Durante a próxima década, espera-se que grandes quantidades de alumínio dos painéis da carroceria dos veículos entrem no sistema de reciclagem e recuperação. 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 desenvolveu uma nova liga de alumínio chamada RidgeAlloy que pode transformar alumínio reciclado de baixo custo em uma fonte confiável de material para a fabricação de peças estruturais automotivas nos Estados Unidos.
Alumínio aparece Lista de materiais críticos do DOE Porque desempenha um papel importante em muitas tecnologias energéticas, incluindo sistemas utilizados para gerar, transmitir, armazenar e armazenar energia.
Liga Ridge Fabricado através da refusão de alumínio recuperado de produtos usados e criando uma nova liga projetada para atender aos requisitos de resistência, flexibilidade e segurança contra colisões de componentes estruturais de veículos. Os pesquisadores do ORNL desenvolveram um método de design de liga direcionado que acelera o desenvolvimento de novos materiais.
“A equipe progrediu de um conceito de papel para uma demonstração bem-sucedida e em escala real de uma nova liga em apenas 15 meses”, disse Allen Haynes, diretor do Programa Light Metal Core do ORNL. “Este é um ritmo de inovação sem precedentes no desenvolvimento de ligas estruturais complexas.”
O crescente desafio do alumínio automotivo reciclado
Os veículos que dependem fortemente de 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 massa. Espera-se que muitos destes veículos cheguem ao fim da sua vida útil no início da década de 2030. Quando isso acontece, os sistemas de reciclagem podem receber 350.000 toneladas de sucata de chapas de alumínio por ano na América do Norte.
Grande parte desse material pode ser utilizada em produtos fundidos de baixo custo ou exportada para o exterior. Isto representa uma oportunidade perdida de reutilizar o metal como fonte nacional de alumínio de alta qualidade.
“Você pode reutilizar o alumínio pós-consumo em algo não estrutural, como um bloco de motor”, disse Alex Plotkowski, líder do grupo ORNL em física computacional acoplada. “Mas não terá os recursos necessários para aplicações de carroceria estruturalmente mais fortes e com preços mais elevados.”
O principal desafio advém da poluição introduzida durante o processo de desmantelamento dos veículos. Pequenas quantidades de ferro de peças como rebites e outros fixadores são misturadas com metal reciclado. Essas impurezas tornam a composição química imprevisível e reduzem o desempenho, impedindo que o material atenda aos rigorosos padrões exigidos para ligas estruturais automotivas.
Por esta razão, a maioria das peças leves de automóveis ainda são feitas de alumínio primário 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 possui uma rede desenvolvida para trituração de veículos e recuperação de sucata de alumínio.
“Estima-se que o uso de sucata fundida em vez de alumínio primário reduza a energia necessária para processar uma peça em até 95%”, disse Amit Shyam, líder do Alloy Behavior and Design Group da ORNL.
Para criar o RidgeAlloy, os pesquisadores usaram ferramentas científicas avançadas para projetar a composição da liga. A computação de alto rendimento foi usada para realizar mais de dois milhões de cálculos que previram quais combinações de materiais forneceriam as propriedades mecânicas desejadas. A equipe também conduziu análises detalhadas de materiais e experimentos de dispersão de nêutrons na Spallation Neutron Source do ORNL, uma instalação de usuário do DOE Office of Science.
Esses testes ajudaram os cientistas a entender como diferentes impurezas afetam o desempenho da liga. Os nêutrons são particularmente úteis para o estudo de metais porque podem passar através de matéria densa sem causar danos, permitindo aos pesquisadores observar a estrutura interna e as mudanças em escala atômica.
Peças automotivas reais de modelos de computador
Depois de identificar a fórmula ideal da liga por meio de simulação e testes de laboratório, os pesquisadores avaliaram o RidgeAlloy em condições reais de fabricação.
A Trialco Aluminum do Grupo PSW em Chicago produziu lingotes de alumínio reciclado feitos de sucata mista de carrocerias 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 moderadamente complexa”, disse Plotkowski. “O objetivo final são peças maiores, talvez até mesmo peças fundidas automotivas, mas este é o primeiro passo.”
Os testes confirmaram que o RezAlloy contém a combinação de alumínio, magnésio, silício, ferro e manganês necessária para peças fundidas estruturais de veículos, mesmo quando o metal reciclado inclui altos níveis de ferro e silício. O material fornece resistência, resistência à corrosão e flexibilidade necessárias para aplicações exigentes, como parte inferior da carroceria de veículos, componentes de chassis e outras peças estruturais importantes.
Essa capacidade pode mudar significativamente a forma como a sucata de alumínio automotivo é classificada, avaliada e reciclada na América do Norte.
Causando impacto fora do laboratório
“Esta equipe descobriu como aproveitar ao máximo as capacidades de classe mundial de um laboratório nacional para preencher rapidamente uma enorme lacuna na nossa compreensão dos materiais automotivos leves”, disse Haynes.
No início da década de 2030, RidgeAlloy poderá permitir peças fundidas de alumínio estrutural recicladas 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.
“A RizAlloy oferece a primeira tecnologia capaz de recuperar o valor de uma onda de ligas de chapas de alumínio automotivas recicladas de alta qualidade, que está se aproximando rapidamente e historicamente difundida”, disse Haynes. “Esse é o impacto geral da cadeia de suprimentos que nossa equipe almejava.”
A tecnologia também pode ser usada além dos veículos 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, Sunyeong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severin Cambier, Alice Perrin e Gerry Knapp. O projeto foi apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, Programa Núcleo de Metal Leve do Escritório de Tecnologias de Veículos.
