Rebitagem por ultrassom, uma alternativa para a junção de materiais diferentes

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Uma nova variante do processo de rebitagem por meio de ultrassom para unir plásticos e materiais de tipos diferentes utiliza um rebite oco que forma um botão com união positiva. Este novo método, denominado rebitagem por meio de recalque com ultrassom, caracteriza-se por apresentar curtos tempos de processo e ruptura sob altos valores de tensão.

T. Fischer, E. Brückner e M. Gehde

Data: 28/06/2017

Edição: PI Maio 2017 - Ano - 19 N^o 225

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A substituição crescente nas aplicações clássicas dos metais pelos plásticos levo a um uso mais intenso de construções com materiais mistos (por exemplo, entre metal-plástico, resinas termoplástica-termofixa ou resinas termoplásticas incompatíveis entre si) e sistemas com múltiplos componentes apresentando requisitos de produtos continuamente crescentes em termos de propriedades mecânicas ou estéticas. São necessárias novas estratégias de processos para esta área de aplicação que possibilitem uniões com alta resistência mecânica e que simultaneamente sejam confeccionadas sob curtos tempos de ciclo.

O processo de rebitagem é um método consagrado para a união entre componentes feitos de resinas termoplásticas e peças fabricadas com materiais de tipos diferentes, entre os quais não é possível efetuar uniões a nível molecular por meio de soldagem. Durante esse processo de união, o rebite é aquecido em seu lado frontal, plastificado e conformado sob pressão, de forma a estabelecer uma união positiva entre as peças a serem unidas. Os processos clássicos de rebitagem frequentemente têm como desvantagem o fato de eventualmente apresentarem uma ligação insuficiente entre a cabeça e a haste do rebite (figura 1), o que pode ter efeitos negativos sobre a resistência mecânica, aparência e funcionalidade ⁽¹⁾. As abordagens de otimização adotadas para melhorar essa situação frequentemente resultam em prolongamentos drásticos do tempo de união.

Abordagem para solução: rebitagem por meio de recalque com ultrassom

Essa conjuntura levou a empresa Herrmann Ultraschall GmbH & Co. KG, sediada em Karlsbad e a Cátedra de Plásticos da Universidade Técnica de Chemnitz (Technische Universität Chemnitz), ambas na Alemanha, a desenvolverem a rebitagem por meio de recalque com ultrassom para componentes feitos de plástico. O novo processo dispensa a conformação clássica na face frontal do rebite. Ao invés disso, é utilizado um tipo de rebite oco, que apresenta diferentes valores de diâmetro ao longo do furo, os quais se ajustam ao material e à espessura do componente a ser unido pelo rebite.

Na primeira etapa do processo, um pino incorporado a um sonotrodo atravessa o furo do rebite, plastificando seu interior pelo efeito exercido pelo ultrassom e formando um volume de resina fundida. Na segunda etapa, o rebite parcialmente aquecido é recalcado pelo ombro do sonotrodo. A cabeça do rebite assim constituída forma uma união positiva de alta qualidade (figura 2). Dependendo do material, o recalque pode ser feito com ou sem o auxílio de ultrassom.

Plásticos sofisticados foram testados

O principal polímero estudado neste projeto foi a PA 6.6/GF30 (poliamida 6.6 reforçada com 30% de fibras de vidro, fabricada pela BASF SE, de Ludwigshafen, Alemanha), um versátil material de construção usado em muitas aplicações industriais. Em razão de sua baixa viscosidade no estado fundido e de sua alta temperatura de fusão, esse material impõe requisitos muito severos sobre o processo de rebitagem. Pesquisas adicionais foram feitas com materiais como ABS/PC, POM, PBT/GF30, PC/ GF20 e PMMA para se comprovar a aplicabilidade desse novo processo sobre uma ampla variedade de materiais. Os resultados dos testes foram positivos, confirmando a ampla possibilidade de aplicações deste método.

Os testes foram feitos numa máquina de soldagem por ultrassom modelo HIQ Dialog SpeedControl 1200 (com frequência de trabalho de 35 kHz), fabricada pela Herrmann Ultraschall. Além do controle variável das amplitudes por meio de um gerador digital de ultrassom e da regulagem exata da força de união por meio do conceito de acionamento pneumático HMC, o qual une as vantagens de um sistema pneumático com as características dinâmicas de um acionamento elétrico, a máquina se caracteriza pelo registro e avaliação precisos dos parâmetros relevantes de processo, tais como evolução de amplitude, trajeto e força requerida pela união.

Novas geometrias da haste do rebite e do sonotrodo

A partir das pesquisas experimentais foram confeccionados corpos de prova moldados por injeção, usando um molde dotado de inserto intercambiável em sua lateral, o qual permitia a confecção de rebites ocos com geometria variável. O rebite, com diâmetro externo definido de 3 mm e geometria interna variável, encontrava-se sobre uma base apresentando dimensões de 60 x 60 x 4 mm. Foram testados dois tipos de geometria. A geometria 1 é constituída por um rebite semi oco, cujo furo termina um pouco acima da posição do commde união entre a cabeça e a hasteponente a ser unido (figura 3, acima). Já a geometria 2 possui um furo cujo comprimento alcança a base do rebite (figura 3, abaixo). O componente a ser unido era um perfil em forma de “U” feito de aço, com comprimento de aresta de 30 mm e 3 mm de espessura. Conforme mostrado de forma esquemática na figura 3, o sonotrodo era dotado de um pino sobre sua face inferior, o qual foi projetado construtivamente de forma a poder passar através do furo existente no interior do rebite oco.

Avaliação estética e mecânica da qualidade do rebite

As análises efetuadas incluíram principalmente a determinação da correspondente força de ruptura verificada em testes de tração sob velocidade de 5 mm/min. A formação externa e interna da cabeça do rebite foi avaliada macro e microscopicamente por meio de fotografias.

Os estudos mostraram uma forte relação entre a qualidade da união e a configuração construtiva do rebite oco. Pode-se notar a partir das figuras 4 e 5 que, para ambas as geometrias, foi alcançada uma força máxima na ruptura de aproximadamente 460 N. As diferenças ficaram evidentes nas características microscópicas e macroscópicas da cabeça do rebite e na janela de processo. A força de ruptura determinada pelo ensaio uniaxial de tração dos rebites com geometria 1 mostrou relação com a força de união durante a otimização dos parâmetros. Sob valor constante de amplitude e forças crescentes aplicadas durante a união constatou-se uma queda na força de ruptura (figura 4). Esse comportamento foi observado ao longo de toda a janela de amplitudes disponível.

Sob valores crescentes de amplitude e de força de união ocorreu queda no tempo necessário para confeccionar a união em função do maior aporte específico de energia.

Durante a otimização dos parâmetros para o rebite com geometria 1 verificou-se frequentemente a formação de rebarbas na cabeça do rebite (figura 6, à esquerda), o que degradou suas características estéticas e também levou à redução de sua resistência mecânica. A pressão da resina fundida que surge no interior do rebite oco em função do material deslocado pelo pino do sonotrodo atua de maneira particularmente crítica no caso de materiais com baixa viscosidade no estado fundido como, por exemplo, o PA 6.6, dando origem a rebarbas. Somente ao utilizar menores valores de amplitude e maiores valores de força aplicada durante a união (por exemplo, amplitude igual a 10 mícrons e força aplicada durante a união igual a 600 N, conforme mostra a figura 4) é possível efetuar a conformação sem formação de rebarbas, graças à maior viscosidade do material-base. Contudo, a elevada proporção de conformação a frio pode levar à formação de microtrincas na cabeça do rebite. Além disso, essas combinações de fatores prolongam muito os tempos que se fazem necessários para confeccionar a união.

Foi feita uma otimização adicional do rebite oco por meio do uso de furo escalonado em seu interior, o qual promove a geração de volume adicional no material recalcado pelo pino do sonotrodo, evitando assim a formação de rebarbas sobre a cabeça do rebite (figura 6, à direita).

Uma vez que a seção estrutural do rebite oco permanece inalterada, essa nova configuração interna não exerce nenhuma influência negativa sobre o valor de carga alcançável na ruptura. Em função de sua janela de processo mais ampla, essa nova geometria 2 permite a confecção da cabeça do rebite sem falhas externas. No caso do PA 6.6/GF30 foram obtidos resultados otimizados sob amplitude de 20 mícrons e força aplicada durante a união de 300 N, alcançando dessa forma a força de ruptura de 460 N. O tempo necessário para a confecção da união é da ordem de 1,5 s, o qual se encontra dentro de uma faixa muito econômica (figura 5).

Comparação com outros processos de rebitagem

Os resultados obtidos mostraram que o processo de rebitagem por meio de recalque com ultrassom pode satisfazer severos requisitos tecnológicos e econômicos.

A figura 7 mostra uma comparação entre os valores máximos de tensão de ruptura alcançados em três processos térmicos de rebitagem (conformação a quente, rebitagem com estampo aquecido e rebitagem com ar aquecido), bem como na rebitagem clássica com fusão por meio de ultrassom. Foram considerados aqui dois rebites com geometria maciça da DVS (Deutscher Verband für Schweiâen und verwandt Verfahren ou Associação Alemã para Soldagem e Processos Aplicados), um rebite com geometria oca da DVS e rebites para recalque com ultrassom apresentando as geometrias recentemente desenvolvidas.

O novo processo de rebitagem por meio de recalque com ultrassom, cuja avaliação em termos de propriedades mecânicas precisa ser feita dentro do âmbito dos rebites ocos, alcançou resistência mecânica máxima de 87±3 MPa. Esse valor encontra-se efetivamente abaixo dos valores alcançados pelos rebites longos com geometria maciça da DVS conformados a quente, mas consideravelmente acima da resistência mecânica dos rebites com geometria oca da DVS, os quais são diretamente comparáveis em termos de aplicação e que alcançaram valor máximo de 63±5 MPa por intermédio da rebitagem com estampo aquecido.

Vantagens e limitações

A rebitagem por meio de recalque com ultrassom apresenta vantagens claras em relação a processos térmicos similares quando se considera o tempo necessário para a confecção da união. Esse tempo propriamente dito é de 1,6 s, mas também precisa ser considerado o tempo de espera de 1 s requerido pelo processo. Os processos térmicos de rebitagem requerem tipicamente tempos de união bem mais longos, de 10 a 20 s, mas não foram considerados aqui os tempos necessários para aquecer o estampo, bem como os ciclos de resfriamento recomendados.

Os limites construtivos do processo estão definidos atualmente nos rebites com diâmetro mínimo de 3 mm. A plastificação no centro do rebite oco requer um volume suficiente de material, ou seja, um valor suficiente de diâmetro. A redução da projeção de material que permanece acima da cabeça do rebite ainda é tema de estudos que vêm sendo desenvolvidos atualmente. Por isso, esta desvantagem ainda momentânea em relação às geometrias clássicas de rebites da DVS eventualmente leva à obtenção de menores forças de ruptura, mas também a menores requisitos de espaço físico para o conjunto.

Conclusões

A rebitagem por meio de recalque com ultrassom é adequada para uma ampla variedade de materiais e possibilita a união mista entre diferentes materiais novos e sofisticados. O segredo desta tecnologia está na configuração do rebite e do sonotrodo, onde o rebite é conformado na forma de um corpo oco e cuja profundidade de conformação é definida conforme a aplicação. Um valor adequado da profundidade de conformação também pode eliminar a formação de rebarbas. A aplicação de parâmetros de ultrassom adequados e ajustados de forma refinada possibilita a obtenção de um aporte correto de energia, bem como a obediência às tolerâncias do componente que podem surgir no caso de múltiplas rebitagens. Novos tipos de formato das peças em fabricação e do ferramental permitem um acoplamento quase pleno da absorção do ultrassom, preservando componentes sensíveis. O novo processo também se destaca, além do alto nível de resistência mecânica conseguido, pelos tempos requeridos para o processo de rebitagem de, no máximo, 3 s, incluindo o tempo de espera – um valor bem abaixo dos tempos de dois dígitos necessários para os outros processos térmicos de rebitagem. As possibilidades de aplicação prática para o novo processo estão na rebitagem de circuitos impressos em placas, magnetos, chapas, etc.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Rede de Pesquisa para as Empresas de Médio Porte (Forschungsnetzwerk Mittelstand) do Programa Central de Inovações para as Empresas de Médio Porte (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand, Z.I.M.) da Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen, A.i.F.) pelo apoio e suporte básico a este projeto.

Referências

A bibliografia referente a este trabalho pode ser encontrada no seguinte link da Internet: www.kunststoffe.de/1060038.