Durante a próxima década, espera-se que quantidades significativas de alumínio produzido em painéis de carroçaria entrem em sistemas de reciclagem e recuperação. Atualmente, grande parte deste material não pode ser reutilizado em peças automotivas críticas porque a contaminação o torna muito impuro. Essa limitação reduz seu valor.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão trabalhando para mudar isso. A equipe criou uma nova liga de alumínio chamada RidgeAlloy, que transforma o alumínio reciclado de baixo valor em uma fonte confiável de material para a fabricação de peças estruturais automotivas nos Estados Unidos.
O alumínio aparece em Lista de materiais críticos do DOE Porque desempenha um papel importante em muitas tecnologias energéticas, incluindo sistemas utilizados para gerar, transmitir, armazenar e conservar energia.
Liga Ridge Feito através da refusão de alumínio recuperado de produtos descartados e sua reformulação em novas ligas projetadas para atender aos requisitos de resistência, ductilidade e segurança contra colisões dos componentes estruturais de veículos. Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge desenvolveram uma abordagem direcionada para o design de ligas que poderia acelerar o desenvolvimento de novos materiais.
“A equipe passou de um conceito de papel para uma demonstração bem-sucedida de peças em escala real da nova liga em apenas 15 meses”, disse Allen Haynes, diretor do Programa Central de Metais Leves do ORNL. “Esta é uma taxa de inovação inédita quando se trata de desenvolver ligas estruturais complexas.”
O desafio crescente do alumínio automotivo reciclado
Por volta de 2015, veículos que dependiam fortemente de alumínio começaram a aparecer no mercado dos EUA, incluindo a série de caminhões Ford F-150, que foi um dos primeiros veículos com uso intensivo de alumínio produzidos em massa. Espera-se que muitos destes veículos cheguem ao fim da sua vida útil no início da década de 2030. Quando isso acontecer, os sistemas de reciclagem norte-americanos poderão receber anualmente até 350.000 toneladas de sucata de painéis de carroceria de alumínio.
Parte significativa desse material pode acabar sendo utilizada em produtos fundidos de menor valor ou exportada para o exterior. Isto significa uma oportunidade perdida de reaproveitar o metal como fonte doméstica de alumínio de alta qualidade.
“Você pode reaproveitar o alumínio pós-consumo em coisas não estruturais, como blocos de motor”, disse Alex Plotkowski, líder do Grupo de Física Acoplada Computacional do Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Mas não possui as características necessárias para aplicações em carrocerias estruturalmente sólidas e de maior valor.”
O principal desafio vem da contaminação introduzida durante a trituração de veículos. Pequenas quantidades de ferro de peças como rebites e outros fixadores podem ser misturadas ao metal reciclado. Essas impurezas tornam a composição química imprevisível e reduzem o desempenho, tornando o material incapaz de atender aos rigorosos padrões exigidos para ligas estruturais automotivas.
Como resultado, a maioria das peças leves de veículos ainda são feitas de alumínio virgem produzido a partir de minério extraído. Este processo requer muita energia.
Convertendo sucata de alumínio em recursos domésticos
Embora os Estados Unidos importem a maior parte do seu alumínio primário, o país tem uma rede bem estabelecida de trituração de veículos e reciclagem de sucata de alumínio.
“Espera-se que o uso de sucata fundida em vez de alumínio virgem reduza a energia necessária para usinar peças em 95%”, disse Amit Shyam, líder do Grupo de Design e Comportamento de Ligas da ORNL.
Para criar o RidgeAlloy, os pesquisadores usaram ferramentas científicas avançadas para projetar composições de ligas. A computação de alto rendimento é usada para realizar mais de dois milhões de cálculos, prevendo quais combinações de elementos fornecerão as propriedades mecânicas necessárias. A equipe também conduziu análises detalhadas de materiais e experimentos de difração de nêutrons na Spallation Neutron Source do Oak Ridge National Laboratory, uma instalação de usuários do DOE Office of Science.
Esses experimentos ajudam os cientistas a entender como diferentes impurezas afetam as propriedades 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 a estrutura interna e as mudanças em escala atômica.
De modelos de computador a peças reais de automóveis
Depois que simulações e testes de laboratório determinaram a formulação ideal da liga, os pesquisadores avaliaram o RidgeAlloy sob condições reais de fabricação.
A empresa Trialco Aluminum, do Grupo PSW, com sede em Chicago, produz lingotes de alumínio reciclado a partir de sucata mista de painéis de carrocerias de automóveis para combinar com o design da RidgeAlloy. Os lingotes são então enviados para a Falcon Lakeside Manufacturing, em Michigan, onde são derretidos e fundidos sob alta pressão em peças automotivas.
“As peças que selecionamos eram de tamanho médio e complexidade média”, disse Plotkovsky. “O objetivo final é eventualmente fundir peças maiores, talvez até peças fundidas de gigantes automotivos, mas este é apenas o primeiro passo.”
Os testes confirmaram que RidgeAlloy contém a combinação de alumínio, magnésio, silício, ferro e manganês necessária para peças fundidas estruturais 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, elementos de estrutura e outros componentes estruturais críticos.
Esta capacidade poderá mudar significativamente a forma como a sucata de alumínio automotivo é classificada, avaliada e reutilizada em toda a América do Norte.
Estenda o impacto além do laboratório
“Esta equipe descobriu como aproveitar totalmente o conjunto de capacidades de classe mundial do laboratório nacional para preencher rapidamente enormes lacunas em nossa compreensão de materiais automotivos leves”, disse Haynes.
No início da década de 2030, a produção de peças fundidas de alumínio estrutural reciclado da RidgeAlloy será igual a pelo menos metade da atual produção anual de alumínio primário nos EUA. Esta mudança poderá reduzir o consumo de energia, diminuir os custos de produção e fortalecer as cadeias de abastecimento nacionais.
“A RidgeAlloy fornece a primeira tecnologia que pode recuperar o valor da onda doméstica de chapas de alumínio automotivo recicladas de alta qualidade que está se aproximando rapidamente e é historicamente massiva”, disse Haynes. “Esse é o objetivo da nossa equipe: causar um impacto significativo na cadeia de abastecimento.”
A tecnologia também pode encontrar usos fora dos 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, como barcos a motor.
A equipe de pesquisa do ORNL inclui Alex Plotkowski, Amit Shyam, Allen Haynes, Sunyong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severine Cambier, Alice Perrin e Gerry Knapp. O projeto é apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia, Programa Núcleo de Metal Leve do Escritório de Tecnologia de Veículos.
