Cientistas transformam sucata de alumínio de automóveis em metal de alto desempenho para novos veículos

Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) estão trabalhando para mudar isso. 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.

O 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 conservar energia.

RidgeAlloy é feito através da refusão de alumínio recuperado de produtos usados ​​e sua reformulação em uma nova liga projetada para atender aos requisitos de resistência, ductilidade e segurança contra colisões 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 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 Núcleo de Metais Leves do ORNL. “Esse é um ritmo inédito de inovação 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 larga escala. Espera-se que muitos desses veículos cheguem ao fim da sua vida útil no início da década de 2030. Quando isso acontecer, os sistemas de reciclagem poderão receber até 350.000 toneladas de sucata de chapas de alumínio todos os anos na América do Norte.

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 fonte nacional de alumínio de alta qualidade.

“Você pode reaproveitar o alumínio pós-consumo em algo não estrutural, como blocos de motor”, disse Alex Plotkowski, líder do grupo ORNL de Física Acoplada Computacional. “Mas não terá as propriedades necessárias para aplicações em corpos estruturalmente sólidos e de maior valor.”

O principal desafio vem da contaminação introduzida durante o processo de trituração do veículo. Pequenas quantidades de ferro de peças 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 são feitas de alumínio primário produzido a partir de minério extraído. Esse processo requer quantidades significativas de energia.

Transformando sucata de alumínio em recurso doméstico

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

“Estima-se que o uso de sucata fundida em vez de alumínio primário resulte em uma redução de até 95% na energia necessária para processar uma peça”, 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 a composição da liga. A computação de alto rendimento foi usada para realizar mais de dois milhões de cálculos que previram quais combinações de elementos forneceriam as propriedades mecânicas desejadas. A equipe também conduziu análises detalhadas de materiais e experimentos de difração de nêutrons na Spallation Neutron Source do ORNL, uma instalação de usuário 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 o estudo de metais porque podem passar por materiais densos sem causar danos, permitindo aos pesquisadores observar estruturas internas e mudanças em escala atômica.

De modelos de computador a peças automotivas reais

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

A Trialco Aluminium 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 é eventualmente fundir peças maiores, talvez até mesmo peças fundidas automotivas, mas este é 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, mesmo quando o metal reciclado inclui 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 outras peças estruturais importantes.

Essa capacidade poderá mudar significativamente a forma como a sucata de alumínio automotivo é classificada, avaliada e reutilizada na América do Norte.

Expandindo o impacto além do laboratório

“Esta equipe descobriu como aproveitar ao máximo o conjunto de capacidades de classe mundial de um laboratório nacional para preencher rapidamente uma enorme lacuna em nossa compreensão de 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. Essa mudança poderá reduzir o consumo de energia, reduzir os custos de produção e fortalecer as cadeias de abastecimento nacionais.

“A RidgeAlloy oferece a primeira tecnologia capaz de recuperar o valor de uma onda historicamente massiva e que se aproxima rapidamente de ligas domésticas de chapas de alumínio automotivo recicladas de alta qualidade”, disse Haynes. “Esse é o impacto geral da cadeia de suprimentos que nossa equipe almejava.”

A tecnologia também pode encontrar usos 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, 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 Energia Renovável do DOE, Programa Básico de Metais Leves do Escritório de Tecnologias de Veículos.