Técnica permite a combinação bem-sucedida de injeção e expansão de partículas

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Os requisitos impostos às peças plásticas estão ficando cada vez mais severos. Apesar de ser possível resolver os desafios da injeção em casos isolados usando processos especiais (figura 1), os transformadores estão sendo forçados a vencer novas adversidades a partir de outros processos. Por isso, métodos que combinam processos distintos de forma seletiva desempenharão papéis com máxima importância no futuro.

 

Por exemplo, engenheiros trabalham há mais de 40 anos em processo de expansão para a obtenção de peças de plásticas com propriedades especiais. Agora, examina-se uma ampla variedade de métodos de expansão química e física na moldagem por injeção - alguns são adaptáveis, mas a maioria é integrável - visando à redução da densidade - e de peso - das peças.

Um processo desprezado

Já ficou claro, dentro da atual tendência de construção leve, que não são possíveis reduções de peso significativas em peças injetadas e expandidas por processos convencionais. Contudo, uma técnica de relativamente desprezada até hoje, a expansão de partículas, mostra que podem ser obtidas peças com densidade bastante inferior à obtida por meio das técnicas de moldagem por injeção empregadas atualmente (figura 2). Além dos aspectos associados à construção leve este grupo de materiais (poliestireno expandido, polipropileno expandido, etc.) e as peças produzidas com esta técnica mostram outras características potencialmente interessantes como elevada absorção de energia (resistência a colisões), boas propriedades acústicas e de isolamento térmico (gestão térmica) ou capacidade de integração simples de funções.

Na combinação dos processos de expansão de partículas e injeção, características pouco vantajosas da expansão podem ser eliminadas. Ao mesmo tempo, esta tecnologia pode viabilizar novas aplicações para peças com melhores propriedades. Restringindo-se ao tópico da construção leve, basta pensar nos projetos de monocasco (monocoque) com camadas de espuma em um dos lados ou materiais reforçados contendo duas camadas externas rígidas e núcleo expandido.

A combinação de suportes, cascas e carcaças rígidas injetadas com áreas funcionais de espuma gerada por partículas terá papel de destaque no futuro. Campos inteioramente novos de aplicação serão abertos devido às propriedades incomuns das espumas geradas por partículas expandidas, tais como:

- densidades extremamente baixas (entre 0,04 e 0,08 g/cm³); - Resistência ao impacto dinâmica e estática; - isolamento acústico e térmico em conjunto com estruturas moldadas por injeção.

Em 2011 o instituto alemão Fraunhofer requereu a patente de uma combinação de processos para a manufatura de peças moldadas por injeção e expansão de partículas em linha (patente europeia EP 1299219). O método especificava duas etapas de processo que deveriam ocorrer em um único molde. Na primeira sequência, moldava-se um componente por expansão de partículas, segundo-se então a deposição de uma camada de cobertura, feita de resina termoplástica rígida injetada. Contudo, o novo processo foi totalmente esquecido. Após seu relançamento e implementação técnica, a ideia foi exposta na feira Fakuma de 2012 por um fabricante de células de manufatura de moldagem por injeção. Num exemplo da moldagem composta por injeção mais expansão de partículas, uma casca de PP (figura 3) para a roda de um aeromodelo foi injetada sobre um pneu pré-fabricado de PP expandido, o qual foi inserido no molde de injeção por um robô.

Revertendo a moldagem por injeção e expansão de partículas

Para evitar o colapso da espuma devido aos efeitos decorrentes da alta temperatura da resina fundida e da pressão de injeção quando a resina termoplástica é moldada sobre uma peça constituída por partículas expandidas, a espuma precisa apresentar uma densidade mínima da ordem de 0,1 g/cm³. Dependendo das propriedades de aplicação da peça, a densidade das partículas expandidas estabelece uma delimitação entre as possíveis sequências de processo. Por exemplo, se forem requeridos valores muito baixos de densidade para alguma aplicação de construção leve, será necessário adotar uma abordagem diferente. Esta técnica, no entanto não sofre tais restrições em sua versão reversa, ou seja, quando a casca de resina termoplástica rígida é injetada na primeira etapa e o componente constituído por partículas expandidas é moldado na etapa subsequente.

Existe ainda potencial adicional disponível para as peças produzidas desta forma. Na construção leve automotiva, a nova tecnologia permite o desenvolvimento de produtos com inovaçõeos em termos de gestão técnica, acústica e resistência a colisões.

Peças em sanduíche com espumas híbridas multifuncionais.

Os autores deste trabalho conseguiram uma compreensão profunda do processo a partir de um estudo de viabilidade desenvolvido pela Bayern Innovative Gesellschaft für Innovation und Wissenstransfer (Associação Baviera Inovadora para Inovação e Transferência de Conhecimento) com o patrocínio da empresa Neyer Materialien BAyreuth (Alemanha). Foi usado um molde para teste construído pela própria empresa (Figura 4) par fabricar um componente constituído de polipropileno (PP) sílido e partículas expandidas de PP num processo em linha. No momneto estão sendo desenvolvidos trabalhos adicionais nas configurações do equipamento e do molde, processamento e de pesquisa fundamental.

Diversas combinações de materiais foram processadas, sendo confeccionados corpos de prova sob diferentes condições de processo. Subsequentemente, as propriedades desses materiais foram determinadas e avaliadas de acordo com a geometria do molde (plana ou nervurada), a combinação de materiais (diferentes graus de PP e PP expandido) e os parâmentos de processo (temperaturas, pressões e expansão intermediária). O resultado positivo foi a constatação da viabilidade do estabelecimento de uniões firmes sobre as peças de superfícies lisas. com o uso seletivo de estruturas nervuradas (figura 5), a resistência do material composto pode ser aumentada consideravelmente por meio de um intertravamento adicional.

A nova combinação de injeção e expansão de partículas que, a princípio, teve sua viabilidade comprovada, oferece um potencial inovador ainda maior, pois possibilita a produção de novas dimensões (na forma de peças em sanduíche com camadas externas reforçadas com fibras e núcleo constituído de espumas híbridas multifuncionais feitas com partículas expandidas, por exemplo). As propriedades dos monomateriais expandidos ternam-se altamente atraentes e são ampliadas quando eles são combinados com componentes metálicos, cerâmicos ou poliméricos para constituir espumas híbridas. Materiais híbridos constituídos de PP expandido e espuma cerâmica são adequados para aplicações envolvendo isolamento térmico juntamente com armazenamento de calor.

Estes aspectos adicionais, baseados no fenômeno das espumas híbridas, não são as únicas vantagens que tornaram a tecnologia combinada de injeção e expansão de partículas uma alternativa para a construção leve automotiva. Ao se considerar com mais cuidado o tópico da eletromobilidade, o qual está intimamente associado à construção leve, a caixa da bateria (figura 6) pode ser vista como uma aplicação potencial desta nova tecnologia.l Uma estrutura em sanduíche, a qual combina uma camada externa de resina termoplástica a uma camada híbrida, pode melhorar consideravelmente a gestão térmica da bateria. Além disso, se for usada uma camada externa reforçada com fibras juntamente coma espuma híbrida, a bateria pode ser integrada na estrutura da carroceria como um elemento capaz de suporta carga - ou mesmo como um elemento estrutural deformável, graças à capacidade de absorção de energia que a espuma híbrida possui.

Componentes em forma de sanduíche, constituídos de camadas exteriores reforçadas com fibras contínuas com camada intermediária de espuma híbrida ou de monomaterial, devem ser investigados como um exemplo adicional de solução orientada para o futuro na construção leve automotiva. Em particular, pode´se conseguir um aumento da resistência à flexão e da rigidez em peças de automóveis com um reforço adicional da matriz reforçada com fibras a partir da aplicação de partículas expandidas nas áreas sujeitas a colisões. A alteração da espuma, de monomaterial para híbrida, permite melhorias adicionais. Tais combinações de materiais proporcionam aos projetistas maiores graus de liberdade para melhorar as propriedades acústicas e a resistência à colisão, juntamente com a gestão térmica.

Fonte: Plástico Industrial

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Publicado em: 14/02/2017

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