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Material Plástico para Substituição de Metais

No horizonte dos materiais, quando se pensa em peças que tenham elevada resistência mecânica e resistência térmica, as especificações de materiais eram sempre direcionadas para ligas metálicas. A natureza dos materiais metálicos lhes confere as características citadas acima de modo inerente, o que por muitos anos levou-se como verdade absoluta e como únicas opções viáveis nos projetos para peças como ganchos, eixos, parafusos, porcas, maçanetas, rotores, por exemplo. Esta linha de pensamento estaria correta se a tecnologia existente se limitasse a PET, PVC, ABS, nylon e polipropilenos simples reforçados com fibra de vidro. Porém conforme a demanda por materiais mais leves e de maior produtividade se torna cada dia maior, surgiu a necessidade de se desenvolver materiais que atendessem ao nível de performance de ligas metálicas como AC 42000 (AlSi7Mg), bronze e zamak. Tendo em vista o desenvolvimento de plásticos para substituição de metais, atendendo à demanda por materiais mais leves e de fácil processabilidade, a EMS, situada na Suíça, desenvolveu uma linha de poliftalamidas (PPAs) denominadas Grivory, reforçadas com diferentes componentes como fibras de vidro, fibras de carbono e carga mineral.

Dentro do portfólio do Grivory foram desenvolvidos grades para contato com água potável e alimentos (FWA), condutivos ou isolantes elétricos, anti-chamas (V0), com estabilizante UV, resistência a hidrólise, resistência a temperaturas elevadas, opaco ou transparente a raios-x, transparente a luz visível e suscetível a metalização ou cromação, Esta linha de materiais possui altíssima rigidez, estabilidade dimensional, acabamento superficial sem afloramento das fibras, mesmo quando os teores ultrapassam 50%, resistência a picos de até 300°C, além de uma ótima processabilidade, com parâmetros compatíveis com as práticas de mercado convencionais para PA66, quando se utiliza o Grivory GV. Há casos de sucesso inclusive na utilização de Grivory em moldes que anteriormente foram desenvolvidos para a injeção de alumínio. Não eram as condições ideais mas possibilitou a produção de peças até que se adquirisse um molde novo.

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Para exemplificar o potencial que o Grivory possui em aplicações metálicas de alta performance assista ao vídeo abaixo. Nele é utilizado o Givory GV-5H numa rosca de 8mm que junto a um parafuso, içam um conjunto de quase 3 toneladas:

Conforme pôde-se observar, o Grivory possui uma alta resistência mecânica. Para se ter uma noção por ordem de grandeza, o gráfico a seguir apresenta um comparativo entre os limites de resistência a tração de ligas de alumínio, zinco e magnésio com alguns grades de Grivory:

Em termos de desempenho, ligas metálicas a base de alumínio, magnésio e zinco são equivalentes ao Grivory, porém, há mais aspectos a serem explorados, e neles residem as razões pelas quais é extremamente vantajoso substituir metais pela tecnologia do Grivory:

Redução de custo de processamento

Quando se trabalha com Grivory GV a temperatura do molde é abaixo de 100°C e na série Grivory HT este valor não ultrapassa 140°C. Portanto, ganha-se em segurança, economia de energia e vida útil do molde comparando-se com ligas de alumínio e zinco. Os gráficos 2 e 3 apresentam temperaturas de processo e o número de ciclos suportados pelos respectivos moldes de cada material. Nota-se que há uma correlação entre as temperaturas de trabalho e a vida útil dos moldes, de modo que o Grivory, por possibilitar o processamento a temperaturas menores, apresenta uma longevidade mais duradoura que os moldes para alumínio e zinco, suportando mais de 1 milhão de ciclos de injeção, diminuindo assim o custo ferramental da peça pois ela sofre menor desgaste. Outro fator interessante é a qualidade do molhamento das fibras de vidro na PPA. Os materiais da EMS possuem uma tecnologia que não permite que nenhuma parte das fibras incorporadas esteja exposta no grão, mesmo quando se fala em grades com 70% de fibra, e isto também justifica a longevidade dos moldes utilizados na injeção de materiais da EMS.

Quando se realiza a fundição ou injeção de materiais metálicos, é praticamente impossível obter-se o acabamento final imediatamente após a peça ser desacoplada do molde, pois por via de regra, dependendo da aplicação final há sempre um grande volume de rebarbas a serem removidas devido ao acabamento desejado e usinagem de cavidades. Este problema não ocorre em peças injetadas em Grivory, pois devido à excelente fluidez durante a injeção, ele é o material mais indicado para geometrias complexas, obtendo-se grande estabilidade dimensional e acabamento superficial do material. É possível injetar até perfis de rosca, permitindo assim que as peças já saiam praticamente prontas ao serem ejetadas do molde, o que aumenta o output e eficiência da máquina.

Figura 1: Alicate injetado em Grivory na cor vermelha.

Um exemplo prático do ganho real que a eliminação de perdas de processo e aumento de produtividade que o Grivory pode proporcionar, é o caso em que um parafuso em aço inox que possuía um custo de R$ 1,50/unidade foi substituído por Grivory GVX-7H passando a ter um custo de R$ 0,05/unidade.

Figura 2: Parafuso à direita injetado em Grivory e utilizado na substituição do anteriormente produzido em aço inox.

Através da injeção de peças em Grivory, estima-se que os ganhos em função do maior número peças produzidas por ciclo, ausência de etapas de usinagem somados às reduções de perdas, e menor desgaste do molde gerem em média uma redução de 40% nos custos de produção das peças quando se compara ao processo de fundição.

Redução de peso

Tecnologias para redução de peso são sempre bem-vindas, especialmente em segmentos como o mercado automotivo. Um exemplo do quão crítico o peso do veículo pode ser é o fato de carros elétricos serem a aposta ambientalmente sustentável para o mercado de automóveis num futuro próximo. Segundo a revista Quatro Rodas, a Alemanha anunciou que, com o propósito de reduzir em 80% suas emissões de carbono, a sua frota de veículos a combustão deve ser totalmente substituída por veículos elétricos até 2030. Sabe-se que, comparados a motores a combustão, motores elétricos são aproximadamente 25% mais pesados, logo a redução de peso torna-se um requisito essencial para questões como a maior longevidade de baterias do motor elétrico. Uma das mudanças que ocorreram em função deste requisito, já nos veículos a combustão, foi a implementação de alumínio em muitas peças que eram em aço ou zinco, pois como pode-se observar no gráfico 4, a densidade do alumínio é muito inferior. O Grivory por sua vez é o mais leve que todos, tornando sua utilização ainda mais viável economicamente.

Em termos práticos, a diferença de densidade dos materiais, considerando que eles possuem a mesma resistência mecânica para um mesmo volume de peça, como é o caso da figura 3 abaixo, gasta-se menos Grivory para produzir a mesma peça que se gastaria com alumínio ou Zamak. Em comparação com o alumínio, utiliza-se 40% menos material em Grivory, e em comparação com uma peça em Zamak, a diferença é ainda mais gritante pois a peça em Grivory precisa de 4 vezes menos material (redução de 75% em consumo de matéria-prima).

Figura 3: Comparação de massa entre uma peça em Zamak (200g) e a mesma peça em Grivory (50g).

Integração de funções

Como estratégia para reduzir custos e obter um produto mais competitivo, há peças que combinam materiais diferentes a fim de atender aos requisitos de projeto, como resistência mecânica por exemplo. Na figura a seguir, o conjunto possuía uma parte em nylon com fibra, e outra parte em alumínio. Note que a haste em nylon precisou de nervuras na forma de grades para reforçar a estrutura e garantir a resistência mecânica necessária, o que gerou o gasto de mais material, além disso, a alavanca não pôde ser em nylon pois este não suportava a o esforço mecânico em que a peça é submetida. Logo, foi desenvolvido o conjunto com uma peça espessa de nylon com fibra acoplada a uma alavanca em alumínio. Estas duas partes foram então injetadas numa única peça em Grivory, de modo que a haste ficou mais fina, pois pôde-se utilizar menos material pois ele é rígido o bastante e não precisou de nervuras como a peça em nylon, além disso, a alavanca também pôde ser continuada no mesmo material, já que o Grivory possui desempenho mecânico igual ou superior ao do alumínio.

Figura 4: Substituição de peças de nylon e alumínio em uma única peça em Grivory.

Um fator que sempre limitou a utilização de plásticos de engenharia é a resistência a temperatura. Para tal cenário a EMS desenvolveu uma série denominada Grivory HT, designada para aplicações em temperaturas contínuas de até 150°C e suportando picos de 300°C sem perda significativa das propriedades do material. Isto também possibilitou a utilização de Grivory em aplicações que anteriormente demandavam metais, como rotores de bomba d’água, pois além do esforço mecânico e resistência à hidrólise, a temperatura de trabalho elevada era uma barreira que separava a utilização de polímero na peça como um todo.

Figura 5: Rotor de bomba d’água em Grivory HT, substituindo o anteriormente fabricado em alumínio.

Conclusão

Os plásticos de engenharia tornaram-se o motor para a quebra de muitos paradigmas e o Grivory GV e HT da EMS possui excelente perfil de desempenho mecânico, sendo apto a substituir metais em diversas aplicações. As principais exigências como alta rigidez e resistência mecânica, mesmo sob condições climáticas adversas, boa resistência contra produtos químicos, tendência muito baixa a fluência e boa estabilidade dimensional, capacidade dinâmico-mecânica comparável às peças injetadas em metal, são atendidas pelo Grivory. Outro fator interessante é que o custo de matéria-prima acaba tornando-se extremamente competitivo quando se olha os ganhos associados à baixa densidade do material que gera menor consumo de matéria-prima e peças mais leves, maior número de ciclos por molde diminuindo o custo ferramental, menores temperaturas de processamento resultando em economia de energia, menor perda de material e maior precisão dimensional. Há, portanto, um grande potencial sendo explorado através do Grivory, graças à qualidade dos produtos e sua capacidade em atender diversos segmentos de mercado.

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