Os sistemas de extrusão precisam operar de forma econômica. O aumento da eficácia – especialmente na extrusão com rosca simples – deve ser obtido pelo aumento do ritmo de produção, mas mantendo-se o mesmo porte de máquina. Novos conceitos de rosca estão sendo desenvolvidos a partir de versões convencionais, com o objetivo de garantir a alta qualidade da resina fundida. Estes conceitos incluem a rosca ondulada, a qual deve romper o leito sólido já em um estágio inicial, de forma a otimizar a evolução da fusão e da homogeneidade. 

As roscas de dupla onda com dupla espira e as com transferência de energia são as versões onduladas mais comuns, que se caracterizam pelo aumento e pela redução periódicos da profundidade do canal. As ondas assim resultantes são dispostas de modo que haja um vale em um canal enquanto houver uma crista em outro canal, e viceversa. De forma similar a uma rosca de barreira, os dois canais da rosca de dupla onda são separados por uma espira secundária que é continuamente deslocada, a qual apresenta uma folga maior em relação ao canhão do que a espira principal⁽¹⁾. Como resultado, a mistura do fundido é intensamente promovida devido à divisão da resina pela crista da onda sobre a espira secundária e através da própria crista da onda, obtendo-se assim maior homogeneidade térmica e de material. A rosca com transferência de energia apresenta estrutura semelhante à da que possui dupla onda⁽²⁾. 

No entanto, as espiras principais e secundárias são deslocadas individualmente, de modo que o material fundido possa fluir na respectiva crista da espira no canal da rosca a montante (figura 1). A função das espiras principal e secundária se alterna de tal forma que o fundido muda repetidamente o canal contra a direção do transporte, o que novamente intensifica o efeito de mistura. 

 

Fig. 1 – Projeção plana da geometria de canal da rosca com dupla onda (à esquerda) e da rosca com transferência de energia (à direita). Fonte: Universidade de Paderborn. 

 

Processo de mistura em extrusora com rosca simples 

Além de plastificar e conduzir a resina fundida, a sua mistura é uma das principais tarefas da rosca simples. A qualidade do produto extrudado está diretamente relacionada à homogeneidade do fundido na ponta da rosca. Além disso, para se obter maior eficiência econômica, cada vez mais uma etapa adicional do processo de preparação está sendo suprimida, de modo que as extrusoras com rosca simples atendam aos requisitos de mistura cada vez mais exigentes⁽³⁾. 

Os processos de mistura que ocorrem nas extrusoras com rosca simples são basicamente divididos em dois tipos de mecanismos, que são mostrados na figura 2⁽⁴⁾. Há a mistura dispersiva, pela qual sólidos, na forma de aglomerados e agregados, são umedecidos pelo plástico fundido e decompostos nas menores partículas primárias possíveis. Há também a mistura distributiva, pela qual as partículas são distribuídas da forma mais homogênea possível na resina fundida por ação de deformações e rearranjos, e que foi o foco das investigações aqui mencionadas. 

 

Fig. 2 – Representação esquemática dos mecanismos de misturas dispersiva e distributiva. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráficos: Hanser.

 

A qualidade da mistura 

Foram realizadas investigações experimentais usando simulações para quatro diferentes conceitos de rosca, os quais foram comparados entre si para avaliar a qualidade da mistura distributiva. Foram analisadas uma rosca clássica com três zonas, uma rosca de barreira clássica, uma rosca de dupla onda e uma rosca com transferência de energia. Nenhuma delas tinha recursos adicionais para mistura e cisalhamento. 

A homogeneidade do material foi analisada experimentalmente a partir de três seções finas extraídas de uma amostra do extrudado, que era constituído por uma mistura de PEAD com 0,2% de masterbatch negro. As amostras foram posteriormente digitalizadas, sendo os pixels convertidos em uma distribuição de valores de tons de cinza. Conforme é mostrado na figura 3, isso resultou em histogramas com distribuições das respectivas frequências de pixel, que se encontram dispostas em uma escala que vai de 0 (totalmente negro) a 255 (totalmente branco). 

 

Fig. 3 – Exemplo da avaliação da distribuição de valores de tons de cinza na forma de histograma (à esquerda) com as respectivas seções finas para roscas de barreira e com transferência de energia (à esquerda), obtidas sob velocidade de 100 rpm. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

 

Os histogramas foram então avaliados com base em parâmetros estatísticos para se caracterizar a largura e o deslocamento da gama de cores, bem como a intensidade dos tons negros. O índice de mistura varia sempre entre 100% (melhor mistura) e 0% (pior mistura). 

A investigação envolvendo simulações englobou todas as roscas aqui estudadas. O comportamento de fusão, exemplificado na figura 4, foi caracterizado por uma simulação usando CFD (Computational Fluid Dynamics ou Dinâmica computacional dos fluidos) bifásica de um componente único, a qual modela o sólido em comparação ao fundido como um fluido altamente viscoso. Usando uma função de transição, é possível que tanto o sólido quanto o fundido tenham atribuídas suas respectivas propriedades de material. Para caracterizar a qualidade da mistura distributiva foi definida uma nuvem com múltiplas partículas no leito sólido, sendo então calculadas as correspondentes trajetórias ao longo da rosca (figura 5). Com base na distribuição bidimensional das partículas na saída, a rosca pode então ser caracterizada em relação à qualidade de mistura que ela proporciona. 

Fig. 4 – Seção do canal usada na simulação da área de fusão da rosca. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

 

Fig. 5 – Esquema do método de rastreamento de partículas, e distribuição das partículas extraídas e trianguladas. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

Já existem vários métodos para isso, mas eles apresentam diversas desvantagens. Um exemplo disso é o método baseado na chamada “contagem de caixas”. Aqui, a área de fluxo é dividida em células uniformes, as chamadas “caixas”, sendo a uniformidade das partículas distribuídas nas caixas caracterizada usando-se a variância. Um exemplo disso pode ser visto na figura 6, onde são esquematicamente mostradas várias distribuições. No entanto, o método mencionado tem desvantagens gritantes em muitos aspectos. Por exemplo, diferentes designs, seções transversais ou profundidades de canal não podem ser comparados entre si, e designs mais complexos, como é o caso da seção transversal da rosca com espira, só podem ser divididos de forma inadequada em caixas uniformes. Isso fica bem claro na figura 6. 

 

Fig. 6 – Um exemplo da aplicação do método de contagem de caixas. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráficos: Hanser 

 

As duas distribuições na região intermediária apresentam o mesmo valor para a homogeneidade, embora as distribuições de partículas não apresentem semelhanças. Além disso, o resultado é fortemente influenciado pelo número de caixas e de partículas, que muitas vezes está sujeito a flutuações devido a diferentes tempos de residência e instabilidades numéricas.  

 

Devido a isso, optou-se então pela adoção de um novo método, baseado na triangulação de Delaunay. Conforme é mostrado na figura 7, uma malha triangular foi criada a partir da distribuição bidimensional de partículas. A triangulação de Delaunay é um caso especial, que alcança ângulos internos maximizados devido ao cumprimento da chamada condição de perímetro. A condição de perímetro visa garantir que nenhum outro ponto possa estar contido no perímetro de um triângulo⁽⁴⁾ (figura 7). Os triângulos estendidos são determinados com base no desvio padrão e no valor médio, assumindo que uma distribuição homogênea de partículas também é acompanhada por triângulos estendidos homogeneamente em termos de área. A vantagem deste método é expressa, por exemplo, pela independência do valor característico do número de partículas em relação à qualidade da mistura. Isso é particularmente importante, pois geralmente há quantidades diferentes de partículas na saída do fluxo devido a instabilidades numéricas e diferentes tempos de residência. 

 

Fig. 7 – Exemplo de triangulação de uma distribuição de pontos usando o método de Delaunay. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

 Além disso, o método possui alto grau de flexibilidade, pois qualquer seção transversal pode ser analisada. Ao contrário do método baseado na contagem de caixas, esta nova abordagem também permite avaliar a qualidade da mistura em áreas onde há espiras. Também há a possibilidade de aumentar ou diminuir a região analisada, pois o cálculo pode ser feito independentemente do tamanho da seção transversal. 

As investigações experimentais foram realizadas em uma extrusora com canhão liso, com diâmetro D igual a 45 mm, fabricada pela Battenfeld, modelo BEX 1-45-30B, que pode ser operada sob velocidade máxima de 585 rpm. A faixa de velocidades examinada para determinar a vazão mássica alcançada variou entre 50 a 500 rpm. Mas, ao usar roscas com barreira e com três zonas, em alguns casos, não foi possível obter altas velocidades, devido à insuficiente capacidade de fusão da resina. Foi usada matriz com estrangulamento. Tomou-se como exemplo de material um grau de PEAD (HE3493-LS-H) fabricado pela Borealis. O perfil de temperaturas usado foi o mesmo sugerido pelo fabricante do material. 

Vazão de massa para os vários conceitos de rosca 

Foi observada grande diferença em termos do ritmo máximo de produção que pode ser apresentado a partir dos conceitos de rosca aqui estudados (tabela). Devido à maior qualidade da mistura e ao maior aporte de energia decorrente do cisalhamento repetitivo através das espiras defasadas, as roscas com dupla onda apresentaram vazão de massa máxima significativamente maior e com massa fundida apresentando alta qualidade. Com 98,4 kg/h, a rosca com transferência de energia apresentou vazão mássica 57% maior do que a da rosca de barreira. Duas velocidades (100 e 200 rpm) foram testadas durante as investigações sobre homogeneidade para cada conceito de rosca. A figura 8 mostra uma comparação entre os níveis de homogeneidade de seções finas do material que foram determinados experimentalmente, bem como as distribuições de partículas determinadas para os vários conceitos de rosca, sob velocidade de 100 rpm.  

Fig. 8 – Comparação qualitativa entre seções finas obtidas experimentalmente no final da rosca com distribuições de partículas obtidas por simulação e triangulação, sob velocidade de 100 rpm. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

Há diferenças quando se considera as seções finas. A rosca com três zonas e a com barreira apresentam maiores áreas com frações brancas contínuas. Já no caso das roscas onduladas, ficaram visíveis interfaces significativamente menores entre as porções branca e negra, mostrando que a extrusão gerou um cordão de resina fundida muito mais homogêneo. Além disso, pôde-se observar que os maiores acúmulos de regiões com superfícies brancas também se refletiram visualmente nas distribuições determinadas usandose simulações, na forma de grandes áreas com acúmulos de partículas. 

Uma comparação entre os parâmetros estatísticos quantitativos da qualidade de mistura, determinados por simulações e experimentos, mostra concordâncias claras (figura 9). A rosca com três zonas apresentou a pior qualidade de mistura. Também foi constatado que somente a velocidade de 100 rpm pôde ser aplicada nos experimentos, uma vez que a 200 rpm a massa fundida não era misturada e fundida o suficiente. Os dois novos conceitos de rosca apresentaram vantagens claras em termos da qualidade da mistura de material em comparação com a rosca com três zonas e a de barreira. Além disso, tanto as simulações como os experimentos mostraram uma clara tendência em se obter misturas com pior qualidade quando a velocidade aumentou – e isso ocorreu para todos os conceitos de rosca. 

Fig. 9 – Comparação dos resultados obtidos por simulação e por experimentos sobre a qualidade de mistura distributiva proporcionada por diferentes conceitos de roscas sob diferentes velocidades. Fonte: Universidade de Paderborn; Gráfico: Hanser.

Ao considerar os resultados qualitativos e quantitativos, pode-se concluir que o melhor efeito de mistura é conseguido ao se usar a rosca com transferência de energia. Isso é plausivelmente compreensível devido ao melhor fluxo de retorno sobre a espira defasada no canal oposto. 

Rosca ondulada: alta qualidade de mistura e maior grau de liberdade 

Pode-se concluir que novas roscas onduladas podem levar a uma melhoria do desempenho de fusão e da qualidade da mistura – e, como resultado disso, ao aumento do ritmo de produção das extrusoras. O dimensionamento correto desse tipo de rosca é de enorme importância, pois há um número significativamente maior de graus de liberdade na forma do desenho das ondas em relação às roscas convencionais com três zonas, por exemplo. 

Além disso, no decorrer das investigações, ficou claro que novas simulações precisam ser realizadas para permitir um mapeamento das quantificações plausíveis da qualidade real da mistura e que, portanto, possam ser usadas para desenvolver o projeto mais econômico possível. Assim, investigações experimentais complexas podem ser substituídas por estudos aplicando simulações, as quais são mais rápidas, econômicas e permitem variações significativamente maiores em termos de design da rosca. 

 

Agradecimentos 

Os autores deste trabalho agradecem à Associação Alemã para Pesquisa (Deutsche Forchungsgemeinschaft, DFG) pelo financiamento concedido, cuja designação é SCHO 551/41-1. 

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
As referências bibliográficas deste trabalho podem ser encontradas no seguinte endereço eletrônico: www.kunststoffe.de/onlinearchiv