A termoformação com chapa dupla consiste em um processo combinado de termoformação e soldagem, o qual viabiliza a fabricação de componentes com estruturas complexas, semelhantes a recipientes, que também podem ser produzidos economicamente em lotes pequenos, em uma única etapa de processo. Desta forma se consegue uma integração funcional e de processo em relação ao método clássico de “termoformação com chapa única”. No entanto, a produção de componentes com parede dupla e altamente transparentes usando o processo de termoformação com chapa dupla só é possível de forma muito limitada. Um possível campo de aplicação para tais corpos vazados altamente transparentes são janelas de plástico com parede dupla que possuem efeito isolante, tais como janelas de trailers (figura abaixo). Atualmente eles são fabricados adotando-se um processo com dois estágios, constituído por termoformação com colagem subsequente – o qual inclui etapas de processo manuais e com alto custo. Tal situação levou o Instituto de Tecnologia de Plásticos da Universidade de Stuttgart (Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart - IKT), da Alemanha, a desenvolver estudos sobre uma variante de processo para a produção de componentes altamente transparentes usando termoformação com chapa dupla (figura 1), em conjunto com a empresa Linbrunner Thermoforming.

Componente vazado transparente fabricado usando-se um ferramental experimental para chapa dupla, de forma a criar diferentes texturas de superfície (Linbrunner Thermoforming)

 

Fig. 1 - Produção de janelas com parede dupla para “trailers”: comparação entre as sequências do processo atual e da variante desejada (Fonte: IKT; Gráfico: Hanser)

 

Requisitos a serem atendidos pelo material

São necessários semi-acabados termoformados especiais para produzir tais corpos ocos. O sistema de material usado determina as propriedades do componente, mas também influencia, em igual medida, o processo de fabricação. Como a termoformação com chapa dupla é um processo combinado de termoformação e soldagem, essas duas etapas de fabricação também definem requisitos para os sistemas de materiais usados.

São aplicados ao sistema de materiais que constitui os semiprodutos plásticos utilizados os mesmos requisitos mínimos válidos para a termoformação clássica com chapa única, tais como alta precisão de moldagem, a menor tendência possível para ceder e boa elasticidade sob a temperatura de moldagem^{(1, 2, 3)}. Além desses requisitos mínimos de termoformabilidade, os semi-produtos plásticos também devem apresentar soldabilidade adequada.

Na termoformação com duas chapas de componentes altamente transparentes, os requisitos específicos do produto, tais como propriedades ópticas e estéticas (por exemplo, transmitância, intensidade de brilho ou transparência), também desempenham um papel importante para o sistema de materiais usado. No caso da fabricação de componentes altamente transparentes, obviamente também devem ser usados semiacabados altamente transparentes. No entanto, as propriedades ópticas e estéticas do sistema de materiais não devem ser influenciadas pelo processo de conformação e soldagem, ou pelas condições ambientais (por exemplo, mudanças de temperatura ou radiação ultravioleta) decorrentes do uso.

 

Tecnologia de ferramental

Não apenas o sistema de materiais, como também a tecnologia de ferramental utilizada, pode influenciar a transparência dos componentes. Por exemplo, no atual estado da arte da fabricação de componentes com alta transparência usando o processo de termoformação com chapa única, há uma grande variedade de processos e ferramentas especiais como, por exemplo, a conformação livre ou a conformação com um “ferramental de esqueleto” ⁽⁴⁾. Usando-se este método, a moldagem ocorre com pouco ou nenhum contato com o ferramental, o que implica o fato de que apenas componentes com formato simples podem ser produzidos.

Se for necessário fabricar componentes com geometrias mais complexas, também ocorre aumento dos requisitos sobre o ferramental e a tecnologia de processo (preferivelmente ausência de furos de vácuo na área visível, baixa temperatura do semiacabado, etc.) ^{(4, 5)}. Devido à natureza do processo, essas recomendações não podem ser diretamente aplicadas à termoformação de chapa dupla pois, por exemplo, temperaturas muito baixas do semi-acabado podem resultar na redução da resistência da união entre as metades do componente. Por esta razão, deve ser desenvolvida tecnologia para produção de um ferramental especial voltado para a produção de corpos ocos altamente transparentes que possa ser adaptada ao processo de chapa dupla. Além de um controle de temperatura correto, sobretudo a qualidade da superfície do ferramental desempenha um papel importante neste caso.

Portanto, dentro do projeto conjunto de pesquisa, foi estudada a influência de diferentes condições ambientais e propriedades do ferramental sobre as propriedades ópticas, estéticas e mecânicas. Entre outros aspectos, foram avaliadas as três resinas termoplásticas amorfas descritas a seguir, as quais são adequadas para o processo de termoformação clássica. Foram estudados o poli (tereftalato de etileno) modificado com glicol (PET-G), grau tipo Vivak, produzido pela Covestro; policarbonato (PC) grau Makrolon GP, fabricado pelo Grupo Exolon e um filme de poli(ácido láctico) (PLA) altamente transparente, sintetizado no Instituto de Tecnologia de Plásticos da Universidade de Stuttgart (Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart - IKT) a partir do biopolímero Ingeo 4032D, fornecido pela empresa NatureWorks.

Para se investigar a influência de várias condições ambientais, semiacabados altamente transparentes foram expostos à radiação solar simulada, temperaturas mais altas e maior umidade, bem como a uma combinação dessas condições, dentro de uma câmara de teste climático modelo Atlas SC 1.000 MHG Solar Simulator, fabricada pela Atlas Material Testing Technology GmbH (figura 2). Foi usado um equipamento para medição de transparência, fabricado pela NanoTech Industrie Produkte, para caracterizar a transmissão de luz/transparência na faixa de comprimentos de onda da luz visível e da radiação ultravioleta. As alterações resultantes nas propriedades mecânicas foram determinadas a partir de resultados de ensaios de tração efetuados em uma máquina universal de ensaios fabricada pela ZwickRoell GmbH & Co. KG.

Fig. 2 - Condições de teste relativas aos vários ensaios de armazenamento usados para se simular as condições ambientais atuantes em componentes para uso externo (Fonte: IKT; Gráfico: Hanser)

Também foram realizados testes de termoformação usando ferramentas com diferentes superfícies para se poder examinar a influência das propriedades do ferramental, usando-se um equipamento de termoformação laboratorial Illig, modelo LDFG 23b. Foram estudados os efeitos de ferramentas com superfície jateada com areia, finamente usinada e polida, bem como dotadas de uma camada intermediária, constituída de material para luvas entre o ferramental e o semi-acabado, sobre as propriedades ópticas e estéticas dos componentes durante a conformação usando vácuo e ar comprimido.

 

Alterações nas características ópticas e estéticas

Os valores médios das medições de transparência realizadas nos semi-acabados antes e após o armazenamento estão mostrados na figura 3. Ao observar os resultados da medição relativos ao policarbonato, pode-se observar que este material, como já é conhecido no estado atual da técnica, não transmite nenhuma radiação ultravioleta e, portanto, não possui transmitância nesta faixa de comprimentos de onda. Isso não mudou mesmo como resultado dos diversos testes de armazenamento. Por sua vez, a transmitância medida no PC dentro da faixa de comprimentos de onda visível, no estado não-tratado, foi de aproximadamente 89%, mas mostrou apenas alterações insignificantes em função das condições ambientais aplicadas. No entanto, ao se examinarem corpos de prova submetidos à radiação solar simulada, sua influência sobre o PC ficou clara. Os corpos de prova apresentaram um leve amarelamento após os ensaios de armazenamento.

Fig. 3 - Grau de transmitância dos corpos de prova na faixa de comprimentos de onda da luz visível e da radiação ultravioleta em função das condições ambientais (Fonte: IKT; Gráfico: Hanser)

Contudo, no caso do PET-G aqui investigado, foram verificadas maiores diferenças nas medições de transmitância efetuadas após os ensaios de armazenamento em comparação com o PC. Isso ficou particularmente claro na faixa de comprimentos de onda da radiação ultravioleta (figura 3). Também na faixa de comprimentos de onda visível os dois tipos combinados de armazenamento levaram a uma redução na transmissão de luz de aproximadamente 81%, na condição não-tratada, para aproximadamente 71,5%, na condição úmida (figura 3). De forma similar ao PC, também pode ser observado um nítido amarelamento no PET-G após armazenamento ao sol e influências combinadas.

Também no caso do PLA o grau de transmissão às vezes é significativamente influenciado pelos ensaios de armazenamento. A influência da temperatura de armazenamento e das duas condições ambientais combinadas na transparência dos corpos de prova foi digna de nota. Esses tipos de armazenamento levaram a uma redução na transmissão de luz de até aproximadamente 4%. Os corpos de prova apresentaram descoloração branco-leitosa, a qual pode ser causada por processos de cristalização. Além das propriedades ópticas e estéticas, também as propriedades mecânicas foram investigadas em função das diversas influências ambientais. Se for considerado aqui o limite de ruptura e o alongamento total do PC, verifica-se que a radiação solar e as duas influências combinadas reduziram significativamente esses dois parâmetros. Por outro lado, esses valores são aumentados ao se efetuar armazenamento sob umidade elevada (medições efetuadas no estado úmido). Também pode ser observado que as propriedades mecânicas do PC apresentaram maior dispersão em função das condições de armazenamento.

O PET-G também apresentou diferenças claras no limite de ruptura, o qual aumentou tanto pela ação da radiação solar, quanto pelas duas influências combinadas. Este parâmetro assumiu valor significativamente maior (figura 4) especialmente após o armazenamento combinado, quando medido no estado seco. Além do limite de ruptura, o alongamento total do PET-G também foi bastante alterado por essas três condições de armazenamento. No entanto, podese observar aqui uma clara diminuição no alongamento total.

Fig. 4 - Alteração do limite de ruptura e alongamento total em função das condições ambientais (Fonte: IKT, Hanser)

 

A superfície do ferramental afeta a transparência

A figura 5 mostra a influência das propriedades da superfície do ferramental sobre a transmissão de luz dentro da faixa visível de comprimentos de onda. O máximo grau de transmitância foi observado para o PLA conformado pelo ferramental com superfície finamente usinada, enquanto o grau mínimo de transmitância ocorreu no componente feito de PC, o qual foi conformado usando ferramental apresentando superfície jateada com areia. Após a conformação, o policarbonato tendeu a apresentar transmitância ligeiramente inferior à observada no PLA e PET-G. Porém, não puderam ser observadas diferenças significativas na transmitância em função das características do ferramental (figura 5).

Fig. 5 - Influência das características do ferramental sobre a transmitância dos componentes dentro da faixa de comprimentos de onda visível: variação percentual em relação ao semi-acabado (Fonte: IKT; Gráfico: Hanser)

 

No entanto, se for realizada uma avaliação subjetiva das características estéticas, existem diferenças claras na transparência, dependendo da condição do ferramental ou da camada intermediária. Os componentes conformados usando-se o ferramental revestido pelo material para luvas apresentaram redução significativa na transparência. Isso ocorreu devido à reprodução da estrutura superficial do material para luvas sobre a superfície do componente. No entanto, os resultados obtidos pela medição de transmitância não refletiram essas impressões subjetivas. Mesmo assim, o grau de transmissão observado para PET-G e PC ainda é o mais alto entre os observados nos materiais aqui estudados.

 

Conclusões

O processo de termoformação com chapa dupla oferece grande potencial para a produção de componentes complexos, com amplas superfícies, semelhantes a recipientes, mesmo em pequenas quantidades. Contudo, na fabricação de componentes altamente transparentes, também devem ser observados outros requisitos em relação aos sistemas de materiais, bem como ao ferramental e à tecnologia de processo, além da adequação geral para conformação e soldagem.

Muitas vezes é necessário observar um compromisso entre boa processabilidade e propriedades ópticas e estéticas satisfatórias. Ao proceder dessa forma, não apenas a transmitância de luz medida deve ser observada, como também as impressões subjetivas, visuais e estéticas, uma vez que a medição da transmitância não revelou alterações causadas pelo processo de termoformação.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

As referências bibliográficas relativas a esse artigo podem ser encontradas no seguinte endereço da internet: www.kunststoffe.de/onlinearchiv