13 – Seleção de materiais
A seleção de materiais pode envolver algumas das decisões mais importantes tomadas no projeto de sistemas mecânicos de precisão. Mesmo quando a escolha óbvia é o aço, por exemplo, há muito mais escolhas a serem feitas com relação ao tipo de aço ou liga, forjado, fundido ou laminado, o tipo de tratamento térmico e a dureza necessária, além dos processos de fabricação e de tratamento de superfícies.
O nível de informações vai desde as propriedades físicas básicas ao conhecimento prático de ciência dos materiais. Essa descrição vai se limitar a dar conhecimentos básicos, com a seleção de materiais através de propriedades físicas que muitas vezes permitem a otimização do projeto. A base das informações é o projeto de Ashby, 1992, que organizou os materiais através de grupos de propriedades que são os principais requisitos de escolha dos materiais nos projetos mecânicos. Os seus mapas de propriedades dos materiais mostram claramente quais materiais satisfazem da melhor maneira os vários grupos de propriedades. Chetwynd, 1987, desenvolveu um trabalho similar voltado para aplicações de precisão. A abordagem proposta por ele consiste em planilhas eletrônicas para obter máxima flexibilidade na criação e análise dos grupos de propriedades.
Os mapas de propriedades de Ashby (1992) são um meio efetivo de visualização das características de uma grande variedade de materiais e classes de materiais. A figura 45 um dos mapas desenvolvidos.
Figura 45 – Mapa do coeficiente de expansão térmica comparada com a condutividade térmica, de Ashby, 1992.
O conjunto de todos os mapas abrange todas as propriedades úteis para o projeto mecânico. As propriedades neste mapa em particular foram destacadas no item deste capítulo que trata do gerenciamento térmico do projeto. As linhas tracejadas que aparecem em cada carta são curvas de nível para um ou mais grupos de propriedades. As linhas são retas porque as cartas estão numa escala log-log e os grupos de propriedades sempre consistem em produtos e quocientes. Esse conceito é um exemplo elegante de engenharia tradicional, mas não é muito conveniente se as propriedades e grupos de interesse não aparecem no mesmo ou em qualquer mapa. Isso leva à principal vantagem de uma abordagem computacional, sua flexibilidade. As propriedades podem ser agrupadas se necessário e os grupos podem ser combinados de modo a apresentarem uma melhor visualização para auxiliar no projeto. Assim, as escolhas ficam óbvias, já que as principais propriedades ou grupos de propriedades serão explicitados nos novos mapas produzidos. A tabela 7 apresenta o exemplo de uma planilha gerada.
Tabela 7 – Exemplo de planilha de propriedades de materiais obtida no computador.
A idéia chave é o grupo de propriedades. Os mapas de propriedades e as planilhas eletrônicas são somente meios de implementar a idéia. Ashby usou uma abordagem de índice de performance para formular o grupo de propriedades para um problema particular de projeto. Seu procedimento foi o seguinte:
a) Identificar a característica a ser maximizada ou minimizada (peso, custo, energia, rigidez, tensão, segurança, etc.).
b) Desenvolver uma equação para essa característica em termos de requisitos funcionais, geometria e propriedades dos materiais (a função-objetivo).
c) Identificar as variáveis livres (não especificadas).
d) Identificar as restrições e classificá-las por ordem de importância.
e) Desenvolver equações para as restrições (sem fratura, sem flambagem, máxima capacidade térmica, custo abaixo do objetivo, etc).
f) Substituir as variáveis livres pelas restrições na função-objetivo.
g) Agrupar as variáveis em três grupos: requisitos funcionais, F, geometria, G, e propriedades dos materiais, M. Assim: CARACTERÍSTICA ≤ f(F,G,M)
h) Consultar o índice de performance, expresso como uma quantidade M, a ser maximizada.
i) Uma solução completa não é necessária para a identificação do grupo de propriedades dos materiais.
Ashby apresenta vários estudos de caso onde a função-objetivo é tanto separável, isto é, f=f1(F)f2(G)f3(M), ou não separável. A seleção de material para um caso separável não depende da geometria ou dos valores dos requisitos funcionais.
As propriedades mais importantes para a seleção de materiais para máquinas-ferramenta são: