Considerações de Rotomoldagem para Designers:

Processos, materiais, técnicas e aplicações.

Renato Mariano Silva

São Paulo, abril de 2012

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O Processo A rotomoldagem é um processo de formação de peças plásticas, de alta temperatura, baixa pressão, que usa calor e rotação biaxial para produzir peças ocas. Para produzir uma peça rotomoldada, um molde cuja cavidade define a forma da peça final é montado no braço da máquina de rotomoldagem. A máquina é capaz de girar o molde biaxialmente e movê-lo pelas etapas do processo. Uma quantidade premeditada de material plástico, normalmente líquido ou em pó é colocada na cavidade do molde que então é fechado. A máquina inicia a rotação biaxial do molde e o insere no forno. No forno as paredes do molde são aquecidas de modo que o plástico derreta, aderindo e sinterizando na superfície interna do molde. Ainda rotacionando biaxialmente o molde, a máquina o retira do forno e inicia-se o processo de resfriamento aonde o plástico é resfriado de modo controlado a fim de reter a forma impressa pelo molde. Finalmente, o molde já resfriado é encaminhado à área de desmolde, onde é aberto e a peça finalizada é retirada. Em síntese o processo se divide em quatro etapas:

A necessidade de trabalho pós-molde varia de acordo com o acabamento do molde e da forma desejada, em geral a peça tem as rebarbas aparadas e passa rapidamente por maçaricos depois à usinagem e montagem (quando necessárias).

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Uma breve História O Primeiro documento que trata de moldagem por calor e rotação biaxial foi a patente Britânica emitida a R. Peters em 1855, que buscava aperfeiçoar os métodos de produção de capsulas metálicas para munições. Posteriormente, em 1865 nos Estados Unidos uma técnica similar foi patenteada por T.J. Lovegroove também focando na produção de munição. Diferentemente de Peters, Lovegroove defendia a técnica por uma característica pela qual a rotomoldagem é procurada até hoje, a capacidade de produzir peças com grande uniformidade da espessura das paredes. Cabe salientar que a patente de Lovegroove foi aprovada três anos antes da criação do Nitrato de Celulose por John Wesley Hyatt, o primeiro plástico fabricado pelo homem. Com o passar do tempo e o desenvolvimento de diversas áreas da tecnologia a rotomoldagem se aperfeiçoou constantemente. Em 1926 o cloreto de polivinila (PVC), que até então era um polímero sem interesse comercial relevante ganhou um novo valor graças à descoberta de B. F. Goodrich. Goodrich descobriu que com certos aditivos, o PVC, antes rígido, poderia ser amolecido abrindo a fronteira deste material para diversos novos usos, como filmes para embalagens, isolantes elétricos e é claro, peças rotomoldadas. O PVC dominou o mercado de rotomoldagem nas décadas de 50 e 60, mas apesar de ser um ótimo material para este tipo de processo existiam diversos limites para o alcance de uma indústria de um só material. Conforme a rotomoldagem crescia na indústria plástica atraiu a atenção de fabricantes de máquinas e moldes. Antes disso os próprios moldadores desenvolviam seus maquinários de rotomoldagem. Em 1955 a Pallmann Pulverizers Company, Inc. Começou a produção na Alemanha de um moinho pulverizador muito eficiente. Foi graças a moinhos como este que a indústria rotomoldadora conseguiu renovar-se, não com um novo material, mas com um já existente ha bastante tempo. Em 1933 cientistas da Imperial Chemical Industries, da Grã Bretanha notaram uma substancia cerosa no interior de um tanque de pressão. Este foi o inicio do desenvolvimento do Polietileno (PE). O PE que posteriormente conquistou a indústria plástica era no inicio um polímero difícil de ser obtido devido à grande pressão envolvida na sua produção. Somente depois da Segunda Guerra Mundial novos processos e incentivos permitiram a proliferação do material. Contudo o PE era fornecido somente em pellets, e isso dificultava a sinterização dentro dos moldes de rotomoldagem, tornando seu uso nesse processo bastante inviável. A solução para esta incompatibilidade foi justamente o moinho da Pallmann que gerava PE em um pó fino o suficiente para escorrer dentro dos moldes como se fosse um liquido, garantido a sinterização e a uniformidade de espessura das peças. A partir daí o PE ganhou cada vez mais força nesta indústria tornando-se até hoje a resina mais usada em rotomoldagem. A entrada do PE para a rotomoldagem foi importante também, pois expandiu os horizontes sobre quais polímeros responderiam bem a esta técnica. A partir daí diversos materiais foram incorporados pela rotomoldagem, como o transparente policarbonato (PC), primeira rotomoldagem em 1968 e o Nylon 6, em 1978. Além disso, a indústria vem trabalhando com espuma vinílica

acetinada (EVA), polipropileno (PP) e diversas variantes de PE.

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Cenário do mercado da Rotomoldagem No Brasil a rotomoldagem é um dos processos de transformação de polímeros menos usado, contudo “a Rotomoldagem vem demonstrando um crescimento notável, atingindo em 2006 um consumo em torno de 40.000 toneladas de resina. Dentro dos produtos rotomoldados, o segmento da construção civil lidera a aplicação com cerca de 40% do consumo de matéria prima, seguidos do mercado agrícola com 22%, tanques estacionários representando 12%, brinquedos absorvendo 11%, setor automobilístico com 8% e os 7% restantes em outros segmentos.” (Revista Ferramental, julho/agosto 2007) Os últimos anos testemunharam um crescimento do uso da rotomoldagem na indústria naval. Além dos inúmeros modelos de caiaques, o mercado oferece veleiros monotipos como o Open Bic, Laser Pico, Laser Bug, Laser Vago, Dart 16, Laser Bahia, Laser Funboat e mesmo catamarãs como o Hobie Bravo, assim como lanchas de pesca, esporte e serviço, como a Pioner Multi e a Triumph 215CC. Em qualquer destas embarcações os benefícios dos cascos rotomoldados em PE são similares: resistência a impactos, robustez, flutuabilidade, segurança, leveza e praticidade. Vantagens e Desvantagens A rotomoldagem é considerado o processo ideal para produzir grandes tanques plásticos, mas atualmente usa-se a rotomoldagem também para a produção de uma infinidade de outras peças, de tamanho e geometria diversas. A rotomoldagem como qualquer outro processo, tem suas vantagens e desvantagens. Entre as vantagens da rotomoldagem pode-se identificar que:

Tem maior flexibilidade em relação a outros processos de transformação de plásticos, pois tem a habilidade de produzir peças ocas, grandes e pequenas, de geometria extremamente complexa. Muitas peças realizadas por rotomoldagem não poderiam ser feitas por outros métodos de fabricação em uma única peça.

Por ser uma tecnologia de baixa pressão a rotomoldagem permite o uso de máquinas e moldes mais baratos quando comparados aos de outros processos. A redução destes custos possibilita a produção de peças grandes ou de grande complexidade com uma tiragem pequena. Além disso, os moldes envolvidos nesse processo podem ser construídos e colocados em produção num prazo significantemente mais curto que o ferramental de outros processos.

A rotomoldagem permite conceber peças com paredes muito finas em proporção ao tamanho total da peça o que possibilita a diminuição na quantidade de plástico e do tempo de ciclo de produção, significando redução dos custos. As paredes das peças rotomoldadas têm uma maior uniformidade, especialmente quando comparada a processos de sopro ou termoformagem.

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Unloading_Tank.JPG

Fonte: ABPOL – Associação Brasileira de Polímeros – www.abpol.com.br

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Em comparação à injeção e à extrusão, tem de se considerar que o aquecimento e resfriamento do polímero à baixa pressão resultam em peças com baixo estresse de molde, garantindo maior resistência química e diminuindo a possibilidade de deformações posteriores.

É o processo ideal para moldar uma família de produtos em uma só vez, pois vários moldes de diversos tamanhos podem ser usados simultaneamente.

A habilidade de trocar rapidamente de moldes permite a produção de peças com pequena tiragem e atender pedidos urgentes.

Como a cavidade do molde é a única parte que entra em contato com o plástico não existe perda de tempo com purga da resina restante ao trocar entre cores ou materiais, ao contrário do que ocorreria numa injetora ou extrusora onde este processo pode demorar horas.

Este processo tem a capacidade de gerar peças multicoloridas em um único molde sem a necessidade de ferramental sofisticado. Também é possível realizar a confecção de peças com diversos materiais e blendas.

Este processo tem a capacidade de gerar paredes com duas ou três camadas de materiais diferentes, podendo ser materiais sólidos ou espumas.

A rotomoldagem é um processo excelente para produzir peças que necessitem de insertos metálicos, plásticos ou mesmo de madeira. Já foram confeccionadas peças com insertos de até um metro.

As peças rotomoldadas tendem a encolher no resfriamento, facilitando o desmolde da peça. Isso possibilita que as peças tenham ângulos de saídas que em outros processos não seriam possíveis. Essa característica permite que peças rotomoldadas tenham rebaixos bastante profundos e de paredes paralelas sem a necessidade de sofisticações do molde. Exemplos disso são caixas térmicas e barcos rotomoldados com o casco e o convés numa só peça.

As peças rotomoldadas não apresentam “cicatrizes” da produção, como linhas de abertura de molde, linhas de solda ou marcas de ejeção.

A rotomoldagem produz uma quantidade mínima de rebarbas e aparas. Praticamente toda a resina colocada no molde resulta na peça final.

Pode-se reutilizar polietileno proveniente de coleta seletiva com uma perda mínima das propriedades do material.

Por outro lado a rotomoldagem tem as seguintes desvantagens:

Por produzir peças ocas, só se pode precisar detalhes e dimensões na superfície que encosta na parede da cavidade do molde.

O processo necessita que a cada ciclo o plástico e o molde sejam aquecidos e resfriados, aumentando o custo energético nesta oscilação térmica e o tempo de cada ciclo. Isso se torna mais evidente na comparação com outros métodos de produção de peças plásticas nos quais o molde mantém praticamente a mesma temperatura não obstante a parte do processo.

O longo tempo de exposição ao calor pode aumentar a degradação térmica do plástico moldado. Alguns plásticos simplesmente não resistem a tal degradação e, portanto não se prestam à rotomoldagem.

Como já dito anteriormente o plástico usado na rotomoldagem deve estar em forma liquida ou em um pó fino. Obter as resinas nestas condições aumenta o custo da matéria-prima.

Dependendo da geometria da peça, na fase de resfriamento, o plástico pode se desprender das paredes causando imprecisão das dimensões, e dificultando a obtenção de grandes superfícies planas sem deformações.

Fazer com que o plástico adira e sinterize na superfície do molde e depois desmoldá-lo pode necessitar de uma técnica de desmolde mais cuidadosa do que em outros processos.

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4 – Fonte: Braskem

Os Materiais Existem três características básicas que permitem o uso de um plástico na rotomoldagem: 1.disponibilidade em forma líquida ou em pó bastante fino; 2.estabilidade térmica; 3.bom fluxo do material. Os diversos plásticos que não preenchem estes três requisitos são inúteis para a rotomoldagem, entre os que satisfazem estes critérios, os mais usados são os elencados abaixo.

Além destes, existem outros plásticos que podem ser rotomoldados, mas devido a especificidades requeridas para seu processo ou disponibilidade da resina liquida ou em pó no mercado a quantidade de peças rotomoldadas com tais resinas é muito baixa. Entre estas raridades podemos citar a acrilonitrila butadieno estireno (ABS), acrílicos, plásticos de celulose, epóxis, poliuretano (PU), silicones, poliésteres (PS) e resinas fenólicas. Existem polietilenos reforçados com fibra de vidro ou Nylon, contudo deve-se ter cuidado ao especificar estes materiais devido à probabilidade de que as fibras gerem imperfeições nas superfícies plásticas. O reforço com fibra de vidro diminui a resistência a impactos do material. A rotomoldagem também permite o uso de uma técnica de obtenção de paredes duplas. Nesta técnica, através de um anexo de carregamento do molde, pode-se carregar o molde com um segundo material depois que o primeiro plástico já foi sinterizado, formando uma segunda camada dentro da parede externa da peça. Por esta técnica pode-se confeccionar paredes com diversas camadas de materiais com propriedades ou cores diferentes. Pode-se trabalhar com a combinação de materiais formando paredes com camadas de plástico, plástico/espuma ou ainda, num método mais sofisticado, a fabricação de paredes com três camadas: plástico/espuma/plástico. A produção de peças com camadas de espuma permite fazer peças com paredes plásticas muito finas usando a espuma para a distribuição das cargas do material, diminuído o gasto com resinas na produção. Além disso, a espuma também pode servir de isolante acústico e térmico. Outro método de se trabalhar com peças rotomoldadas e espuma consiste na injeção de espumas expansíveis no interior de peças já moldadas, este processo cria peças com interior maciço de espuma e uma crosta de plástico, como no caso de caixas térmicas.

A produção de peças com múltiplas camadas tem de levar em consideração a compatibilidade química dos materiais assim como as temperaturas e tempos de sinterização de cada um dos materiais, a fim de diminuir a termodegradação ao mínimo possível.

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Fonte: COUTINHO, MELLO, SANTA MARIA

Por fim deve-se considerar a presença de aditivos na resina a ser rotomoldada a fim de melhorar o processo, o material final e agregar qualidades à peça final. Entre os aditivos mais comuns estão: pigmentos; lubrificantes; antioxidantes; protetores de luz ultravioleta; retardadores de chamas; elastômeros e aditivos anti-estáticos. Moldes Os moldes para rotomoldagem podem ser feitos por diversos processos, entre os mais comuns estão: alumínio fundido, trabalho com chapas de aço, eletro-erosão, usinagem de aço ou alumínio. Para peças artesanais normalmente usa-se moldes em gesso. O polietileno e suas variações “O polietileno (PE) representa aproximadamente 90% de todo o mercado. As

principais razões do PE dominar a indústria de rotomoldagem é sua estabilidade

térmica, ou seja, sua capacidade de resistir a um longo tempo de processamento,

sua boa resistência ao impacto inclusive a baixas temperaturas e seu relativo baixo

custo” (BRASKEM)

O polietileno, contudo não é um material específico, mas uma família de resinas com diversas variações e diferentes usos:

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Máquina Balanço - Fonte: www.rotoline.com.br

Máquina Shuttle - Fonte: www.rotoline.com.br

Tipos de Máquinas

Existem diferentes tipos de máquinas rotomoldadoras, cada uma com benefícios e limitações diferentes para a produção, mas de modo geral todas fazem o mesmo trabalho, aquecer, resfriar e girar o molde em dois eixos. “Quatro parâmetros são importantes para especificar uma máquina de rotomoldagem: Capacidade de aquecimento; Tamanho do forno; Tempo médio por ciclo e; Velocidade de rotação do molde.” (ABPOL – Associação Brasileira de Polímeros)

No mercado pode-se encontrar:

Máquinas Shuttle ou Túnel: Nestas

máquinas o deslocamento do molde nos

estágios ocorre por meio de trilhos,

diminuindo a mão de obra. O molde gira

360° nos dois eixos. São simples de

construir e manusear além de ter baixo

custo de manutenção. Permitem, de forma

econômica, a fabricação de peças de

pequeno e de grande porte.

Máquinas Rock’n Roll ou Balanço: Neste caso o molde gira 360º no eixo secundário e no

eixo principal intercaladamente 45º para um lado e para outro. O sistema de aquecimento

geralmente é a gás com chama direta. Estas máquinas são utilizadas principalmente para a

produção de peças de grandes dimensões.

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Máquina Carrossel - Fonte: www.rotoline.com.br

Máquinas Carrossel: são constituídas de três estações

fisicamente separadas. Para a seleção desta máquina é

necessário: que a duração dos ciclos de aquecimento e

resfriamento de cada braço (spider) seja similar, que a

disponibilidade de espaço não seja crítica e altos níveis

de produção. São máquinas muito eficientes, de alto

rendimento e baixo custo de manutenção.

Máquinas Open Flame: As chamas dos queimadores agem diretamente na parede externa do molde. São indicadas especialmente para a produção de peças cilíndricas (tanques, etc.). Proporciona economia no consumo de gás. Têm o mesmo tipo de movimentos da Rock’n Roll.

Máquinas Clamshell ou Cofre: Apresenta a particularidade de todo o processo ocorrer na

mesma câmara, que serve como forno de aquecimento e como ambiente de resfriamento

com circulação de ar frio e com aspersores de água. Requerem baixo nível de investimento

inicial, pouco espaço e mão de obra mínima, permitindo a fabricação de produtos de boa

qualidade. Todavia, exigem um ciclo mais alto, maiores gastos com energia elétrica e com

serviços industriais. São úteis para fabricar produtos que necessitem um controle de

processo mais rigoroso, produção em pequena escala e, especialmente, desenvolvimento de

protótipos.

Considerações de Design Existem certos cuidados ao projetar peças para a rotomoldagem. Algumas regas devem ser seguidas a fim de se obter peças com qualidade e produção homogênea. Além disso, existem também técnicas de reforço estrutural e decoração que podem ser premeditadas para melhorar as características do produto final. Entre esses podem ser citados:

Espessura das paredes: diferentes materiais deverão ter uma espessura máxima e mínima de parede para garantir a continuidade das paredes e a sinterização do material. Para o polietileno, por exemplo, esta espessura deverá idealmente ser no mínimo de 1.50mm e no máximo de 50.80mm.

Deformações: na fase de resfriamento, antes que o material possa ter força suficiente para se manter na forma desejada podem ocorrer deformações, sobretudo em grandes áreas planas. Nervuras ou reforços podem resolver o problema. De forma geral superfícies polidas salientam a deformação enquanto as texturizadas ajudam a disfarçar este problema.

Nervuras: nervuras maciças, como em peças injetadas são possíveis, mas não recomendáveis, o ideal é que as nervuras das peças sejam ocas, rebaixos ou auto relevos nas superfícies.

Paredes paralelas: deve-se tomar cuidado com o desenho de paredes paralelas em cavidades muito profundas. O ideal é que a profundidade não ultrapasse a medida do vão da cavidade, pois as bordas inferiores poderão receber menos calor e ter menor distribuição de material.

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Fonte: www.hobie.com

Ângulos: ângulos de menos de 45° produzem paredes mais grossas (na região do angulo), aumento do encolhimento e possíveis bolhas.

Kiss - off: um método de reforçar a estrutura é fazer com que duas paredes próximas se encostem e se fundam. Esta técnica pode transformar duas paredes fracas numa estrutura resistente ao formar uma viga com estas superfícies. Em certas áreas da cavidade do molde é deixando um espaço pequeno para o fluxo de polímero. Este espaço permite que o polímero em pó mova-se livremente pelo interior da cavidade. O Kiss - off das paredes acontece quando, conforme o polímero vai sinterizando nas paredes e ganhando espessura, as paredes se tocam e se fundem. Com essa técnica pode-se formar nervuras ou somente pontos de contato. O Kiss - off também pode ser desenhado para distorcer somente uma das paredes, a fim de manter a aparência da outra.

Furos: Após moldada a peça pode ser usinada e furada dependendo da forma desejada. Podem-se premeditar estes furos e reforçá-los alterando a superfície da peça, como em (b) e (c).

Insertos: Insertos metálicos moldados juntamente com a peça tem a capacidade de distribuir cargas numa área maior do plástico. Insertos colocados mais próximos as paredes laterais (b) formam paredes mais grossas aumentando ainda mais a resistência a carga. Um exemplo é o Hobie Wave, catamarã que tem os cascos rotomoldados e unidos por peças de alumínio, fixadas aos cascos por insertos metálicos.

Bordas: O ideal para a distribuição de material e desmoldagem das peças rotomoldadas é que as arestas sejam arredondadas. Para o polietileno é sugerido um raio interno mínimo de 12,70mm e externo de 6,35mm.

Decoração: Uma característica da rotomoldagem é que certos adesivos decorativos podem ser colocados no molde antes do carregamento de polímero, e ao final criam uma decoração permanente na peça. Este método é muito usado para aplicação de marca, instruções de segurança e outros.

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Bibliografia:

ANDRADY, Anthony; Plastics and the environment. New Jersey: Wiley Interscience, 2003.

BEALL, Gleen. Rotational Molding: Design, Materials, Tooling and Processing. Cincinnati:

Hanser/Garder, 1998.

COUTINHO, F. MELLO, I. SANTA MARIA, L. Polietileno: Principais Tipos, Propriedades e Aplicações.

16 de abril de 2003. 13p. Artigo de divulgação do Instituto de Química da Universidade Federal do

Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2003.

MICHAELI, W. GRIEF, H. KAUFMANN, H. VOSSEBURGER, F. Tecnologia dos plásticos. São Paulo:

Edgard Blucher, 1992.

STEVES, Eugene S. Green Plastics. Princeton: Princeton University 2002.

UEKI, Marcelo Massayoshi. Funadamentos do processo de rotomoldagem. Revista Ferramental,

Joinville, Nº13, Julho/Agosto de 2007

Endereços eletrônicos consultados:

Braskem (Online) Empresa produtora de resinas plásticas. [2011-04-23] Disponível em:

http://www.braskem.com.br