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Investigação de Isabel Duarte, do Departamento Engenharia Mecânica
Espumas metálicas da Universidade de Aveiro querem revestir o futuro
A investigadora Isabel Duarte e uma amostra de espuma metálica
É um material perfeito para automóveis. É resistente relativamente ao seu peso. É um bom absorvente de energia de impacto, e por isso ótimo para a segurança dos ocupantes em caso de acidente. É leve, o que potencia baixos consumos de combustível. E é poroso, amortecendo com isso ruídos e vibrações. O material em causa dá pelo nome de espuma metálica e promete revolucionar a indústria automóvel e não só. Construção civil, arquitetura, imobiliário e biomedicina estão igualmente de olho neste novo material que tem em Isabel Duarte, da Universidade de Aveiro (UA), um dos poucos cientistas europeus que conhecem os segredos de uma espuma que já está a ser incorporada nalguns componentes de veículos automóveis topo de gama na Alemanha.

Os recém-criados tubos de alumínio preenchidos com espuma de alumínio, através de um processo desenvolvido pela investigadora, são mais um passo em direção a um futuro mais leve e resistente.

Imagine-se uma esponja, com todos os seus poros, mas feita de metal. Assim se assemelham as espumas metálicas. “São materiais sólidos de elevada porosidade, semelhantes a outras espumas sólidas, como é o caso das cerâmicas, mas feitas a partir de um metal ou de uma liga metálica”, explica Isabel Duarte. Por isso, aponta a investigadora do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da UA, “podemos ter espumas de aço, de alumínio, de magnésio, de zinco e até mesmo de ouro conforme a aplicação que se pretende”.

No setor da biomedicina, por exemplo, as espumas terão de ser feitas em titânio ou de crómio-cobalto devido às características de biocompatibilidade aliadas à respetiva resistência ao desgaste e à corrosão destes metais. Já para o setor automóvel as espumas mais usadas são as de ligas de alumínio e de magnésio, metais leves mas resistentes que contribuem para reduzir o peso do veículo automóvel.

O baixo peso, a elevada rigidez e resistência relativamente ao seu peso, a boa capacidade de absorção de energia a impactos e a boa capacidade de amortecimento de ruídos e vibrações garantem às espumas metálicas um interesse cada vez maior de uma indústria automóvel ávida por veículos mais leves, mais seguros, mais confortáveis, menos poluentes, de baixo consumo de combustível, mais pequenos e a custos baixos. “As espumas têm aqui a sua aplicação ideal“, garante Isabel Duarte.

Prova disso é que algumas empresas alemãs já estão a incorporar estas espumas em estruturas metálicas de automóveis. No limite, aponta a cientista, “toda a estrutura oca da carroçaria de um veículo pode ser total ou parcialmente preenchida por estas espumas, contribuindo para um aumento da rigidez e da capacidade de absorção de energia e sem lhe aumentar o peso global significativamente”.

Novas estruturas fabricadas no DEM

Também nas estruturas dos veículos automóveis, a incorporação das espumas metálicas já está a ser testada. “Atualmente, temos desenvolvido e testado estruturas leves baseadas em espuma de alumínio para serem usados em veículos automóveis, mas que tenham um bom desempenho mecânico fiável e previsível”, explica a investigadora.

Em concreto, a equipa de Isabel Duarte desenvolveu uma metodologia experimental que garante a produção de tubos de alumínio preenchidos com espuma de alumínio, cujo preenchimento é feito durante a etapa de formação da própria espuma. “A dificuldade que tivemos de ultrapassar foi garantir que o tubo mantivesse a sua integridade estrutural, que não fundisse durante a formação da espuma no seu interior e que houvesse o preenchimento total deste, uma vez que este processo ocorre a temperaturas próximas da temperatura de fusão do alumínio do tubo e da espuma”, desvenda.

Os primeiros resultados alcançados na UA “são bastante promissores pois este processo garante uma ligação forte entre a espuma e as paredes internas do tubo exterior que se reflete no seu comportamento mecânico”.

Estas novas estruturas fabricadas no DEM, que tem no núcleo em espuma de alumínio o papel de proporcionar uma elevada taxa de absorção de energia por unidade de peso, enquanto os tubos contribuem para a rigidez e a resistência mecânica do conjunto, “têm apresentado um bom desempenho mecânico mais fiável e previsível, comparativamente com outras estruturas semelhantes”. Mais ainda, esta metodologia permite preencher estruturas metálicas ocas com espuma sem recorrer às técnicas secundárias como colagem e soldadura geralmente usadas, reduzindo assim uma etapa na produção de um componente automóvel.

Existem vários métodos de fabrico destes materiais, mas os mais viáveis são os de expansão direta e o de pulverotecnologia. A Investigadora desvenda um pouco dos segredos que envolvem a criação das espumas. “Nos métodos de expansão direta injeta-se um gás inerte, ou adiciona-se um composto químico que irá libertar um gás no interior do metal fundido”, aponta. Já o método de pulverotecnologia, usado no DEM e que potenciou a criação de tubos de alumínio preenchidos com espuma de alumínio, “consiste em aquecer um material precursor denso a temperaturas acima da temperatura de fusão do metal”.

Este material precursor é obtido por compactação de uma mistura de pós de alumínio e de um composto químico. A espuma forma-se devido à fusão do metal e à decomposição térmica dos pós do composto químico libertando um gás”. No final, a espuma sólida é obtida por arrefecimento controlado  da espuma líquida formada no interior do tubo.

Este método, desenvolvido e patenteado pelo Fraunhofer-Institut für Angewandte Materialforschung (IFAM, Bremen, na Alemanha) onde a investigadora fez o seu Doutoramento e se especializou, é o mais versátil de todos pois permite produzir componentes sem limitações de geometria, forma e dimensões.

A investigação do DEM está a ser realizada com o apoio da empresa nacional MJAmaral e em parceria com grupos de investigação da Universidade Técnica de Berlim (Alemanha), da Universidade de Maribor (Eslovénia) e da Universidade de Split (Croácia).

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