, optou-se por realizar o ensaio de tração, com uma velocidade baixa, que traz como resultado o valor da resistência mecânica estática da união (parâmetro focal deste trabalho), no qual pretende-se identificar um possível aumento em seu valor realizando a união das chapas metálicas de forma híbrida (UCCF + adesivo estrutural). O ensaio de tração foi realizado utilizando o equipamento do fabricante Instron®, com garras em forma de cunha e capacidade máxima de 100kN, que pode ser vista na Figura 28. Foram testados três tipos de corpos de prova, sendo eles: cinco corpos de prova apenas com UCCF, outros cinco apenas com adesivo estrutural e, por fim, mais cinco corpos de prova com união híbrida. Para que o teste pudesse ser considerado estático, foi utilizada a velocidade de 5 mm/min para realização dos ensaios. Na Figura 29 é possível observar duas capturas de imagemmostrando o início do ensaio e o momento da ruptura do adesivo estrutural da união. 53 Figura 28 - Equipamento para ensaio de tração Fonte: Os Autores, 2020. Figura 29 - Snapshot do início do ensaio e do momento da ruptura do adesivo Fonte: Os Autores, 2020. 54 3.6.1 RESULTADO DO ENSAIO DE TRAÇÃO Ao finalizar o ensaio de tração para os três tipos de corpos de prova fabricados, que foram mencionados anteriormente, foi possível obter os resultados gráficos que serão divulgados a seguir, juntamente com uma tabela de dados para melhor visualização dos valores: 3.6.1.1 Apenas UCCF Figura 30 - Gráfico de força por deslocamento apenas para UCCF Fonte: Os Autores, 2020. Tabela 1 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a UCCF Etiqueta do corpo de prova Resistência à tração [N] Resistência à tração [kgf] Deformação [%] Deslocamento [mm] Medida "X" [mm] Amostra 1 3487,93 355,67 6,01 4,17 1,06 Amostra 2 3059,71 312 8,65 6 1,09 Amostra 3 3208,83 327,21 6,76 4,68 1,1 Amostra 4 3185,17 324,8 7,74 5,4 1,08 Amostra 5 3214,35 327,77 6,16 4,28 1,09 Amostra 6 3434,88 350,26 6,53 4,55 1,08 Amostra 7 3268,4 333,28 6,7 4,68 1,1 Amostra 8 3407,55 347,47 7,63 5,27 1,1 Amostra 9 3650,58 372,26 6,06 4,16 1,08 Amostra 10 3099,31 316,04 7,63 5,31 1,1 Média 3301,67 336,68 6,99 4,85 1,09 Desvio padrão 187,32 19,1 0,88 0,62 0,01 Fonte: Os Autores, 2020. 55 3.6.1.2 União apenas com adesivo estrutural Figura 31 - Gráfico de força por deslocamento para união apenas com adesivo estrutural Fonte: Os Autores, 2020. Tabela 2 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a união feita com adesivo estrutural Etiqueta do corpo de prova Resistência à tração [N] Resistência à tração [kgf] Deformação [%] Deslocamento [mm] Medida "X" [mm] Amostra 1 12088 1232,71 8,1 5,58 657,5 Amostra 2 11530,9 1175,9 5,6 3,85 636,25 Amostra 3 12590,8 1283,99 7,7 5,28 622,5 Amostra 4 11783,8 1201,69 6,23 4,24 623,75 Amostra 5 5763,5 587,75 3,69 2,51 623,75 Amostra 6 7088,1 722,83 3,29 2,22 623,75 Amostra 7 10288,5 1049,2 4,05 2,7 660 Amostra 8 8002,3 816,06 3,42 2,32 633,75 Amostra 9 10583 1079,24 5,2 3,55 638,75 Amostra 10 12631,4 1288,13 8,46 5,77 623,75 Amostra 11 11786,1 1201,93 6,43 4,39 650 Média 10376,04 1058,13 5,65 3,86 635,8 Desvio padrão 2366,38 241,32 1,9 1,32 14,24 Fonte: Os Autores, 2020. 56 3.6.1.3 União híbrida (UCCF + adesivo estrutural) Figura 32 - Gráfico de força por deslocamento para união híbrida Fonte: Os Autores, 2020. Tabela 3 - Tabela de resultados do ensaio de tração para a UCCF com aplicação de adesivo estrutural Etiqueta do corpo de prova Resistência à tração [N] Resistência à tração [kgf] Deformação [%] Deslocamento [mm] Medida "X" [mm] Amostra 1 12650,1 1232,71 15,3 11,05 0,95 Amostra 2 12932,5 1318,84 15,84 11,49 0,96 Amostra 3 8926,1 910,27 10 7,27 0,98 Amostra 4 12992,8 1324,98 13,83 10,11 0,93 Amostra 5 10993 1121,05 11,5 8,36 0,95 Amostra 6 12343,8 1258,8 14,47 10,54 0,94 Amostra 7 12670,4 1292,11 11,78 8,55 1,04 Amostra 8 9364,5 954,98 10,74 7,75 0,94 Amostra 9 13156,6 1341,69 14,78 10,75 0,93 Amostra 10 10702,2 1091,39 12,26 8,91 0,96 Amostra 11 9582,1 977,17 11,29 8,17 0,95 Amostra 12 12608,5 1285,79 13,8 9,98 0,98 Amostra 13 11980,4 1221,74 13,54 9,74 0,95 Amostra 14 9440,4 962,72 10,04 7,27 0,95 Amostra 15 11555,7 1178,43 13,53 9,78 0,94 Média 11459,94 1164,84 12,85 9,31 0,96 Desvio padrão 1508,72 151,32 1,9 1,38 0,03 Fonte: Os Autores, 2020. 57 Repare que o número de amostras utilizadas para cada tipo de ensaio de tração foi diferente. Isso porque, para alguns casos, a diferença entre os valores de resistência à tração começou a ficar relativamente alta, aumentando o desvio padrão dos resultados. Por este motivo, a fim de entender melhor essa diferença e verificar se era algo pontual relacionado ao corpo de prova, utilizamos mais amostras para obtenção dos dados. 3.6.2 ANÁLISE METALOGRÁFICA A análise metalográfica tem por objetivo analisar, na escala micro gráfica, como o metal se comporta após modificações de sua estrutura original. Neste estudo, o objetivo dessa análise é verificar se a deformação plástica oriunda da UCCF produz regiões de encruamento. O encruamento é a deformação plástica do material à frio, que acarreta um aumento da tensão de escoamento através da diminuição do tamanho de grão do material. Identificar essas regiões que possui maior resistência mecânica possui grande influência sobre a resistência final da união. As regiões destacadas na Figura 33, mostram diferentes formatos de grão, o que evidência a região de encruamento e, consequentemente, a existência de diferentes resistências na união. Conhecer essas regiões permite ajustar a simulação computacional de maneira que o resultado seja mais próximo ao obtido em ensaios reais. 58 Figura 33 - Regiões de encruamento geradas pela UCCF Fonte: Os Autores, 2020. 59 4 SIMULAÇÃO Tendo como base os resultados obtidos de forma experimental descritos anteriormente, foi realizado o teste de tração por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF), a fim de fazer um comparativo e verificar uma possível convergência entre os resultados do ensaio físico com o resultado do ensaio experimental. Esta simulação trata do tracionamento do corpo de provas, sendo analisada a resistência a tração da UCCF. PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROPRIEDADES MECÂNICAS Como mostrado no tópico 3.6.1, foi possível observar que a resistência à tração para a UCCF é da ordem de 3kN. Para esta simulação, deve-se obedecer aos parâmetros de operação presentes na Tabela 4, conforme segue: Tabela 4 - Parâmetros de operação do conjunto Parâmetros de operação Coeficiente de atrito (µ) 0,2 Temperatura ambiente 22 °C Fonte: Os Autores, 2020. Os atritos foram definidos nas regiões de contato entre as chapas, conforme Figura 34 e Figura 35. Figura 34 - Visão superior da região de atrito da chapa inferior Fonte: Os Autores, 2020. 60 Figura 35 - Visão inferior da região de atrito da chapa superior Fonte: Os Autores, 2020. As propriedades mecânicas do material foram inseridas no ambiente de simulação para os sólidos gerados via software de modelamento 3D. Os sólidos foram definidos como corpos flexíveis, para que fosse possível verificar suas respectivas deformações plásticas e resistência. As propriedades mecânicas foram especificadas conforme Tabela 5, todas obtidas através do ensaio de tração do material e do datasheet disponível no Anexo A do presente trabalho. Tabela 5 – Propriedades mecânicas do material Propriedades mecânicas Material AISI 1012 Densidade 7870 kg/m³ Módulo de Bulk 140 GPa Coeficiente de Poisson 0,3 Resistência ao escoamento 304,5 MPa Módulo Tangente 2683,3 MPa Fonte: Os Autores, 2020. Para obter mais algumas propriedades mecânicas do material, foi realizado um ensaio de tração apenas da chapa de aço, em que os dados obtidos podem ser vistos na Figura 36 e na Tabela 6. 61 Figura 36 - Ensaio de tração da chapa de aço Fonte: Os Autores, 2020. Tabela 6 - Dados obtidos do ensaio de tração da chapa de aço Etiqueta do corpo de prova Resistência à tração [N] Tensão à tração [MPa] Módulo (Young automático) [MPa] Deslocamento [mm] Deformação [%] 1 Teste do material 15644,17 304,5 2683,3 25,34 109,21 Fonte: Os Autores, 2020. Como o objetivo desta simulação é verificar a resistência a tração da UCCF, simulando o ambiente de ensaio de tração definiu-se dois deslocamentos, sendo: um deslocamento positivo para a chapa superior e um deslocamento negativo para a chapa inferior, em que seus parâmetros podem ser verificados na Tabela 7. Os deslocamentos foram aplicados nas faces mais externas perpendiculares a direção do deslocamento, conformeFigura 37 e Figura 38. Tabela 7 – Deslocamentos aplicados no conjunto Deslocamentos aplicados Deslocamento Chapa Superior (x, y, z) (5, 0, 0) mm Deslocamento Chapa Inferior (x, y, z) (-5, 0, 0) mm Fonte: Os Autores, 2020. 62 Figura 37 – Face de aplicação do deslocamento para simulação – Chapa Superior Fonte: Os Autores, 2020. Figura 38 – Face de aplicação do deslocamento para simulação – Chapa Inferior Fonte: Os Autores, 2020. CONFIGURAÇÃO DE ANÁLISE DA SIMULAÇÃO Esta etapa visa configurar, empiricamente, as propriedades de análise da simulação, como por exemplo: a quantidade de steps (passos, em tradução livre) a se realizar a simulação, a quantidade de substeps (sub passos, em tradução livre) a se realizar a resolução da simulação, o tempo total, assim como habilitar modos de solução. Para a simulação realizada, configurou- se este ambiente conforme a Tabela 8. 63 Tabela 8 – Parâmetros de análise e solução da simulação Parâmetros de simulação Número de steps 1 Tempo final do step 1 s Divisão automática de tempo por step Ligado Definir por Substeps Substeps iniciais 50 Mínimo de substeps 10 Máximo de substeps 10000 Altas deflexões Ligado Fonte: Os Autores, 2020. GEOMETRIA A geometria do corpo de prova é o resultado da aplicação da UCCF, porém todas as informações necessárias para seu modelamento não são de fácil acesso, por se tratar do know-how (conhecimento, em tradução livre) do fabricante. Para isto, utilizou-se a ferramenta de engenharia reversa, em que, através de uma foto paralela a seção transversal da UCCF realizada, criam-se as linhas de construção sobre a foto, gera-se o solido na região da UCCF e, por fim, une-se este sólido gerado por revolução à uma chapa metálica plana. Na Figura 39, Figura 40 e Figura 41 é possível verificar estas etapas de construção da região da UCCF. Figura 39 - Vista paralela da seção transversal da UCCF Fonte: Os Autores, 2020. Figura 40 - Geração do sólido a partir das linhas de construção Fonte: Os Autores, 2020. 64 Figura 41 - Seção transversal do sólido gerado via CAD Fonte: Os Autores, 2020. MALHA Como a região da UCCF sofrerá a maior deformação plástica, se faz necessário o refino da malha nesta região. Para isto, foram utilizados os métodos demonstrados a seguir: Method – Patch Conforming (Método – Conformação de geometria, em tradução livre), Body Sizing – Element Size (Dimensionamento do corpo – Tamanho do elemento, em tradução livre) e Body Sizing – Sphere of Influence (Dimensionamento do corpo – Esfera de influência, em tradução livre). 4.4.1 METHOD – PATCH CONFORMING Este método foi utilizado para definir o elemento utilizado na malha. Por se tratar de uma simulação que terá grandes deformações na região da UCCF, define-se este método para priorizar a utilização de elementos tetraédricos (TET10), que permitem maior deformação entre si e possuem dez nós em contato. Este método foi aplicado as duas chapas do corpo de provas. A utilização de priorização de elementos hexaédricos para esta geometria, por exemplo, não seria recomendada, devido as altas deformações aplicadas. Elementos deste tipo, concentram a deformação em uma direção e os ângulos entre as arestas não mudam, o que não atenderia às necessidades da simulação em questão, logo trazendo resultados distorcidos. Para este refino, utilizou-se os seguintes parâmetros, conforme Tabela 9. . 65 Tabela 9 - Parâmetros de refino – Patch Conforming Parâmetros – Patch Conforming Método Tetraedros Algoritmo Patch Conforming Ordem do elemento Padrão global Fonte: Os Autores, 2020. 4.4.2 BODY SIZING – ELEMENT SIZE Este método foi utilizado para dimensionar o tamanho dos elementos de acordo com a necessidade de cada região. Neste caso, optou-se por manter o tamanho dos elementos maiores nas regiões que não ocorrem altas deformações (regiões que não incluem a UCCF, como mostrado na Figura 42). Assim, diminuindo a utilização de recursos computacionais, logo, diminuindo o tempo para realizar a simulação completa. Figura 42 - Região de refino de malha - element size Fonte: Os Autores, 2020. Para este refino, utilizou-se os seguintes parâmetros, conforme Tabela 10. Tabela 10 - Parâmetros de refino – Body Sizing Parâmetros – Body Sizing Tipo de configuração Element size Tamanho do elemento 3,2 mm Fonte: Os Autores, 2020. 66 4.4.3 BODY SIZING – SPHERE OF INFLUENCE Este método foi utilizado para diminuir o tamanho dos elementos na região da UCCF (Figura 43) tendo por finalidade a melhoria na quantidade de elementos nesta região. Este dimensionamento foi utilizado, a fim de melhorar a resolução da principal região de deformação e, consequentemente, diminuir o erro propagado. Para este refino, utilizou-se os seguintes parâmetros, conforme Tabela 11. Tabela 11 - Parâmetros de refino – Body Sizing Parâmetros – Body Sizing Tipo de configuração Esfera de influência Centro da esfera Sistema de coordenadas global Raio da esfera 5 mm Tamanho do elemento 0,6 mm Fonte: Os Autores, 2020. Figura 43 - Região de refino de malha - Sphere of Influence Fonte: Os Autores, 2020. 4.4.4 MALHA RESULTANTE Utilizando os métodos apresentados anteriormente, foi obtido a seguinte malha, conforme Figura 44 e Figura 45. A primeira figura representa, externamente, o resultado da malha de elementos gerada. Já a segunda figura apresenta a topologia dos elementos da malha em um seção transversal do corpo de provas, com foco na região da UCCF, ambos em vista isométrica. 67 Figura 44 - Vista isométrica da malha Fonte: Os Autores, 2020. Figura 45 - Vista Isométrica em corte da malha Fonte: Os Autores, 2020. A malha gerada teve, estatisticamente, a quantidade de nós e elementos apresentados na Tabela 12. 68 Tabela 12 - Quantidade de nós e elementos da malha gerada Estatísticas da malha gerada Total de nós 29846 Total de elementos 16251 Fonte: Os Autores, 2020. A qualidade é verificada através do Orthogonal Quality (Qualidade ortogonal, em tradução livre), que indica o quão perto os ângulos estão entre as faces adjacentes do elemento, e Skewness (Assimetria, em tradução livre), que mensura a diferença entre o ângulo do elemento gerado na malha e o ângulo de um elemento ideal. Selecionando cada um dos tipos de análise, elas resultam nos gráficos da Figura 46 e Figura 48. Figura 46 - Gráfico de qualidade da malha: qualidade ortogonal (orthogonal quality) Fonte: Os Autores, 2020. Utilizou-se, para fins de comparação, a escala padrão de análise de malhas para orthogonal quality, disponibilizada pela empresa Ansys (Figura 47). 69 Figura 47 - Escala de qualidade da malha (orthogonal quality scale) Fonte: Figura adaptada de ANSYS, 2015. Nota-se que menos de 2,5 % do volume total da malha está abaixo de uma qualidade boa, já a porcentagem do volume total restante da malha está entre bom e excelente. Analiticamente, para o Skewness, o resultado da malha foi: Figura 48 - Gráfico de qualidade da malha: assimetria (skewness) Fonte: Os Autores, 2020. Também para Skewness, utilizou-se a escala padrão disponibilizada para verificar a qualidade da malha. 70 Figura 49 – Escala de assimetria (skewness) Fonte: Figura adaptada de ANSYS, 2015. Nota-se que para o Skewness, também, menos de 2,5 % do volume total da malha está abaixo de uma qualidade boa, enquanto a porcentagem do volume total restante está entre uma qualidade boa e excelente. SIMPLIFICAÇÕES Nesta etapa, algumas simplificações foram realizadas, a fim de diminuir a utilização computacional da simulação e facilitar a convergência dos resultados. 4.5.1 REGIÕES DE ENCRUAMENTO Por se tratar de uma UCCF, esta união possui regiões com altas deformações, que geram encruamento no material. Para se obter essas regiões, é necessáriofazer uma simulação do processo. Fazendo um comparativo com o estudo de (MUCHA, 2011), as regiões de maior tensão plástica efetiva se dão nas zonas de contato com a ferramenta, devido ao atrito e à conformação à frio, sendo estas regiões o diâmetro interno e o fundo da união. Essas zonas de alta tensão plástica efetiva resultam em um aumento da dureza e, consequentemente, na redução da ductilidade, alterando o comportamento mecânico do material. Neste trabalho, a simulação de UCCF não convergiu para a geometria final esperada, pois não houve a formação da região de ancoramento, que é de suma importância para o intertravamento entre as chapas, sendo esta região responsável por resistir à aplicação de forças na união. Excelente Muito Bom Bom Aceitável Ruim Inaceitável 0-0.25 0.25-0.50 0.20-0.69 0.80-0.94 0.95-0.97 0.98-1.00 71 Na Figura 50 e Figura 51 é possível fazer um comparativo entre o resultado da simulação e o resultado esperado com base em uma seção transversal da união. Figura 50 - Resultado da simulação de UCCF utilizando o Ansys Fonte: Os Autores, 2020. Figura 51 – Resultado da região de ancoramento esperada Fonte: Os Autores, 2020. Devido à não convergência do processo de UCCF na simulação, optou-se por não incluir as regiões de encruamento na simulação do ensaio de tração. 72 4.5.2 RÓTULA PLÁSTICA No tracionamento do corpo de provas no ensaio real, ocorre um fenômeno denominado rótula plástica. Este fenômeno se dá pelo fato de as chapas estarem sobrepostas, o que gera um desalinhamento no tracionamento do corpo de provas, produzindo uma decomposição da força de tração, implicando na rótula plástica. Para esta simulação, definiu-se que os deslocamentos realizados estão na direção da sua respectiva chapa ao qual foi aplicado, conforme ilustrado na Figura 37 e Figura 38 (item 4.1). 73 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES RESULTADOS DO ENSAIO DE TRAÇÃO Observando os dados obtidos nos testes de tração, foi possível verificar que o gráfico de UCCF mais adesivo estrutural apresentou um comportamento diferente do que era esperado. Como pode ser visto na Figura 52, ele apresentou duas fases (destacadas em azul e verde) que, fazendo um comparativo com os gráficos dos corpos de prova apenas com adesivo estrutural e apenas com UCCF, são muito semelhantes a eles: Figura 52 - Comportamento gráfico de cada tipo de corpo de prova Fonte: Os Autores, 2020. Ao verificar o gráfico da Figura 52, é possível inferir que a junção dos dois métodos de união não interfere, de fato, na resistência mecânica como era esperado. Elas trabalham de forma individualizada, em que, na primeira fase (destacada pelo círculo maior em azul), é possível observar a resistência obtida em função do adesivo estrutural e, na segunda fase (destacada pela elipse em verde), é possível observar a resistência obtida em função da UCCF. 74 Mas, observando os dados um pouco mais a fundo, foi possível perceber uma diferença de, aproximadamente, 54 % no valor da menor resistência mecânica obtida nos corpos de prova apenas com adesivo estrutural, comparado aos corpos de prova de união híbrida, como pode ser visto na Figura 53. Figura 53 - Comparativo da menor resistência mecânica obtida Fonte: Os Autores, 2020. RESULTADOS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL 5.2.1 SIMULAÇÃO X ENSAIO REAL A partir da simulação realizada e utilizando os parâmetros de construção, operação e geometrias, notou-se que a UCCF apresenta uma resistência à tração melhor do que a esperada, se comparada ao valor obtido através do ensaio detração real (Figura 54). 75 Figura 54 - Gráfico comparativo entre simulação e real Fonte: Os Autores, 2020. É possível notar, também, a região onde ocorre a maior solicitação da UCCF, ou seja, a principal região que suporta a força de tração aplicada no corpo de provas (Figura 55). Figura 55 - Região de maior solicitação da UCCF Fonte: Os Autores, 2020. 76 Outro ponto importante a se destacar é o modo de deformação da UCCF que, quando comparado ao ensaio mecânico, apresentou uma diferença: enquanto no ensaio mecânico a UCCF rompeu na região onde ocorre a maior deformação (destacado na Figura 56), na simulação este fenômeno não ocorreu. Isto pode ser explicado, novamente, devido a não utilização das regiões de encruamento, que possuem uma alta resistência mecânica, porém baixa ductilidade, o que aumenta a possibilidade de cisalhamento do botão. Figura 56 - Região de rompimento da UCCF Fonte: Os Autores, 2020. 77 6 CONCLUSÕES Com base no desenvolvimento deste trabalho, foi possível obter as seguintes conclusões: 1. Realizar a UCCF + aplicação de adesivo estrutural não trouxe um aumento na resistência à tração da união como esperado (soma das resistências). Percebeu-se que existem dois comportamentos separados, onde primeiro ocorre o rompimento do adesivo e, em seguida, o rompimento do botão de forma individual. 2. A vantagem de realizar a união híbrida está no fato de que ela permite que o adesivo desenvolva a melhor performance de suas propriedades mecânicas, devido à UCCF remover os espaços entre as chapas. Dessa forma, evitando discordâncias que fariam com que a resistência mecânica final do adesivo fosse prejudicada. 3. Conforme mostrado na Figura 53, realizar a união híbrida, permitiu um aumento de 3162,6 N na resistência à tração da união, que representa um acréscimo de 54,9 %. 4. A resistência à tração obtida da UCCF através da simulação computacional é superior em, aproximadamente, 9,19 %, se comparada a resistência máxima obtida nos ensaios mecânicos. Este resultado pode ser melhorado se for considerado o encruamento do material, gerado pelo processo de UCCF. Entretanto, ainda é um bom resultado para as condições configuradas no software. 78 7 TRABALHOS FUTUROS ENSAIO MECÂNICO 1. Caracterizar as regiões de encruamento por meio de ensaios de microdureza. 2. Analisar as microrregiões resultantes utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV). SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL 1. Realizar o processo de UCCF utilizando a simulação computacional e o módulo de região adaptativa não linear, a fim de reduzir o erro causado pela deformação dos elementos da malha e utilizar as regiões de encruamento resultantes do processo de conformação. 2. Utilizar a simulação 2D, com o intuito de diminuir a utilização de recursos computacionais. 3. Configurar o evento de rótula plástica, pois existe uma decomposição de forças devido à esta movimentação que não foram consideradas e avaliar a diferença dos resultados. 4. Melhorar a não conformidade de malha. 79 REFERÊNCIAS ALFANO, M. et al. Fracture toughness of structural adhesives for the automotive industry. AIAS 2017 International Conference os Stress Analysis. Pisa: [s.n.]. 2017. p. 561, 562, 563, 564, 564. ALFANOA, M. et al. Fracture toughnes of structural adhesives for the automotive industry. Pisa: Elsevier: AIAS 2017 International Conference on Stress Analysis, 2017. 1-5 p. 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SILVEIRA, F. D. et al. Estudo da Aplicação de Adesivos Estruturais para Junção de Chapas de AçoCarbono: Análise da Preparação Superficial do Aderente. Rio de Janeiro: ENGEVISTA, 2019. 1-15 p. Disponivel em: <https://periodicos.uff.br/engevista/article/download/13843/16396>. Acesso em: 05 Abril 2020. SONG, Y. et al. Numerical and experimental study on failure behavior of steelaluminium mechanical clinched joints under multiple test conditions. Wuhan: KeAi - International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 2018. 1-8 p. Disponivel em: <https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588840418300738>. Acesso em: 01 Abril 2020. THOMPSON, A.; TAYLOR, B. N. Guide for the use of the International System of Units (SI). Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology (NIST), 2008. Disponivel em: <https://www.nist.gov/physical-measurement-laboratory/special-publication-811>. 81 TOX® PRESSOTECHNIK. Overview of the TOX®-Clinching Technology. Weingarten, p. 24. 2008. (Data Sheet 80.100 ). TOX® PRESSOTECHNIK. Tecnologia de Clinching TOX®. TOX® PRESSOTECHNIK, 2020. Disponivel em: <https://br.tox-pressotechnik.com/assets/countries/BR- PT/pdf/TOX_Clinching-Technology_80_br.pdf>. Acesso em: 12 out. 2020. TOX® PRESSOTECHNIK. Ferramentas de Clinching de chapas metálicas. TOX® PRESSOTECHNIK. Disponivel em: <https://br.tox-pressotechnik.com/produtos/ferramentas-de- clinching/toolsets/#a_twin>. Acesso em: 31 jul. 2020. TOX® PRESSOTECHNIK GMBH & CO. KG. TOX®-Clinching Technology. TOX® PRESSOTECHNIK, Weingarten. ISSN 309977 / 80.202003.en. Disponivel em: <https://br.tox- pressotechnik.com/assets/countries/EN/pdf/TOX_Clinching-Technology_80_en.pdf>. Acesso em: 31 jul. 2020. VARIS, J. P.; LEPISTÖ, J. A simple testing-based procedure and simulation of the clinching process using finite element analysis for establishing clinching parameters. Lappeenranta: Elsevier Science Ltd. , 2003. 82 ANEXO A Tabela 13 – Propriedades físicas normalizadas - AISI 1012 Propriedades físicas normalizadas – AISI 1012 Material AISI 1012 - Aço Coeficiente de poisson 0,27 – 0,30 Módulo de cisalhamento 80 GPa Densidade 7870 kg/m³ Resistência ao escoamento 310 MPa Resistência a tração 370 MPa Condutividade térmica 49,8 W/m.K Fonte: AZO Materials, 2016. Tabela 14 – Propriedades químicas normalizadas - AISI 1012 Propriedades químicas normalizadas – AISI 1012 Material AISI 1012 - Aço % Ferro (Fe) 99,16 – 99,6 % Manganês (Mn) 0,30 – 0,60 % Carbono (C) 0,10 – 0,15 % Enxofre (S) ≤ 0,050 % Fósforo (P) ≤ 0,040 Fonte: AZO Materials, 2016. Tabela 15 – Propriedades químicas do material utilizado - AISI 1012 Propriedades químicas normalizadas – AISI 1012 Material AISI 1012 - Aço % Ferro (Fe) 98,82 % Manganês (Mn) 0,71 % Carbono (C) 0,148 % Enxofre (S) 0,006 % Fósforo (P) 0,013 Fonte: Folha de dados (datasheet) disponibilizado pela Oxfer. 83 ANEXO B Figura 57 - Composição química do aço AISI 1012 Fonte: Folha de dados (datasheet) disponibilizado pela Oxfer.
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