Deixe-me começar com algo que ficou comigo.
No ano passado visitei umfabricação de perfisfábrica em Dongguan. O supervisor da oficina, Velho Zhou, apontou para uma extrusora em funcionamento e me disse: "Você vê isso? O princípio é extremamente simples. Não é diferente de espremer pasta de dente de um tubo."
Achei que ele estava brincando.
Acontece que, depois de entrar nesse setor, ele não estava errado-pelo menos não sobre o conceito central. A moldagem por extrusão, como o nome sugere, envolve pressionar uma substância através de uma abertura para formar uma forma. Assim como quando você aperta a ponta de um tubo de pasta de dente, a pasta de dente extrudada tem o formato de um pequeno orifício redondo. O princípio da moldagem por extrusão de plástico é semelhante, exceto que seu dedo é substituído por um parafuso giratório, a pasta de dente se transforma em plástico derretido e a abertura do tubo se torna um molde usinado com precisão-.
Mas “simples” significa algo muito diferente quando se fala de produção industrial.
Então, o que exatamente estamos extrudando aqui
A extrusão de perfil é o processo de criação de formas plásticas contínuas por meio de extrusão. Não inclui produtos em folha ou filme. Muitas pessoas confundem “extrusão” como um conceito geral com “extrusão de perfil” especificamente. A extrusão de plástico é uma grande família-filme soprado, filme fundido e extrusão de folha, tudo conta. Mas a extrusão de perfil refere-se especificamente a produtos com uma seção transversal-consistente. A moldura de PVC ao redor da sua janela, o tubo intravenoso no hospital, até mesmo o canudo da sua bebida do McDonald's-corta-o em qualquer lugar ao longo de seu comprimento, e o formato-da seção transversal permanece o mesmo. Isso é um perfil.
Os produtos feitos por extrusão de perfis podem ser sólidos, como revestimento de vinil, ou ocos, como canudos.
Como você faz os ocos? Você tem que colocar um pino ou mandril dentro da matriz e soprar ar pelo centro para evitar que o produto desmorone. A primeira vez que ouvi isso tive que pensar por um segundo, mas depois fez sentido-se você estiver fazendo algo oco e não o apoiar por dentro, é claro que ele vai desabar.
O que um parafuso pode fazer
O coração de uma extrusora é esse parafuso. O engraçado é que, para uma indústria tão grande, o componente mais crítico parece um parafuso para madeira de grandes dimensões.
A rosca gira a uma velocidade controlada, normalmente de até 120 rpm, empurrando os pellets de plástico para frente através do cilindro. O barril é aquecido até a temperatura de fusão necessária, que varia de 200 graus a 275 graus, dependendo do polímero que você está usando.
Mas esse parafuso não está apenas empurrando o material para frente. Está simultaneamente transportando, comprimindo, derretendo e homogeneizando. Quando os pellets de plástico caem da tremonha, eles ficam sólidos. À medida que o parafuso os empurra para frente, eles são aquecidos por aquecedores externos no cano, ao mesmo tempo que são cortados entre as passagens do parafuso e a parede do cano. Quando chegam à extremidade frontal, estão totalmente derretidos.
Aqui está algo que muitas vezes passa despercebido: a temperatura do barril é em grande parte o resultado do aquecimento por cisalhamento e, às vezes, é necessário resfriamento adicional para manter o plástico dentro de sua janela de processamento.
A maioria das pessoas presume que a extrusora usa apenas aquecedores externos para derreter o plástico. Na realidade, o aquecimento por cisalhamento é responsável por uma parcela significativa do consumo de energia. Já vi operadores experientes ajustarem máquinas diminuindo a potência do aquecedor e deixando o cisalhamento fazer a maior parte do trabalho-economiza eletricidade, claro, mas o mais importante é que o derretimento induzido pelo cisalhamento-tende a ser mais uniforme.
Sobre isso morrer
O dado é onde a verdadeira magia da engenharia acontece. Não sou fã de linguagem floreada, mas é verdade-o dado é o componente tecnicamente mais exigente de todo o sistema.
Pense nisso. O plástico fundido é um fluido. Quando sai do dado, ele incha (morre incha, como eles chamam). Quando esfria, ele encolhe. Diferentes peças esfriam em taxas diferentes, então o encolhimento nem é uniforme. Para obter um produto final que atenda às especificações do projeto, os canais de fluxo da matriz precisam levar em conta tudo isso.
E uma matriz não é apenas um pedaço de aço com um furo. Um dado balanceado é essencial para um bom controle dimensional. "Equilibrado" significa fazer com que o material fundido flua aproximadamente na mesma velocidade em toda a seção-transversal. Se o fluxo for irregular, seu perfil fica grosso de um lado e fino do outro, ou uma parte esfria antes da outra, e então você tem problemas.
Conheço uma fábrica que faz perfis complexos. Eles passaram três meses apenas em testes. A seção-transversal tinha sete ou oito sulcos irregulares, a parede mais fina com menos de 1mm, a mais espessa com quase 8mm. Com esse tipo de variação, alcançar o equilíbrio do fluxo é um pesadelo.
Não está pronto até que esteja frio
O plástico que sai da matriz ainda está macio. Como queijo quente. Você precisa travar essa forma rapidamente.
A abordagem mais comum é o resfriamento a água. O perfil sai direto da matriz para um tanque de água. Dentro do tanque há acessórios de dimensionamento que mantêm o perfil ainda-macio em forma enquanto ele endurece. Para produtos que precisam de tolerâncias mais rígidas, você adiciona calibração a vácuo-o perfil macio passa por um calibrador, o vácuo é aplicado na parte externa e pequenos orifícios ao redor do perímetro sugam o plástico para fora, contra as paredes do calibrador. É basicamente formação contínua a vácuo.
O resfriamento parece a parte chata do processo, mas há muitas maneiras de estragar tudo. Esfrie muito rápido e o gradiente de temperatura entre o interior e o exterior cria estresse interno-a deformação aparece mais tarde. Resfrie muito devagar e sua taxa de produção será prejudicada, além do perfil ainda ficar macio quando o extrator o agarra e você estica.
A temperatura da água, a vazão, o comprimento do calibrador, a-velocidade de saída-tudo precisa ser coordenado.
O haul{0}}off controla e coordena a velocidade com que o perfil é retirado da matriz. Essa velocidade deve corresponder à taxa de extrusão. Muito rápido e o perfil fica mais fino. Muito lento e o material se acumula na saída da matriz. Parece simples. Ajustar é tudo detalhes.
Algumas palavras sobre materiais
O pessoal da extrusão gosta de brincar: “Extrusamos plástico, mas o que perdemos mesmo é o cabelo”. Se errar na formulação, tudo dará errado.
Os materiais típicos incluem polietileno, polipropileno, poliacetal, acrílico, náilon, poliestireno, PVC, ABS e policarbonato. Entre outros.
São muitos nomes, mas na produção real você lida principalmente com alguns.
PVCé rei no mundo dos perfis. Não há segundo próximo. Janelas de edifícios, canos de drenagem, dutos de cabos-está em toda parte. O alto teor de cloro torna o PVC difícil de inflamar e limita a liberação de calor. É auto-extinguível, o que significa que para de queimar quando a fonte de ignição é removida. Para materiais de construção, a resistência ao fogo é enorme. Além disso, o PVC é barato,{8}}resistente à corrosão e você pode torná-lo rígido ou flexível adicionando plastificantes. É claro que tem desvantagens:{10}}janela de processamento estreita e baixa estabilidade térmica. Você tem que carregar a formulação com estabilizadores ou ela se degradará antes mesmo de sair da matriz.
Educação Físicaé principalmente para tubos. As linhas de gás usam polietileno porque resiste à corrosão tanto do gás quanto do ambiente subterrâneo. A rede de água utiliza-o pelo mesmo motivo e ajuda a manter a água pura. Boa flexibilidade significa que ele pode lidar com o assentamento do solo. As juntas{4}fundidas por calor acabam sendo mais fortes que o próprio tubo.
ABSpossui excelente resistência ao impacto graças ao componente butadieno, mesmo em baixas temperaturas. Mas a exposição aos raios UV causa microfissuras, por isso as aplicações externas precisam de cautela.
ASAé um excelente material para uso externo, para perfis que ficarão expostos ao sol por longos períodos. Muita gente não conhece esse. É basicamente ABS com o butadieno trocado por éster de acrilato, o que aumenta significativamente a resistência às intempéries.
Quanto a todos os outros ingredientes incluídos em uma formulação: corantes para a aparência, estabilizadores UV para prevenir a fotodegradação, antioxidantes para retardar o envelhecimento, lubrificantes para melhorar o fluxo e reduzir o atrito, retardadores de chama para reduzir a inflamabilidade. Também estabilizadores de calor, cargas, endurecedores, auxiliares de processamento... Uma formulação madura pode ter uma dúzia de componentes, cada um deles ajustado por meio de extensa tentativa e erro.
A co-extrusão merece sua própria seção
A co-extrusão é a extrusão simultânea de múltiplas camadas de material. Você usa duas ou mais extrusoras alimentando diferentes plásticos em taxas controladas em uma única matriz, que os combina na forma desejada.
Por que se preocupar?
Porque em muitas aplicações-do mundo real, nenhum polímero pode atender a todos os requisitos. Digamos que você queira um perfil em que a camada externa precise ser dura,-resistente ao desgaste e com boa{3}}aparência, enquanto a camada interna precisa ser macia, elástica e capaz de formar uma vedação. Um material não pode fazer as duas coisas. A co-extrusão permite que você processe dois materiais ao mesmo tempo, mescle-os na matriz e eles saiam como uma única peça integrada.
A co-extrusão de durômetro duplo funde dois materiais com diferentes zonas de dureza através da mesma matriz, proporcionando ao produto rigidez estrutural e flexibilidade. Vedações de portas e janelas, juntas de eletrodomésticos, diversas aplicações de vedação industrial-é aí que isso aparece.
As vedações das portas dos carros são um exemplo clássico. A parte que se prende à chapa metálica é rígida. A parte que entra em contato com o vidro ou painel da carroceria é macia. Dois materiais, um passa pela matriz. Se você os fizesse separadamente e tentasse colá-los, custaria mais e a ligação não seria tão confiável.
Fica mais complexo. A tri-extrusão executa três materiais compatíveis diferentes através de uma matriz, frequentemente usada para dispositivos médicos e cateteres. Os tubos médicos têm requisitos exigentes-a camada interna deve ser biocompatível porque entra em contato com sangue ou medicamentos, a camada intermediária precisa de força e resistência a dobras, a camada externa precisa ser lubrificada para inserção. Três funções, três materiais, um tiro.
A programação em uma área de produção
Uma linha completa de extrusão de perfil, do início ao fim, é mais ou menos assim:
Sistema de armazenamento/secagem de material → Extrusora → Trocador de tela → Matriz → Tanque de calibração/resfriamento → Transporte-desligado → Cortador → Coleta/empilhamento
Já cobriu a extrusora. O trocador de tela serve para filtragem-captura pedaços não derretidos e contaminantes. O movimento-é aquele par de rolos que puxa o perfil para frente a uma velocidade constante. Os cortadores vêm em diferentes tipos dependendo do produto -serras, tesouras, cortadores voadores.
Perfis flexíveis são geralmente enrolados em máquinas de bobinagem dedicadas. Perfis rígidos são serrados ou cortados no comprimento certo.
Alguns produtos também precisam de processamento-em linha. Puncionamento, perfuração e abertura de canais são operações típicas. A impressão a jato de tinta permite a marcação de lotes e produtos. A perfuração-em linha é muito mais eficiente do que off-line porque o perfil ainda está se movendo ao longo da linha-a cabeça do perfurador viaja com ele, acerta e pronto.
Nota rápida sobre qualidade
Muitas fábricas não prestam muita atenção à configuração adequada-desde que o perfil pareça aceitável, elas presumem que a extrusora está ajustada corretamente.
Isso acerta em cheio. A mentalidade em muitas fábricas é "se for enviado, está tudo bem" e, quando a máquina atinge um estado de-de{2}}ok, ninguém a toca. Mas para o mesmo produto, a otimização dos parâmetros pode reduzir o consumo de energia em 20% e melhorar significativamente a consistência.
O controle de temperatura é tudo. O controle preciso da temperatura produz bons produtos e minimiza os custos de energia. Os termopares precisam de verificação regular. Quando uma matriz previamente bem-equilibrada começa a produzir perfis irregulares, muitas vezes é porque os termopares não estão mais controlando a temperatura da matriz adequadamente. Os termopares oscilam ao longo do tempo-a tela mostra 180 graus, mas o real pode ser 195 graus -e os problemas aparecem lentamente.
Para onde tudo isso vai
Esta parte não precisa de muita elaboração porque os perfis estão por toda parte.
A extrusão de perfis é um dos processos de maior-volume na fabricação de plásticos, produzindo de tudo, desde tubos a janelas e tubos médicos.
A construção é a que mais utiliza. Molduras de janelas, molduras de portas, revestimentos, rodapés, canais a cabo-todos extrudados.
Médico usa mais precisão. Os tubos e cateteres para gotejamento de sangue são compostos de materiais plásticos e reforços, exigindo esterilização pós{1}}fabricação.
O setor automotivo usa a maior variedade. Vedações, tiras de acabamento, tubos, proteção de chicote de fios-um único carro pode ter dezenas de perfis extrudados diferentes.
Bens de consumo são desnecessários. Canudos, cabides, correias de embalagem, trilhos para cortinas...
Considerações finais
A extrusão de perfil é um processo de fabricação de alto-volume conhecido pelo desperdício mínimo, baixo custo, retorno rápido e versatilidade com matérias-primas. Também pode atingir propriedades específicas como resistência à chama, durabilidade, resistência química e resistência ao calor.
Tudo verdade no que diz respeito aos marcadores dos livros didáticos. Mas o que realmente dá a este processo o seu poder de permanência, penso eu, é a continuidade. A moldagem por injeção funciona em ciclos-o molde abre, o molde fecha, há tempo morto entre os disparos. A extrusão continua bombeando o material para fora. Você pode executá-lo 24 horas seguidas, se quiser. Essa vantagem de continuidade em termos de custo é quase esmagadora quando se trata de produção-de alto volume.
Claro que existem limitações. Você só pode criar produtos-de seções transversais constantes. A precisão é menor que a moldagem por injeção. Geometrias 3D complexas estão fora de questão. Mas em sua casa do leme, nada mais chega perto.
Os avanços tecnológicos e de materiais continuam remodelando o panorama da extrusão de perfis. Integração de software avançado de projeto e simulação, desenvolvimento de polímeros de alto-desempenho-, tudo ampliando o que é possível em termos de perfis inovadores e multifuncionais.
Perfis que não podiam ser feitos há dez anos podem ser feitos agora. Parâmetros que antes dependiam inteiramente da intuição de operadores veteranos agora podem ser simulados em software. A indústria continua avançando. Os princípios subjacentes não mudaram muito em um século, mas a gama do que você pode realizar continua crescendo.
Mais uma coisa, Feliz Natal!