Durante a próxima década, espera-se que grandes quantidades de alumínio dos painéis da carroçaria entrem nos sistemas de reciclagem e eliminação. Atualmente, grande parte deste material não pode ser reutilizado em componentes automotivos críticos porque a contaminação o torna muito impuro. Essa limitação reduziu seu valor.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) estão trabalhando para mudar isso. A equipe criou uma nova liga de alumínio chamada RidgeAlloy que pode transformar o alumínio reciclado de baixo valor em uma fonte confiável de material para a produção de peças automotivas nos Estados Unidos.
O alumínio aparece Lista de materiais críticos do Ministério da Energia porque desempenha um papel importante em muitas tecnologias energéticas, incluindo sistemas utilizados para gerar, transmitir, armazenar e conservar energia.
RidgeAlloy é produzido pela refusão do alumínio obtido de produtos usados e seu processamento em uma nova liga projetada para atender aos requisitos de resistência, ductilidade e segurança contra colisões dos componentes estruturais do veículo. Os pesquisadores do ORNL desenvolveram uma abordagem direcionada para o design de ligas que acelera o desenvolvimento de novos materiais.
“A equipe progrediu de um conceito de papel para uma demonstração bem-sucedida em escala real da nova liga em apenas 15 meses”, disse Allen Haynes, diretor do Programa Núcleo de Metais Leves do ORNL. “Esta é uma taxa de inovação inédita no desenvolvimento de ligas estruturais complexas.”
O problema do alumínio automotivo reciclado está crescendo
Os veículos que dependem fortemente do alumínio começaram a aparecer no mercado dos EUA por volta de 2015, incluindo a série de caminhões Ford F-150, um dos primeiros modelos com uso intensivo de alumínio produzidos em larga escala. Espera-se que muitos destes veículos cheguem ao fim da sua vida útil no início da década de 2030. Se isso acontecer, os sistemas de reciclagem na América do Norte poderão receber até 350.000 toneladas de sucata de chapa de alumínio por ano.
Grande parte deste material pode eventualmente ser utilizado em produtos fundidos de menor valor ou exportado para o exterior. Isto significa uma oportunidade perdida de reutilizar o metal como fonte nacional de alumínio de alta qualidade.
“Você pode reaproveitar o alumínio pós-consumo em algo não estrutural, como blocos de motor”, disse Alex Plotkowski, chefe do grupo de Física Acoplada Computacional do ORNL. “Mas não terá as propriedades necessárias para uma aplicação mais valiosa e estruturalmente sólida no corpo.”
O principal problema está relacionado à poluição que ocorre no processo de esmagamento dos veículos. Uma pequena quantidade de ferro de peças como rebites e outros fixadores é misturada ao metal reciclado. Essas impurezas tornam a química imprevisível e reduzem o desempenho, impedindo que o material atenda aos rigorosos padrões exigidos para ligas estruturais automotivas.
Por causa disso, a maioria das peças automotivas leves ainda são feitas de alumínio virgem produzido a partir de minério extraído. Este processo requer uma quantidade significativa de energia.
Transformando sucata de alumínio em recurso doméstico
Embora os Estados Unidos importem a maior parte do seu alumínio primário, o país tem uma rede bem desenvolvida para triturar veículos e recuperar sucata de alumínio.
“Estima-se que o uso de sucata fundida em vez de alumínio virgem reduza a energia necessária para usinar a peça em até 95%”, disse Amit Shyam, chefe do grupo de comportamento e design de ligas do ORNL.
Para criar o RidgeAlloy, os pesquisadores usaram ferramentas científicas avançadas para projetar a composição da liga. A computação de alto desempenho foi usada para realizar mais de dois milhões de cálculos que previam quais combinações de elementos forneceriam as propriedades mecânicas desejadas. A equipe também realizou análises detalhadas de materiais e experimentos de difração de nêutrons na Spallation Neutron Source do ORNL, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia.
Esses experimentos ajudaram os cientistas a entender como diferentes impurezas afetam as características da liga. Os nêutrons são particularmente úteis para o estudo de metais porque podem passar por materiais densos sem causar danos, permitindo aos pesquisadores observar estruturas internas e mudanças em escala atômica.
De modelos de computador a peças reais de automóveis
Depois de determinar a fórmula ideal da liga por meio de simulação e testes de laboratório, os pesquisadores avaliaram o RidgeAlloy em condições de fabricação reais.
O PSW Group Trialco Aluminium em Chicago produziu lingotes de alumínio reciclado feitos de sucata de chapas automotivas que combinavam com o design RidgeAlloy. Esses lingotes foram então enviados para a Falcon Lakeside Manufacturing em Michigan, onde foram derretidos e fundidos em componentes automotivos usando fundição sob pressão de alta pressão.
“A peça que escolhemos era de tamanho médio e complexidade moderada”, disse Plotkowski. “O objetivo final é eventualmente fundir peças maiores, talvez até gigacasts automotivos, mas este é um primeiro passo.”
Os testes confirmaram que RidgeAlloy contém a combinação de alumínio, magnésio, silício, ferro e manganês necessária para peças fundidas de veículos, embora o metal reciclado contenha níveis mais elevados de ferro e silício. O material fornece resistência, resistência à corrosão e ductilidade necessárias para aplicações exigentes, como parte inferior da carroceria de veículos, membros da estrutura e outras peças estruturais importantes.
Esta capacidade tem o potencial de mudar significativamente a forma como a sucata de alumínio automotivo é classificada, avaliada e reutilizada na América do Norte.
Estendendo a exposição além do laboratório
“Esta equipe descobriu como aproveitar ao máximo as capacidades de classe mundial do laboratório nacional para preencher rapidamente uma enorme lacuna na nossa compreensão dos materiais automotivos leves”, disse Haynes.
No início da década de 2030, a RidgeAlloy será capaz de produzir peças fundidas de alumínio estrutural reciclado em volumes iguais a pelo menos metade da atual produção anual de alumínio primário nos Estados Unidos. Esta mudança pode reduzir o consumo de energia, diminuir os custos de produção e fortalecer as cadeias de abastecimento nacionais.
“RidgeAlloy oferece a primeira tecnologia para trazer valor de volta à onda historicamente massiva e que se aproxima rapidamente de ligas domésticas de alumínio automotivo recicladas de alta qualidade”, disse Haynes. “É o panorama geral do impacto na cadeia de suprimentos que nossa equipe tem buscado.”
A tecnologia também pode encontrar aplicações não apenas em automóveis de passageiros. As aplicações potenciais incluem equipamentos industriais, máquinas agrícolas, sistemas aeroespaciais, equipamentos móveis de geração de energia, veículos off-road, como motos de neve e motocicletas, e veículos marítimos, incluindo jet skis.
A equipe de pesquisa do ORNL incluiu Alex Plotkowski, Amit Shyam, Allen Haynes, Sunyoung Kwon, Ying Yang, Sumit Ball, Nick Richter, Severin Cambie, Alice Perrin e Jerry Knapp. O projeto foi apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia, um importante programa de metais leves do Escritório de Tecnologia Automotiva.
