Introdução

Os dutos de ar operam sob tensão constante e em ambientes quentes que envolvem pressão, óleo do motor e vapores. Essas condições podem induzir um rápido envelhecimento térmico da maioria dos materiais plásticos, com exceção dos de maior desempenho em termos de engenharia. Usando um tipo especialmente modificado de poliéster termoplástico elastomérico (TPE), foram desenvolvidos dutos de ar de dois componentes, a primeira solução do gênero. Reduzir a peça para apenas dois componentes resultou em menor peso e produção e montagem mais eficientes, proporcionando uma economia significativa.

Os compostos de poliéster termoplástico elastomérico auxiliam sobremaneira a reduzir o peso e o custo dos dutos de ar quente, mantendo excelentes níveis de desempenho por muito mais tempo do que produtos opcionais, apesar da exposição ao óleo quente, ar quente e outros produtos químicos automotivos agressivos⁽¹⁾.

No que concerne aos motores com turbocompressor que trabalham com temperaturas por volta de 150°C e pressões a partir de 2,5 bar⁽¹⁾, o TPE oferece perfis de temperatura ideais e propriedades resistentes a produtos químicos para aplicações em dutos de ar. Apresenta ainda maior resistência ao calor, melhor flexibilidade em baixas temperaturas, maior resistência à fadiga por flexão, melhor resistência a óleo, combustível e ácidos, além de reduzir os custos totais de processamento, visto que dutos de ar produzidos em TPE são mais baratos que as alternativas metálicas. Conta também com a integração de funções e diminui o número de componentes intermediários e do número de junções mitigando substancialmente o potencial de vazamentos⁽¹⁾.

A redução do tamanho e do peso do motor, a turbocompressão, a injeção direta e a recirculação dos gases de escape são desafios que a indústria automotiva brasileira está enfrentando para alcançar maior economia de combustível, maior eficiência do motor e menores emissões de CO2 . Mas esses avanços têm um preço. Os motores turbo-assistidos geram mais calor e envolvem gases, fluidos e misturas ácidas de gás/ar mais agressivas, geralmente sob alta pressão. Muitos materiais tradicionais de construção não podem mais funcionar nos ambientes mais quentes, confinados e sob pressão presentes nestes tipos de motores.

Os sistemas de gerenciamento de ar integram muitos componentes, incluindo o turbocompressor, ressonador, intercooler, coletor de admissão de ar, recirculação dos gases de escape e sistemas fechados de ventilação do cárter com tubos de ar, mangueiras, vedações, juntas, buchas e membranas para conectar e vedar esses componentes⁽²⁾.

Esses componentes vitais exigem materiais excepcionais para suportar as altas tensões mecânicas, os picos extremos de calor e frio e ambientes químicos agressivos durante a vida útil do veículo. Eles também devem ser produzidos de forma sustentável e ajudar as montadoras a atender à legislação global de emissões evaporativas cada vez mais rigorosa – incluindo US PZEV Fase III, LEV II e Euro 5 e 6 – demonstrando de baixa a zero permeabilidade a gases e fluidos de motores⁽³⁾.

Para o caso de dutos de ar para motores turbo-assistidos, o uso de TPE específico para esta aplicação, quando processado pela técnica de “sopro 3D”, consegue atender aos requisitos e especificações da indústria automotiva para este tipo de aplicação. Desta maneira, o formato integrado, mais leve, mais fácil de montar e mais seguro diminuiu o número de operações e mitigou sensivelmente o custo total deste sistema⁽¹⁾.

A abordagem utilizada para este projeto de produção de dutos de ar integrado e de fácil montagem foi bem-sucedida porque implicou nos seguintes processos:

1. Levantamento das informações de potencial de mercado para este tipo de aplicação.
2. Identificação das principais necessidades técnicas no âmbito do ambiente funcional de trabalho (habitáculo do motor), manuseio das peças, montagem na linha, e controle/testes de garantia de funcionamento.
3. Seleção dos tipos de plásticos(4) de engenharia que poderiam atender ou superar essas necessidades técnicas, apoiados pelo uso de softwares como o Mold-Flow e de análise de elementos finitos.
4. Definição do processamento mais adequado para a produção desse tipo de componente de maneira robusta, constante, com alto índice de produtividade.

 

O mercado potencial

A tendência de se utilizar dutos de ar produzidos com a linha de plásticos de engenharia TPE guarda estreita relação com a maior preocupação da indústria global e brasileira no que concerne à diminuição do consumo de combustível e à redução de emissões, seguindo a rota da agenda regulatória alcançada pelo segmento automotivo.

Na figura 1, no gráfico da direita é apontado o grau de emissões para diferentes países e regiões do mundo. No caso do Brasil, especificamente é mostrado um índice de emissões da ordem de 138 g de CO2 /km versus a Comunidade Europeia, que exibe um índice de 95 g de CO2 /km. Isso implica a necessidade de melhorar esses índices no mercado brasileiro. Assim como a moderna indústria automotiva persegue índices menores de emissões e se esforça para seguir regulamentações mais restritivas, há também o desenvolvimento das novas tecnologias no que diz respeito aos veículos elétricos e autônomos, sustentabilidade ambiental e mudanças das preferências do consumidor, que impelem as indústrias para um caminho de alternativas de produtos onde critérios de governança sustentável possam ser percebidos rapidamente pelos clientes: conforto, dirigibilidade, segurança, conectividade, compartilhamento, consumo menor e mais responsável, e finalmente a busca por um planeta mais limpo.

 

Fig. 1 – Oportunidades no mercado global de transportes.

O gráfico à esquerda (figura 1) mostra que o crescimento nos países emergentes identificado foi de 2,6% ao ano até 2024 (crescimento muito maior que os países desenvolvidos que variaram de -0,5% a 1,9%). Ainda na parte superior do gráfico da figura 1, é mostrado que as vendas de materiais para a área de transportes podem ter atingido cerca de U$ 150 bilhões e 65% deste montante poder ter sido direcionado para atender às regulamentações automotivas, investimento que vem crescendo ao redor de 1,5 vezes a taxa média do PIB Global (atingindo entre 4,5% a 6,0% ao ano).

Nota-se o aumento da participação de carros de motores menores (figura 2) – até 1.6 litro (42% em 2012, subindo para 70% até 2024), substituindo motores maiores (acima de 1.7 litro), mantendo características de potência similares, mas com indicadores de desempenho próximos daqueles de motores maiores, mas com custos menores.

Fig. 2 – Evolução na produção de motores globalmente.

As montadoras têm diminuído significativamente o número de cilindros dos motores de seis para quatro e para três. Desta forma, os motores de três cilindros são menores, mais leves, têm menos componentes, são mais baratos, consomem menos combustível e têm menor índice de emissões, mas com a percepção de potência de motores maiores. O conceito sustentável que se aplica neste momento é o ‘Small is Beautiful’.

Fig. 3 – Vantagens do uso de motores de três cilindros.

Percebe-se ainda o aumento relevante da fabricação de motores turbo (figura 4) e a diminuição da fabricação de motores aspirados de tal maneira que a participação de motores turbo no mercado em 2012, que era de 33% (ou 29,2 milhões), subiu para 77% (ou 58 milhões de unidades) em 2024. Desta forma, o fato é que os motores a combustão turbo estão se tornando majoritários no mercado de automóveis convencionais, e essa tendência deve continuar por muitos anos, devido à presença de carros híbridos (com motores elétricos leves e de combustão) antes da possível era da eletrificação total dos motores.

Fig. 4 – Mercado global de veículos leves.

 

Identificação das principais necessidades técnicas

Um tópico fundamental foi entender as necessidades técnicas e as funções de desempenho no ambiente de trabalho desse sistema de dutos de ar acoplados ao sistema de gerenciamento de ar nos motores turbo.

Desta forma, conforme mostra a figura 5, a partir dos dutos acoplados à área do lado quente (duto na cor laranja) e a dos dutos da área do lado frio (cor amarela) e seguindo a seta, pode-se entender o funcionamento básico do sistema de dutos de ar e o seu caminho crítico. Assim, o ar contido no filtro alimenta o turbocompressor, o turbo cumpre sua função de comprimir o ar limpo, o que faz a temperatura do ar se elevar, e o ar então aquecido passa pelo duto de ar, transferindo calor para ele (área do lado quente – cor laranja). O ar então é conduzido ao CAC (charge-air-cooler, intercooler ou resfriador do ar de admissão), onde se esfria, passando pelo duto de ar (área do lado frio – cor amarela) e alimenta o coletor de admissão, que finalmente enviará este ar ao motor para que a combustão ocorra.

Fig. 5 – Aplicação de dutos de ar para motores turbo.

 

Seleção do material

A despeito da desconfiança que cerca alguns dos componentes em plásticos que se destinam às aplicações automotivas (e uma das principais razões para isso são as elevadas temperaturas presentes em algumas áreas do automóvel), as grandes indústrias do setor não deixam de conceber novos projetos em polímeros de alta performance para aplicações tidas como críticas em termos de resistência geral. Os plásticos de engenharia são escolhidos devido ao seu fácil processamento e à sua flexibilidade em propiciar desenhos mais complexos, com boa estabilidade dimensional e uma excelente resistência à corrosão em ambientes de hostilidade química.

Atualmente, o consumo de plásticos em alguns carros brasileiros já alcança quase 130 kg nos seus interiores e/ou exteriores, o que ajuda a reduzir o peso total do automóvel, aumentando a economia de combustível, reduzindo os custos de processos e proporcionando uma excelente aparência superficial⁽⁵⁾. No caso dos dutos de ar, foi importante balizar os seguintes aspectos:

1. Flexibilidade de design (geometria da peça): possibilidade de aliar-se seções convolutas a seções planas e lisas, formatos curvos e ao mesmo tempo rígidos e tenazes, permitindo a integração de funções e reduzindo o número de componentes intermediários.
2. Processabilidade: a escolha da moldagem por sopro 3D demonstrouse produtiva e adequada mesmo nos aspectos de estabilização das paredes do duto moldado.
3. Propriedades a curto e longo prazo(6), principalmente as ligadas aos parâmetros térmicos (resistir às temperaturas próximas a 150º Celsius), mecânicos (módulos de flexão, tenacidade), químicos (fluidos presentes na região do habitáculo do motor), estabilidade dimensional (prevenir vazamentos), dureza e aparência superficial (evitar perfurações), baixa densidade (diminuir peso), reciclabilidade (uso de resíduos de pré-consumo e de fácil reciclagem), soldabilidade etc.

Alguns aspectos que levaram à seleção do poliéster elastomérico para este dutos de ar foram a faixa de temperaturas presentes na região do motor, entre 100º Celsius e 210º Celsius e as oportunidades de integração de componentes intermediários. Os principais benefícios/ valores percebidos foram redução do custo final do sistema em 20%, redução do peso em 50% e redução de seis componentes com implicação direta na segurança funcional, e diminuição do número de operações de montagem.

Fig. 6 – Dutos de ar plásticos para motores turbo.

 

Definição de processo

A definição da forma de processamento mais adequada para um duto de ar, em geral, se apoia nos processos convencionais, de extrusão, sopro e de injeção. Isso porque são processos consolidados na indústria de plásticos, conhecidos pela robustez de resultados e por serem mais baratos. Entretanto, neste caso se procurou uma maneira diferente, porque o duto de ar final precisaria apresentar: homogeneidade de paredes, linhas de emenda de alta resistência, ciclos baixos, baixa geração de rebarbas e robustez de moldagem (típica dos processos de injeção e extrusão), mas precisaria também se combinar com características típicas de peças moldadas por sopro convencional (agora chamado de moldagem por sopro 2D), tais como componentes extensos, radiais, curvilíneos e com formatos de peças ocas. Assim, aliando-se a sucção à tecnologia de moldagem por sopro, uma empresa na Itália (ST – Soffiaggio Tecnica) desenvolveu um processo que se convencionou chamar Moldagem por Sopro 3D, no qual componentes como os dutos de ar podem ser produzidos com esta combinação de características finais.

No processo por sopro 2D (figura 7), muito utilizado para moldagem de embalagens (frascos principalmente), o molde aberto é alimentado com um parison (tubo de material em estado viscoelástico que é alimentado por uma rosca de extrusão, e forçado através de um cabeçote (do tipo “pescoço de cisne”) e com paredes ajustadas por uma matriz que define os diâmetros internos e externos deste tubo (definindo a espessura média das paredes).

Fig. 7 – Moldagem por sopro convencional (2D).

O molde então é fechado sobre a superfície deste parison, uma agulha sopradora é inserida na parte inferior do tubo e, pela pressão do ar soprado, força o material contra as paredes do molde fechado. Decorrido o tempo de resfriamento do componente, o molde é aberto, as rebarbas são cortadas (ou usinadas) e o componente final é obtido. Este processo é muito utilizado na indústria de plásticos, mas não é suficientemente robusto para as necessidades de um duto de ar, que não pode exibir linhas de emenda ou permitir a geração excessiva de rebarbas (visto o custo de um plástico de engenharia). Ou seja, há uma limitação em sua utilização, no âmbito de design (desenho do produto), gasto excessivo de material e, por consequência, perda de produtividade.

Já na moldagem por sopro 3D (figura 8), a primeira diferença é vista em relação ao molde, que se encontrará fechado para o início do processo com o parison previamente extrudado para dentro dele. E por meio de um sistema de sucção, as paredes deste tubo são dispostas quase contra as cavidades do molde, sendo em seguida disparada uma carga de sopro que forçará as paredes do parison a tomarem a forma final das cavidades do molde. A definição e a correção das espessuras da parede do componente são possíveis devido à programação de um pino cônico descentralizado. Este processo propicia a produção de peças quase sem rebarbas e com geometrias complexas, gerando superfícies praticamente isentas de linhas de emenda.

Fig. 8 – Moldagem por sopro- sucção (3D).

O uso efetivo de processos de reciclagem de peças plásticas eventualmente defeituosas representa um avanço sustentável e competitivo significativo para a indústria. Na figura 9, estudos realizados demonstraram que é possível reincorporar até 100% do material reciclado, moído de peças defeituosas, com perdas mínimas ou inexistentes das propriedades mecânicas e funcionais do material original. Esse processo pode ser repetido em ciclos consecutivos, sem comprometer a eficiência de fabricação, como indicado por testes de processabilidade e curvas de tensão-deformação. Além de reduzir o desperdício, a iniciativa minimiza a dependência de matérias-primas virgens, diminuindo o impacto ambiental e a pegada de carbono associada à produção. Isso cria um modelo de economia circular, em que as peças descartadas são transformadas em matéria-prima de alta qualidade, pronta para reuso. Empresas que adotam essa abordagem destacam-se como líderes em sustentabilidade, otimizando custos ao mesmo tempo em que fortalecem sua imagem corporativa. Com a manutenção das propriedades essenciais do material reciclado, a reciclagem se torna uma solução prática e viável tanto ambiental quanto economicamente. Assim, o processo promove inovação, redução de custos e resiliência na cadeia produtiva, consolidando-se como estratégia indispensável à fabricação moderna.

Fig. 9 – Estudo do uso de material reciclado no processo de sopro-sucção 3D.

O sucesso deste projeto (figura 10), após a análise de mercado, aconteceu devido a um estudo aprofundado das necessidades técnicas funcionais relacionadas às propriedades intrínsecas presentes na linha de produtos à base de TPE, à avaliação das condições presentes na região do motor e área de atuação dos dutos de ar (lado quente e/ou lado frio), assim como das demais necessidades técnicas funcionais. Estabeleceu-se uma avaliação das propriedades intrínsecas presentes na linha de produtos à base de TPE com o apoio de sistemas de software Mold-flow e de elementos finitos. Fundamentalmente, o objetivo foi viabilizar a produção dessas aplicações em um processo de moldagem por sopro 3D, que conferiu características de produto e produtividade únicas à fabricação de sistemas de dutos de ar.

No estudo de mercado foi determinante contar com um profundo estudo das necessidades técnicas funcionais, uma avaliação das condições presentes na região do motor, área de atuação dos dutos de ar (lado quente e/ou lado frio) e demais demandas técnicas operacionais.

Fig. 10 – Estudo, desenvolvimento e aplicação da moldagem por sopro-sucção 3D.

 

Conclusão

O avanço da tecnologia de moldagem por sopro-sucção (3D) foi um divisor de águas na fabricação de dutos de ar automotivos, especialmente para motores turbo-assistidos. Este processo combina a precisão da extrusão e da moldagem por sopro com a eficiência da sucção direcionada, possibilitando a produção de componentes com geometrias complexas, paredes uniformes e mínima geração de rebarbas. O resultado são peças que unem leveza e alta robustez, atendendo às exigências extremas dos motores modernos enquanto promovem eficiência estrutural e redução de custos.

O sucesso desta técnica está na integração de fatores técnicos e estratégicos. O uso de poliésteres termoplásticos elastoméricos (TPEs) foi determinante, devido às suas propriedades avançadas, tais como resistência térmica de até 180°C, resistência química a vapores de combustíveis e óleos, além de flexibilidade para suportar vibrações constantes, tendo aberto espaço também para outros plásticos de engenharia como o poli(tereftalato de butileno) (PBT) e a poliamida 6 (PA 6). A integração de funções no design resultou na eliminação de componentes intermediários, reduzindo o peso, os custos de produção e potenciais pontos de falha como vazamentos.

A abordagem sustentável da moldagem por sopro 3D também se destacou, permitindo a reciclagem de resíduos industriais sem perda significativa de propriedades, alinhando-se perfeitamente com os princípios de economia circular.

A análise detalhada das condições operacionais dos motores turbo, tais como altas temperaturas, pressão extrema e exposição a produtos químicos agressivos, guiou a seleção de materiais e a definição dos processos. O uso de ferramentas avançadas de modelagem e simulação foi fundamental para garantir a confiabilidade e o desempenho nas condições mais severas. A eliminação de rebarbas, combinada à produção de componentes com alta precisão e integridade mecânica, foi primordial para criar peças robustas e duráveis.

A moldagem por sopro-sucção (3D) não é apenas uma inovação. Trata-se de uma evolução necessária para atender às demandas por eficiência, sustentabilidade e competitividade na indústria automotiva. Ela simplifica processos, reduz custos e entrega resultados superiores. Um exemplo claro de como técnica e propósito podem se reunir para moldar o futuro da mobilidade, com impacto direto na qualidade e sustentabilidade da produção de componentes plásticos em vários segmentos de mercado.

 

REFERÊNCIAS

1. Du Pont. Automotive air ducts and turbocharger hoses. Increasing performance in automotive air ducts and turbocharger hoses. Disponível em: https://www.dupont.com/ products-and-services/plastics-polymers-resins/elastomers/uses-and-applications/ automotive-air-ductshtm. Acesso em: 05/abril/2019.
2. Max Turbos e Embreagens. A tecnologia do turbo. Disponível em: https:// maxturbos.com.br/artigo/tecnologia-do-turbo. Acesso em: 05/abril/2024.
3. Automotive Business. Euro 6P8 definido pelo CONAMA para 2022-23. Disponível em: http://www.automotivebusiness.com.br/noticia/28402/euro-6p8-e-definido-peloconama-para-202223. Acesso em: 05/abril/2024.
4. Dorneles Filho, Augusto M. L.; Atolino, Walter - Plásticos de engenharia - seleção eletrônica no caso automotivo. São Paulo: Artliber – 2009.
5. REES, Herbert. Understanding product design for injection molding. New York: Hanser, 1996.
6. Ashby, M. F. Material Selection in Mechanical Design. Butterworth. Heinemann. Oxford, 2000. Crawford, R.J. Plastics engineering. Pergamon Press. Oxford, 1987.