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Materiais Automotivos Desafios do Século 21 Adriano Rogério Kantoviscki Gerente de Engenharia de Produto – Renault S.A.

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Materiais AutomotivosDesafios do Século 21

Adriano Rogério Kantoviscki Gerente de Engenharia de Produto – Renault S.A.

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A descoberta do Carro

10m 1m 60cm 0cm (Posição de Dirigir) Tocar, Escutar…Status, Estilo… Cheirar, Conforto…

Observador e o Produto (veículo)

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Desenvolvimento de um Projeto Automotivo

Engenharia Sequêncial

Engenharia SimultâneaVeículo é quebrado em times funcionais (especialidades)

- Super-estrutura/ Façades Dianteira e Traseira

- Acessórios Interiores

- Acessórios Exteriores

- Áreas de Apoio

- ……….

Design Engenharia de Produto Engenharia de Manufatura Produção

Compras Fornecedores Logística Pós-Vendas

Pós-Vendas

Design

Compras

Engenharia

Manufatura

Forne

cedo

res

- Motorização e transmissão

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Zonas de Arquitetura nos carros Renault

SuperestruturaFace Dianteira

e TraseiraFace

e TraseiraHabitáculo Interior

ChassisChassis

CompartimentoCompartimento do motor

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P / 5

Evolução dos Fatores – Tempo de Desenvolvimento

SAFRANE

VEL SATIS

LAGUNA I

LAGUNA II

MEGANE I

MEGANE II

57

43

55

42

53

29

Tempo de Desenvolvimento do Veículo

(Desde o Design até a Oferta do Veículo ao Mercado)

SAFRANE

VEL SATIS

LAGUNA I

LAGUNA II

MEGANE I

MEGANE II

57 meses

43

55

meses

42

53

29

meses

meses

meses

meses

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Porque Selecionar os Materiais ?

• Diversidade das propriedades

���� Não existe um material universal ideal

���� Existem quantidades enormes de famílias químicas

���� As particularidades de sínteses próprias a cada fabricante conferem às resinas as diferentes propriedades específicas

���� Os aditivos modificam sensivelmente as propriedades e especializam os materiais.

• Diversidade dos meios de processo

• Diversidade de preços

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Etapas necessárias à seleção de material

1º- Análise funcional da peça• Identificação das temperaturas de utilização, os líquidos, os trabalhos

mecânicos,…

• Integração máxima das funções/formas• Objetivos de preços, pesos, duração de vida

2º- Definição de um guia de pré-qualificação do mate rial

3º- Seleção das famílias adaptadas à função• Temperatura, faixa de propriedades• Processamento de transformação, faixa de preços

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Princípios da Seleção dos Materiais

Parâmetros para Selecionar o Material Plástico Correto

As características do produto que decidem a escolha do material básico são:

- propriedades físico-químicas (mecânicas, óticas, elétricas e químicas);- comportamento eletrostático;- estabilidade dimensional;- exatidão dos detalhes;- estabilidade as intempéries;- comportamento à chama;- custo;- facilidade de transformação;

Outras propriedades particulares:

- cheiro, - inocuidade fisiológica, - aspecto ( cor e toque), etc.

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Princípios da Seleção dos Materiais

• Pré-qualificação dos materiais�� CompararComparar suas suas propriedadespropriedades: : mecanicasmecanicas, , ttéérmicarmica, , envelhecimentoenvelhecimento........

�SelecionarSelecionar o mais o mais adatpadoadatpado

•• AtenAtençção:ão: um “bom ” material pode ser mal utilizado. Por isso, a necessidade de ensaios representativos, sobre corpos de prova e/ou de peças representativas

• Necessidade de uma abordagem funcional :

�� A escolha de um material A escolha de um material éé inseparinsepar áável da tecnologia de vel da tecnologia de aplicaaplica çção ão

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Comparação de Várias Propriedades

Materiais ρρρρ(g/cm 3)

E(GPa)

YS (Mpa)

MetaisMgAlTiFe

1.72.74.57.8

4570120210

70 - 27025 - 600

170 - 1 300200 - 2 000

PolímerosPPPAPC

0.91.11.2

0.92- 42.6

20 - 3550 - 90

50

CerâmicasSi O2

SiCSi3N4

2.62.5 - 3.2

3.2

94450350

7 20010 0008 000

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Eles devem colocar em evidência as degradadegradaçções do materialões do material:� Fenômenos de superfFenômenos de superfííciecie�� Envelhecimentos aceleradosEnvelhecimentos acelerados�� MigraMigraçção de aditivosão de aditivos�� ExtraExtraçção de aditivosão de aditivos�� Inchamento do material ou mudanInchamento do material ou mudançças de comportamentosas de comportamentos�� EvoluEvoluçção da estruturaão da estrutura

Obrigação de estudar o comportamento dos materiais / peças quando em contato com fluidos, ensaiando os mesmos, com os fluídos utilizados no veiculo.

� Necessidade de referenciar-se ao envelhecimento nat ural

XII-

REPRODUÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS EM LABORATORIO

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Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações

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Polímeros na Indústria Automobilística

Peças de acessórios exteriores:(Pára-choques, frisos, molduras, grades, etc..)

Peças de carroceria:(Pára-lamas, tampo porta-malas, etc..)

Peças de iluminação(Projetores, lanternas, sinalizadores, etc..)

Acessórios Compartimento Motor:(GMP, Filtros, tubulações, coletores, etc..)

Acessórios ircuito Carburante:(reservotórios, canalizações, bocais, filtros, etc..)

Guarnições Interiores

Bancos

Páinel de Comando

Panéis de PortasGuaniçõesRevest. de TetoTapetes e insonorizantes

Panel de InstrumentosInstrumentaçãoClimatizaçãoSegurança........

Consoles

Retrovisor

Volante

Termoplásticos e suas aplicações

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P / 14P / 14

Polímeros na Indústria Automobilística

Renault Clio

0

5

10

15

20

25

30

35

40

PP PUR ABS PA PE PBT etPET

PC PVC PF POM SMA PMMA PPE EP

Renault Clio

Termoplásticos e suas aplicações

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� Materiais Compósitos no compartimento do motor

Filtro de ArPP +EPDM+

Talco

Coletor de EntradaPA + Fibra de Vidro

Redução de Custo: 30%Redução de Peso: 30%

Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações

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� Compósitos materiais para partes estruturais

Coluna frontal (Megane 2)PA+ Fibra de Vidro

+ Aço estrutural

Painel Posterior (Megane 2)Termofixo SMC – Poliéster reforçado

com fibra de vidro

Polímeros na Indústria AutomobilísticaTermoplásticos e suas aplicações

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Polímeros na Indústria Automobilística

Paralamas Scénic Nanotubos de Carbono emPA/PPO (Noryl)

Peças Expostas

Termoplásticos

Nanomateriais na Indústria Automobilística

Termoplásticos e suas aplicações

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Polímeros na Indústria Automobilística

Uso de polímeros reciclados (PP)

Painel de Comandos - Modus

Termoplásticos e suas aplicações

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• PRINCIPAIS BORRACHAS APLICAÇÕES PRÁTICAS NA INDÚSTRIA DO AUTOMÓVEL

NATURAL NBR/NBR HIDROGENADAVITON EPDMSBR NEOPRENESILICONE BROMOBUTILPOLIURETANO POLIACRILICA

Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações

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Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações

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Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações

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O elastômero é a borracha em si. Logo, como produto principal, devemos ter o cuidado de selecionar a borracha mais adequada para uma determinada tarefa. Um elastômero é escolhido principalmente devido às suas:a) Propriedades químicas:- Resistência a solventes.- Resistência a óleos.- Resistência ao ozônio- Resistência a produtos químicos

b) Limite de temperatura de trabalho:- Ao ambiente.- Ao calor.

c) Propriedades mecânicas específicas

O simples conhecimento da família química da borrac ha não ésuficiente para se conhecer as propriedades dos pro dutos terminados!

Polímeros na Indústria AutomobilísticaElastômeros e suas Aplicações

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Elastômeros e suas Aplicações

Borracha natural (IR)A borracha natural é obtida através da extração de látex de árvores seringueiras.As propriedadespropriedades especificasespecificas de de flexibilidadeflexibilidade e de e de elasticidadeelasticidade, , fazemfazem comumcomum o o usouso de IR de IR ememformulas de formulas de paletaspaletas e e coxinscoxins..

Poli(etileno-propileno-dieno) – EPDM

A EPDM é uma borracha que tem a principal principal caractercaracteríística a resistência stica a resistência àà degradadegradaçção ão pelo calor, luz, oxigênio e ozônio.pelo calor, luz, oxigênio e ozônio.

A resistência quA resistência quíímica ao mica ao etilenoetileno--glicolglicol e e temperaturas attemperaturas atéé 125125°°C, generalizaram seu C, generalizaram seu uso nos tubos flexuso nos tubos flexííveis do sistema de veis do sistema de refrigerarefrigeraçção do motor.ão do motor. Juntas de

estanqueidade

Polímeros na Indústria Automobilística

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Elastômeros e suas Aplicações

Epicloridrina – CO, ECO

Borracha usada me cilindros e bombas, devido à suabaixa permeabilidade a gases.baixa permeabilidade a gases.Elevada resistência temperatura Elevada resistência temperatura (>125(>125°°C ), luz, oxigênio e ozônioC ), luz, oxigênio e ozônio.

tubo flextubo flexíível para ar condicionadovel para ar condicionado

Polietileno-Clorossulfonado – CSM

Utilizado para revestimento de produtos em revestimento de produtos em constante contato com produtos quconstante contato com produtos quíímicosmicos, como mangueiras e correias transportadoras.

Elevada resistência temperatura (135Elevada resistência temperatura (135°°C ), luz, C ), luz, oxigênio e ozôniooxigênio e ozônio

Polímeros na Indústria Automobilística

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Elastômeros e suas Aplicações

Borrachas poliacrílicas – ACMUtilizado em peças automotivas onde são exigidas temperaturas elevadas >135temperaturas elevadas >135°°CCe resistência a e resistência a óóleo.leo.

Elastômeros Fluorados – FKM

Possuem alta resistência alta resistência àà temperaturas temperaturas elevadas e elevadas e àà produtos quprodutos quíímicos em geralmicos em geral. Porém, seu uso fica limitados, por serem caros e por possuirem uma elevada elevada deformadeformaçção remanescente a ão remanescente a

compressão.compressão.

Gaxetas e anéis de vedação

Polímeros na Indústria Automobilística

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P / 26

Elastômeros e suas Aplicações

• Borracha nitrílica – NBRPrincipal característica desta borracha é a resistência aos resistência aos óóleos leos minerais, , solventes e combustsolventes e combustííveis.veis.É muito empregada na fabricação de tubos para conduzir tubos para conduzir óóleos lubrificantes leos lubrificantes em mem mááquinas, automquinas, automóóveis,veis, o’rings, etc

Policloropleno – CRElastômero usado em revestimento de fios e cabos e componente de alguns compostos usados em correias automotivas, pneu, parte externa

Polímeros na Indústria Automobilística

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Elastômeros e suas Aplicações

Polibutadieno – BR (Buna)Borracha empregada amplamente na fabricação de pneus. Esses polímeros constituem as borrachas sintéticas. Costuma ser copolimerizado com outras substâncias.

SBR – Composto de Estireno-Butadieno(Buna-S)Existem vários tipos de SBR, diferenciando-se de acordo com o processo de polimerização. Essa borracha é muito resistente ao atritomuito resistente ao atrito, e por isso é muito usada nas "bandas de rodagem" dos pneus.

Borracha Butírica – IIRPara uso de câmaras de ar e revestimento interno para uso de câmaras de ar e revestimento interno para pneus, devido a sua excelente impermeabilidade a pneus, devido a sua excelente impermeabilidade a gases.gases.

Pela resistência ao fluido de resistência ao fluido de freio,freio,éé utilizada no tubo interno utilizada no tubo interno de flexde flexíível de freio de carros.vel de freio de carros.

Polímeros na Indústria Automobilística

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P / 28

Elastômeros e suas AplicaçõesPolímeros na Indústria Automobilística

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P / 29Carros Tipo C range (Renault Megane , VW Golf VW, etc. )

EVOLUÇÃO DA MASSA (KG) DOS VEÍCULOS DESDE 1981

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1981 1985 1989 1993 1997 2001 2006 2010

Citroën

FIAT

Ford

Nissan

Opel

Peugeot

Renault

VW

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P / 30

Evolução do Peso por Tipo de Material

S U P E R 5 1 9 8 5 C L IO 1 1 9 9 0 C L IO 2 1 9 9 8

7 3 5 K G 8 4 O K G 1 0 0 6 K G

51%

13%

3%

4%

9%

3%2%

3%5%

7%

52%

11%

4%

4%

10%

3%2%

4%4%

6%

53%

10%

5%

3%

10%

4%2%

4%3%

6%

Steels Others metals and fasteners Rubber

Cast iron Thermoplastics Glass

Aluminium Textile fibers Fluids

Magnésium Damping layers

2003

Segmento B

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P / 31

Peso dos Diferentes Componentes

32 kg, 3 %

Motor

Sistemas de Suspensão

Sistemas de chassi

Chicote elétrico + Bateria

Carroceria

Equipamentos Internos e Externos

168 kg, 16 %

149 kg, 15 %

104 kg,10 %

341 kg, 33 %

231 kg, 23 %

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A Cadeia de Materiais

MP

Processamento

Materiais

Transformação

Peça

Uso

Fim de Vida

Meio Ambiente

QUALIDADE

CUSTO Comportamento

21

34

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P / 33

Competição de Mercado

Confiabilidade/ Durabilidade

� Número de modelos Redução de Penetração

� Aumento do tempo deGarantia

� Custos dos veículos Primeiro critério de escolhado Consumidor

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P / 34

Expectativa dosConsumidores

Confortoe

Espaço

Baixo Custo

Redução doConsumo de Combustível

ConservaçãoAmbiental

Segurançae

Qualidade

Expectativa dos Consumidores

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Regulamentação

� AmbientaisExaustão de gasespoluentes

Redução de CO 2 to 140 g.Km -1

(em 2008, era de186 g. em1995)

Fim de vidados veículos(ELV - End of Life)

Restrição / Eliminação de algunsmaterials (Pb, Hg, Cd, Cr6+) +

Recuperação de todos os ELV’s(85% em 2006, 95% em 2015)

� Segurança Grande absorção de energia

Redução de poluentes (HC, CO, NOx, particulados)

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Segurança: Rigidez Estrutural

300 mm 60 mm

Clio1 Clio2

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P / 37

Qualidade Percebida – Evolução dos Fatores

Folgas e Faceamentos na Carroceira

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P / 38

Reciclabilidade dos Materiais

MetaisFerrosos

OutrosMateriais

MetaisNão Ferrosos

Reciclável Reciclável / Descarte Reciclável

70 % 25 % 5 %

40 % 30 % 30 %Materiais Inorgânicas

(vidros, metais, cerâmica...)Polímeros Elastômeros

Estabelecimento de Redes de Recuperação destes MateriaisEvitando o Descarte Final ou Desenvolvendo Projetos Eco-Orientados

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P / 39

Reciclabilidade dos Materiais

Projeto Pioneiro na Indústria Automobilística MundialOverseas Project for Economic Recycling Analysis – OPERA

�Sofware que faz a gestão e análises dos fatores que afetama reciclabilidade de uma peça ou de um material

Exemplo Renault

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Relacionamento com Fornecedores

Necessário um desenvolvimentointegrado com os fornecedores para

atendimento destas tendências

Evolução dos Fatores – Relacionamento com Fornecedores

Futuras Tendênciasdos Produtos

DIVERSIDADEdos

materiais/tecnologia de processamento

COMPLEXIDADEdas

especificações e processos internos

DIFICULDADE DE INTEGRAÇÃO de todas as tecnologias de processamento

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P / 41

Evolução dos Fatores de Internacionalização

Necessidade de adaptação dos materiais e processos de

transformação para as condições locais

MalaisieColombie

Brésil

Chili

Argentine

Roumanie

Maroc

Turquie

Russie

ChineIran

Corée du SudEtats-Unis

Mexique Egypte

Kenya

Zimbabwe

Afrique du Sud

Thaïlande

Philippines

Indonésie

Japon

TaiwanPakistan

Royaume-Uni

Portugal Espagne

France

Slovénie

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Qualidade

Qualidade Confiabilidade

Avanços obtidos através de modelagem e Simulação

Optimização do uso das propriedades dos Materiais

Melhor conhecimento das equações constitutivas

Inspeção de Propriedades

Testes não destrutivos

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P / 43

Design Virtual

Importância da Simulação Numérica: Caso de EstampagemIntegração da Simulação na fase de projeto

CracksRuptura

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P / 44

Simular as contrações para reproduzir as evoluções de aspecto

Testes de Polímeros de Engenharia

EnvelhecimentoArtificial

EnvelhecimentoNatural Acelerado

EnvelhecimentoReal

55--6 6 anosanos na na

regiãoregião de Parisde Paris(4200 MJ/m2/ano)

Flóride (6000 MJ/m2)Arizona (8000 MJ/m2)

Rotterdam (Atm. Poluída)

2 2 anosanos emem Bandol Bandol (5600 (5600 MJ/m2 et 6500 MJ/m2 à 45°)

Tubo Arco Fluorescente

LâmpadaLâmpada XXéénonnon(0,55 W/m(0,55 W/m2 àà 340 nm)340 nm)

Energia solar: 1250 h Lâmpada Xénon ≈ 1 ano em Bandol

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P / 45

Qualidade

Evolução dos FatoresRedução do tempo de

desenvolvimentoRedução do número de protótipos

Design Virtual

Dimensionamento próximo dos valores obtidos por simulação e

dimensionamento

Bom conhecimento das características dos materiais

Incertezas de Medida Variabilidade dos processosprodutivos

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P / 46

Resumo Geral

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Carros do Futuro

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Nanomateriais não são materiais diferentes de outros mate riais: cada aplicação é avaliada em função do custo/performance

• Possíveis aplicações:

� em novas funções, agregando valor ao produto� em funções existentes, se as propriedades podem ser significativamente aumentadas

Existem ainda obstáculos técnicos em seu processo de manufatura, sendo que os nanomateriais precisam ser estudados ainda extensamente, objetivando um conhecimento mais profundo do seu comportamento mecânico, físico, químico, sem esquecer dos aspectos ambientais.

Nanomateriais na Indústria Automobilística

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P / 49Fonte: Nees-Institut fur Biodiversitat der Pflanzen

Nano revestimento que podem ajudar a superfície(vidro ou polímero) a repelir a água. (Efeito Lotus). Nano-fibras, substituindo fibras convencionais nos elementos filtrantes.

Auto limpeza

Nano fibras – filtros de ar

Nanomateriais na Indústria Automobilística

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Redução do consumo de combustível pelaredução de peso ...mas também pela (o)…

• Redução de atrito• Melhora da aerodinâmica• Redução do consumo elétrico• Progresso na eficiência do motor• ...

Custo por litro economizado e não por Kg diminuído

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Cenário para o futuro… projeções e tentativas

Partes Estruturais

Fabricação em massa� Aço

Veículos top de linha� Alumínio

Estruturas de absorção, painéis frontais,Uso de fibras de carbono, uso de multimateriais(Metal – Polímero - Metal, Compósito – Espuma - Compósito…)

� Composites

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Peças de Carroceria

Termoplásticos, termofixos,alumínio

� Painéis

aluminium� Teto

multimateriais� Porta malas, portas

Polímeros (PC)� Vidros

Cenário para o futuro… projeções e tentativas

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Peças Mecânicas

� Aço, ferro fundido, alumínio tem mostrado evolução

�Revestimentos serão muitos (PVC/CVD, laser, tratamentos duplex)

� Magnésio competirá com o Alumínio

� Polímeros e compósitos em maior quantidade

� Cerâmicas, intermetálicos, ..… ?

Cenário para o futuro… projeções e tentativas

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Conclusão Geral

A evolução do materiais automotivos dependerá:

- Aumento de produção, padronização de plataformas, diversidade de carrocerias

- Tempo necessário para validar as propriedades destes materiais

- Conhecimento mais aprofundado de CM

- Redução de peso objetivada- Restrições ambientais

- Investimentos de capital em processamento

- Forte integração local

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MUITO OBRIGADO !!!

Renault - REGIÃO AMÉRICA