Alternativas na construção de automóveis e aeronaves: novos processos de união e fabricação aditiva permitem a união de madeira e metal sem adesivo

Usando tecnologia de impressão 3D e técnica de união ultrassônica, pesquisadores da TU Graz conseguiram obter uma união extremamente forte da matéria-prima renovável madeira com metal e compósito de polímero.

A madeira, matéria-prima renovável, é neutra em termos de clima e, ao mesmo tempo, leve e forte, o que a torna fundamentalmente atraente para uso na fabricação de veículos. Um desafio até o momento tem sido unir a madeira e os outros materiais no veículo, como metais e compostos de polímeros, de forma robusta. A equipe de pesquisa liderada por Sergio Amancio do Instituto de Ciência dos Materiais, Junção e Conformação da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz) – Gean Marcatto, Awais Awan, Willian Carvalho e Stefan Herbst – agora testou com sucesso duas técnicas pelas quais juntas extremamente fortes podem ser obtidas sem o uso de adesivos ou parafusos. A aplicação das técnicas à madeira está com patente pendente e pode ser usada nas indústrias aeronáutica, automotiva e de móveis.

A união de tecnologia e manufatura aditiva permite que a madeira substitua materiais menos sustentáveis

As duas novas técnicas de fabricação são adequadas para suas próprias áreas de aplicação. Faia, carvalho, poliamida reforçada com fibra de carbono e sulfeto de polifenileno, aço inoxidável 316L e ligas de Ti-64 foram usados ​​como materiais de teste. “Nossa motivação é claramente a proteção ambiental”, diz Sergio Amancio. Com novos processos de fabricação, a matéria-prima renovável madeira poderia substituir componentes feitos de materiais intensivos em energia ou difíceis de reciclar.

AddJoining: a impressão 3D permite a união através dos poros da madeira

Com a técnica AddJoining, um componente feito de compósito de polímero é fixado e impresso diretamente em uma superfície – neste caso, madeira – usando um processo de impressão 3D. O material impresso penetra nos poros da madeira, onde ocorre uma reação química, semelhante à reação da cola com a madeira. As conexões resultantes foram altamente bem-sucedidas em testes de carga mecânica. “Após a fratura da junta, conseguimos encontrar polímero nos poros da madeira e fibras de madeira quebradas no polímero, o que sugere que a fratura ocorreu na madeira e no polímero, mas não na junta”, explica Gean Marcatto, que trabalha neste processo como pós-doutorado no instituto. Esses testes bem-sucedidos foram realizados na superfície de madeira não tratada. Juntas ainda mais duráveis ​​podem ser obtidas pela introdução de uma micro ou nanoestrutura na madeira por meio de texturização ou gravação a laser, o que aumenta os poros e melhora as superfícies de colagem. “Mas queríamos trabalhar com o mínimo de etapas possível e, acima de tudo, sem produtos químicos”, diz Sergio Amancio, explicando a ideia subjacente. “Podemos usar essa tecnologia particularmente bem com geometrias 3D complicadas porque os componentes são impressos diretamente na superfície — em qualquer geometria necessária.”

A união ultrassônica garante uma junta de ponto estável

Na junção ultrassônica, a vibração de alta frequência com baixa amplitude é aplicada ao componente de madeira usando um sonotrodo. Em contato com o componente base – neste caso, polímero ou um material composto de polímero – o atrito gera calor na interface que derrete a superfície da parte do polímero. O polímero fundido infiltra-se na superfície naturalmente porosa da madeira. Desta forma, uma junta pontual muito estável pode ser obtida, a partir de uma mistura de intertravamento mecânico (porque o plástico derretido solidifica novamente na madeira) e forças de adesão. “Esta técnica é particularmente adequada para componentes grandes e estruturas 2D, pois obtemos uma junta pontual precisamente localizada”, explica Awais Awan, que dedicou seu doutorado à tecnologia de junção usando energia ultrassônica. Essas juntas pontuais também foram testadas mecanicamente com grande sucesso. As juntas também podem ser ainda mais reforçadas pelo pré-tratamento da superfície da madeira, como texturização a laser.

No futuro, a equipe gostaria de trabalhar com parceiros dos setores automotivo, aeronáutico e de móveis para refinar ainda mais as tecnologias.

Esta área de investigação está ancorada no Campo de Especialização Ciência Avançada de Materiais uma das cinco áreas de foco estratégico da TU Graz.

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