Pesquisadores transformam alumínio de carros sucateados em metal de alto desempenho para novos automóveis

Pesquisas em Andamento

Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão trabalhando para mudar essa situação. A equipe criou uma nova liga de alumínio chamada RidgeAlloy, que pode converter alumínio reciclado de baixo valor em uma fonte confiável de material para a fabricação de peças estruturais automotivas nos Estados Unidos.

A Importância do Alumínio

O alumínio aparece na lista de materiais críticos do DOE porque desempenha um papel importante em muitas tecnologias energéticas, incluindo sistemas usados para gerar, transmitir, armazenar e conservar energia.

Desenvolvimento do RidgeAlloy

A RidgeAlloy é feita pela fusão de alumínio recuperado de produtos usados e sua recristalização em uma nova liga projetada para atender aos requisitos de resistência, ductilidade e segurança em caso de colisão de componentes estruturais de veículos. Os pesquisadores do ORNL desenvolveram uma abordagem de design de liga direcionada que acelera o desenvolvimento de novos materiais.

“A equipe avançou de um conceito em papel para uma demonstração de parte em escala total de uma nova liga em apenas 15 meses,” disse Allen Haynes, diretor do Programa Core de Metais Leves do ORNL. “Esse é um ritmo de inovação sem precedentes no desenvolvimento de ligas estruturais complexas.”

O Desafio Crescente do Alumínio Automotivo Reciclado

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 intensivos em alumínio produzidos em larga escala. Muitos desses veículos devem atingir o fim de sua vida útil até o início da década de 2030. Quando isso acontecer, os sistemas de reciclagem poderão receber até 350.000 toneladas de sucata de chapas de alumínio por ano na América do Norte.

Uma grande parte desse material pode acabar sendo utilizada em produtos fundidos de menor valor ou exportada para o exterior. Isso representa uma oportunidade perdida de reutilizar o metal como uma fonte doméstica de alumínio de alta qualidade.

“Você pode reutilizar alumínio pós-consumo em algo não estrutural como blocos de motor,” disse Alex Plotkowski, líder do grupo de Física Acoplada Computacional do ORNL. “Mas não terá as propriedades necessárias para aplicações de alta valorização e que suportam estruturas.”

O principal desafio vem da contaminação introduzida durante o processo de trituração dos veículos. Pequenas quantidades de ferro de partes como rebites e outros fixadores se misturam ao metal reciclado. Essas impurezas tornam a composição química imprevisível e reduzem o desempenho, o que impede que o material atenda aos rígidos padrões exigidos para ligas estruturais automotivas.

Por causa disso, a maioria das peças leves de veículos ainda é feita de alumínio primário produzido a partir de minérios, um processo que exige quantidades significativas de energia.

Transformando Alumínio Reciclado em um Recurso Doméstico

Embora os Estados Unidos importem a maior parte do alumínio primário, o país possui uma rede bem desenvolvida para triturar veículos e recuperar sucata de alumínio.

“Usar sucata remeltida em vez de alumínio primário é estimado resultar em uma redução de até 95% na energia necessária para processar uma peça,” disse Amit Shyam, líder do Grupo de Comportamento e Design de Ligas do ORNL.

Para criar a RidgeAlloy, os pesquisadores utilizaram ferramentas científicas avançadas para projetar a composição da liga. Computação de alta performance foi utilizada para realizar mais de dois milhões de cálculos que previam quais combinações de elementos proporcionariam as propriedades mecânicas desejadas. A equipe também conduziu análises detalhadas de materiais e experimentos de difração de nêutrons nas fontes de nêutrons de espalação do ORNL, uma instalação do DOE Office of Science.

Esses experimentos ajudaram os cientistas a entender como diferentes impurezas influenciam o desempenho da liga. Os nêutrons são especialmente úteis para estudar metais, pois podem passar por materiais densos sem causar danos, permitindo que os pesquisadores observem estruturas internas e mudanças em nível atômico.

Dos Modelos Computacionais às Peças Automotivas Reais

Após identificar a fórmula ideal da liga por meio de simulações e testes em laboratório, os pesquisadores avaliaram a RidgeAlloy sob condições reais de fabricação.

O Trialco Aluminum do PSW Group, em Chicago, produziu lingotes de alumínio reciclado feitos de sucata de chapas de carroceria automotivas misturadas que correspondiam ao design da RidgeAlloy. Esses lingotes foram então enviados para a Falcon Lakeside Manufacturing em Michigan, onde foram derretidos e moldados em componentes automotivos usando fundição sob alta pressão.

“A parte que escolhemos era de tamanho médio e moderadamente complexa,” disse Plotkowski. “O objetivo final é eventualmente fundir partes maiores, talvez até giga-fundações automotivas, mas este é o primeiro passo.”

Os testes confirmaram que a RidgeAlloy contém a combinação de alumínio, magnésio, silício, ferro e manganês necessária para fundições estruturais de veículos, mesmo quando o metal reciclado inclui níveis mais altos de ferro e silício. O material fornece a resistência, resistência à corrosão e ductilidade exigidas para aplicações exigentes, como partes inferiores de veículos, elementos de estrutura e outras peças estruturais chave.

Essa capacidade poderia mudar significativamente a forma como a sucata de alumínio automotivo é classificada, valorizada e reutilizada em toda a América do Norte.

Expandindo o Impacto Além do Laboratório

“Esta equipe descobriu como aproveitar ao máximo a suíte de capacidades de classe mundial de um laboratório nacional para preencher rapidamente uma enorme lacuna em nossa compreensão dos materiais automotivos leves,” disse Haynes.

Até o início da década de 2030, a RidgeAlloy poderia possibilitar fundições de alumínio estrutural reciclado em volumes iguais a pelo menos metade da produção anual de alumínio primário atual nos Estados Unidos. Essa mudança poderia reduzir o consumo de energia, diminuir os custos de fabricação e fortalecer as cadeias de suprimentos domésticas.

“A RidgeAlloy oferece a primeira tecnologia capaz de recapturar o valor de uma onda massiva de alumínio automotivo reciclado de alta qualidade que está se aproximando rapidamente,” disse Haynes. “Esse é o impacto na cadeia de suprimentos que nossa equipe visava.”

A tecnologia também pode encontrar aplicações além de veículos de passageiros. As aplicações potenciais incluem equipamentos industriais, maquinário agrícola, 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, Sunyong Kwon, Ying Yang, Sumit Bahl, Nick Richter, Severine Cambier, Alice Perrin e Gerry Knapp. O projeto foi apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energias Renováveis do DOE, Programa Core de Metais Leves de Tecnologias de Veículos.