Caracterização experimental e modelação numérica do comportamento mecânico de chapas multi-camada e multi-material: aplicação à indústria automóvel

Abstract

Na indústria automóvel, a redução de massa e um design leve e compacto são uma tendência contínua que não mostra sinais de declínio. A pressão para projetar veículos capazes de enfrentar desafios cada vez mais exigentes, como maior economia de combustível, maior segurança e controle eficaz de emissões é constante. Novos materiais avançados reduzem o peso total do veículo, aumentando a eficiência e, assim, reduzindo o consumo geral de combustível. Assim, os fabricantes de automóveis - OEM (Original Equipment Manufacturer) - são obrigados a empregar materiais avançados para garantir que os veículos atendam a normas de emissões cada vez mais rigorosas. Materiais monolíticos metálicos, cerâmicos ou poliméricos não podem satisfazer todas as necessidades tecnológicas para uma variedade de aplicações. Investigadores nas áreas da química e física, bem como engenheiros, entendem que, para obter materiais com propriedades superiores, precisam combinar materiais monolíticos produzindo materiais híbridos. Assim, um tipo de material híbrido especialmente desenvolvido para aplicações industriais, denominado micro-sandwich, tem sido amplamente estudado nas duas últimas décadas. Tratam-se de materiais laminados com duas ou mais camadas de, no mínimo, dois materiais diferentes - chamadas lâminas (lâmina: camada única ou camada) - ligados. A partir destas combinações em estrutura sandwich, é possível “projetar” as propriedades de certo componente ao escolher os materiais monolíticos certos, proporcionando assim a funcionalidade exigida pelos elevados requisitos impostos aos materiais e estruturas modernas. Embora a implementação de materiais sandwich possa contribuir para um bom compromisso entre a redução de peso e o custo do veículo, existem uma série de desafios que precisam ser ultrapassados. Um aspeto fundamental é que, na maior parte das vezes, estes materiais são idealizados e concebidos apenas do ponto de vista de produto final ou aplicação industrial. Porém, as maiores dificuldades relacionam-se com os processos de produção e transformação destes materiais. Por exemplo, os processos de conformação de chapa amplamente utilizados na indústria automóvel requerem um conhecimento profundo da conformabilidade dos materiais. No caso das chapas micro-sandwich, o domínio da conformabilidade é fortemente condicionado pela natureza multi-camada e multi-material do material. Uma tarefa desafiadora relacionada com a caracterização experimental da maioria dos materiais micro-sandwich é a determinação das propriedades desconhecidas do núcleo compósito. As chapas micro-sandwich não são fornecidas com as respetivas propriedades mecânicas e/ou químicas, pelo menos, para todas as camadas. Portanto, falta uma metodologia, simples e robusta, capaz auxiliar a determinação e fornecimento de propriedades mecânicas de chapas micro-sandwich para a indústria. Além disso, não existe nenhum estudo sobre as diferentes abordagens numéricas disponíveis nas ferramentas FEA comerciais de estampagem para modelação e simulação de materiais micro-sandwich. No que diz respeito à análise de cascas 3D para processos de deformação de chapas metálicas, diferentes abordagens FEM podem ser utilizadas, como, por exemplo, elementos casca 2D, elementos casca 3D, elementos sólidocasca e elementos sólidos 3D. Todas estas formulações FE apresentam características próprias que afetam os resultados numéricos em termos de eficiência, precisão e confiabilidade. Não existe um consenso claro na indústria sobre a melhor estratégia FEM para a simulação de processos de conformação de materiais compósitos multi-camada. Para poderem ser usados em produtos industriais, as características relacionadas com a sua estampabilidade devem ser determinadas. Por isso, processos de conformação optimizados, novos materiais e modelos de simulação de processamento de chapas metálicas melhorados estão a tornar-se cada vez mais importantes e necessários para o desenvolvimento bem-sucedido de novos produtos conformados. A presente tese de doutoramento focaliza a caracterização experimental e modelação numérica do comportamento mecânico de chapas multi-camada e multi-material visando a sua implementação em processos de estampagem na indústria automóvel. Todo o trabalho realizado foi desenvolvido em estreita parceria com um dos maiores fornecedores portugueses de produtos estampados para a indústria automóvel, o Grupo SODECIA. As empresas Lamera AB e Thyssenkrupp AG também contribuíram com seus produtos, Hybrix e Litecore S, para os testes experimentais. Além disso, dois dos códigos FE de estampagem comerciais mais comumente usados na indústria automóvel, AutoForm e PAMSTAMP 2G, são profundamente avaliados e comparados antes de serem usados nas simulações de conformação de chapas micro-sandwich. Ao longo desta tese, vários desafios relacionados com a produção e fabricação são discutidos, e diferentes áreas, onde os requisitos de ferramentas de engenharia de projeto precisam ser avaliados em relação aos materiais micro-sandwich e decisões de design, são destacadas para que os fabricantes garantam a competitividade futura do mercado automóvel.

In the automotive industry, mass reduction and lightweight design is a continuing trend that does not show signs of declining. The automotive industry is under constant pressure to design vehicles capable of meeting increasingly demanding challenges such as improved fuel economy, enhanced safety and effective emission control. Advanced automotive materials reduce the overall weight of the vehicle, increasing the efficiency and thereby reducing the overall fuel consumption. Automotive OEM (Original Equipment Manufacturer) are compelled to employ advanced automotive materials to ensure that the vehicles meet the increasingly stringent emission norms. Metals, ceramics, or polymers as mono materials cannot fulfill all technological needs for a variety of original applications. Researchers in chemistry and materials, as well as engineers, understand that to obtain materials with superior properties, they have to combine mono materials to hybrids. For industrial applications, the development of a special hybrid material, the micro-sandwich, has been one of the most studied in the last two decades. There are laminates with two or more layers of minimum two different materials—called laminae (lamina: single ply or layer)—bonded together. With these combinations in a sandwich material, it is possible to “design” the properties of particular components with the right choice of mono materials, thus providing the functionality to fulfill the high demands on modern materials and structures. But while implement sandwich materials may contribute to a good compromise between weight reduction and vehicle cost, it also proposes a number of challenges that need to be addressed. A fundamental aspect is that, for the most part, these materials are designed and conceived only from the point of view of final product or industrial application. However, the greatest difficulties are related to the production and transformation processes. For instance, the sheet forming processes widely used in the automotive industry require a deep knowledge of the material’s formability. In the case of the micro-sandwich sheets, the understanding and mastery of the formability is strongly affected by its multi-layer and multi-material nature. A challenging task related with the experimental characterization for most micro-sandwich materials is the determination of the unknow properties of the composite core. The micro-sandwich sheets are not provided with this mechanical and chemical data, at least, for all layers. Therefore, it is missing a simple and robust methodology to supply the mechanical properties of the total micro-sandwich sheet to the industry. Furthermore, there is no study about the different numerical approaches available in the commercial stamping FEA tools to modelling and simulate micro-sandwich materials. Concerning the 3D shell analysis of sheet metal forming processes, different FEM approaches can be used, such as, 2D shell elements, 3D shell elements, solid-shell elements and 3D solid elements. All these FE formulations have particular characteristics which affects the numerical results in terms of efficiency, accuracy and reliability. Therefore, there is not yet a clear consensus in the industry about the most suitable FEM strategy to the sheet metal forming simulation of layered materials. In order to use these layered materials, deep drawing characteristics must be determined before applying them to industrial products. Thus, optimized forming processes, new materials and improved simulation models in sheet metal processing are becoming increasingly important for the successful development of sheet metal parts. The current Phd thesis focuses the experimental characterization and numerical modelling of the mechanical behavior of multi-layer and multi-material sheets, aiming its implementation in industrial automotive stamping processes. All the work carried out was developed in close collaboration with one of the largest portuguese suppliers of automotive stamped products, the SODECIA Group. The companies Lamera AB and Thyssenkrupp AG also contributed with their products, the micro-sandwich materials Hybrix and Litecore S, for the experimental tests. In addition, two of the most popular stamping commercial FE codes in the automotive industry, AutoForm and PAM-STAMP 2G, are deeply evaluated and compared before being used to perform micro-sandwich sheet forming simulations. Throughout this thesis, a number of production and manufacturing related challenges are discussed, and different areas where the requirements of design engineering tools needs to be evaluated concerning the micro-sandwich materials and design decisions are highlighted in order for automotive manufacturers to ensure future market competitiveness.