Seleção de materiais para engenharia

A seleção de materiais dentro de projetos de engenharia é uma etapa extremamente importante e que afeta diretamente o consumidor, isso vale para qualquer produto.

Materiais de composições variadas

Para a engenharia, ter conhecimento sobre o material o qual o produto será composto é imprescindível para determinar fatores de projeto. Ou seja, desde a engenharia civil até a aeroespacial, o engenheiro deve conhecer a fundo as propriedades dos materiais envolvidos para determinar se um prédio ou um foguete espacial irá suportar a tarefa para qual ele foi designado.

A Seleção de Materiais no cotidiano

Essa seleção de materiais não é algo extremamente complexo ou algo que apenas engenheiros formados conseguem entender. Na verdade, é algo presente no cotidiano de todos nós e extremamente fácil de compreender. Diversas vezes em um mesmo dia tomamos decisões que envolvem um tipo de seleção de materiais ou produtos e essas decisões embora sejam muitas vezes inconscientes ajudam a entender um pouco do assunto.

Pela manhã, é muito claro que uma garrafa térmica é o melhor lugar para deixar o café quente pelo maior tempo possível. Quando cozinhamos, sempre há uma panela melhor que outra para algum alimento. Ao usar o micro ondas, sempre lembramos de não colocar talheres ou objetos metálicos.

Na hora de dormir, sabemos qual o melhor cobertor. Em todo o nosso dia selecionamos produtos ou materiais para atender as nossas necessidades e é justamente um pensamento tão simples que precisamos para compreender a seleção de materiais para engenharia.

Os segredos da seleção de Materiais

Quando comparamos materiais entre si, analisamos diversas propriedades e em quais um se sobressai em relação aos demais. Na garrafa térmica estamos interessados em um material que mantenha a temperatura da bebida pelo maior tempo possível. Com isso, há uma linha de construção e seleção para garantir o melhor produto.

Neste caso em específico estamos interessados na propriedade térmica, quanto maior a resistência térmica, menor será a troca de calor com o ambiente e mais tempo a temperatura do líquido em contato com a superfície desse material irá se manter.

A engenharia estuda diversas propriedades de materiais. Com isso, um engenheiro formado deve saber como relacionar, comparar, mensurar e selecionar materiais de acordo com suas propriedades já conhecidas. Em um projeto em que essa seleção ocorre, dificilmente haverá apenas uma propriedade analisada. Ou seja, os materiais são comparados ao mesmo tempo por sua resistência, condutividade térmica ou elétrica, dureza, densidade, preço etc.

Um material selecionado deve se sobressair ao máximo e no maior número de propriedades possíveis. Geralmente não existe um material que seja melhor em todas as categorias, sendo assim é necessário o entendimento por parte do engenheiro do projeto como um todo e suas prioridades. Diversas seleções de materiais são limitadas a um custo de material e, portanto, essa característica terá um maior peso, no entanto as outras propriedades ainda são consideradas.

Como é utilizado o método TOPSIS na seleção de Materiais?

Para deixar essa seleção menos subjetiva, existe um método que atribui valores para cada característica do material e as prioriza de acordo com as necessidades do projeto. O algoritmo TOPSIS (em inglês, Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) foi desenvolvido por Hwang e Yoon e é um método simples de tomada de decisões na seleção de materiais. Esse algoritmo apresenta alguns passos que envolvem cálculos simples. Basicamente, listamos diversos materiais que são candidatos a serem utilizados em um produto.

Nessa listagem é anotado os valores de cada propriedade interessante ao projeto em questão. Cada material dessa lista possui um valor único para as mesmas propriedades, cada material resiste a impacto de uma forma melhor ou pior que outro, conduz calor de forma diferente, transmite ou não corrente elétrica etc. Sendo assim, em cada característica isolada há o melhor candidato isolado e a cada propriedade há uma discrepância em relação a esse melhor candidato.

Em outras palavras o pior candidato a resistência mecânica pode ser o melhor candidato a condutividade térmica. Em um projeto em que ambas as características são importantes, é necessário responder a seguinte pergunta: com todas as suas diferenças, qual material é o melhor, ou próximo do melhor, no máximo de categorias possíveis?

Com esse pensamento em mente, cada propriedade que se destaca é adotada isoladamente como valor ideal. Digamos que o preço por quilograma do material X é R$10,00 enquanto sua densidade é 13Kg/m^3 enquanto o material Y apresenta um preço de R$0,10 por quilograma e densidade próxima de 700kg/m^3. Imagine que você é o engenheiro responsável pela seleção do material de um projeto que almeja encontrar um candidato leve e barato. Qual dessas opções você escolheria?

A escolha do melhor material

De um lado tempo um material mais caro e mais leve, do outro um material muito mais barato, porém muito mais pesado. Pelo método TOPSIS devemos fazer a seguinte pergunta: qual a prioridade do projeto? O próximo passo é atribuir pesos para ponderar qual propriedade deve ser mais relevante. Se atribuíssemos peso 0,5 para ambos é o mesmo que dizer que são igualmente importantes, um peso 0,8 para densidade e 0,2 para Y custo de material nos diz que esperamos um projeto com baixo custo, no entanto precisamos de algo leve mesmo que seja caro. O inverso disso seria que um projeto há um limitante de orçamento e, portanto, deve-se priorizar o baixo custo.

Com a atribuição dos pesos os cálculos são feitos e resultam numericamente, de acordo com as propriedades do material, no melhor candidato. Nesse exemplo, o material X é o honeycomb, um polímero que é fabricado no formato similar a uma colmeia de abelha (por esse motivo recebe esse nome). O material Y é o concreto poroso, é um material de construção leve, pré-moldado que simultaneamente fornece estrutura, isolamento térmico-acústico, e resistência ao fogo.

Material X

fonte: autor(2020)

Material Y

fonte: autor(2020)

É comum que essa comparação seja auxiliada com gráficos e suas propriedades estão presentes em diversos banco de dados. Também existem softwares que facilitam o trabalho dos engenheiros na listagem inicial de materiais.

Imagem do CES EduPack

fonte: autor(2020)

Conhecimento sobre a seleção de materiais

No entanto, é imprescindível a formação técnica desse engenheiro para compreender a fundo todos os cálculos do método TOPSIS e atribuir corretamente os pesos bem como a listagem de materiais candidatos. Por exemplo, por mais que o concreto poroso seja um candidato de baixo custo, dependendo do projeto claro que o concreto se quer seja um candidato independente do seu preço.

A evolução de materiais também é um importante fator para essa etapa tão importante de projeto. Quando o engenheiro possui uma maior variedade de materiais para selecionar e com propriedades mais avançadas, todo o projeto recebe um maior valor agregado.

Seleção de materiais no ramo automobilístico

No ramo automobilístico é bem claro essa evolução. Em questão de segurança por exemplo, a taxa de sobrevivência em carros modernos é muito maior que em carros mais velhos. E isso é observado para todas as faixas de preço. Os primeiros carros sofriam grandes pancadas antes de se danificarem e acidentes dificilmente apresentava sobreviventes. Atualmente, os carros sofrem “amaçados” com muito mais facilidade e ao mesmo tempo oferecem uma grande segurança aos motoristas.

Isso ocorre, pois, a engenharia evoluiu nos materiais empregados e os impactos são absorvidos pela lataria do carro, enquanto nos primeiros carros a resistência pura era priorizada. Quando ocorre um impacto, há uma absorção de energia por parte do material do carro. Além de outros artifícios como airbag e freios ABS, essa propriedade contribui para a segurança dos usuários.

Hoje, os carros são feitos para absorver a maior parte da energia de um impacto. O motivo disso é que essa energia irá se propagar e, basicamente, é melhor que essa energia danifique o carro ao invés de ser absorvida pelas pessoas dentro do veículo.

Colisão de carros

Fonte: autor(2020)

Ainda no ramo automotivo, temos como exemplo as competições de fórmula 1. Desde os capacetes ao carro em si é possível notar a evolução que a engenharia apresentou. Carros mais velozes, mais leves, mais resistentes e mais seguros. O senso comum nos diz que um material mais pesado ou mais denso seja mais resistente.

No entanto, para os materiais isso não é regra. Cada grama que o veículo consegue reduzir é uma vantagem quando a corrida começa. Ainda assim, o desempenho não pode comprometer a segurança do piloto. Como resultado temos verdadeiras máquinas potentes e resistentes que alcançam grandes velocidades mantendo o desempenho como objetivo final.

Pensando no método TOPSIS, o peso atribuído ao custo de projeto de um carro de fórmula 1 é próximo de zero. Isso ocorre pois há muito capital envolvido nessas competições e segundo que em grandes eventos competitivos o fator principal sempre tente ao desempenho. Essa lógica é a inversa para produtos de grande distribuição. Para a produção em larga escala, custo baixo geralmente gera lucros maiores.

Versões de capacetes ao longo dos anos

fonte: autor(2020)

Como definir o melhor material para o seu projeto?

Assim, fica claro que a seleção de materiais deve contemplar todas essas diferentes situações e entregar a cada uma delas o melhor material. Portanto, nunca haverá a resposta para “qual o melhor material do mundo?” mas sempre haverá uma resposta para “qual o melhor material para este projeto?”.

A evolução dos materiais acompanha a evolução da ciência. Sendo assim, avanços tecnológicos, projetos de alto desempenho e grandes conquistas da humanidade sempre se voltam a essa evolução.

Seja para o projeto de uma garrafa térmica produzida em larga escala ou um carro de fórmula 1 para grandes competições mundiais, a seleção do material empregado influencia diretamente no sucesso ou fracasso do projeto. Essa seleção não é algo invisível ao consumidor, na verdade, é este quem mais sente suas consequências e conquistas.

Então, mesmo nas próximas escolhas inconscientes (qual a melhor panela? Melhor garrafa térmica? Melhor pneu para o carro?), deve-se lembrar que a seleção de materiais foi a responsável pelo desempenho e custo daquele produto. Produtos mais caros tendem a priorizar desempenho, no entanto esse desempenho poderia ser alcançado por materiais mais baratos com uma maior tecnologia agregada.

No fim, essa seleção impacta toda nossa relação com todos os produtos que interagimos. E por esse motivo ela é tão importante não só para a engenharia mas para todos nós.

Felipe Neves

Consultor de projetos da Engrenar Jr.