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A Aplicabilidade da Mecânica dos Fluidos durante o processo de de Extrusão de Polímeros na fabricação de Perfis de Vedação

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  por: Eng. Marcelo P. Moraes Artigo Técnico Dinâmica dos Fluidos DURANTE O PROCESSO DE EXTRUSÃO DE POLÍMEROS, NA FABRICAÇÃO DE PERFIS DE VEDAÇÃO. Eng. Marcelo P. Moraes│ Moraes  Engenharia M 1 A APLICABILIDADE DA   VEDAÇÕES AUTOMOTIVAS  Dentro do segmento das industrias de manufatura de perfis extrudados, podemos destacar os perfis de vedação automotiva, cujo objetivo principal é vedar os principais compartimentos do veículo a intrusão de agua, poeira, além de vedar a parte interna dos ruídos externos, garantir estabilidade evitando ruídos desconfortável “squeak and rattle” e garantir o menor esforço ao usuário na abertura e fechamento das portas. Um produto fabricado através do processo de extrusão utilizando como matéria prima borracha sintética e/ou elastômeros termoplásticos. A indústria de sistemas de vedação automotiva é uma das principais interessadas em estudos relacionados a análise do comportamento do composto durante o processo de extrusão. Este segmento vem apresentando nos últimos anos um grande interesse na utilização das técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) aplicadas a análise do fluido. Dentro do processo de extrusão um dos pontos fundamentais é a definição da geometria do orifício da ferramenta de extrusão, chamada de matriz de extrusão, uma ferramenta fabricada de aço resistente à alta temperatura e a corrosão, sendo o seu projeto no que se diz respeito à não definição da geometria ideal do orifício da ferramenta, responsável pelo alto índice de refugo durante o processo de desenvolvimento e principalmente durante o processo de produção.  Artigo Técnico A Aplicabilidade da Dinâmica dos Fluidos , em um Processo de Extrusão de Polímeros, na Fabricação de Perfis de Vedação. Eng. Marcelo P. Moraes│ Moraes  Engenharia M 2Esta definição da geometria ideal, aliado a um fluxo balanceado, proporciona um aumento da velocidade da linha de produção, que é o ponto crucial na eficiência do processo de extrusão. PROCESSO DE EXTRUSÃO  O processo de extrusão pode ser considerado, atualmente, como um dos processos de transformação e uma das técnicas de fabricação mais importantes da Indústria de manufatura de perfis. O processo consiste basicamente em transportar o composto através de uma rosca, baseado no princípio do parafuso de  Arquimedes, que fica dentro de um canhão acionado por um sistema mecânico que compõem o que chamamos de extrusora. A rosca de extrusão é dividida em três fases, a primeira é a região de alimentação ou transporte responsável por alimentar o equipamento com o material sólido, transportando-o para a próxima região que é a de compressão ou plastificação que tem como objetivo compactar e fundir o material empurrando o ar residual de volta para a região de alimentação ou no caso de alguns equipamento que contém um dispositivo chamado de área de degasagem, que é um dispositivo com um ou mais orifícios no cilindro pelo qual os voláteis, por diferença de pressão ou vácuo podem ser extraídos, já que alguns produtos plásticos liberam gases quando aquecidos. Por último encontra-se a região de dosagem ou homogeneização que é responsável em homogeneizar a massa fundida, proporcionando-lhe uniformidade de temperatura e dosar o fluxo de material, nesta fase o material deixou o seu estado solido para ser uma massa fundida de sistemas poliméricos devidamente plastificados e homogenizados, ou seja, uma substancia que se deforma continuamente sob a ação de uma tensão cisalhante tangencial. Por fim o material no estado fluido será forçado a passar através de um orifício (com a geometria do produto) na matriz de extrusão, obtendo-se uma tira de material continuo cuja secção é aproximadamente a configuração do orifício da matriz, esta diferença entre a geometria da secção do perfil e do orifício da matriz se dá devido a alguns fenômenos que ocorrem durante o processo, como o inchamento (die shell). Segundo Silvio Manrich (2005) este fenômeno é um efeito  Artigo Técnico Eng. Marcelo P. Moraes│ Moraes  Engenharia M 3viscoelástico, ao ser deformado por cisalhamento entre as paredes de uma matriz, o polímero tem suas cadeias orientadas na direção do fluxo, ao mesmo tempo em que tenta recuperar essa deformação elástica ainda dentro da matriz. Mas, devido ao desequilíbrio entre a deformação e a recuperação, sempre permanece uma parcela da deformação que, somente é recuperada fora dos canais, sendo essa quantidade dependente do tempo de relaxação do polímero, que, por sua vez, é dependente da temperatura, da taxa de cisalhamento, do coeficiente de fricção, do comprimento do paralelo da matriz e seu diâmetro ou espessura. Estes efeitos devem ser levados em consideração na hora de definir a geometria ideal do orifício da matriz de extrusão. Como a extrusão é um processo continuo, o formato do produto final gerado pela matriz possui variações geométricas no sentido transversal ao fluxo, caracterizado como um processo bidimensional, estas relações são fundamentais para proporcionar uma produção uniforme sem pulsações. “O objetivo de uma matriz é gerar produtos com qualidade e alta produtividade. A uniformidade do produto depende de diversas variáveis do processo, assim como depende do polímero e da geometria do orifício da matriz, e ainda dos equipamentos pós-extrusão, como os puxadores, calibradores, resfriadores e cortadores. Usualmente, a geometria e a qualidade do produto (propriedades mecânicas e aspecto) formado por uma matriz, apresentam falta de uniformidade, essas irregularidades podem estar ocorrendo na direção (z), que é a direção da extrusão ou no plano transversal (x,y). Flutuação da vazão, preferência do fluxo por locais mais abertos, diferença de temperatura da massa de região para região, inchamento do extrudado variável de região para região, são fatores que geram produtos sem qualidade. A função de uma matriz é distribuir o polímero que esteja fundido e devidamente plastificado através de canais, no formato desejado, bem como garantir a uniformidade das dimensões e a homogeneidade da temperatura do produto extrudado e ainda garantir um fluxo volumétrico balanceado” (MANRICH, 2005, p.179). MATÉRIA PRIMA - POLÍMEROS  Uma das principais e mais importantes características dos polímeros são as mecânicas. Devido a estas propriedades os polímeros podem ser divididos em: Termoplástico que é um dos tipos de plásticos mais populares, este pode ser fundido diversas vezes, alguns podem até dissolver-se em vários solventes. Logo, sua reciclagem é possível, característica bastante desejável atualmente; os Termorrígidos ou Termofixos são de alta dureza e comportamento frágil, porém bastante resistentes, sendo muito estáveis a variações de temperatura, uma vez transformados (moldados), não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando impossível sua reciclagem, e, consequentemente, tornando-o inutilizável; os Elastômeros (Borrachas) classe intermediária viscoelástico, ao ser deformado por cisalhamento entre as paredes de uma matriz, o polímero tem suas cadeias orientadas na direção do fluxo, ao mesmo tempo em que tenta recuperar essa deformação elástica ainda dentro da matriz. Mas, devido ao desequilíbrio entre a deformação e a recuperação, sempre permanece uma parcela da deformação que, somente é recuperada fora dos canais, sendo essa quantidade dependente do tempo de relaxação do polímero, que, por sua vez, é dependente da temperatura, da taxa de cisalhamento, do coeficiente de fricção, do comprimento do paralelo da matriz e seu diâmetro ou espessura. Estes efeitos devem ser levados em consideração na hora de definir a geometria ideal do orifício da matriz de extrusão. Como a extrusão é um processo continuo, o formato do produto final gerado pela matriz possui variações geométricas no sentido transversal ao fluxo, caracterizado como um processo bidimensional, estas relações são fundamentais para proporcionar uma produção uniforme sem pulsações. “O objetivo de uma matriz é gerar produtos com qualidade e alta produtividade. A uniformidade do produto depende de diversas variáveis do processo, assim como depende do polímero e da geometria do orifício da matriz, e ainda dos equipamentos pós-extrusão, como os puxadores, calibradores, resfriadores e cortadores. Usualmente, a geometria e a qualidade do produto (propriedades mecânicas e aspecto) formado por uma matriz, apresentam falta de uniformidade, essas irregularidades podem estar ocorrendo na direção (z), que é a direção da extrusão ou no plano transversal (x,y). Flutuação da vazão, preferência do fluxo por locais mais abertos, diferença de temperatura da massa de região para região, inchamento do extrudado variável de região para região, são fatores que geram produtos sem qualidade. A função de uma matriz é distribuir o polímero que esteja fundido e devidamente plastificado através de canais, no formato desejado, bem como garantir a uniformidade das dimensões e a homogeneidade da temperatura do produto extrudado e ainda garantir um fluxo volumétrico balanceado” (MANRICH, 2005, p.179). MATÉRIA PRIMA - POLÍMEROS  Uma das principais e mais importantes características dos polímeros são as mecânicas. Devido a estas propriedades os polímeros podem ser divididos em: Termoplástico que é um dos tipos de plásticos mais populares, este pode ser fundido diversas vezes, alguns podem até dissolver-se em vários solventes. Logo, sua reciclagem é possível, característica bastante desejável atualmente; os Termorrígidos ou Termofixos são de alta dureza e comportamento frágil, porém bastante resistentes, sendo muito estáveis a variações de temperatura, uma vez transformados (moldados), não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando impossível sua reciclagem, e, consequentemente, tornando-o inutilizável; os Elastômeros (Borrachas) classe intermediária MATRIZPERFIL Inchamento Die Shell) A Aplicabilidade da Dinâmica dos Fluidos , em um Processo de Extrusão de Polímeros, na Fabricação de Perfis de Vedação.  Artigo Técnico Eng. Marcelo P. Moraes│ Moraes  Engenharia M 4entre os termoplásticos e os termorrígidos: não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos, sua reciclagem é complicada pela incapacidade de fusão. Dentro do processo de extrusão de perfis de vedação podemos destacar dois matérias muito utilizados: EPDM - Elastômeros (Borrachas) mais conhecido como borracha sintética é um polímero com maior resistência à água, uma estrutura muito inerte, estável durante longos períodos de tempo, muito boa resistência às intempéries e fácil composição e processamento, com sua aplicação voltada para a extrusão de perfis e mangueiras para Industria automóvel e para a construção civil com vedações de janelas e portas; TPE é um nome comum para Elastómero Termoplástico, também conhecido como borracha termoplástica. O TPE é um material com comportamento semelhante à borracha que pode ser processado através de tecnologias utilizadas no processamento de termoplásticos, muito utilizado no processo de extrusão de perfis. CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS  Reológicamente o polímero pode ser descrito como elástico, no seu estado solido, o material volta a sua forma srcinal ao retirar a força; no seu estado fluido, a deformação causada pela força é continua. Ao se aplicar uma força oblíqua sobre uma porção de fluido, será possível identificar duas tensões ortogonais agindo sobre uma área infinitesimal (Tensão de Cisalhamento e Tensão Normal). A Tensão de Cisalhamento sabe-se que nenhum fluido resiste a esforço tangencial sem se deformar, a deformação de um fluido sob influência da ação de tensão tangencial denomina-se escoamento do fluido, já a Tensão Normal podemos dizer que em repouso, a ação de um fluido sobre uma superfície é sempre ortogonal a esta superfície, por este motivo, a Tensão Normal exercida por um fluido é também chamada de Pressão. Podemos classificar os fluidos como sendo: Liquido, quando a viscosidade diminui com o aumento da temperatura e Gás, quando a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura. E por sua vez podemos dizer que: Fluido Ideal, é aquele que não possui viscosidade; Fluido Newtoniano é aquele que se comporta segundo o próprio nome diz, pelo modelo proposto por Issac Newton (agua, leite, óleos vegetais, outros), já os Fluidos Não-Newtoniano é aquele que se comporta de maneira diversa do modelo proposto por Newton, mais precisamente quando a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional a deformação, são considerados complexos, puramente viscosos, como consequência, fluidos não-newtonianos podem não ter uma viscosidade constante durante o escoamento, um bom exemplo é o “ketchup” quando o frasco está em repouso o ketchup é muito viscoso, porem quando se inclina o frasco ele torna-se menos viscoso e seu escoamento é mais fácil. Como comentado anteriormente, pode destacar dois tipos de matérias muito utilizados no processo de extrusão (EPDM e TPE). Pois sendo dois materiais classificados como Não-Newtonianos, podemos utilizar como referência para modelar o fluxo destes materiais, durante sua análise, os modelos matemáticos de Herschel-Bulkley, Carreau Model e Power-Law. BALANCEAMENTO DE FLUXO  Segundo Michaeli (1992) para conseguir uma geometria especificada para um perfil de A Aplicabilidade da Dinâmica dos Fluidos , em um Processo de Extrusão de Polímeros, na Fabricação de Perfis de Vedação.
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