Por que os estudos dos materiais são de suma importância para um projeto mecânico?

A seleção de materiais abrange todo o processo de determinação das propriedades que serão solicitadas durante determinada aplicação, até elencar todos os materiais que cumpram com os requisitos mínimos para o uso, além de muitas levar em consideração custo, logística, produção e perspectivas do mercado. Resumindo, é o processo que escolherá qual material é o melhor para uma aplicação.

A seleção de um material adequado é de suma importância para o desenvolvimento de um projeto, e o bom desempenho do produto final depende desta etapa. A grande dificuldade a ser vencida em uma seleção é encontrar, de forma organizada, todas as características importantes em um material para concepção de um produto.

E quais são os objetivos de uma seleção de materiais?

• Redução de custos: escolha de materiais mais baratos (ou que possibilitam economia em outros componentes) que desempenham sua função de maneira satisfatória em comparação ao material antes utilizado – ex: substituição de peças metálicas por peças poliméricas na indústria aeronáutica;
• Novas condições de aplicação, sendo a principal alteração, a de magnitudes de pressão ou temperatura em que a peça está submetida;
• Exigências da sociedade, como o consumo de energia elétrica, preocupação com a sustentabilidade do processo, design, durabilidade;
• Determinação do desempenho do produto final baseado em propriedades físicas, químicas, mecânicas, térmicas ou óticas dos materiais que o compuseram.

Como fazer?

O primeiro passo é a chamada Tradução. Sabendo qual será a aplicação do produto, é necessário compreender a função que o material terá que desempenhar. Listam-se as restrições, características essenciais e inegociáveis. Além disso, determinam-se os objetivos – o que é interessante ser maximizado ou minimizado.

A partir dessas informações, os materiais que não cumprem os requisitos são descartados na Triagem. Com os materiais restantes, entramos na etapa de Classificação, que constitui em elaborar um ranking dos concorrentes de acordo com o objetivo estabelecido ou de índices de mérito, como custo e fornecedores.

Diagrama das classes de materiais. Densidade x Módulo de elasticidade

Por fim, chegamos na etapa de Documentação, onde avalia-se os históricos de aplicação e utilização dos materiais cotados.

Para facilitar o entendimento das etapas e do pensamento por trás da seleção de materiais, vamos exemplificar.

Imagine que você é responsável por escolher o material que será utilizado no visor de proteção de um capacete policial (‘face shield’).

A função do componente é fornecer o máximo de proteção possível, logo, seu objetivo é ser o mais resistente ao impacto possível. As restrições do design do visor são: ser transparente e capaz de ser moldado, já que será aplicado em um componente que apresenta curvatura.

Após realizar a Tradução, os materiais que não cumprem a função serão descartados na Triagem. A partir daí, será feita a Classificação dos materiais que apresentam os requisitos de acordo com sua resistência à fratura (tenacidade). Materiais bem cotados para essa aplicação seriam policarbonato, acetato de celulose e acrílico.

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Então, analisa-se o histórico de aplicação dos materiais em lentes e visores focados em resistência. Os três materiais costumam ser utilizados, logo buscaria o mais resistente (policarbonato). Destaca-se que outras variáveis podem interferir na escolha final, como preço, disponibilidade de fornecedores, processamento etc.

É curioso pensar que os protetores utilizados em ‘face shield’ de profissionais de saúde não compartilham do mesmo objetivo em relação ao exemplo citado, mesmo tendo as mesmas restrições. Portanto, o processo de seleção levaria em consideração outros fatores, como custo, visto que é um equipamento produzido em massa no momento.

A importância da seleção de materiais na indústria

Além de otimizar processos, possibilitar redução de custos e adequar o produto de acordo com as necessidades exigidas, a seleção de materiais também é essencial na construção de projetos em que falhas podem ser fatais.

Como exemplo temos o caso da Liberty Ships, produtora de navios durante a Segunda Guerra Mundial. Devido a um baixo investimento em pesquisa e prazos curtos para a produção, a solda utilizada continha um alto nível de impurezas. Esse fator junto as baixas temperaturas dos oceanos, prejudicou a ductilidade das peças, levando ao naufrágio de diversas embarcações e um prejuízo extremo. Percebe-se que o erro na Tradução (fatores do ambiente não foram levados em consideração para a determinação das restrições) resultaram em uma escolha de material inadequada.

Outro caso em que a seleção de materiais pode impactar no avanço da indústria, é no estudo de novos materiais que cumpram as funções exigidas por classes de materiais que apresentam escassez ou custo elevado, como é o caso de metais raros, que também estão associados a problemas ambientais devido aos impactos da mineração

Por fim, o engenheiro de materiais deve ser capacitado para aliar as propriedades que garantam um elevado desempenho, ao mesmo tempo em que mantém preços competitivos para o cliente.

O Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar é o maior da América Latina e contém laboratórios de excelência e um corpo docente especializado. Tudo à disposição da Materiais Júnior, permitindo que realizemos projetos de seleção de materiais de qualidade.

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