Por: J.A.Sant’Anna
E H.Wiebeck

Soluções em materiais plásticos para substituir peças feitas tradicionalmente de metais tem sido a busca de grande números de empresas ,devido a constante evolução dos polímeros de engenharia de alto desenpenho e a procura por um melhor desempenho das peças técnicas . O uso de plásticos oferece muitas vantagens, mas as diferenças inerentes entre os plásticos e os metais devem ser levadas em consideração desde o começo do projeto.Em busca do objetivo da substituição, uma revisão completa do projeto é necessário para que a produção seja adequada e vantajosa com a utilização do plástico com suas características próprias .

. A busca por melhor performance e redução de peso em peças técnicas e a constante evolução dos polímeros de engenharia de alto desempenho (HPEP, high performance engineering polymers) têm levado um grande numero de empresas a buscar soluções inovadoras em materiais termoplásticos para peças tradicionalmente produzidas em metais. Esses materiais podem, na maioria das vezes, atender a esses dois requisitos com outra importante vantagem: a redução do custo total de uma peça. Todos esses benefícios advêm principalmente das vantagens desses materiais em termos de possibilidades de design e processos de fabricação.

Para que a mudança seja considerada vantajosa é necessário que esses benefícios se tornem realidade, é necessário que as pessoas envolvidas no projeto de peças técnicas tenham um bom entendimento das características dos termoplásticos, as possibilidades que esses materiais proporcionam e suas propriedades, principalmente se a peça for destinada ao uso sob altas temperaturas ou ambientes potencialmente agressivos

Ao efetuar a troca do metal pelo plastico, não devemos considerar a troca pura e simples pois , como resultado teremos um longo ciclo de desenvolvimento, o que pode se tornar um processo bastante oneroso e, muitas vezes, frustrante. Em um mercado global e cada vez mais competitivo, esse é um luxo que os engenheiros e projetistas raramente têm, já que a velocidade do desenvolvimento até a venda do produto (time to market) é um importante fator no sucesso ou fracasso do que será realizado.

De certa forma para otimizar o projeto, muitas empresas utilizam cada vez mais o trabalho de equipes simultâneas com ferramentas como desenho e engenharia auxiliados por computador (CAD/CAE), engenharia simultânea, desenho para usinagem e montagem (DFMA – design for machining and assembly). Em muitos casos, particularmente na indústria automotiva, o CAE é utilizado extensivamente em conjunto com testes práticos e, em alguns específicos, substitui toda a necessidade por testes “reais”, tamanha a precisão alcançável.

Existe a necessidade de se contar com dados confiáveis para todo o projeto devido à complexidade e a sua fase inicial (concept for design) deve ser realizada com cuidado. Estima-se(¹) que 85% dos custos totais de um projeto são definidos na fase inicial e, por isso, é tão importante que a seleção de materiais e processos de fabricação (SMPF) esteja presente de maneira consciente e participativa desde o mais absoluto começo de um novo projeto.

Processo de fabricação , escolha incorreta de um material ou, ainda, a não adaptação de um projeto para uma combinação material-processo podem levar a custos totais muito mais altos do que se poderia esperar.
Assim, as diferenças inerentes entre os plásticos e os metais devem ser levadas em consideração desde o começo do projeto. Uma peça desenhada para ser produzida em metal deve ser devidamente redesenhada para que possa não apenas ser produzida adequadamente, como também para que as vantagens da utilização dos plásticos sejam efetivamente aproveitadas, de forma que essa conversão atinja plenamente seus objetivos.

Este artigo faz uma breve revisão das diferenças entre os metais e os termoplásticos e tendências de mercado, para, posteriormente, se concentrar em como escolher o material correto para a aplicação e trabalhar eficazmente no design da peça.
Quanto mais se conhecer as matérias prima ,maior a probabilidade da conversão ter seu objetivo alcançado .

 

Metal e plástico :algumas comparações

Para peças técnicas em muitos casos, a substituição de metais por plásticos não é só possível, como possibilita vantagens devido às suas propriedades, na maioria das vezes singulares:

– Baixo peso específico, o que leva à peças mais leves;

– Possibilidade de consolidação de peças, a qual permite ganhos produtivos na fase de montagem;

– Melhor acabamento, uma vez que a peça pode sair pronta do molde, eliminando a necessidade de operações secundárias;

– Maior liberdade de projeto, o que, muitas vezes, permite desenhos que seriam impossíveis em metal, por exemplo;

– Melhor resistência química e à corrosão, quando o material é escolhido corretamente;

– A possibilidade de redução de custo final, fator muitas vezes determinante para a conversão de uma peça de metal para plástico;

– Tem-se a opção de produção diretamente em cores, novamente eliminando a necessidade de operações secundárias.

Tipicamente, os plásticos são isolantes térmicos e elétricos e, embora possam ser aditivados para serem eletricamente condutores, estes tipos ainda estão longe de ter o mesmo desempenho dos metais. A baixa condução de calor ainda é um problema quando a dissipação deste é necessária, embora os fabricantes de polímeros de alto desempenho (high performance engeneering plastics) e compostos a partir destes estejam se empenhando para acabar com essas dificuldade.
Já existem polímeros reforçados, como a poliarilamida (PAA, como Ixef, da Solvay Advanced Polymers, Bélgica), com algumas de suas propriedades semelhantes às de metais, como resistência à tração e acabamento superficial.

Gráfico comparativo de resistência à tração e modulo para alguns polímeros carregados e metais.

A resistência à tração é comparável à do alumínio e, embora o módulo de elasticidade (E) seja menor, a resistência especifica (resistência à tração dividida pela densidade – s/?) é maior(²).Conforme mostra a figura 1 .
Certos polímeros (como o PrimoSpire, da Solvay advanced Polymers) podem apresentar dureza superficial próxima à de metais (Rockwell B 60)(³), algo impensado até pouco tempo atrás. O desenvolvimento dos polímeros e seus compostos é um campo em franca evolução e devemos estar atentos para não fecharmos as portas para uma possível inovação por absoluta falta de conhecimento da variedade de materiais e processos disponíveis atualmente.

Existem casos em que a conversão de uma peça de metal para plástico é impossível, mas em geral não se consegue realiza-la de maneira satisfatória por não se fazerem modificações no design da peça para a utilização de plástico, por não se adotar uma metodologia para isso, devido à peça apresentar tolerâncias muito justas ou ainda uma combinação de todos esses fatores, que serão analisados adiante.

Avaliação de todo o processo define o custo total

Ficaria bastante claro, desde o início, que os projetos em plástico não são viáveis,se fôssemos avaliar a substituição de metal por plásticos em peças técnicas simplesmente pelo custo da matéria-prima, É por isso que os estudos devem ser realizados considerando o custo total da peça, o que inclui, entre outros, processamento, operações secundarias, mão-de-obra, maquinário empregado, etc.

Se considerarmos peças técnicas moldadas por injeção, o custo total das peças produzidas pode ser dividido em cinco grandes elementos distintos:

 

– Material e moldagem;
– Desenho da peça e do molde;
– Engenharia e análise;
– Testes e validação;
– Operações secundárias e embalagem.

Os três primeiros dentre esses cinco elementos, apresentam de 80 a 90% dos custos totais (4) de um projeto em peças plásticas e os materiais e o que fazemos com eles são os fatores que mais influenciam concetraremo-nos neles. As operações secundárias são uma parte importante do custo de peças produzidas em metal, mas raramente o são na maioria das peças plásticas bem projetadas para serem moldados por injeção.

A partir da análise desses elementos , para uma melhoria do custo é necessário um bom entendimento das propriedades mecânicas dos termoplásticos de engenharia(5), porque, em muitos casos, eles têm comportamentos bastante distintos daqueles apresentados pelos metais. O módulo de elasticidade dos termoplásticos, que é significativamente menor que o dos metais, é função do tempo, temperatura, orientação das fibras eventualmente utilizadas como cargas e umidade da resina .

Modulo de Young versus temperatura para polímeros amorfos e semicristalino.

Exemplo de aplicações automotivas debaixo do capô (underhood), requisitos de temperatura entre 150 e 200ºC são bastante comuns e, a essas temperaturas, a queda do módulo de elasticidade pode ser bastante apreciável, podendo chegar em relação aos valores de referencia à temperatura ambiente , a perdas de 50 a 70%

Quedas aproximadamente iguais de outras propriedades mecânicas podendo ser esperadas para a maioria dos polímeros semicristalinos(5) e isto requer considerações especiais na fase de projeto inicial em questões de geometria e apoio das peças. Para alguns materiais amorfos de alto desempenho, com temperatura de transição vítrea (Tg) bastante alta (por exemplo, Radel A PES, Radel R PPSU e EpiSpire HTS, da Solvay Advanced Polymers, LLC.), essa queda não é significativa e o valor de módulo, embora não tão alto quanto o de alguns polímeros semicristalinos, é praticamente constante até uma determinada temperatura, o que para alguns projetos pode ser um fator decisivo .

Gráfico comparativo da queda de propriedades para alguns polímeros amorfos

Moldagem e custo da matérias prima

Evoluíram se as metodologias de SMPF à partir do empirismo e da busca desordenada de dados em handbooks e folhas de dados em uma atividade sistematizada e, sobretudo, cientifica. Essa sistematização começou a aparecer nos anos 80, com a primeira edição do trabalho de Crane e seus associados(¹), quando formalizados os procedimentos de seleção de materiais.

Com a introdução de conceito de mapas de propriedades de materiais (materials properties maps), o trabalho de Ashby(6) deu um grande impulso a essa área de estudos, que facilitaram muito a visualização das relações entre distintas propriedades e a comparação entre elas, por meio de índices de mérito (IM), levando uma generalização do procedimento, de tal maneira que passou a ser explorado em casos reais , deixando de ser tratado apenas como uma ferramenta de ensino .

A partir desses, Ferante(9) define a filosofia de seleção de materiais como o ato de procurar entre os materiais mais existentes (calcula-se entre 50 e 100 mil tipos diferentes) aquele mais adequado, por meio de sucessivas etapas de eliminação, de modo a não ignorar possibilidades anteriormente não reconhecidas pela experiência ou percepção do projetista.

Mesmo sendo a filosofia de SMPF muito debatida entre os engenheiros em geral, ela ainda é bastante incipiente entre aqueles que trabalham com materiais poliméricos.

Ainda assim, o processo de seleção de materiais é tradicionalmente um dos primeiros passos de um novo projeto de peça técnica e o ponto preponderante nos dias de hoje e sem dúvida o custo, de maneira que um processo de SMPF deve levar em conta vários fatores para se chegar a uma boa relação de desempenho versus custo.

 

Observando a figura 4, esses produtos ocupam a parte superior da pirâmide dos plásticos e tipicamente oferecem elevada resistência química e mecânica, mesmo sob altas temperaturas. Normalmente, esses materiais não são substitutos de outros polímeros, mas sim de metais, vidro e até mesmo cerâmica, em casos específicos. São fabricados por poucas empresas e em escala mundial, já que os volumes empregados fazem com que as fabricas tenham tamanho reduzido. Este fato, aliado ao enorme esforço de pesquisa e desenvolvimento desses materiais, leva esses produtos a terem por quilo um custo mais elevado.

 

Pirâmide dos polímeros destacando as diferentes classes de polímeros quando a estrutura e desempenho,numero de produtores e volume anual produzido de cada polímero.

Essa divisão é adequada para fins didáticos, mas o que se vê é uma zona de transição entre essas categorias, principalmente no que se refere à parte mais baixa da pirâmide. Em termos de propriedades, esses materiais têm às vezes desempenho semelhante, embora os seus custos possam ser bastante diferentes, o que faz com que sejam posicionados ou mais para cima ou mais para baixo nessa escala . Como leva em conta as diferenças estruturais e de propriedades entre os polímeros e faz com que a visualização seja facilitada a divisão entre amorfos e semicristalinos torna se bastante interessante.

É apresentado na figura 5 uma comparação da relação rigidez/custo para alguns dos materiais de engenharia mais conhecidos. A poliftalamida (PPA), uma poliamida de alto desempenho, originalmente introduzida pela BP Amoco (hoje Solvay Advanced Polymers, LLC.) em 1991, atende ao nicho entre os polímeros tradicionais de engenharia, como a poliamida (PA) e os de altíssimo desempenho e custo, como a poli (éter-éter-cetona) (PEEK, por exemplo, KetaSpire, da Solvay Advanced Polymers) por apresentar uma melhor relação custo/desempenho.
Pode ser encontrada em Wiebeck & Harada em português , uma boa descrição sobre os polímeros de engenharia e os de alto desempenho , mas essa é deficitária na área de seleção de materiais. Para esta ultima, o trabalho pioneiro de Ferrante, em suas edições(9,10), baseado nos preceitos já citados de Ashby, é praticamente a única referencia em língua portuguesa , embora pouco trate da produção problemática da seleção de polímeros.

Custo relativo/desempenho

Tempo de ciclo

. A maior parte do tempo do ciclo é, na maioria das vezes, o tempo necessário para o resfriamento da peça até que ela possa ser ejetada sem problemas. O custo de moldagem por injeção de uma peça é grandemente determinado pelo tempo de ciclo necessário para produzi-la. Esse tempo é diretamente proporcional à espessura da peça e à parte do ciclo de moldagem que é mais influenciada pelo material para uma mesma geometria de moldagem.

Na maioria das vezes , peças produzidas em materiais que tenham alta condutividade e temperatura de deflexão térmica (HDT) podem ser ejetadas mais rapidamente. A alta condutividade térmica proporciona uma rápida transferência de calor para fora da peça (resfriamento mais rápido) e uma alta HDT permite que a peça seja ejetada sob temperaturas mais altas devido à maior rigidez do material. Essa influência pode ser exemplificada com uma poliftalamida (PPA, como o Amodel, da Solvay Advanced Polymers).

Este material, que apresenta desempenho superior, tem um tempo de ciclo de 20 a 25% menor quando comparado com materiais tradicionais, tais como a poliamida 6.6 ou o PBT, sem nenhuma perda de propriedade. Isso pode levar a um menor tempo para produzir um determinado lote ou ainda à utilização de menos máquinas (e moldes) para se produzir em grandes lotes.

No caso de aplicações nas quais as temperaturas de operação são relativamente altas para termoplásticos, a deflexão é o critério mais importante na seleção de materiais, devido ao baixo módulo dos plásticos em geral sob temperaturas na faixa de 150 a 200ºC. Para uma dada geometria, a espessura do material depende da rigidez dele, e o material com a melhor relação rigidez/custo leva a paredes mais finas e, por conseqüência, a e custo de moldagem. menores tempos de ciclo.

Novamente, aqui se mostram úteis os já citados diagramas de ferramenta de análise, além de outros bancos de dados e fontes disponíveis atualmente, na busca de um material que mais se aproxime das necessidades em termos de desempenho versus custo.

Desenho do produto e do molde

O desenho da peça e do molde é provavelmente o ponto mais importante quanto ao custo para peças injetadas . De acordo com Desai(4), pesquisas na indústria de plásticos nos EUA indicam que esses fatores correspondem a 20% do tempo total de custo total de uma peça. Dessa maneira, é muito importante implementar ferramentas como engenharia simultânea, desenho para usinagem e montagem (DFMA) e engenharia auxiliada por computador (CAE) antes que o desenho definitivo seja adotado e a construção do molde iniciada.

A pesquisa de seleção de materiais conjuntamente com a incorporação de elementos de design específicos para esses materiais no começo de um processo de desenvolvimento pode eliminar muitos problemas e modificações no desenho da peça, levando à economia de tempo e reduzindo os custos do projeto até que se chegue ao desenho final.

A escolha de materiais depende do bom entendimento das propriedades requeridas na aplicação envolvida, já que alguns termoplásticos têm suas propriedades que nem sempre obedecem à lógica do senso comum de um leigo e, mesmo aquelas que são conhecidas por este, ainda podem apresentar surpresas. Como exemplo, pode-se citar que existem plásticos os quais têm a capacidade de resistir vários minutos sob a intensa chama de um maçarico (PrimoSpire, da Solvay Advanced Polymers)(³) e o PVC, que embala os alimentos e também é utilizado no transporte de água para residências.

Pode ser difícil entender o porquê disso tudo às vezes mas o projetista responsável pela seleção de materiais deve entender muito bem a aplicação da peça em que trabalha e também aberto às possibilidades que os plásticos lhe trazem do ponto de vista de design. É importantel trabalhar conjuntamente com os fornecedores de matéria-prima desde o começo do projeto para tirar o máximo proveito dessas possibilidades.

No atual estágio de desenvolvimento dos plásticos (commodities, de engenharia ou de alto desempenho), muito do que se pode projetar e produzir era impensável até bem pouco tempo e muito só não é produzido por não haver informações a respeito de determinado material ou processo.

Pode ser dificultado o projeto de peças plásticas devido ao fato de que a maioria dos projetistas ainda tem uma mentalidade influenciada pelas propriedades dos metais e não tem experiência de sucesso em projetos com termoplásticos. Devem ser levadas inerentes a essas duas classes de materiais, tais como, por exemplo, o menor módulo de elasticidade e os efeitos da temperatura e do processamento nas propriedades dos polímeros. Além disso, muitas vezes os materiais plásticos utilizados são, na verdade, compostos, pois levam uma combinação de fibras e outros aditivos em sua composição e, por causa disso, são normalmente anisotrópicos.

Outro ponto a ser levado em consideração é que as propriedades da peça não são ditadas apenas pelas propriedades dos materiais em si, uma vez que o processamento e o próprio desenho da peça (e do molde no caso de peças injetadas ou termoformadas) podem influenciar as propriedades(5). Assim, é sempre importante ter em mente que as propriedades podem variar dentro de uma mesma peça. Em língua portuguesa, duas referencias sobre o processo de injeção e o projeto de moldes são os trabalhos de Manrich(12) e Haranda (13).
Como exemplo, vamos analisar aqui algumas propriedades que são importantes para aplicações sob capô, mas que muitas vezes também têm em outras aplicações: resistências químicas, térmica e à fluência e também tolerâncias.

Resistência à fluência

É um importante fato, a resistência pode ser dificultador em muitas aplicações, especialmente naquelas em que a temperatura é mais alta. A tabela seguinte mostra dados para PBT, PA 6.6 e PPA reforçados com 30 a 35% de fibras de vidro (materiais típicos de cada fabricante), condicionadas a 50% de umidade e testadas de acordo com a norma ASTM-D2990 a 100ºC e 41 Mpa.

Tabela 1 – Alongamento por fluência (%)

Após 3.000 horas de teste, o módulo aparente do PPA é cerca de 30% mais alto do que o PA 6.6 e cerca de 90% mais alto que o PBT.
O fato de o PPA apresentar maior resistência à fluência é também uma indicação da maior estabilidade dimensional deste polímero com relação a outros polímeros de engenharia.

A diferença entre o coeficiente linear de expansão térmica dos metais e doas plásticos pode se tornar um problema para a utilização conjunta desses materiais, como por exemplo, quando peças plásticas, utilizando-se parafusos metálicos. Quando uma montagem como essa é aquecida, todas as partes tendem a expandir, mas o plástico está preso pelos parafusos e isso acaba por gerar forças. Esse relaxamento leva, por sua vez, a uma perda na retenção do torque do parafuso em questão.

Mesmo em plásticos com coeficiente linear de expansão térmica (CLET) muito próximos aos dos metais (por exemplo, o Torlon PAI, da Solvay Advanced Polymers), isso pode se tornar um problema quando o calor não é dissipado da mesma forma pelo plástico e pelo metal, de modo que eles muitas vezes se encontram em temperaturas diferentes e, mesmo com um CLET igual, apresentam dilatações totalmente distintas.

Para manter altos torques sob temperaturas entre 150 e 200ºC, é recomendado o uso de insertos metálicos, conhecidos como limitadores de torque. Esse insertos podem ser moldados na peça, montados posteriormente por pressão ou por ultra-som. Com o uso de insertos, a resistência da linha de solda ao redor deste passa a ser um ponto critica, principalmente para o caso de insertos montados e não-moldados.

Quando se substituem metais por plásticos em peças montadas, como por exemplo, bombas de óleo ou termostatos, geralmente se deve aumentar o número de parafusos de fixação de modo a reduzir a porção da peça não suportada (entre parafusos), limitando a deflexão. Além disso, deve-se aumentar a rigidez ao redor do perímetro da peça com o uso de nervuras, de modo a contrabalancear a queda de rigidez do material sob alta temperatura.

 

Tolerâncias

Peças metálicas usinadas têm em geral, tolerâncias muito pequenas devido à rigidez do material. Qualquer peça plástica que precise de tolerâncias menores que as especificadas pelos fabricantes de matérias-primas reduzem a capacidade do processo e aumenta substancialmente os custos de produção.

Assim, a parte da peça que requeira tolerâncias muito apertadas deveria ser redesenhada de acordo com as características inerentes aos materiais empregados, como menor módulo, menor resistência sob cisalhamento e maior liberdade de desenho. Por outro lado, tolerâncias muito grandes para peças plásticas tipicamente indicam um projeto ruim e deveriam ser mudadas para melhor atender aos requisitos necessários.
Uma maneira de tornar a fase de protótipos de mais rápida, quando temos tolerâncias muito apertadas, é projetar um molde no qual, para o seu ajuste às tolerâncias, seja necessário retirar material e nunca adiciona-lo, tornando as modificações mais rápidas.

Tolerâncias representa a variação dimensional permitida em uma peça moldada: ela é o efeito combinado da variação nas dimensões do molde da cavidade para cavidade da peça devido à matéria-prima ou ao processo. Na maioria dos casos, um molde para polid poliestermida (PEAP) tem de duas a quatro cavidades e, manter a variação das dimensões entre elas vem em um mínimo, não é tão difícil. Além disso, devido ao carregamento com fibras ou cargas minerais, a contração do material é normalmente menor que 1%. Canais balanceados, bons controles e transdutores de pressão nas cavidades podem ser suficientes para atingir uma tolerância de +/- 0,1mm em um diâmetro de 50mm.

Ademais, novas tecnologias, como a de macho giratório (rotating core)(14), em conjunto com materiais especificamente desenvolvidos para isso (por exemplo, alguns grades de Mindel, da Solvay Advanced Polymers), fazem com que as tolerâncias de peças plásticas estejam cada vez mais perto daquelas atingidas pelos metais.

 

Resistência química

A maioria dos polímeros de alto desempenho não apresenta graduação ou sofre um ataque muito pequeno quando exposta aos diversos tipos de óleos e fluídos utilizados na indústria automobilística. Isso também é verdade para combustíveis como gasolina, álcool e diesel, embora o metanol possa muitas vezes ocasionar perda de propriedades em alguns materiais após longa exposição.

Para o caso da resistência à misturas tipicamente utilizadas em sistemas de arrefecimento de automóveis modernos (OAT, organic acid technology), desenhados para melhorar a resistência dos componentes metálicos do sistema à corrosão, os materiais de engenharia tradicionais têm se mostrado inadequados ou, no melhor dos casos, no limite de segurança para sua utilização.

Nesse caso, os polímeros de alto desempenho como o PPA, entram em cena novamente.

Amostras de PPA e PA 6.6 carregadas com 33¢ de fibra de vidro foram expostas a misturas 50/50 de glicol/água a125ºC e testadas sob tração em diferentes tempos de exposição. Podemos perceber pela figura 6, que a resistência à tração do PPA permaneceu praticamente inalterada ao longo do teste após a queda inicial esperada, enquanto a do PA 6.6 continuou caindo tanto ao contato com fluídos padrão, quanto com os da nova tecnologia OAT.

Resistência à tração de alguns polímeros de alto desempenho a uma mistura após exposição
50/50 glicol/Água a 125 graus

Engenharia e análise

A maneira com que peças plásticas são desenvolvidas hoje em dia mudou drasticamente nos últimos anos devido à engenharia auxiliada por computador (CAE), já que os avanços em software, hardware e ensaios para a geração de dados transformaram essa forma de análise em uma ferramenta realmente efetiva na sua relação custo/beneficio.
Para que as vantagens desse tipo de trabalho sejam aproveitadas ao máximo, é necessário que as peças sejam desenhadas desde o começo em softwares de modelamento. No entanto, isso traz alguns problemas(14):

– Os arquivos gerados com todos os detalhes são, em geral, muito grandes e, por isso mesmo, difíceis de serem movidos;

– Devido à falta de padrão nos formatos dos arquivos, a inteiração entre programas pode gerar dificuldades de análise. Atualmente o padrão Satandard for the exchange of product model (STEP) está tentando se tornar dominante sobre o initial graphic exchange specification (IGES), mas ainda teremos que conviver com os dois por um bom tempo;

– A maioria dos bons sistemas de análise de fluxo trabalha com malhas de pontos e não com sólidos verdadeiros e a transformação de um modelo para outro pode tomar bastante tempo. Alguns novos softwares já trabalham com sólidos verdadeiros, mas ainda não são tão precisos em suas analises quanto se necessita.

Todos os pontos acima citados nos mostram a importância de utilizar nas análises somente os detalhes realmente necessários de modo a não onerar um projeto demasiadamente quanto ao tempo de análise e ao custo. As análises dividem-se basicamente em dois tipos: análise por elementos finitos (FEA) e análise de fluxo. A eficácia com que essas análises são realizadas pode ser melhorada, se entendermos os pontos fracos e fortes de cada uma delas. Por não ser o foco do artigo, vamos somente fazer uma breve revisão baseada em alguns trabalhos de especialistas no assunto(15,16).

Análise por elementos finitos (FEA)

Talvez o ponto-chave da análise por elementos finitos seja quando se deve utilizar análise linear e quando se deve utilizar análise não-linear. Embora muitos tendam a utilizar a análise não-linear, entendemos que, para plásticos de engenharia e de alto desempenho, a análise linear (mais simples, rápida e podendo utilizar máquinas menos potentes) é normalmente suficiente para produzir resultados satisfatórios.
Isso se deve ao fato de que para esses materiais carregados (na maioria dos casos) o alongamento até a ruptura do material está abaixo de 3% e, devido a outros requisitos, em geral, o alongamento do material não passa de 0,5% na aplicação. Nessa faixa, o material ainda está no seu regime elástico e, portanto, a relação tensão versus alongamento é linear mesmo sob temperaturas mais altas.

Análise de fluxo

O uso de software de análise de fluxo (com o MPA da Moldflow Corporation, EUA) para analisar e prever parâmetros como pressão e tempo de injeção, distribuição de temperaturas, localização de linhas de solda, orientação, distribuição de temperaturas, localização de linhas de solda, orientação de fibras e possíveis problemas de saída de gases, já é bastante comum hoje em dia.

Esses sistemas, quando utilizados de forma eficiente desde o começo do projeto de um molde, podem trazer enormes reduções de tempo e custo não só do projeto, mas também auxilio ao projeto de um molde que leve a uma peça a qual tenha as melhores propriedades que se pode conseguir de um dado material. O módulo de contração e empenamento do MPA esta se tornando cada vez mais uma ferramenta poderosa para reduzir o trabalho em moldes já prontos, uma vez que consegue prever com bastante precisão o comportamento da peça moldada em relação a estes dois parâmetros.

Como já citado anteriormente, existem alguns novos softwares (por exemplo, o Flow3D, da FlowScience Inc., EUA) que trabalham com modelos de sólidos verdadeiros, o que elimina a necessidade de retrabalho para adaptar uma malha de pontos para a análise de um objeto com paredes grossas, por exemplo(17).
O trabalho com sólidos verdadeiros consegue bons resultados ao predize mais eficientemente as linhas de solda e possíveis retenções de gases ou afundamentos (rechupe)(18).

Tipicamente, os fabricantes de matérias-primas têm os mais preciosos dados sobre o fluxo e as propriedades dos materiais, uma vez que a geração desses dados tem um alto custo. Assim, é recomendável, para uma melhor precisão das análises, que se trabalhe com os fornecedores desde o começo do projeto. É importante também lembrar que o uso correto dessas ferramentas e uma expectativa real sobre as análises pode ser uma excelente maneira de reduzir custos em um projeto, mas não podemos nos esquecer que as ferramentas de CAE em geral, embora cada vez mais poderosas e precisas, são somente uma ferramenta e a análise dos dados e depende do fator humano, de maneira que as ferramentas de CAE não são soluções em si mesmas.

 

Conclusão

A substituição de mais por plásticos não apenas é possível, como também almejada atualmente devido às inúmeras vantagens que estes oferecem. No entanto, existe muitas dificuldades para que essas substituições seja bem-sucedidas. Entre elas estão a correta seleção do polímero mais adequado e as mudanças necessárias no desenho das peças para que elas tragam todos os benefícios que os plásticos podem oferecer. Este artigo procurou colocar de maneira sucinta essas dificuldades e sugeriu formas de enfrenta-las para uma bem-sucedida substituição de metal por plásticos.

J.A.Sant’Anna – Profundo conhecedor de polímeros especiais e desenvolvimento de novas aplicações.
H.Wiebeck –Professor doutor na área de polímeros e coordenador em Técnica de reciclagem .
Publicação autorizada pelos autores.- obrigado- Estamos aguardando o seu artigo técnico.