As pérolas ou partículas de espuma, conhecidas como EPS, EPP, EPE ou E-PU, são feitas com resinas termoplásticas que têm densidade entre 15 e 250 kg/m³, sendo constituídas por mais de 90% de ar, e é por isso que têm enorme potencial para a construção leve. Entretanto, na prática, muitas vezes isso não é reconhecido devido ao, por exemplo, aspecto não muito atraente apresentado por superfícies de peças moldadas obtidas a partir da

Uma nova tecnologia de expansão e uma coluna feita com plástico reforçado com fibras de carbono dão à aeronave FunJet Ultra a resistência estrutural necessária para a execução de manobras ousadas em vôos com velocidade de até 200 km/h (Multiplex)

aplicação de partículas desse tipo, e também, do ponto de vista de transformadores que usam a moldagem por injeção, por causa dos tempos de ciclo, às vezes muito longos, e à geração excessiva de vapor, fatores típicos do seu processamento.

Frequentemente, as espumas de partículas são consideradas meros agentes auxiliares para a fabricação de embalagens. Mas suas pérolas passaram a ser usadas na fabricação de peças para veículos, inseridas atrás de painéis ou acondicionadas no interior de para-sóis, por exemplo, além de triângulos de segurança, porta-ferramentas, componentes de assentos ou amortecedores de colisão instalados atrás de para-choques. No entanto, especialistas sabem que as espumas de partículas, na forma de “machos perdidos”, apresentam vida útil particularmente curta ao serem utilizadas na produção de peças fundidas como, por exemplo, cabeçotes de cilindros.

A gama de aplicações desse grupo de materiais é muito diversificada devido às suas boas propriedades, tais como resistência dinâmica e estática ao impacto, enorme capacidade de recuperação (figura 1), baixo peso e excelentes propriedades de isolamento térmico. Tais características despertam ideias para a construção leve, mas isso se torna problemático caso as condições fundamentais especiais estejam associadas aos requisitos correspondentes. Isso ocorre porque os usuários em potencial, sobretudo a indústria automobilística, fazem exigências que, até o momento, o segmento de espumas de partículas só tem confrontado de maneira marginal. Alguns fatores-chave são:

A demanda de setores consumidores sugere um potencial de


Fig. 1 – Em vez de uma câmara, o pneu sem ar (airless) Schwalbe possui sob sua capa um núcleo de espuma de células fechadas feito de E-TPU, o qual simula uma pressão de ar “aparente” de cerca de 3,5 bar (Schwalbe)

mercado considerável, e agora a evolução se encontra em pleno andamento. Os objetivos atualmente são: desenvolver espumas de partículas adequadas às aplicações existentes, incluindo os processos de transformação e, inversamente, encontrar novas aplicações adequadas.

Construção leve e gestão de energia

O foco das considerações situase na fabricação de componentes híbridos para aplicações de construção leve. Juntamente com a indústria aeronáutica, isso diz respeito principalmente à mobilidade elétrica, por razões óbvias. Por exemplo, para alcançar os níveis de desempenho prome-

Fig. 2 – Painel de instrumentos apresentando construção híbrida. Um exemplo de integração da funcionalidade de funções de maneira econômica (GK Concept)

tidos, os veículos devem se tornar mais leves (figura 2).

Atualmente, os projetos se concentram sobre componentes exteriores, tais como defletores (spoilers) das bordas do teto ou da porta traseira. Essas peças são subdivididas em duas metades com pequena espessura, moldadas por injeção, sendo a metade superior a parte visível e a inferior um elemento de suporte. O objetivo é substituir a parte inferior por partículas de espuma e, adicionalmente, integrar sensores. Assim, a espessura de parede da parte superior pode ser significativamente reduzida. As espumas de partícula também podem ser usadas no interior de veículos para poupar peso (figura 3). Isolar baterias do compartimento de passageiros também é uma opção.

Estudos mostram que dispositivos de sistemas de aquecimento e de ar-condicionado reduzem aproximadamente pela metade a autonomia de veículos movidos a eletricidade, o que leva a outro requisito importante que é a combinação de espumas de partículas com tecnologia híbrida visando à produção econômica de componentes em larga escala. Para isso, é necessário substituir a aplicação de vapor às pérolas de espuma no processo de manufatura.

Fig. 3 – Peças para painéis interiores de portas. Pode ser observada a estruturação a laser que foi aplicada no componente negro, enquanto o componente azul foi contra-expandido sobre uma folha de alumínio (T. Michel)

Simulação focada no preenchimento de pérolas

O caminho da caracterização mecânica de materiais até a virtual requer a realização de métodos de simulação adequados, tendo em vista que para o caso das espumas de partículas, embora seu desenvolvimento esteja em curso, os especialistas acreditam que isso demandará muito tempo. A Associação de Inovação para Sistemas Avançados de Produção na Indústria Automotiva (Innovations gemeinschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeug industrie mbH, Inpro), na Alemanha, está trabalhando em um software de simulação do processo de preenchimento e posicionamento de injetores no molde. Isso se faz necessário porque, atualmente, a posição ideal dos injetores se baseia em suposições de fabricantes de ferramental, o que significa que só após a sua construção é que poderá ser constatado ou não se ele pode ser suficientemente preenchido e se as pérolas podem se unir entre si uniformemente.

O desafio da simulação está no processo de preenchimento propriamente dito e no formato das pérolas e da cavidade. As pérolas são introduzidas na ferramenta com auxílio de um jato de ar. Portanto, uma simulação “normal” de partículas não é suficiente, sendo necessária uma simulação de fluxo adicional. Fatores adicionais de influência incluem o atrito entre as partículas e o seu carregamento eletrostático ou comportamento cinemático após o impacto sobre a parede do ferramental. Provavelmente levará tempo até que se disponha de um software que permita a simulação técnica de preenchimento até mesmo de contornos complexos.

Simulação de componentes do nível micro ao macro

O Instituto alemão de Estruturas Leves e Tecnologia de Plásticos da Universidade Técnica de Dresden (Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, ILK der Technischen Universität Dresden) está desenvolvendo um conceito para a simulação de componentes.

Fig. 4 – Micrografia de pérolas de espuma de EPP sinterizadas, obtida por microscopia eletrônica de transmissão. As células microscópicas e as interfaces entre as pérolas de espuma encontram-se claramente visíveis (NMB)

Para efetuar uma simulação realista é necessária uma descrição detalhada do comportamento do material, que é incluída na análise pelo método de elementos finitos no seu mapeamento. Assim, é necessário que suas características e as informações de sua microestrutura sejam determinadas e processadas experimentalmente. O pré-requisito para isso é o conhecimento das relações entre o processo de fabricação, a estrutura das espumas de partículas e as propriedades daí resultantes. As características específicas do material devem ser consideradas.

As peças moldadas com espuma de partículas geralmente apresentam uma evolução de densidade que diminui de fora para dentro. Isso decorre de flutuações nas pérolas ainda não processadas, bem como de desvios locais durante o preenchimento e aplicação de vapor. Devido às diferenças de densidade, as propriedades mecânicas efetivas de um componente variam de local para local. Além disso, a microestrutura do material também é caracterizada por uma forte heterogeneidade (figura 4). Afinal, a estrutura celular das espumas de partículas é composta por pérolas individuais (expandidas), bem como por aglomerados criados durante a sinterização. Dentro das pérolas estão as células propriamente ditas com inclusões de ar. Tanto o volume das células quanto as espessuras de suas paredes, no caso do EPP, entre 1 e 50 μm, são muito heterogêneos localmente. Os diâmetros típicos das células do EPP encontram-se na faixa de 10 a 400 μm, enquanto elas podem diferir significativamente nos estados não-processado e processado.

Até pequenas modificações nos parâmetros de processamento exercem forte influência sobre a morfologia da espuma. Portanto, a

Fig. 5 – A qualidade da sinterização torna-se aparente no comportamento da fratura de peças moldadas acabadas: a) no caso de peças mal sinterizadas, a fratura ocorre na interface entre as partículas; e b) suficientemente sinterizada no interior de uma partícula (Kunststoffe)

caracterização de diferentes estruturas de espuma em função dos parâmetros de processo demandará grande esforço experimental. O ILK utiliza microscopia e tomografia computadorizada para determinar a espessura média da parede da estrutura celular da espuma.

O comportamento das espumas de partículas sob solicitações de tração e compressão desempenha papel decisivo no desenvolvimento de conceitos realistas de simulação. Isso se baseia na constatação de que as espumas com célula fechada apresentam comportamento especial a este respeito. Durante a aplicação de pressão podem ser observadas três regiões: primeiramente, uma elevação linear-elástica, que então se altera para um patamar de tensão, antes da curva subir progressivamente quando o material se torna compacto ao final do ensaio, uma vez que o ar no interior dos grânulos de espuma foi comprimido. Quando tracionado, o material se comporta de forma desde linear-elástica até elásticaplástica antes de se romper. O comportamento da fratura é complexo, ela pode ocorrer entre duas partículas, bem como dentro delas (figura 5). A partir daí pode-se concluir que a morfologia do material deve ser incluída na sua caracterização.

O ILK está investigando primeiramente as propriedades mecânicas ao nível da estrutura celular da espuma de partículas. Para isso, foram criados os elementos de volume representativo (repräsentative Volumenelemente, RVE) neste nível, os quais consideram tanto a condição morfológica quanto as propriedades do material-base (figura 6). Os fatores de influência considerados são as densidades aparentes variáveis, espessuras de parede e tamanhos das células, bem como, no caso do EPP, o grau de cristalização do polímero. Após a validação bem-sucedida da metodologia, o RVE pode ser utilizado para testes virtuais eficientemente em termos de tempo e recursos. A transição para o nível macro ou estrutural é chamada de homogeneização, em que amostras de material adequadas são usadas na análise por elementos finitos. Foram feitos testes de flexão com quatro pontos e calculado o alongamento das partículas por meio de medição óptica para investigar os efeitos de diferentes densidades locais nas propriedades

Fig. 6 – Elemento representativo de volume com mosaicos Voronoi para espumas com células fechadas, usado como base para a simulação estrutural (ILK)

mecânicas das peças moldadas. As tensões assim determinadas foram então comparadas com os resultados obtidos por vários modelos de simulação. Um modelo ampliado de simulação, que considera a distribuição de densidade, apresentou concordância muito boa com os valores determinados experimentalmente.

O objetivo no futuro é possibilitar a previsão da distribuição de densidade antes da produção de peças.

Expansão com pouco vapor e moldagem por injeção

A procura por processos de expansão de partículas usando pouco ou nenhum vapor intensificou-se há alguns anos a partir da abordagem de expansão ou sinterização variotérmica, uso de ondas eletromagnéticas de alta frequência, desde micro-ondas até radiação infravermelha, e uso de geradores de vapor com alta pressão.

As investigações sobre a combinação da expansão de partículas com a moldagem por injeção também estão progredindo, o que abrirá novas possibilidades para o desenvolvimento de peças de espuma moldadas ou híbridas como, por exemplo, revestimentos internos para portas, que são parcialmente sobremoldados. Assim, poderão ser combinadas as vantagens da espuma leve com a maior resistência mecânica proporcionada pela moldagem por injeção. No entanto, os pré-requisitos para isso são a alta estabilidade dimensional da espuma, o baixo peso com distribuição uniforme de densidade e a obtenção de superfícies com alta qualidade.

com alta qualidade. A partir daí surgiu o conceito da moldagem por injeção de compósitos com espuma de partículas (PartikelschaumVerbundspritzgießen, PVSG), que possibilita a união, a nível molecular, de espumas de partículas com resinas termoplásticas ou elastômeros. Assim, as empresas alemãs Ruch Novaplast GmbH + Co KG, Krallmann GmbH e Arburg GmbH + Co KG se associaram e desenvolveram equipamentos e processos relacionados, sendo também desenvolvido pela T. Michel Formenbau GmbH (Alemanha) um ferramental que dispõe de circuitos integrados de aquecimento e refrigeração.

Nesta concepção, o vapor só se faz necessário para unir as pérolas de espuma nas interfaces. Pelo controle variotérmico de temperatura é possível aquecer a cavidade do molde de, por exemplo, 80 a 160 °C, e resfriá-la inversamente. Além disso, as

Fig. 7 – Comparação entre as câmaras de vapor de um molde convencional e de um com controle variotérmico de temperatura (T. Michel)

câmaras de vapor no molde, que neste caso eram significativamente menores, são constantemente mantidas sob uma temperatura pré-definida (figura 7). Isso substitui o aquecimento do molde por vapor feito por meio de controle variotérmico de temperatura. Consequentemente, o equipamento, que foi apresentado em 2017 pela Kurtz GmbH (Alemanha), com o nome de “Thermo Foamer”, requer apenas um pequeno gerador de

Fig. 8 – As temperaturas (°C) necessárias para sinterizar as pérolas de espuma estão correlacionadas com as temperaturas do vapor, as quais, por sua vez, estão correlacionadas com a pressão (bar) do vapor (NMB)

vapor portátil e uma unidade de controle de temperatura. De acordo com a fabricante, este processo sinteriza as pérolas de espuma EPP mediante apenas 30% da quantidade necessária de vapor em comparação com o processo convencional.

Alternativa com ondas eletromagnéticas

A Kurtz também desenvolveu um conceito baseado em ondas eletromagnéticas, em que as partículas de espuma são aquecidas até a temperatura necessária para sua união utilizando radiação de alta frequência (com 27,12 MHz e até 10.000 V). O processo se baseia no princípio do aquecimento dielétrico (o calor é gerado no material).

A estrutura básica de um ferramental automático com aquecimento por radiofrequência é muito similar à dos equipamentos convencionais. No entanto, em vez de câmaras de vapor, a unidade de fechamento possui uma placa de metal ou condensador tanto no lado móvel como no fixo, com o molde para expansão posicionado entre elas. O dispositivo para preenchimento e o recipiente de material, assim como o mecanismo de fechamento, são os mesmos usados nos sistemas para produção em série.

Durante a operação do equipamento é criado um campo eletromagnético homogêneo na área entre os eletrodos, em contraste com o que ocorre quando se usa micro-ondas, o qual excita e reorienta os dipolos das pérolas de espuma no caso de plásticos polares. Ocorrem perdas por fricção devido à interação com o meio ambiente, o que leva ao aquecimento no interior das partículas. Assim, a radiofrequência também

Fig. 9 – Corte de um inserto de molde confeccionado por manufatura aditiva, que tem canais para controle de temperatura próximos ao contorno da cavidade e estruturas de apoio (Hofmann)

 

pode ser usada para aquecer plásticos apolares, desde que seja utilizada uma pequena quantidade de água.

O aquecimento por radiofrequência também é interessante para simulações, podendo ser modelado por meio de softwares especiais para determinar aproximadamente as temperaturas desejadas e/ou prováveis em áreas definidas da peça moldada. Um pré-requisito para isso é a disponibilidade de dados dos materiais envolvidos que sejam correspondentes às frequências requeridas.

Micro-ondas – adequação limitada

A radiação de micro-ondas é adequada principalmente para o processamento de peças pequenas feitas com espuma de partículas. Há várias razões pelas quais este procedimento ainda não se estabeleceu: as micro-ondas operam sob frequência de 2,45 GHz, razão pela qual a profundidade de penetração do campo é de apenas alguns centímetros. Outro problema é que elas permanecem estacionárias, apresentando pontos quentes e frios, o que resulta na geração de diferentes gradientes de calor no material. No caso de peças de maior porte feitas de espuma de partículas, a geração de calor na área dos nós das ondas estacionárias pode ser tão baixa que os grânulos de espuma não se fundirão plenamente.

Duas etapas e sem vapor

Outro conceito de moldagem isenta de vapor foi desenvolvido pela alemã Fox Velution GmbH

Fig. 10 – Calha para peças pequenas: a versão comercializável, feita com PP injetado (esquerda), pesa 86 g, enquanto a feita com espuma de EPP pesa apenas 14 g (T. Michel)

em parceria com a Fill GmbH (Áustria), Krelus AG (Suíça) e Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH (Alemanha). Trata-se de um processo com duas fases para pré-expansão e subsequente expansão de peças moldadas, o qual também é adequado para plásticos de engenharia. O primeiro passo consiste na absorção da radiação infravermelha de ondas médias para expandir, no menor tempo possível, as pérolas de espuma impregnadas com agente de expansão ou com microgrânulos com formato correspondente.

Primeiramente, o material é movimentado por correia transportadora até um forno-túnel para ser expandido por emissão de radiação infravermelha. O processamento posterior pode ser feito em máquinas de moldagem convencionais, ou igualmente sem a utilização de vapor, usando neste caso um molde variotérmico impresso tridimensionalmente. Por enquanto, as espessuras de parede estão limitadas a 25 mm devido à transferência de calor, de acordo com a firma Fox Velution. Este conceito também é interessante quanto às possibilidades de funcionalização, por exemplo, pela inserção de componentes eletrônicos sensíveis ao vapor ou de retroexpansão de camadas decorativas.

Geração de vapor e ferramental para alta pressão

Para processar espumas de partículas constituídas por plásticos de engenharia usando vapor é necessária uma temperatura de pelo menos 200 °C, além de pressão de vapor superior a 15 bar (figura 8). Deve ser considerado que tal pressão não pode ser gerada com as caldeiras de vapor comumente usadas no processamento de espumas de partículas, cujos trabalhos, como os feitos com EPP, requerem pressão de vapor inferior a 5 bar. Entretanto, para gerar altas pressões é necessário usar caldeiras de vapor mais fortes, o que exige também uma maior atenção no que diz respeito à submissão de ferramental e tubulações a altas cargas. Além disso, deve ser considerado que a força de fixação das máquinas automáticas de moldagem deve ser compatível com tais condições. Permanece em aberto a questão sobre quão viável é esta tecnologia de processo que apresenta consumo intensivo de energia.

E não é apenas a alta pressão de vapor que constitui problema, isso inclui também a corrosão e tensões causadas no ferramental por mudanças drásticas de temperatura. De acordo com especialistas, basicamente apenas a cavidade é aquecida, enquanto o resto do molde é “temperado” a cerca de 100 °C. Sob essas condições deve ser dada atenção especial à questão da expansão térmica. Assim, o ferramental para processamento sob alta pressão deve ser feito com


 

Fig. 11 – Graças à sua capacidade de recuperação, o núcleo deste selim, feito com E-TPU, garante um passeio de bicicleta confortável (Ergon)

aços especiais em vez de alumínio. Além disso, sob tais condições, as vedações convencionais falham, razão pela qual normalmente são usadas as destinadas a usinas termelétricas.

A alemã Neue Materialien Bayreuth GmbH colocou em operação um ferramental para processamento de espuma de partículas para uso sob alta pressão, o qual foi especialmente desenvolvido para isso. O ferramental foi concebido de forma modular para permitir que fosse utilizado de maneira flexível em diferentes investigações – é adequado tanto para o processo de preenchimento com fenda como para o de pressão dinâmica, e pode processar tanto espumas de partículas que contêm agente de expansão como materiais não expansíveis ou de difícil expansão. Os insertos foram confeccionados por meio de manufatura aditiva e podem ser facilmente trocados, enquanto os circuitos adicionais de controle de temperatura foram integrados ao ferramental. Ele também foi equipado com sensores (sondas de pressão e de temperatura da espuma) para controle e monitoramento de processo.

Controle de temperatura próximo ao contorno da cavidade

O controle de temperatura próximo ao contorno do molde já é conhecido na área de moldagem por injeção. Os canais próximos aos contornos da cavidade proporcionam a vantagem de poder aquecêla rapidamente até 300 °C e resfriá-la, por exemplo, com óleo, para o controle de temperatura, o que é importante para o processamento de espumas de partículas feitas com plásticos de engenharia (figura 9). Mas a manufatura aditiva também é interessante para a confecção de ferramental para uso com vapor uma vez que nesse caso ele pode ser feito sob medida.

Transparência e digitalização do processo

Um pré-requisito para a abertura de novos campos de aplicação para espumas de partículas é a documentação de processos. As empresas T. Michel e Kurtz Ersa desenvolveram um sistema para aquisição de dados para este fim, o qual foi testado no Centro Técnico Michel. Para tanto, cerca de oitenta sensores para medição de pressão e temperatura foram posicionados ao redor da máquina usada para expansão, no ferramental e na linha de processo. Esta é a única maneira de atender aos requisitos de fabricação de peças feitas com espuma com um grau adequado de reprodutibilidade. O que é pretendido nesse caso é que a máquina se reajuste independentemente, com base na curva de controle do processo, como é padrão na moldagem por injeção. Os testes iniciais feitos com uma peça para demonstração resultaram em tolerâncias de componentes significativamente melhores neste contexto. Além disso, a reprodutibilidade melhorou de ciclo para ciclo.

Peças com paredes finas são viáveis

A empresa T. Michel Formenbau, juntamente com fabricantes de matérias-primas, iniciou recentemente a produção de peças com paredes finas feitas com EPP (figura 10). Foi viabilizada a produção de peças moldadas com parede horizontal e vertical com espessura de 2 mm, sem a ocorrência de distorções e marcas de contração. O fabricante do ferramental integrou a sequência de processo de preenchimento e expansão a um processo de manufatura automatizado, e a máquina é controlada por um sistema de sensores que registra os valores de pressão e temperatura. Além disso, são usados sistemas de preenchimento e injetores para as minipérolas, desenvolvidos especialmente para este projeto.

Conclusão

Ainda é necessário muito trabalho para alcançar as metas estabelecidas, tanto no que tange ao uso de material, confecção de peças moldadas, fabricação de ferramental e engenharia de processos. Isso consta do escopo da recém-fundada Rede de Sistemas de Espuma Leve Híbridos e Inteligentes (Network Intelligent Hybrid Lightweight Foam Systems, NIHLS). A cooperação interdisciplinar dos parceiros dessa rede constitui a base para abordagens completamente novas, as quais, contudo, devem questionar radicalmente os conceitos anteriores em alguns casos. Os futuros desenvolvimentos em matérias-primas incluem formulações para temperaturas elevadas, retardantes de chama, combinações de materiais para, por exemplo, estruturas em sanduíche, entre outros assuntos. Na engenharia de processos o objetivo é aplicar as possibilidades de moldagem por injeção e/ou processamento de poliuretano em espumas de partículas. Um exemplo é a sobre-injeção ou inundação de peças moldadas de espuma de partículas (figura 11). Isso permitiria estabelecer um processo preciso, reprodutível e transparente, que também poderia ser automatizado e monitorado por meio de redes digitais.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer aos numerosos interlocutores pelo seu apoio durante esta pesquisa.

Referências bibliográficas

A bibliografia que deu embasamento a este artigo pode ser encontrada no seguinte endereço da Internet: www.kunststoffe.de/7737677

 

 


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