Uso do perfil adequado de roscas na transformação do plástico otimiza a produção

O processamento de plásticos por injeção, extrusão, sopro ou qualquer outro tipo de técnica moderna requer hoje uma tecnologia sofisticada. Ao mesmo tempo, a complexidade das novas resinas, blendas e exigência da qualidade dos produtos, requerem projetos de roscas cada vez mais complexos.

O avanço ocorrido na área da informática proporcionou um considerável aumento da qualidade e produtividade do setor, eliminando muitas das variáveis até pouco tempo existentes. Entretanto, para que o sistema seja ainda mais eficaz, é fundamental que a rosca utilizada seja adequada à matéria-prima, à máquina e ao processo.

O objetivo deste artigo é orientar de maneira prática a seleção dos sistemas de extrusão e antecipar alguns dos problemas que podem ocorrer no chão de fábrica.

O processamento do plástico

As seguinte considerações são importantes para proporcionar a maior produtividade e durabilidade do equipamento:

Aquecimento da extrusora

a) Com rosca vazia

Após atingir a temperatura programada nos pirômetros, é preciso aguardar de 15 a 30 minutos para que a rosca também se aqueça, e só então dar a partida na máquina com alimentação e rotação reduzidas (10 a 20 rpm), observando a operação para que a amperagem do motor não exceda seus limites.

b) Com rosca cheia

Após atingir a temperatura programada nos pirômetros, deve-se aguardar de 30 a 40 minutos até que a resina dentro da rosca esteja totalmente derretida. A rotação da rosca deve começar em 10/20 rpm. Aqui, também é preciso observar a operação para que a amperagem do motor não exceda seus limites.

Parada da máquina

A rosca da extrusora deve, sempre que possível, ser completamente purgada para proporcionar um reinício de processo mais rápido e com menor risco. Lembrando que a parada da máquina com a rosca cheia de resina faz com que so componente da extrusora (rosca, cilindro, ponteira e válvula) sofram maior efeito de corrosão e desgaste com possível quebra, o que pode ocasionar a quebra de componentes caso seja dada a partida com a máquina fria.

Perfis de temperatura

O perfil adequado de temperatura deve ser obtido por meio do balanceamento correto das duas fontes de calor disponível:

-calor gerado pelas resistências (condutivo);
-calor gerado pelo atrito (cisalhamento).

Um perfil incorreto de temperatura e a geometria da rosca são as principais causas de desgaste de roscas e cilindros.

O calor condutivo do plástico é obtido com a compressão que a rosca gera pressionando a resina contra a parede do cilindro que está aquecido pelas resistências. Já o calor por cisalhamento é obtido pela compressão da resina na geometria da rosca forçando-a através dos canais e misturadores distributivos e dispersivos, e também pelo uso da contrapressão gerada pelos cabeçotes ou bloqueio hidráulico, no caso de injetoras.

Na hipótese do uso de uma rosca em que o cisalhamento é extremamente elevado e a principal fonte de calor, a temperatura da massa se eleva, mas isso ocorre sob alto custo energítico e elevado potencial de degradação do material com aumento significativo do desgaste da rosca e do cilindro.

O problema aumenta consideravelmente durante o processamento de materiais com cargas minerais ou fibras de vidro.

A experiência indica que o calor necessário deve ser obtido proporcionalmente das duas fontes. O perfil de rosca adequado ao processo deve manter as temperaturas de cada zona estabilizadas o máximo possível.

Perfil "ascendente"
É o perfil normamente usado pela indústria. Sua aplicação é mais adequada para máquinas com roscas com L/D acima de 24 e com materiais que tem o seu amolecimento gradativo até atingir a temperatura adequada de extrusão, como polietileno de alta e baixa densidade (PEAD, PEBD), polipropileno (PP), etc.

Perfil "reverso"
Este perfil é sugerido quando são processados materiais que necessitam de temperaturas elevadas e maior tempo de residência para atingir o seu ponto de amolecimento, bemcomo roscas com L/D curto para o tipo de resina, o que inclui polietileno de ultra alto peso molecular (PEUADM), poliamida (PA) e outros materiais com altas cargas minerais.

Perfil "lombada"
É utilizado quando são processadas resinas não carregadas, mas que necessitam atingir uma temperatura elevada para o seu amolecimento. Todavia, é preciso reduzir a temperatura do material para que ele possa ser processado pelo cabeçote ou molde (levando em consideração sempre o L/D da rosca ou volume de injeção).

Perfil "plano"
Às vezes, é usado quando o percentual da capacidade de extrusão é de 30% a 50% e a resina não é carregada.
É importante observar que o perfil correto de temperatura se dá sempre em função da metéria-prima, do projeto adequado da rosca, do processo e do componente a ser produzido.

Contrapressão na rosca

Contrapressão na rosca é o resultado da aplicação de pressão hidráulica para restringir a passagem do plástico para o cabeçote com o uso de telas. Em razão disso, a rosca trabalha mais, aumentando a temperatura através do cisalhamento.

Vantagens

Como já foi discutido, o aumento da temperatura por cisalhamento forma uma massa com temperatura e viscosidade mais uniforme. A contrapressão também pode melhorar a mistura de cores e é uma forma de aumentar a plastificação quando não se tem uma rosca com geometria adequada (ou seja, com taxa de compressão baixa).

Desvantagens
A contrapressão, por outro lado, aumenta a temperatura e diminui a capacidade de produção da rosca. Como a rosca trabalha mais, ela consome mais energia, aumentando o custo de produção. A contrapressão também gera o desgaste excessivo da rosca, do cilindro, das válvulas, etc., e quando é usada com fibras de vidro, reduz as propriedades físicas da peça.

Não existem regras fixas para o uso de contrapressão e sua utilização deverá ser usada somente em casos de emergência ou aplicações especiais.

Fonte: http://www.arandanet.com.br/midiaonline/plastico_industrial/2015/maio/index.php

http://itaquaresistencias.com.br/blog/resistencias-eletricas/o-desenvolvimento-de-moldes-de-aluminio-anodizado-para-processos-de-conformacao-a-vacuo-de-dutos-corrugados-de-pead/

O desenvolvimento de moldes de alumínio anodizado para processos de conformação a vácuo de dutos corrugados de PEAD

Muito esforço vem sendo feito para melhorar a eficiência da infraestrutura de saneamento já existente no País de minimizar o impacto que sua falta ou ineficiência caus sobre a qualidade de vida das pessoas e o meio ambiente. Porém, a escassez de recursos financeiros e a carência de produtos mais avançados do ponto de vista tecnológico são problemas enfrentados constantemente pelos profissionais da área.

O aperfeiçoamento técnico e científico dos moldes de alumínio anodizado usados na fabricação de dutos corrugados de polietileno de alta densidade (PEAD) por conformação a vácuo constitui uma inovação no País e representa um grande avanço em comparação à tecnologia de conformação e moldagem contínua de dutos por pressão positiva (pressure forming) usada atualmente, com enormes ganhos em termos de produtividade e melhoria no padrão de qualidade das peças.

Este projeto desenvolveu um sistema de moldes voltado para a conformação a vácuo para ser usado na fabricação de dutos corrugados de PEAD, viabilizando a produção em escalas superiores àquelas obtidas pela geração de ar comprimido. O novo sistema propiciou a redução dos custos de produção e abriu portas para o desenvolvimento no Brasil da tecnologia de extrusão de dutos de parede dupla, a qual poderá ser usada na fabricação de dutos corrugados para saneamento e esgoto segundo a norma europeia 13476-1, atendendo à norma brasileira ABNT NBR 15551.

Foi desenvolvida uma tecnologia para a fabricação de tubos de até 315 mm. Também foram elaborados o projeto e as máquinas de produção com as inovações necessárias, contendo a integração de todos os equipamentos para à obtenção de um sistema produtivo de diminuir custos pelo aumento do mix de produtos.

Usos e aplicação de dutos corrugados

Nos últimos 20 anos a mangueira ou tubo corrugado passou a ter um grande consumo notadamente na área de construção civil, mas também na indústria automobilística, de eletrodomésticos, médica e de bens de capital.

Equipamento necessário para fabricação de tubos corrugados

O conjunto básico para a fabricação de tubos corrugados pode ser visto na figura 2 e é sempre formado por extrusora (7), cabeçote (6), corrugador (5) e seus moldes, calha de refrigeração (4), puxador (3), picotador (2) e enrolador (1).

Extrusora

Quando um material é extrudado, ele é forçado através de uma abertura chamada cabeçote ou matriz. Como o material flui através da matriz, ele adquire a forma do canal da matriz.
A operação básica consiste na matéria-prima ir para dentro do canhão através do funil ou alimentador por gravidade; a rosca capta este material e o empurra diretamente para a frente em direção ao cabeçote.

Uma extrusora de plastificação é alimentada com grânulos de plástico sólido e a aplicação de alta pressão e temperatura transforma esse granulado em uma massa plástica viscosa, que é empurrada através do cabeçote.

Cabeçote

A extrusão de tubos exige um cabeçote equipado com as matrizes que dão o formato e as dimensões do produto a ser extrudado. Este cabeçote tem regulagem de parede precisa, além de uma protuberância (também chamada de bico) para jogar o plástico fluido dentro do molde.
No arranjo de pressão positiva, é necessário um sistema de vedação para o ar comprimido que formata o plástico contra os moldes.

Corrugador

Uma vez que o cabeçote deposita a massa plástica fluida dentro do túnel formado pelos pares de moldes, a matéria-prima é forçada contra a parede corrugada interna das ferramentas por um dos métodos de aplicação de pressão citados.
Os moldes corrugadores são as peças mais importantes do sistema e devem ser fabricados em pares, com alinhamento preciso como se cada par fosse um vagão de trem. O tamanho e o metal utilizados na fabricação dos moldes são fundamentais para que não haja barreira térmica na fabricação dos tubos.
Devido à complexidade geométrica dos produtos atuais, a fabricação otimizada de moldes e matrizes é um desafio para tal fim.
Conforme o plástico endurece, adquirindo o formato de duto corrugado, os moldes absorvem calor e devem ser resfriados. A facilidade com que o calor flui através do molde é justamente uma das característica mais importantes da ferramenta.

Calha de refrigeração

A calha é uma canaleta especial equipada com sprays para refrigeração adicional dos tubos corrugados.

Puxador do tipo caterpillar

Este puxador é necessário para evitar a formação de uma catenária uma espécie de curva) no tubo e para mantê-lo tensionado na saída do corrugador. É indispensável para o direcionamento ao picotador.

Picotador

Equipamento que perfura o tubo de maneira rápida e contínua com cortes ou furos radiais em toda a sua circunferência.

Enrolador

É a disposição final do tubo, enrolado e amarrado em rolos de 100, 50 e ou 20m. Pode ser manual ou motorizado.

Projeto desenvolvido

Segundo os fundamentos da termodinâmica, tem-se a equação da transformada de fourier:

qx" = qx/A = -kxdT/dx (1)

Em que o fluxo térmico (q") é proporcional à condutividade térmica de um material (k) e ao diferencial de temperatura (dT) entre duas superfícies considerando uma dada distância (dx). Portanto, o primeiro item estudado é a escolha de material adequado.
Segundo as propriedades tabeladas dos materiais, o aço possui condutividade térmica de cerca de 49,8 W/mk. enquanto o alumínio possui 130 W/m.K. Isso mostra que o alumínio é cerca de 2,5 vezes mais eficiente na transferência de calor que o aço. Como essa é uma característica essencial para os moldes, escolheu-se o alumínio como matéria-prima para o desenvolvimento. Entretanto, as propriedades mecânicas dos materiais mostram que este metal é, em geral, menos resistente ao desgaste que o aço. Como estes moldes estão em movimento e sempre deslizam por alguma superfície, foi aplicado um tratamento superficial de anodização duta sobre os moldes, que cria uma fina camada de óxido de alumínio, responsável por aumentar a dureza superficial da ferramenta e criar uma camada de proteção contra corrosão.
A partir deste ponto, no estudo em questão, os moldes foram projetados com um perfil corrugado interno especialmente calculado e desenvolvido pela TechDuto (São José dos Campos, SP) com adição de canais para utilização de vácuo e a otimização das dimensões do corrugado para redução do peso do duto a ser produzido.
A máquina-teste onde estes moldes novos seriam testados não era preparada para vácuo, então foram feitos ajustes e modificações nela para aplicação de pressão negativa na conformação dos dutos corrugados.

Antes da fabricação das ferramentas para teste em máquina, a empresa Femto (São Paulo, SP), em conjunto com a TechDuto, montou um estudo dos moldes projetados e da máquina-teste a ser usada para simular quais seriam os resultados obtidos e prever melhorias no projeto.
Os resultados validaram o projeto desenvolvido para a máquina-teste com redução do tempo de refrigeração do duto corrugado. Com isso, os moldes foram efetivamente fabricados e instalados na linha de produção para teste práticos.
Durante os teste práticos, utilizou-se um termovisor para fazer medições de temperatura nos moldes novos quando estes atingiram a máxima produção possível. Esta medições bateram com os resultados obtidos pelo método de elementos finitos, validando os cálculos realizados na fase de pesquisa e desenvolvimento. Utilizando as mesmas condições de máquina-teste, os moldes de alumínio anodizado com conformação a vácuo apresentaram um ganho de produção de 18% sobre os moldes de aço para conformação por ar comprimido.
Este resultados indicam que todas as premissas do desenvolvimento se mostraram corretas e o projeto como um todo foi um sucesso.
Este desenvolvimento resultará em um aumento significativo de produtividade e competitividade para a produção de dutos corrugados de parede simples para proteção de cabeamento elétricos e drenagem subterrânea.

Fonte: http://www.arandanet.com

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Fibra de carbono reforça peças feitas com material compósito

Durante um encontro entre especialistas da Frimo (Alemanha) e da empresa química belga Huntsman Polyurethanes, com sede em Everberg, foram discutidas as últimas tecnologias e tendências na indústria de processamento de poliuretanos, bem como os desenvolvimentos e métodos de produção estabelecidos para os componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras. Estas novas abordagens, tanto na área química como de equipamentos, farão com que novas possibilidades de produção, mais eficientes e robustas, sejam implementadas no futuro. Elas são particularmente relevantes no caso da produção em grande escala de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras de carbono. Em 2011, a Frimo e a Huntsman assinaram um acordo de cooperação a esse respeito.

Os desafios técnicos para a produção de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras são numerosos e têm origem principalmente nos fatos descritos a seguir:

• os componentes a serem produzidos geralmente apresentam espessura de alguns poucos milímetros (cerca de 2 mm), mas podem ser tridimensionais e apresentar amplas superfícies (com áreas de até 2 m², ou mesmo superiores a este valor);
• em média, 50% do volume do componente precisa ser preenchido com fibras pré-conformadas, tecidas e orientadas;
• na maioria dos casos, os tecidos com fibras orientadas possuem várias camadas que não devem ser deslocadas durante o preenchimento do molde;
• o tecido inserido com fibras pré-conformadas precisa vir completamente envelopado, sem a ocorrência de vazios, pelo material que constitui a matriz;
• os componentes destinados a carrocerias automotivas precisam ser capazes de passar pelas linhas de pintura já existentes nas montadoras.

Tais componentes são principalmente produzidos pela inserção do tecido com as fibras e pela injeção do material da matriz no molde fechado.
Outros processos já estabelecidos, nos quais os componentes de material compósito reforçado com fibras são manufaturados por meio da aspersão do material da matriz no interior de um molde aberto, ou por meio de injeção no interior de moldes que se encontram abertos com uma pequena folga paralela ou em ângulo, são adequados para aplicações individuais, mas logo alcançarão seus limites no caso de componentes de grande porte e, possivelmente, tridimensionais.
As resinas bem conhecidas que constituem a matriz do material compósito começam sua reação imediatamente após a incorporação dos aditivos, ou seja, sua viscosidade aumenta. Isto ocorre de forma mais rápida à medida que o tempo para desmoldagem do componente se torna mais curto.

A resistência ao fluxo determina o processo e a qualidade

A resistência ao fluxo no molde durante a injeção é um fator particularmente crítico para o processo e para a qualidade dos componentes.
Essa resistência, que já é problemática devido ao progressivo nível de preenchimento, cresce de maneira desproporcional devido ao aumento da viscosidade do material misturado. Quanto maior for a resistência ao fluxo, maior será o risco de que o tecido contendo fibras ser desloque durante a injeção.

Além disso, os tecidos contendo fibras em múltiplas camadas somente podem ser completamente envelopados e mantidos isentos de poros pelo material da matriz, desde que este mantenha até o certo valor de viscosidade. Para que a produção de peças com amplas superfícies seja efetivamente viável, é necessário que a curva de viscosidade ao longo do tempo e a vazão da mistura sejam adaptadas continuamente, para manter a resistência ao fluxo abaixo do limite máximo permissível.
Valores de resistência ao fluxo superiores a 150 bar já ocorrem nos processos atuais de produção. Consequentemente, os moldes para componentes com áreas superficiais projetadas menores do que 2 m² requerem forças de fechamento superiores a 3.000 toneladas para assegurar que o molde permaneça fechado durante a injeção. Tais forças de fechamento somente podem ser aplicadas por grandes prensas - preferencialmente instaladas como unidades estacionárias de produção.

Hoje, os tempos de ciclo normais para a produção de componentes com superfície de aproximadamente 1,5 m² situam-se entre 20 a 30 minutos por prensa ou unidade de produção. Isto significa que, para a produção de, por exemplo, 300 componentes por dia (EQUIVALENTES DE PRENSA) numa operação em dois turnos, é necessário adquirir de oito a doze prensas. Para uma produção em série de aproximadamente 1.200 veículos por dia, isto envolve a utilização de 30 a 45 prensas para o modelo, considerando a operação em dois turnos.

É difícil imaginar que tais conceitos de produção, os quais são exclusivamente e essencialmente especificados pelos requisitos atuais de processamento, tornem-se consagrados para a produção em série do futuro:

• os investimentos necessários aparentemente são muito altos;
• o processo em si é tecnicamente muito exigente e, possivelmente, até mesmo instável devido aos múltiplos parâmetros relevantes;
• não é possível otimizar a configuração do ambiente de trabalho, devido à presença de metades de moldes que somente podem ser abertos em paralelo;
• os conceitos de produção móvel (tais como mesas rotativas ou unidades de transporte com porta-moldes dotados de motores individuais, etc.) que ajudam no desacoplamento de etapas individuais de processamento, e são quase essenciais na produção em grandes volumes, não podem ser representados de uma maneira técnica e economicamente viável.

Todas essas desvantagens aqui listadas acerca das tenologias de produção disponíveis atualmente podem ser eliminadas. Dentro do escopo do acordo de cooperação entre as empresas Frimo e Huntsma, soluções inteiramente novas vêm sendo desenvolvidas para tornar esse processo econômico e tecnicamente robusto.

Desenvolvimento pioneiro - viscosidade baixa e constante

um novo material de matriz para envelopar as fibras em moldes fechados foi desenvolvido pela Huntsman, o qual apresenta baixa viscosidade (menor que 100 mPas) e mantém esse valor constante após ter sido feita a mistura (figura 1). Quimicamente, esse período de tempo é arbitrário - e, portanto, é ajustável de forma otimizada conforme cada processo de produção. Quando sua vida de prateleira quimicamente ajustável termina, o sistema de poliuretano (designado pela marca comercial Vitrox) reage no tempo mais curto possível - ou seja, quase instantaneamente.

Isto abre duas importantes, anteriormente inexistentes e novas possibilidades de processamento:

• Todo componente com qualquer fração de fibras pode ser preenchido com desempenho otimizado em termos de vazão. Falando em condições ideais, a correspondente resistência ao fluxo requerida não pode exceder 10 bar (figura 2).

• A despeito do tempo de injeção praticamente ilimitado, o material reage muito rapidamente (trata-se da chama "cura num estalar de dedos") quando o tempo ajustado quimicamente e de forma individual se esgota. Atualmente, peças com amplas áreas superficiais podem ser produzidas requerendo forças de fechamento relativamente baixas e sob tempos de ciclo curtos.

Porta moldes em vez de prensas

Mesmo no caso da produção de componentes usando materiais compósitos reforçados com fibras apresentando amplas áreas superficiais, estas novas possibilidades de processamento permitem o uso de porta moldes - da mesma forma como eles também são usados como padrão na produção em grande escala em outras indústrias que processam poliuretano (figura 3).

Isto resulta em significativas vantagens técnicas e econômicas em termos de ergonomia, bem como para a tecnologia de processamento e de produção.

Se necessário, ambas as metades do molde podem ser inclinadas na melhor posição, atendendo a qualquer requisito ergonômico ou de processamento. Além disso, todos os porta-moldes podem ser colocados numa posição otimizada para processamento (por exemplo, para apoiar a injeção e o envelopamento das fibras), permitindo que eles sejam integrados em qualquer conceito de manufatura móvel. Neste caso, sistemas exclusivos de transporte, com porta-moldes manobráveis e dispondo de motor individual, parecem ser particularmente adequados para a produção em altos volumes.

O processo de produção com Vitrox é executado de forma otimizada sob temperaturas relativamente baixas (cerca de 80°C, em média) e de forma praticamente isotérmica (figura 4). Isto possibilita eliminar outra desvantagem frequente dos antigos sistemas: podem ser usados dispositivos padronizados para controlar a temperatura da matéria-prima e dos moldes. Tecnologias dispendiosas baseadas em pressurização, emprego de óleo como meio para transferência de calor ou mesmo a necessidade de aquecimento rápido do molde por induçao, bem como resfriamento rápido, não mais são necessárias.

Esta nova matéria-prima também permite temperaturas de transição vítrea, superiores a 280°C - uma possibilidade importante e interessante para a indústria automotiva. Todos os outros dados físicos são similares aos encontrados para outras matérias-primas bem conhecidas. A injeção de material não corrosivo é feita por equipamento de alta pressão com ultra-precisão, usando a máquina PURe Mix, fabricada pela Frimo, para efetuar a dosagem, a qual é especialmente adequada para esse processo (figura 5).

Além das novas possibilidades para uma produção em série tecnicamente estável e reprodutível de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras, os baixos valores de resistência ao fluxo e velocidade também abrem possibilidades inteiramente novas para o projeto das superfície dos componentes.

Superfícies biônicas - pele de tubarão

Até mesmo a criação de superfícies biônicas, como a reprodução das plaquetas serrilhadas da pele de tubarão, já foi conseguida, sendo adequada para reduzir a resistência ao fluxo de, por exemplo, veículos, navios trens de alta velocidade ou aeronaves.

Pela primeira vez são possíveis reproduções precisas de superfícies biônicas, como a citada no parágrafo anterior, e a aplicação do efeito lúts contra contaminação, entre outras, dentro da fabricação em série de componentes feitos com material compósito reforçado com fibras - inclusive de peças apresentando amplas áreas superficiais.

Graças às baixas velocidades de fluxo aplicadas durante a injeção do material da matriz do compósito diretamente no interior do molde, também as cores superficiais podem ser aplicadas por pintura das superfícies interiores do molde (pintura no molde), ou seja, eventuais estruturas superficiais contendo filigranas não são encobertas pela aplicação subsequente de tinta.

Foram abertos potenciais inteiramente novos para a manufatura de componentes feitos com materiais compósitos reforçados com fibras graças à nova matéria-prima desenvolvida e às possibilidades dela resultantes em termos de processamento e produção. Agora, a produção consistente de peças com alta qualidade pode ser implementada usando-se conceitos de produção tecnicamente robustos e comprovados, bem como utilizando instalações produtivas apropriadas do ponto de vista ergonômico e econômico.

Enquanto isso, praticamente todas as afirmações feitas aqui foram confirmadas e verificadas nas plantas-piloto das empresas Frimo e Huntsman, juntamente ao levantamento de dados técnicos e a execução de ensaios complementares, bem como por diversos clientes da indústria de fornecedores, e por uma montadora automotiva bem conhecida.

Fonte: http://www.arandanet.com.br