A otimização dos processos de manufatura com o objetivo de evitar defeitos de fabricação costuma ser um passo importante para tornar lucrativo um produto novo ou modificado. Em primeiro lugar, é necessário conhecer a situação atual para que tais melhorias possam ser realizadas. No entanto, processos já existentes também se beneficiam do monitoramento com o uso de sensores, pois isso garante qualidade alta e consistente ao produto. Além disso, pode-se reagir rapidamente a eventuais irregularidades e a qualidade do produto pode ser documentada, usando parâmetros objetivos, tendo em vista qualquer responsabilidade existente.

A demanda por monitoramento de processos é cada vez maior na indústria de plásticos, principalmente durante a elaboração das formulações. Ao se utilizar métodos de medição adequados, além de se poder poupar recursos e tempo, a geração de rejeitos ou até mesmo reclamações podem ser minimizadas.

Os ensaios não destrutivos são ideais para efetuar o monitoramento de processos. Eles englobam vários métodos e permitem obter parâmetros relevantes durante as etapas cruciais da produção. Os parâmetros mensuráveis vão muito além das medições de pressão e temperatura já estabelecidas e usadas com frequência e incluem, por exemplo, a determinação em linha do desgaste da rosca, da fração de cargas e da distribuição do tamanho das partículas, do teor de umidade, a detecção de inclusões constituídas por material estranho, a caracterização do grau de fusão e a medição a jusante das espessuras de parede e das camadas de extrudados.

Dependendo da aplicação, os desafios da medição direta em linha dessas variáveis nem sempre já foram superados em todos os aspectos. As dificuldades surgem, por exemplo, em função das altas temperaturas e pressões da resina fundida, bem como sua abrasividade, as quais precisam ser levadas em conta. Ainda assim, inúmeras aplicações para ambientes industriais já foram implementadas ou encontram-se em fase de lançamento no mercado. Grande parte dos métodos de ensaios não destrutivos disponíveis se baseia em ondas mecânicas e eletromagnéticas (Figura 1).

Fig. 1 – Visão geral das ondas eletromagnéticas e mecânicas classificadas por frequência e comprimento de onda: as áreas marcadas em vermelho representam os métodos de ensaios não destrutivos que podem ser usados no processamento de plásticos (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

Ultrassom: uma técnica madura, mas dependente da temperatura

As ondas ultrassônicas são do tipo acústico e se situam a partir da faixa de som audível, cobrindo uma faixa espectral de aproximadamente 20 kHz a 1 GHz. Exemplos bem conhecidos da sua aplicação na tecnologia médica são o exame de órgãos internos ou a capacidade de localização natural dos morcegos. No entanto, as ondas ultrassônicas também podem ser usadas na indústria de plásticos, por exemplo, para a caracterização em linha das resinas fundidas. Essa tecnologia já está em uso há muito tempo e, por isso, já existem abordagens maduras para processamento de sinal e tecnologia robusta de sensores.

Já foram desenvolvidos com sucesso sistemas que registram o tamanho das partículas de cargas e sua fração no interior da resina fundida (Figura 2). Os bancos de dados para calibração que se fazem necessários também se encontram disponíveis para muitas aplicações. Estes bancos mostram a dependência do coeficiente de absorção, parâmetro que pode ser determinado a partir da amplitude ultrassônica mensurável, em relação à fração de cargas e ao tamanho médio de partícula associados. Esta tecnologia também torna possível determinar a viscosidade da resina fundida em linha e, desta forma, dispensar a utilização dos dispendiosos reômetros em linha. A viscosidade da resina fundida, juntamente com a atenuação ultrassônica, influencia sobretudo, e de maneira consistente, a velocidade mensurável com que as ondas ultrassônicas se propagam.

Fig. 2 – Relação entre o coeficiente de absorção da fração de carga e o tamanho médio de partícula de giz (carbonato de cálcio) em formulações plásticas: com a ajuda de tais curvas de calibração, integradas ao banco de dados, pode-se quantificar características em linha usando ultrassom (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

A principal desvantagem dos métodos ultrassônicos é a dependência física das grandezas medidas em relação à temperatura. Flutuações de temperatura durante o processamento do plástico podem limitar sua aplicação. No momento, o Centro de Plásticos SKZ (Das Kunststoff-Zentrum) está trabalhando no desenvolvimento de uma compensação, permitindo assim que os métodos ultrassônicos sejam introduzidos mais amplamente no mercado.

Espectroscopia óptica: ajustando as cores diretamente na produção

Os métodos de medição óptica geralmente operam na faixa de luz visível ou nas faixas espectrais adjacentes. Isso engloba a luz ultravioleta (UV, 200-380 nm), visível (VIS, 380-800 nm) e infravermelha próxima (NIR, 800-2500 nm). Nos métodos de medição óptica a interação da radiação eletromagnética com a resina fundida é usada para examinar as propriedades desse material. Sondas de fibra óptica são frequentemente usadas para iluminar a resina fundida e guiar a luz refletida ou transmitida para o espectrômetro. Diferentes aplicações são possíveis, dependendo da faixa de comprimentos de onda utilizada. As medições de cor geralmente são realizadas utilizando as faixas de luz visível, as quais podem ser usadas para quantificar diretamente os desvios de cor durante o processamento. Como resultado disso, pode-se reduzir a fração de rejeitos, em função dos tempos de reação mais curtos em comparação com medições feitas em laboratório (Figura 3). O ajuste automático de cor e a medição dos tempos de permanência também podem ser realizados acoplando os resultados das análises aos sistemas de dosagem. O termocromismo, ou seja, a dependência da cor em relação à temperatura, representa um desafio particular.

Fig. 3 – Cadeia de processo, tomando como exemplo a medição de cor de produtos plásticos coloridos: as formulações são produzidas a partir de várias matérias-primas, via transformação de resinas – por exemplo, de forma contínua por extrusão, ou de forma descontínua no processo de moldagem por injeção. Há várias opções para monitorar continuamente a qualidade da cor ao longo de toda a cadeia de processo (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

Graças à absorção característica da radiação próxima do infravermelho (NIR), na forma de vibrações moleculares, a espectroscopia pode ser usada para a diferenciação qualitativa e quantitativa de diferentes constituintes presentes numa formulação. Nessa aplicação geralmente são utilizados modelos quimiométricos, os quais correlacionam o espectro medido com a quantidade da substância estudada. Contudo, a calibração pode ser muito demorada, já que ela deve ser criada especificamente para cada combinação de materiais. Portanto, surgiu a alternativa de se efetuar um registro bem definido dos espectros de referência e efetuar uma comparação entre eles.

Embora os aditivos também possam ser quantificados trabalhando na faixa de luz ultravioleta (UV), do ponto de vista prático essa abordagem é usada apenas de forma limitada, uma vez que tanto o aditivo quanto o plástico interagem com essa radiação. As múltiplas opções de medição disponíveis nos espectrômetros do tipo all-in-one (tudo em um só), com banda larga e de alto custo, raramente são plenamente necessárias na elaboração das formulações. Por esta razão, surgiram soluções simplificadas que são adaptadas a parâmetros específicos que se deseja alcançar, tais como a degradação hidrolítica ou a mudança de cores da resina. Há muito tempo o SKZ vem assessorando as empresas na seleção do sistema certo.

Micro-ondas e terahertz: sem contato e independentes da temperatura

Os testes baseados em microondas (MW) e na radiação terahertz já são conhecidos na vida cotidiana na forma dos scanners corporais usados em aeroportos e na medição de distâncias no setor automotivo. Essas ondas eletromagnéticas fazem fronteira com as ondas de rádio e com a faixa de frequência da luz visível. Em comparação aos raios-X, essa faixa de frequência possui significativamente menos energia e, portanto, não é ionizante ou prejudicial à saúde. Sistemas para medição de espessuras de parede e de camadas individuais usando esse princípio, operando na faixa de micrômetros a decímetros, já estão estabelecidos na área de extrusão.

Até o momento a aplicação dos métodos de ensaio para a caracterização de resinas fundidas não tem sido abrangente, devido às severas condições reinantes na produção industrial, caracterizadas por altos níveis de temperatura e pressão. Há mais de dez anos o SKZ vem pesquisando a transferência dessa tecnologia para aplicações industriais e agora oferece, pela primeira vez, uma tecnologia de sistema consistente e a sua adaptação a requisitos individuais. Ela permite que, entre outras coisas, possa ser medido o grau de fusão das resinas em linha (Figura 4) e o desgaste dos elementos da rosca. Enquanto esse desgaste leva a um aumento da distância entre ela e a carcaça da extrusora e, portanto, a uma elevação do tempo de propagação do sinal, o grau de fusão influencia a dispersão das ondas e, dessa forma, sua amplitude. Graças a esse princípio, este método também é basicamente adequado para a detecção de partículas de gel e de materiais estranhos (Figura 5). Uma vantagem significativa desta abordagem sobre a tecnologia ultrassônica é sua independência em relação à temperatura do processo e ao fato de a medição ser feita sem contato, o que reduz significativamente os custos de manutenção.

Fig. 4 – Relação entre um parâmetro, o índice de refração, determinado usando radiação terahertz, e o grau de fusão de uma formulação, ou seja, da temperatura da resina fundida: o grau de fusão pode ser medido em linha usando-se um banco de dados específico para o material (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).

O método certo para cada aplicação

Para quase todas as aplicações pode ser encontrado um teste não destrutivo ou método de medição adequado que permita registrar as características de qualidade desejadas. Além dos princípios físicos, sobretudo as condições de contorno técnicas, como acessibilidade ao produto, velocidades de processamento e ambiente de produção, desempenham papel importante. Fatores econômicos também são muito relevantes. O uso da tecnologia de medição somente faz sentido se, por exemplo, reduzir custos associados à geração de rejeitos e reclamações, minimizar riscos de responsabilidade ou oferecer outras vantagens, tornando relevante o uso de sensores. O SKZ pode fornecer assessoria para a seleção de métodos de teste e medição adequados, levando em consideração todos os requisitos. Os métodos de teste baseados em ultrassom, micro-ondas e radiação terahertz, bem como os métodos espectroscópicos, constituem o núcleo das atividades da instituição. Mas também outros métodos, a exemplo da termografia, ou seja, o uso de câmeras termográficas, ou para a determinação das propriedades mecânicas, estão em desenvolvimento e oferecem ótimas possibilidades para o monitoramento do processo.

Fig. 5 – Relação entre um parâmetro, a intensidade, determinado usando radiação terahertz, e a ocorrência estocástica de materiais estranhos na formulação (à esquerda) e imagem microscópica de uma partícula de desgaste proveniente da máquina, a qual se encontrava na resina fundida (à direita): pode-se definir um valor de limiar (linha vermelha, à esquerda), levando-se em consideração um grande número de estados do processo, a partir dos quais o sinal de medição pode ser seguramente atribuído a uma partícula estranha (Fonte: SKZ; Gráfico: Hanser).