paulo cÉsar corredori - unicamprepositorio.unicamp.br/.../1/corredori_paulocesar_m.pdfxiii resumo...

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PAULO CÉSAR CORREDORI

Aplicação de Polipropileno com 35% de Fibra de Vidro (PPGF35)

em substituição à Poliamida com 35% de Fibra de Vidro (PA6 GF35)

na fabricação de Coletores de Admissão em Motores de 03

Cilindros Bi-Combustível 77/2015

CAMPINAS

2015

iii

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

PAULO CÉSAR CORREDORI




Cilindros Bi-Combustível

Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade

de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual

de Campinas, como parte dos requisitos exigidos

para obtenção do título de Mestre em Engenharia

Mecânica, na Área de Materiais e Processos de

Fabricação.

Orientadora: Prof.ª DRA. CECILIA AMÉLIA DE CARVALHO ZAVAGLIA

CAMPINAS

2015

iv

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas

Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Application of polypropylene with 35% of glass fiber (PP

GF35) in order to substitute the polyamide with 35% of glass fiber (PA6 GF35) in the

intake manifold in downsizing engine flex fuel of three cylinders

Palavras-chave em inglês:

Polypropylene

Polyamide

Glass fiber

Ethanol

Polymers

Área de concentração: Materiais e Processos de Fabricação

Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica

Banca examinadora:

Cecilia Amélia de Carvalho Zavaglia [Orientador]

Marcos Akira d'Ávila

Sônia Maria Malmonge

Data de defesa: 31-07-2015

Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica

v

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO




Cilindros Bi-Combustível

Autor: Paulo César Corredori

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Cecilia Amélia de Carvalho Zavaglia

A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo, aprovou esta Dissertação:

Campinas, 31 de julho de 2015

vii

Aos meus pais Luiz e Nair pela vida, pela

exigência e pela educação e a minha esposa

Vadislava e minha filha Giovanna por serem

a razão do meu esforço e dedicação na busca

do meu progresso.

ix

Agradecimentos

Agradeço primeiro de tudo a Deus, por ter me dado à vida, por ter me dado uma

ótima família, saúde, determinação, força e coragem suficiente coragem para enfrentar

todos os desafios que esta vida pode proporcionar.

Agradeço a todos da minha família, agradeço a meus pais Luiz e Nair que sempre

exigiram o melhor e o máximo de mim, agradeço a minha esposa Vadislava pela paciência

e apoio e minha filha Giovanna que é a total razão deste meu esforço.

Agradeço imensamente minha orientadora Profa. Dra. Cecilia Zavaglia, pela sua

competência, paciência, sabedoria e pela confiança.

Agradeço em especial à diretoria da Empresa So.F.TER da Itália nas pessoas dos

Srs. Dr. Riccardo Meucci e Dr. Gianluca Pizzati pela autorização de uso no nome

So.F.TER, bem como do produto PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) e dos materiais

necessários para a execução deste trabalho, agradeço muito meu amigo Sr. Eng.º Carlos

Ermel pela ajuda, pelos materiais de apoio e importantes dicas para a conclusão deste

trabalho.

Agradeço meus amigos da VWB Eng.º Arnaldo Torreglosa, Eng.º Emerson

Delphini Correa e Eng.º Rafael Bucci pela grande ajuda.

Agradeço meus amigos da Roechling Automotive Eng.º Dr. Fabrizio Chini e Eng.º

Peter Mettens pelo apoio e autorização para tratar deste assunto.

Agradeço meu grande amigo Prof.º Eng.º Luiz Cláudio Furlan, pelos mútuos apoios

na busca de nosso profissionalismo.

Agradeço a meu amigo Eng.º Carlos Alberto Villar, que me impulsionou a buscar

este mestrado e me ensinou dentre várias coisas, a de ser uma pessoa correta e trabalhar

desta forma.

Agradeço aos professores da Unicamp que muito me enriqueceram com seus

ensinamentos no decorrer deste mestrado.

xi

“Para se fazer grandes coisas

não se deve estar acima dos

homens, mas junto deles.”

Montesquieu

xiii

Resumo

Este mundo que vivemos está se tornando extremamente competitivo dia após dia, há

apenas cinquenta anos, os motores ciclo Otto permaneciam quase os mesmos desde quando

foram inventados pelo engenheiro alemão Nikolaus August Otto no final do século 19. Foi

somente no final da década de 1970 que os antigos motores começaram a ganhar apelos

tecnológicos, como injeção eletrônica, ignição eletrônica, controle de emissões e CO2, por

exemplo. Baseado nisso, todas as montadoras começaram a buscar soluções que fizessem do

seu veículo, o melhor ou o mais econômico e menos poluente. Face às novas leis

governamentais ao redor do mundo, todas as montadoras e autopeças estão trabalhando duro na

busca de várias soluções, soluções estas que vão desde a diminuição de emissões evaporativas,

redução do consumo de combustível, seja em função de um motor mais econômico quanto a

melhorias de aerodinâmica, que resulta em menor fenômeno de arraste e consequente

economia de combustível. Sabe-se também que redução de peso impacta diretamente na

redução do fenômeno de arraste, portanto, gera um menor consumo de combustível, por isso,

estamos vendo o crescente interesse das indústrias automotivas em substituir as antigas e atuais

peças em metal que são normalmente pesadas, para peças bem mais leves em polímeros e com

alta resistência térmica, mecânica, etc., e o mais importante é manter a mesma qualidade

funcional das peças em metal. Polímeros como a Poliamida 6 com 35% de fibra de vidro (PA6

GF35), já estão sendo aplicado no mercado automotivo a pelo menos quase 20 anos, pois os

primeiros coletores de admissão e filtro de ar em plástico nasceram utilizando esta matéria

prima, hoje em dia, nesta busca por redução de peso e consequentemente preço, um polímero

chamado Polipropileno com 35% de fibra de vidro (PP GF35), que até não muito tempo atrás

era de segunda linha, passa a ser de suma importância para alcançar objetivos que técnicos e

monetários que até poucos anos atrás, somente era possível com a Poliamida 6 com 35% de

fibra de vidro (PA6 GF35). Hoje em dia o polipropileno é um polímero no setor automotivo,

devido à alta resistência química e mecânica, boa estabilidade dimensional, flexibilidade,

durabilidade, excelente balanço entre impacto e rigidez.

Palavras-chaves: Polipropileno, poliamida, fibra de vidro, etanol, polímeros.

xv

Abstract

This world we live in is becoming extremely competitive day by day, only fifty years,

the Otto cycle engines remained almost the same since when were invented by the German

engineer Nikolaus August Otto in the late 19th century. Was only in the end of 1970 that the

older engines started to gain technological appeals, as electronic fuel injection, electronic

ignition, emission and CO2 control for example. Based on these new requirements, all the

automakers started to find good solutions in order to improve technology in their vehicles. Face

these new government laws around the world, all the automakers and auto parts companies are

working so hard in order to search multiple solutions, solutions as reduction of evaporative

emissions, reduced fuel consumption, these result are important to change more economical the

engines as also to get aerodynamic improvement, which results in less drag phenomena and

consequent fuel saving. The involved people know that these studies impacts in weight

reduction directly thought the drag phenomenon reduction and to reach a lower fuel

consumption, so we are seeing the growing interest from automakers to replace the old and

current metal parts that are normally heavy for extremely lighter parts in polymers with high

heat resistance, mechanical, etc., and the most important, keeping the same quality of

functional metal parts. Polymers as Polyamide 6 with 35% glass fiber (PA6 GF35) were

already applied in the automotive market at least nearly 20 years since the first intake manifold

in polymer material and plastic air filter were born using this raw material, nowadays the quest

for weight reduction and consequently price, a polymer called polypropylene with 35% glass

fiber (PP GF35), which until not long time ago was the second line, becomes to get an

importance polymer to reach the technical and monetary targets that a few years ago, was only

possible using the polyamide 6 with 35% glass fiber (PA6 GF35). Nowadays the

polypropylene is an important polymer in the automotive sector, due to the high mechanical

and chemical resistance, good dimensional stability, flexibility, durability, excellent balance

between impact and stiffness

Key Words: Polypropylene, polyamide, glass fiber, ethanol, polymers.

xvii

Lista de Ilustrações

1. Divisões da família dos polímeros 5

2. Estruturas dos termoplásticos amorfos e semicristalinos 7

3. Estruturas dos termofixos elastômeros e termorrígidos 7

4. Quadro mostrando as porcentagens dos derivados plásticos do petróleo 9

5. Quadro das fases de geração dos plásticos a partir da refinaria 10

6. Reação de polimerização n: copolímero de etileno-propileno disperso

regularmente em uma matriz de PP homopolímero 12

7. Layout / diagrama simplificado do processo Spheripol 14

8. Gráfico a projeção do crescimento na participação de materiais

plásticos na linha automotiva 21

9. Gráfico que mostra aonde se posiciona tecnicamente os plásticos

de engenharia 23

10. As muitas aplicações automotivas do PP 24

11. Gráfico de produção anual de veículos no Brasil 26

12. Tampa do cabeçote 27

13. Peças do motor 27

14. Peças de transmissão, tampa da 5ª Marcha 28

15. Peças do motor, coletor de admissão 28

16. Peças do motor, cárter de plástico 29

17. Redução de Custos utilizando o Polipropileno PPGF35

(TECNOPRENE AK7 HCT) 31

18. Processo de polimerização do o Polipropileno PPGF35


19. Estrutura estéreo-regulares no processo de polimerização do Polipropileno 33

20. Etapas no processo de polimerização do Polipropileno 34

21. Etapas estéreo-regulares no processo de polimerização do Polipropileno 35

xviii

22. Etapas no processo de polimerização do Polipropileno 35

23. Gráfico mostra a absorção de água e condicionamento de corpos de

prova com poliamida 37

24. Gráfico mostra a absorção de água e condicionamento de corpos de

prova com poliamida 37

25. Etapas de composição da poliamida 6 38

26. Etapas de composição da poliamida 6 39

27. Etapas de cristalização do PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) 41

28. Forma da curva de taxa de cristalização por temperatura de um

polímero linear cristalino 41

29. Exemplo de duas cadeias poliméricas emaranhadas 43

30. Ensaio de módulo de flexão, configuração do teste 47

31. Ensaio de módulo de flexão, ponto de máxima tensão de

flexão/deformação das fibras laterais 47

32. Foto do ensaio de módulo de flexão em máquina 48

33. Gráfico resultante mostra uma tabela comparativa de módulo de

flexão entre as porcentagens de fibra de vidro entre o PP standard versus o

PPGF35 48

34. Teste de tensão conforme ASTM D638 do novo PPGF35 49

35. Gráfico comparativo do teste de tensão do novo PPGF35 50

36. Ilustração do teste de tração com temperatura controlada em forno

conforme ASTM D638 do novo PPGF35 50

37. Gráfico comparativo do ensaio de tração na ruptura entre o PA6 GF30

standard versus o novo PPGF35 52

38. Figura comparativa do ensaio de módulo de flexão entre o PA6 GF30

standard versus o novo PPGF35 53

39. Padrão de corpo de ensaio em mm (milímetro) para corpo de prova

teste Izod (ASTM D-256) 54

40. Padrão de prova teste Izod e Charpy (ASTM D-256) 54

xix

41. Tela do PRO-E do modelo matemático do coletor de admissão

três cilindros 57

42. Simulação CFD de entrada do fluxo de ar na câmara de combustão 57

43. Modelo matemático do coletor de admissão, durante a simulação

CDF estrutural 59

44. Tela do Moldflow que mostra a análise do fluxo do material e regiões

críticas durante a injeção do coletor de admissão 60

45. Modelo matemático que mostra a análise CFD (fluxo de ar) 61

46. Forma esquemática da simulação do perfil da nova geometria de

um coletor de admissão de 3 cilindros 62

47. Forma esquemática da simulação acústica do coletor de admissão

3 cilindros com curva de performance e radiação de ruídos 63

48. As muitas etapas de um pré-desenvolvimento de um coletor

de admissão 64

49. Cabine de dinamômetro / teste de motores 65

50. Curva característica do motor 67

51. Simulação do fenômeno de Backfire 69

52. Gráfico de teste de estouro 70

53. Foto do teste de avaliação acústica em câmera anecóica para

medição de ruído 73

54. Gráfico de simulação acústica para medição de ruído do

Software GT-Power 74

55. Foto mostra a montagem dos microfones em veículo para

medição acústica. 76

56. Foto mostra a montagem dos microfones em veículo para

medição acústica 76

57. Resultados obtidos com a medição acústica veicular através

da montagem de microfones 77



xx







62. Ilustração da Lei de Física de Hooke 83

63. Ilustração do aparafusamento do suporte da válvula purga do

canister por parafuso autoatarraxante diretamente no coletor de admissão 84

64. Teste de aparafusamento direto no coletor de admissão em plástico 85

65. Ilustração da fórmula de cálculo de torque 85

66. Ilustração do conceito de torque. 86

67. Representação gráfica das formas de quantificação de vibração 87

68. Ilustração do mecanismo pistão – biela – virabrequim 88

69. Ilustração do equipamento para simulação de vibração 90

70. Produto Final - Coletor de Admissão três cilindros em Polipropileno

PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT) 91

xxi

Lista de Tabelas

1. Classificações da nomenclatura dos polímeros segundo DIN 7728 8

2. Propriedades básicas da família dos polipropilenos 13

3. Tabela comparativa entre o PP standard versus o PPGF35


4. Procedimentos do ensaio de módulo de flexão, configuração do teste 46

5. Procedimentos do ensaio de módulo de flexão, ponto máxima

tensão / deformação das fibras laterais 47

6. Tabela comparativa entre as propriedades do PA6 GF30 standard

versus o novo PPGF35 51

7. Tabela de torque e potência do motor 68



xxiii

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABIPLAST - Associação Brasileira da Indústria do Plástico ABS - Acrilonitrila-Butadieno-Estireno ANFAVEA - Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores ASTM - American Society for Testing and Materials ou Sociedade Americana para

Testes e Materiais.

BOPP - Filme Bi orientado

C - Carbono

ºC - Graus Celsius

CAD - Computer Aided Design ou Computador Auxiliando o Desenho

CFD - Computational Fluid Dynamics ou Dinâmica dos Fluidos Computacional

CH2 - Éter Dietílico

CO2 - Gás Carbônico

dB - Decibel

DIN - Deutsches Institut für Normung ou Instituto Alemão para Normatização

DSC - Differencial scanning calorimetry ou Calorimetria Exploratória

Diferencial

DTA - Análise Térmica Diferencial

DTG - Termogravimetria Derivada

EP - Resina Epóxi ou Poliepóxido

EUA - Estados Unidos da América

FEA - Finite Element Analysis ou Analises de Elementos Finitos

FV - Fibra de Vidro

g/cm³ - Grama por Centímetro Cúbico

GF - Glass Fiber ou Fibra de Vidro

GT Power - Gamma Technologies - Simulation Software ou Gamma Technologies –

Software de Simulação

xxiv

H - Hidrogênio

H2O - Água

HCL - Ácido Clorídrico

HDT - Heat Deflection Temperature ou Temperatura de Deflexão Térmica

ISO - International Organization for Standardization ou Organização

Internacional para Normatização

J/m - Joule/Metro

Kg - Quilograma

MAO - Co catalisador Organometálico

MP - Matéria prima

MPa - Mega Pascal

MF - Hydroxyerhyl Acrilato

O - Oxigênio

OH - Hidroxila / Hidroxilo

OS - Poliestileno

P - Peso

PA - Poliamida

% - Porcentagem

PAGF35 - Poliamida com 35% de Glass Fiber ou Fibra de Vidro

PC - Poliocarbonatos

PE - Polietileno

PEEK - Poli Éter-Éter-Cetona

PES - Poli Éter Sulfona

PF - Fenol Formaldeído/Fenólica

PMMA - Acrílico ou Polimetil-Metacrilato

POM - Poliacetal

PP - Polipropileno

PPA - Poliftalamida

PP-I - PP Isotático

PP-S - PP Sindiotático

xxv

PP-A - Atático

PPGF35 - Polipropileno com 35% de Glass Fiber ou Fibra de Vidro

PPM - Partes por Milhão

PRO-E - Pro-Engineer Simulation Software

PTFE - Poli Tetra-Flúor-Etileno

PVC - Poly Vinyl Chroride ou Poli Cloreto de Vinila

PUR - Elastômero de Poliuretano

REV - Representative Element of Volume

S - Enxofre

SI - Sistema Internacional de Unidades

Tg - Transição Vítrea

Tm - Ponto de Fusão

TGA - Thermal Gravimetric Analysis ou Análise Termogravimétrica

UP - Poliéster Instaurado

UL 94 - Propriedades Dielétrica/ Isolamento Elétrico / Flamabilidade

UV - Ultravioleta

xxvii

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1

2. OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 3

3. DEFINIÇÃO DE POLÍMEROS ........................................................................................................ 4

3.1 Caracterizações dos Polímeros ................................................................................................. 5

3.2 Como são codificados os Polímeros ......................................................................................... 8

3.3 Matérias-primas para os Polímeros ........................................................................................... 9

4. HISTÓRICO DO PROPROPILENO ............................................................................................... 11

4.1 Aspectos Técnicos .................................................................................................................. 12

4.2 Processos de Produção ............................................................................................................ 14

4.3 Propriedades do Polipropileno ................................................................................................ 15

4.4 Aditivos do Polipropileno ....................................................................................................... 17

4.5 Processos de Transformação do Polipropileno ....................................................................... 18

5. MERCADOS DO PP VOLTADO PARA O SETOR AUTOMOBILÍSTICO .................................... 19

5.1. Classificação dos Plásticos Automotivos ............................................................................... 22

5.2 Aplicações na área Automotiva .............................................................................................. 24

6. MÉTODO TEÓRICO DE TESTE DO PP-GF35 NO MOTOR ......................................................... 30

6.1 Propriedades Gerais Comparativas do PP x PA no motor (Coletor de admissão) .................. 32

6.2 Características Químicas do PP .............................................................................................. 34

6.3. Requisitos para um projeto de Coletor de admissão em Polipropileno (PP) ......................... 40

6.4 Estudos de comparação do PP Standard versus o PP HC ....................................................... 44

7. TESTES FÍSCOS EM AMOSTRAS ................................................................................................ 46

7.1 Testes de Módulo de Flexão ................................................................................................... 46

7.2 Testes Resistência a Tração .................................................................................................... 49

8. ESTUDOS COMPARATIVOS ....................................................................................................... 51

8.1 Estudos de comparação do Polipropileno (PP HC) versus a Poliamida 6 (PA 6) ................... 51

8.2 Testes de Impacto ................................................................................................................... 54

xxviii

9. TESTES COMPUTACIONAIS .................................................................................................... 56

9.1 Simulações através de um modelo matemático ...................................................................... 56

9.2 Simulações CAE ..................................................................................................................... 58

9.3 Análises Estruturais ................................................................................................................ 59

9.4 Análises de Fluxo do Material (Mold Flow) ........................................................................... 60

9.5 Simulações do Fluxo de Ar ..................................................................................................... 61

9.6 Simulações Acústicas e de Performance Acústica ................................................................. 62

9.7 Pré-desenvolvimento do Coletor de admissão em PP ............................................................. 64

10. TESTES EM PROTÓTIPOS FÍSICOS ...................................................................................... 65

10.1 Testes de Validação do novo Conjunto em PP ..................................................................... 65

10.2 Avaliações em dinamômetro (1°. Teste funcional) ............................................................... 65

10.3 Avaliações de teste de estouro (Backfire) em laboratório ..................................................... 69

10.4 Avaliações Acústicas ............................................................................................................ 72

11. TESTES DE APARAFUSAMENTO ......................................................................................... 82

12. ENSAIOS VIBRACIONAIS EM BANCADA .......................................................................... 87

11. CONCLUSÕES .......................................................................................................................... 91

REFERÊNCIAS ................................................................................................................................ 92

1

1. INTRODUÇÃO

Neste mundo automotivo em que vivemos sempre foi competitivo ao extremo,

atualmente face às constantes mudanças governamentais e com necessidades altamente

mutantes, nos vemos em meio de uma força gigantesca que nos força a buscar alternativas

e soluções de forma rápida, mantendo a qualidade técnica dos produtos e buscando as

incessantes reduções, sendo estas reduções tais como, redução de peso, de tempo de

transformação, redução de emissões de poluentes, reduções de consumo de combustível,

redução de consumo de óleo lubrificante, etc. sem perder o foco da mais importante, a

redução de custo.

Consequentemente toda essa gama de reduções, se deve ao fato das montadoras

estarem buscando soluções para tornar seu produto final, mais vendável, mais atraente,

mais lucrativo. A indústria automotiva não é a primeira no ranking das indústrias no Brasil,

provavelmente é a que mais movimenta outros segmentos, tais como, aço, alumínio,

borracha, vidro e por último, o plástico. Atualmente esse é o componente em maior

concentração em um carro. Segundo o Conselho Americano de Química dos Estados

Unidos, o plástico compõe cerca de 50% da constituição dos veículos novos. Isso se deve à

durabilidade, ao baixo custo de fabricação e à facilidade de moldá-lo em praticamente

qualquer forma. Instrumentos, medidores, interruptores, saídas do ar condicionado, carpete,

air-bags, filtros de ar, tampas de válvula, coletores de admissão, para-choque, peças de

acabamento interno e externo em geral entre outros componentes, são feitos de tipos

diferentes de plásticos.

A indústria automobilística europeia, por exemplo, utiliza anualmente cerca de 2

milhões de toneladas de plástico. Estudo publicado pela Associação dos Fabricantes de

Plásticos da Europa aponta que a média de aplicação do material por veículo chega a 110

kg. Em média, cada 100 kg de plástico, segundo o estudo, substituem de 200 kg a 300 kg

de peso provenientes de outros materiais, reduzindo o consumo anual de combustível em

12 milhões de toneladas e a emissão de CO2 em 30 milhões de toneladas.

2

No Brasil, atualmente, cada veículo utiliza entre 60 e 90 quilos de plástico, sendo

63% em equipamentos internos, 15% no corpo externo, 9% no motor, 8% no sistema

elétrico e 5% no chassi. No final de década de 80, a média da aplicação de plástico nos

carros nacionais era de apenas 30 quilos.

Hoje em dia o polipropileno é um polímero de destaque no setor automotivo, pois

ele se destaca pela alta resistência química e solvente, boa estabilidade dimensional,

flexibilidade, durabilidade e excelente balanço entre impacto e rigidez.

Sendo assim, uma matéria prima que era utilizada na fabricação de fios de

tecelagem, embalagens flexíveis, brinquedos, copos plásticos, corpo de eletrodomésticos,

está sendo usado em peças de alto valor agregado, alto desempenho técnico como um

coletor de admissão e em quase todas as peças de acabamento interno e externo da maioria

das empresas automotiva do Brasil e do mundo. (ANFAVEA, 2014).

3

2. OBJETIVOS

Este trabalho teve como objetivo principal, provar que a utilização do polipropileno

como um excelente plástico de engenharia para fabricação em coletores de admissão ciclo

Otto, sendo aplicado em motores bicombustível álcool e/ou gasolina. Tendo em vista esta

aplicação, foram avaliados sua aplicabilidade em várias características específicas para este

tipo de peça, hoje em dia fabricadas em alumínio e em sua maioria em poliamida 6 e em

poliamida 6.6.

Para atingir o objetivo principal, foram necessárias as seguintes pesquisas:

Pesquisar aditivos que proporcionavam ao polipropileno, uma aplicação

voltada à fabricação de uma peça tão exigida no motor como o coletor de

admissão;

Avaliar requisitos técnicos importantes do polipropileno visando à

aprovação dos testes necessários para validar esta aplicação;

Fazer uma matriz de decisão baseada nas propriedades químicas e

mecânicas de ensaios de cada material plástico testado;

Com o material já devidamente selecionado, realizar os testes de simulação

das características mecânicas e térmicas para aprovação final da

aplicabilidade;

Em posse das simulações, fazer os testes de aprovação e validação das

amostras em molde protótipo de alumínio.

4

3. DEFINIÇÃO DE POLÍMEROS

Os polímeros são compostos químicos de elevada massa molecular, resultantes de

reações químicas de polimerização. São macromoléculas formadas a partir de unidades

estruturais menores (os monómeros). O número de unidades estruturais repetidas numa

macromolécula é chamado grau de polimerização, sendo que estas macromoléculas estão

ligadas firmemente entre si, estes elementos individuais são chamados de monômeros

(mono = uma, meros = parte) ou polímeros (poli = muitos, meros = parte).

Em geral, os polímeros contêm os mesmos elementos nas mesmas proporções

relativas que os seus monómeros, mas em maior quantidade absoluta. (MALLOY 1989;

MANO, 1991).

Todavia, para uma definição básica, plásticos são materiais cujo elemento essencial

é constituído por ligações moleculares orgânicas, que resultam da síntese ou pela

transformação de produtos naturais, que são em via de regra, deformáveis plasticamente

por meio de uma manufatura especifica sob condições térmicas e de pressão. Todos os

plásticos tem algo em comum, pois eles são compostos por encadeamento de longas

cadeias de moléculas, moléculas estas chamadas de macromoléculas (macro = grande) e

estas moléculas são compostas normalmente de mais de 10.000 elementos individuais.

Concluindo os polímeros são compostos de longas cadeias moleculares e estas

cadeias podem ter alinhamentos diferentes, mas quando elas se formam regiões ordenadas,

também chamadas lamelas, separadas por regiões amorfas, resultam no que chamados de

polímeros semicristalinos. (CRAWFORD, 2001).

5

3.1 Caracterizações dos Polímeros

Os polímeros se dividem em três grupos que são apresentados na Figura 1:

Ainda baseando se na Figura 1, pode se definir estes três grupos de plásticos conforme

segue:

Termoplásticos: (termos = calor, plasso = formar), estes tipos de plásticos

são fusíveis e solúveis, eles podem ser fundidos vários vezes através de

vários processos como injeção, extrusão, laminação e podem ser

solubilizados por várias vezes e vários solventes. Eles ainda podem variar

de maleáveis a rígidos ou frágeis. São divididos entre amorfos (amorph =

desordenado), que possuem estado de ordenação molecular em transição

vítrea, por exemplo, e são transparentes e em termoplásticos semicristalinos,

que apresentam uma aparência opaca. Na teoria, o processamento desses

materiais ocorre apenas com mudanças físicas, podendo assim, serem

facilmente reciclados, porem na pratica, podem ocorrer mudanças químicas

Figura 1: Divisões da família dos polímeros.

(Fonte: Livro Polypropylene Handbook 2E - Pasquini).

6

durante o processamento, tais como, a oxidação, a degradação térmica entre

outras. (MALLOY 1989; MANO, 1991).

Para ser mais especifico, os termoplásticos amorfos são macromoléculas

poliméricas dispostas sem uma configuração especifica, quando aquecidos,

sua estrutura molecular se torna mais maleável, até se fluir. Como não

existem interfaces cristalinas para refletir luz, eles são normalmente opacos.

No caso dos termoplásticos semicristalinos, as moléculas forma arranjos

ordenados e estas regiões são cristais que se formam durante a solidificação.

Com o reaquecimento, estes cristais continuam intactos até o material

atingir a temperatura de fusão cristalina, uma vez fundidos, estes materiais

também apresentam uma estrutura amorfa em estado sólido e em via de

regra diminuindo-se a taxa de resfriamento do material, diminui-se também

o grau de cristalinidade (MANO, 1991).

Termofixos: (termos = calor, duro = rígido), são rígidos e frágeis e muito

estáveis a variações de temperatura. O aquecimento deste polímero acabado

a altas temperaturas promove a decomposição do material antes de sua

fusão, sendo assim, sua reciclagem é complicada tornando-o inutilizável.

Elastômeros: (elasto = elástico, meros = partes), não são fusíveis, são

insolúveis, mas podem ser amolecidos. Sua estrutura molecular é composta

de encadeamento espaçado e por isso é encontrado em estado elástico a

temperatura ambiente, tendo como exemplo coxins, vedações de vidro, etc.

7

Na Figura 2 e 3 pode se facilmente visualizar as diferenças entre as estruturas dos

termoplásticos amorfos e semicristalino e dos termofixos elastômeros e termorrígidos:

Figura 2: Estruturas dos termoplásticos amorfos e semicristalinos.


Figura 3: Estruturas dos termofixos elastômeros e termorrígidos


8

3.2 Como são codificados os Polímeros

Baseando-se na Norma DIN 7728, os polímeros são caracterizados por sequencias

de letras, isto é, abreviaturas que representam a sua estrutura química. Letra

complementares (códigos) caracterizam a utilização, aditivos e propriedades básicas como

densidade ou viscosidade, como podemos observar conforme mostrado na Tabela 1.

Baseando-se na Norma DIN 7728, pode-se trabalhar nas nomenclaturas conforme segue:

Caracterização do polímero.

Exemplo: PE-LLD

Nome do material: Polietileno Linear de Baixa Densidade.

Abreviação do produto básico: PE = Polietileno.

Código – Letras das propriedades suplementares.

L = 1ª letra para propriedades especiais: L = Linear.

L = 2ª letra para propriedades especiais: L = Lower (baixo).

L = 3ª letra para propriedades especiais: D = Density (densidade).

Tabela 1: Classificações da nomenclatura dos polímeros segundo DIN 7728.

(Fonte: Site www.brand.de - acessado em 06 de maio de 2015).

9

3.3 Matérias-primas para os Polímeros

As matérias primas para a produção de plásticos são materiais naturais como a

celulose, carvão, petróleo, gás natural. As moléculas destas matérias primas contem

carbono (C) e hidrogênio (H), podem conter também oxigênio (O), nitrogênio (N) ou

enxofre (S), sendo que a matéria prima mais importante é sem dúvida o petróleo.

Na Figura 4, pode-se encontrar a participação de cada componente derivado do

petróleo, sendo que 4% deste total são utilizados na fabricação de plásticos.

Figura 4: Quadro mostrando as porcentagens dos derivados plásticos do petróleo.


10

Ainda dentro da cadeia petroquímica, pode-se observar no quadro da Figura 5, como se

trabalha desde a refinaria, até a 3ª geração dos transformadores de produtos.

Figura 5: Quadro das fases de geração dos plásticos a partir da refinaria.

(Fonte: Site Abiquim - acessado em 21 de março de 2015).

11

4. HISTÓRICO DO PROPROPILENO

A primeira vez que se ouviu falar do Polipropileno (PP), foi em 1954 na Itália, sua

criação foi obra de pesquisa do engenheiro químico, pesquisador e professor Giulio Natta.

Premio Nobel de química em 1963, a pesquisa de Natta na Faculdade Politécnica de Milão,

levou à melhoria de uma pesquisa anterior realizada pelo químico alemão Karl Waldemar

Ziegler, que junto com Natta também recebeu o Premio Nobel de química em 1963.

Foi no ano de 1953 que Ziegler pesquisou o descobriu que polímeros de eteno com

alto peso molecular podiam ser obtidos com a adição de sais de transição, como o

Tetracloreto de titânio ou cloreto de titânio é o composto inorgânico com a fórmula TiCl₄,

ao catalisador alquilaluminio.

Desde sua introdução em 1954, o polipropileno se tornou uma das mais importantes

resinas termoplásticas da atualidade, continuando ainda como a resina de maior

crescimento.

Hoje em dia o polipropileno é o terceiro termoplástico mais vendido no mundo

(abaixo do polietileno baixa densidade e do PVC), representando vendas físicas em torno

de 17 milhões toneladas/ano, com um valor superior a US$ 11 bilhões/ano. (site

www.bndes.gov.br – acessado em 21 de Abril de 2015).

Por outro lado, o polipropileno hoje se coloca ao lado do ABS, ou seja, em uma

zona de transição entre os plásticos de grande consumo e os plásticos de engenharia

(existem estimativas que consideram que ¼ do consumo do polipropileno são para

aplicações técnicas). No Brasil, o polipropileno se colocou no 2º termoplástico mais

consumido em 1995, à frente inclusive do PVC.

http://www.bndes.gov.br/

12

A produção nacional de polipropileno tem também uma importância estratégica,

por ser um grande consumidor de propeno, gerados nas centrais petroquímicas que só

utilizam nafta como insumo básico.

4.1 Aspectos Técnicos

A grande característica deste setor é a constante evolução tecnológica do produto,

processo e seus catalisadores, desde o início da sua produção comercial em 1960, surgiram

quatro processos de polimerização e os a catalisadores estão em sua 5ª geração.

O polipropileno deve ser visto hoje como um conjunto de três tipos: homopolímero,

copolímero alternado e o copolímero estatístico (ou randômico). Cada um desses tem

aplicações específicas como se pode verificar na Tabela 2.

Figura 6: Reação de polimerização n: copolímero de etileno-propileno disperso regularmente em uma

matriz de PP homopolímero

(Fonte: Livro Plásticos de Engenharia Tecnologia e Aplicações - Harada).

13

Os três polímeros - homopolímero, copolímero alternado e o copolímero estatístico

- podem ser modificados e adaptados às utilizações específicas através das técnicas de

formulação ou compostagem.

O Copolímero estatístico de polipropileno se obtém através da adição de eteno ao

propeno. O produto é um pouco mais resistente ao impacto do que o homopolímero as há

uma melhoria acentuada da transparência.

O Copolímero alternado é fabricado em duas etapas na polimerização, o

Homopolímero produzido na primeira etapa, é em seguida copolimerizado com o Eteno, A

proporção de eteno é bem mais elevada do que na produção do copolímero estatístico,

sendo que a parte copolimerizada se torna emborrachada, o que resulta na melhoria da

absorção da energia de impacto.

O polipropileno também possui a propriedade de estar orientado, isto é, as

pesquisas sobre esta propriedade conduziu ao filme bi orientado (BOPP), útil para a

produção de fitas adesivas, embalagens para alimentos, cigarros, etc., pois a bi orientação

melhora as propriedades óticas do material e aumenta sua resistência à ruptura.

Tabela 2: Propriedades básicas da família dos polipropilenos.


14

4.2 Processos de Produção

O polipropileno é obtido através da polimerização do gás propeno (que é o

monômero), utilizando catalisadores do tipo Ziegler-Natta. Os processos de polimerização

são através de:

Solução.

Suspensão em um solvente (slurry),

Massa (bulk).

Fase gasosa.

Lembrando que a fase gasosa possui uma tecnologia mais moderna.

Antes da década de 1980, a polimerização em suspensão era o processo mais usado

na produção de polipropileno, sendo que uma variante importante deste processo é

utilizada no processo Spheripol, que é o processo mais dominante na atualidade, pois

devido á sua versatilidade, este processo consiste em um método hibrido, utiliza a reação

em suspensão de propeno líquido para a obtenção do homopolímero e copolímero

estatístico, e utiliza a reação em fase gasosa para a produção de copolímero sequencial.

Porem, as tecnologias de produção do polipropileno constituem uma combinação

da tecnologia de processo com a tecnologia do catalisador.

Figura 7: Layout / diagrama simplificado do processo Spheripol.

(Fonte: Brand 2008).

15

Portanto, outro exemplo de progresso tecnológico deste setor é a evolução do

próprio catalisador e isto resultou na simplificação das diversas etapas do processo

produtivo, reduzindo se assim, os custos de investimentos, estima-se que as unidades

modernas, são três vezes mais baratas que as unidades produtivas de vinte anos atrás.

4.3 Propriedades do Polipropileno

A matéria prima básica é o propeno ou propileno, que deve ter um alto nível de

pureza, superior a 99,5% e isento de água, oxigênio, dióxido de carbono, enxofre e

acetileno, sem essa pureza, existe uma grande possibilidade contaminação dos

catalizadores. A fonte predominante para a produção do propeno é o craqueamento da

nafta, uma vez que o gás natural não apresenta grande vantagem competitiva. A

desidrogenização do propano ou a recuperação do gás de refinaria são alternativas, como

por exemplo, na Europa Ocidental, o gás de refinaria já participa com 15% do propeno

consumido. No caso do Brasil, esta porcentagem sobe para 21%. (site www.bndes.gov.br –

acessado em 21 de Abril de 2015).

O polipropileno é uma resina de baixa densidade que oferece um bom equilíbrio de

propriedades térmicas, químicas e elétricas. Ele apresenta grande resistência a rupturas por

flexão e fadiga. As suas propriedades mecânicas podem ser significativamente melhoradas

através de reforços de fibra de vidro ou em grades especiais modificados com borrachas.

O polipropileno apresenta resistência limitada ao calor, porém existem tipos termo

estabilizados destinados a aplicações que exijam uso prolongado a elevadas temperaturas.

O polipropileno não é atacado pela grande maioria dos agentes químicos de

natureza orgânica, mas não está livre de sofrer inúmeros ataques de compostos halogêneos

e por agentes oxidantes, tal como ácido nítrico fumegante, que se trata de um ácido muito

forte e com uma grande capacidade corrosiva. Além disso, o polipropileno apresenta uma

densidade de 0.95 g/cm³, em comparação à Poliamida que possui 1,13 g/cm³.

http://www.bndes.gov.br/

16

Segue um resumo das principais propriedades do polipropileno:

Baixo custo.

Elevada resistência química e a solventes.

Fácil moldagem.

Fácil coloração.

Alta resistência à fratura por flexão ou fadiga.

Boa resistência ao impacto acima de 15 °C.

Boa estabilidade térmica

Segue um resumo das principais aplicações:

Tecido Não tecido.

Embalagens Flexíveis.

Ráfia (Sacos para grãos e fertilizantes).

Fibras.

Cadeiras Plásticas.

Brinquedos.

Copos Plásticos.

Embalagens e recipientes para alimentos, remédios e produtos químicos.

Corpo de eletrodomésticos (Ferro de passar, liquidificador, batedeira).

Tampas em geral, tampas para bebidas carbonadas (água, refrigerantes).

Carpetes.

Seringas de injeção.

Material hospitalar esterilizável.

Autopeças (coletores de admissão, filtros de ar, para-choques, pedais, carcaças

de baterias, interior de estofados, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças

diversas no habitáculo).

Peças para máquinas de lavar.

Cabos para ferramentas manuais.

17

Atualmente há uma tendência no sentido de se utilizar exclusivamente o PP em

peças de motores e de interior dos automóveis. Isso facilitaria a reciclagem do material por

ocasião do sucateamento do veículo.

4.4 Aditivos do Polipropileno

Para melhorar as propriedades do PP alguns aditivos podem ser adicionados, pois o

polipropileno virgem sem aditivos é suscetível à oxidação pelo ar. Caso armazenado nessa

forma, ele irá se oxidar em um período de semanas ou meses, dependendo da temperatura

ambiente, concentração de oxigênio, entre outras condições. Porém isso pode ser

facilmente evitado, com a adição de uma pequena quantidade do antioxidante fenólico

IRGANOX 1010 - BASF. A faixa de concentração de antioxidantes pode ir de algumas

centenas de PPM (partes por milhão) até milhares de PPM. (PASQUINI 2005).

Outros aditivos muito utilizados são os estabilizantes que previnem a degradação

do polímero durante seu processo de transformação. Estabilizantes anti UV também são

utilizados, eles aumentam a resistência do polipropileno aos raios ultravioleta, prevenindo

a sua degradação.

Segundo Pasquini (2005) vários aditivos são utilizados não apenas para evitar a

oxidação e degradação do polipropileno, mas também para modificar suas propriedades e

características. Os principais aditivos são utilizados pelas seguintes razões:

Ajuste de cor: O polipropileno possui cor esbranquiçada e muitos pigmentos

são utilizados para melhorar a estética dos artigos fabricados, além disso, esses

aditivos causam grande impacto nas suas propriedades físicas.

Modificação da dureza: A dureza do polipropileno pode ser ajustada com

plastificantes e cargas, visando obter se diferentes graus de dureza.

18

Controle de transparência: O polipropileno é translúcido, porém sua

transparência pode ser drasticamente melhorada com aditivos clarificantes e ele

também pode se tornar opaco, com a adição de certos pigmentos e cargas.

Controle de propriedades de superfície: Vários aditivos podem ser usados para

modificar as propriedades de fricção e adesão do polipropileno muito utilizado

na fabricação de filmes.

Redução da inflamabilidade: O polipropileno é inflamável, para tanto podem

ser utilizados elementos retardantes de chama, que são normalmente moléculas

halogênicas que contem elementos altamente reativos como o cloro e o bromo.

4.5 Processos de Transformação do Polipropileno

Como já citado no decorrer desse trabalho, o polipropileno é uma resina multi

versátil, podendo ser utilizada em uma grande gama de produtos finais em diversos

segmentos de mercado. Os principais processos de transformação pelos quais a resina de

PP pode passa são: injeção, filme, fibra, extrusão, ráfia e sopro.

A injeção é uma das técnicas de processamento mais utilizadas para converter a

resina de PP em produtos comerciais. Cerca de 40% dos produtos de polipropileno no

Brasil são transformados pelo processo de injeção (ABIPLAST. 2014). A máquina injetora

promove plastificação do polímero de forma rápida e uniforme, mantendo a composição e

temperatura da massa homogênea, para assim transmitir o material fundido através dos

canais de injeção de um molde. O material é então refrigerado dentro do molde, de forma a

permitir a sua solidificação e posterior remoção do produto sem deformação. Em geral

pode-se observar na base da peça plástica uma "cicatriz" que é o ponto de injeção do

material plástico dentro do molde. (MANO 1999).

19

Um dos exemplos de materiais fabricados por esse processo são as autopeças como

os para-choques, coletores de admissão, conjunto do filtro de ar, revestimentos internos e

painéis de instrumentos e etc. Outra técnica de processamento muito utilizada é a extrusão.

Esse processo consiste em fazer passar a massa polimérica moldável por dentro de um

cilindro aquecido por meio da ação bombeadora de uma ou duas roscas sem fim

promovendo o cisalhamento homogeneização e plastificação do material.

Posteriormente, o material passa em uma matriz com o perfil desejável, de forma

contínua. O extrudado pode ser enrolado em bobinas cortado em peças de dimensões

especificadas, ou cortado em grânulos reguladores.

No processo de fabricação de fibras, o material no final da extrusora é forçado a

passar por uma matriz com vários orifícios (fieira), formando então filamentos, esses

filamentos passam por um resfriamento e por um conjunto de rolos, formando então as

fibras. No Brasil, cerca de 20% dos materiais em Polipropileno (PP), são fabricados desta

forma. (ABIPLAST. 2014).

Outro processo muito utilizado com o Polipropileno (PP) é o de sopro e, segundo a

ABIPLAST, cerca de 10% deste produto é transformado via sopro.

O sopro é um processo descontínuo, isto é, para obtenção de peças ocas através da

insuflação de ar no interior de uma pré-formas (molde), é utilizado na fabricação de dutos

de captação de ar, ressonadores, captação de ar para ar condicionado, etc.

5. MERCADOS DO PP VOLTADO PARA O SETOR AUTOMOBILÍSTICO

O mercado automobilístico é um dos mercados que mais consome polipropileno no

Brasil e no mundo, sendo que no Brasil aproximadamente 9% da produção é destinada a

esse setor, enquanto que no mundo seu percentual de mercado é de aproximadamente 15%.

Sua utilização no setor automotivo teve seu inicio da década de 1970, tendo como base de

produção a caixa de baterias de automóveis, devido à sua boa resistência química.

20

Após e com o desenvolvimento de novos e modernos catalisadores com novas

tecnologias de processo, o Polipropileno (PP), começou a substituir vários outros materiais

na fabricação de componentes de metal, borracha e vidro, que por outro lado contribuíam

para um elevado peso no veículo final. Desde então o Polipropileno (PP), está tendo um

crescimento exponencial no uso de peças automotivas, em 1977 era utilizado 7 Kg de

Polipropileno (PP) por carro, no ano 2000 esse numero subiu para 49 Kg e atualmente está

em torno de 50 Kg por carro. (ABIPLAST. 2014).

A partir da década de 1970, vários foram os fatores que influenciaram a indústria

automotiva a ter uma evolução técnica e de qualidade, o aumento de vendas decorrente

com a globalização deste setor em específico e a incansável busca pela diminuição de

emissões poluentes, fizeram com os veículos ganhassem vários componentes de plástico

com o objetivo de redução de pesos e consequentemente redução de poluição, pois quanto

menor o peso do veículo, menor a força que o motor realiza, sendo assim, menor gasto de

combustível.

Com isso, se fez necessária pesquisa e a busca por materiais plásticos de alta

tecnologia, sendo a melhoria técnica dos materiais existentes e o desenvolvimento de

novos materiais.

A crise do petróleo da década de 1970, fez com que a indústria automobilística

diminuísse o peso dos veículos com o objetivo final de reduzir o consumo de combustível,

com isso, a substituição de peças metálicas por peças plásticas se tornou uma realidade,

claro, sem acarretar perdas de qualidade e segurança.

Introduzido inicialmente nos Estados Unidos no fim de 1960, a participação do

plástico cresceu entre as décadas de 1960 e 1970, de tímidos 11 Kg para quase 45 Kg em

um carro médio, entretanto o uso inicial era em peças de acabamento externo e interno,

hoje em dia, com exemplo deste projeto de coletor de admissão, as peças de plástico,

especialmente o Polipropileno (PP), passa a serem aplicados em peças de extrema

importância técnica dentro de um motor ou estrutura por exemplo. Os metais ferrosos ainda

representavam na década de 1990, com 67,5% do peso de um automóvel médio contra

7,7% dos plásticos de engenharia e de 5,8% do alumínio. (ABIPLAST. 2014).

21

Entre 1978 a 1990, ocorreu uma crescente substituição de metais ferrosos por

plástico, aço, por exemplo, com isso, ocorreu uma redução no peso médio de um veículo

médio de 1.588 Kg para 1.316 Kg, isto é, quase 20% de redução somente na troca de

materiais. (ABIPLAST. 2014). Este fator tende a se manter nos próximos 10 anos

aproximadamente, mas vale a pena observar que nos últimos 30 anos, a substituição de

materiais ferrosos por plásticos foi realmente assustadora, contudo, plásticos são de fato

uma denominação genérica de uma gama de variedades muito diversificada, onde o

Polipropileno (PP) se tornou sem dúvida o mais importante.

Na Figura 8, podemos ter uma ideia de como se comportou a como se

comportará a participação dos plásticos nos veículos divididos entre as décadas de 1970 a

2020.

As propriedades mais comuns a serem consideradas nas especificações da indústria

automobilística são abordadas a seguir:

Resistência mecânica: resistência à tração, módulo de flexão, resistência à

fluência (parâmetros associados à rigidez mecânica) e resistência ao impacto

(associada à tenacidade), resistência à abrasão, coeficiente de atrito, dureza

superficial (associados ao desgaste).

Figura 8: Gráfico a projeção do crescimento na participação de materiais plásticos na linha automotiva.

(Fonte: AT Kearney - www.plastico.com.br acessado em 06 de Maio de 2015).

http://www.plastico.com.br/

22

Densidade (associada à economia de peso no veículo).

Temperatura de deflexão ao calor (associada ao comportamento mecânico sob

altas e baixas temperaturas).

Temperatura de transição vítrea e coeficiente de expansão térmica

(característica intrínseca dos plásticos, vinculada à conservação de propriedades

sob o calor).

Resistência química geral (suscetibilidade à corrosão).

Propriedades dielétricas e UL 94 (associada ao isolamento elétrico).

Propriedades ópticas (associadas ao grau de transparência).

Facilidade ou não de processabilidade (associada aos processos convencionais e

à liberdade de design).

Custo do produto final (preços mais custos agregados – relativos à facilidade ou

não para operações secundárias como, pintura, decoração, ultrassom, etc.).

5.1. Classificação dos Plásticos Automotivos

Os polímeros podem ser classificados em dois grupos básicos, o grupo dos

termoplásticos e o grupo dos termorrígidos ou termofixos.

Os termoplásticos tem certas características semelhantes aos metais, o que

possibilita a produção destes através de processos tradicionais dos metais, como a

laminação, a injeção e a extrusão. Isso só é possível devido aos termoplásticos terem a

capacidade de serem aquecidos e resfriados através de seu ponto de fusão e solidificação,

tudo isto, sem que ocorram reações químicas, os termoplásticos da qual o Polipropileno

PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) também faz parte, podem ser reaproveitados

no caso de scrap (galhos de injeção, rebarbas, ou até peças não conforme) do processo de

injeção plásticas.

23

Por outro lado e de maneira diferente, os termorrígidos ou termofixos quando

submetidos a variações de temperatura, uma vez que ao serem aquecidos eles também se

fundem, mas em sua estrutura química ocorrem reações que os transformam em uma

estrutura reticulada, infusível e insolúvel e com isso sua estrutura não volta às condições

iniciais, fazendo com que não possam ser reaproveitados, tendo como exemplo a baquelite.

Na Figura 9, fica fácil entender a divisão dos plásticos de engenharia:

A utilização de polipropileno na indústria automotiva reduz o peso dos veículos,

reduzindo o consumo de combustível e por consequência a emissão de poluentes no ar.

Figura 9: Gráfico que mostra aonde se posiciona tecnicamente os plásticos de engenharia.

(Fonte: AT Kearney - www.plastico.com.br acessado em 06 de Maio de 2015).


24

5.2 Aplicações na área Automotiva

O polipropileno pode ser utilizado tanto no interior dos veículos, quanto no exterior

dentro do capô. Entre as aplicações no interior dos carros estão os painéis de instrumentos,

painéis das portas, revestimentos e consoles, No exterior dos veículos pode ser utilizado

nos para-choques, grades e entre outros. Também é utilizado nas caixas das baterias,

reservatórios de água e proteções embaixo do carro contra impactos de pedras e rochas.

Na Figura 10, mostra a projeção da participação de componentes plásticos na linha

automotiva até 2020 comparado a outros componentes:

Figura 10: As muitas aplicações automotivas do PP.

(Fonte: Pasquini 2005).

25

Atualmente há um grande apelo mundial na reciclagem dos produtos, o que

representa um grande desafio para o setor automobilístico, pois este utiliza vários tipos de

resinas. Além do polipropileno são utilizados, por exemplo, o ABS (acrilonitrila-

butadieno-estireno) policarbonato e a poliamida.

O PP apresenta versatilidade suficiente para assumir um grande número das

aplicações do plástico nesse setor.

Por exemplo, o painel dianteiro de muitos carros é construído utilizando três

diferentes resinas plásticas, uma com elevada dureza que serve de esqueleto, outra para

fazer o painel de 19 instrumentos mais atrativo e uma terceira de um material mais macio,

para promover aos passageiros um toque mais agradável. O polipropileno pode ser

produzido para executar essas três funções sem perda de desempenho.

Versatilidade de propriedades, baixa densidade, facilidade de processamento e

reciclagem constituem vantagens decisivas a favor do PP. A preferência por materiais que

absorvem o impacto, protegendo o passageiro no caso de uma eventual colisão, também é

uma vantagem do PP frente o metal. (ABIPLAST 2014).

Podemos observar que a substituição de plásticos de engenharia por compostos de

polipropileno estão ocorrendo de forma rápida, sendo possível citar vários exemplos de

aplicações no mercado europeu, asiático e no brasileiro. Entre elas, o coletor de admissão

de ar, uma peça de grande massa e com bastante complexidade técnica, típica do portfólio

de aplicações da poliamida e que vem sendo fabricado em Polipropileno (PP), exemplo de

aplicação no novo motor da Volkswagen EA 211. Ainda existem certas restrições para o

emprego do Polipropileno (PP), em aplicações como no motor e espaço interno sob o capô,

quanto maior a pressão e temperatura a que está submetido o coletor de admissão de ar,

menores as chances de o Polipropileno (PP) de satisfazer às demandas técnicas citada peça.

Em via de regra, carros com motorização até 1.6 podem ter coletores de polipropileno.

Outras peças também apresentam concorrência com a poliamida como os filtros de ar e os

suportes das ventoinhas.

Apesar das substituições ocorrerem à velocidade com que elas acontecem no

mercado brasileiro não depende apenas dos fornecedores de Polipropileno (PP), pois é

preciso equalizar outras questões, como os investimentos dos fabricantes dos equipamentos

26

originais, principalmente quando sai de cena um metal para a entrada do plástico. Se a

troca é de um polímero por outro, seria normal esperar-se ao menos a troca de molde, em

virtude de comportamentos diferentes durante a injeção dos materiais. (ANFAVEA 2014).

A aplicação de plástico na construção de automóveis não é novidade. Esse tipo de

matéria-prima chegou, literalmente, comendo pelas bordas - a exemplo das calotas.

Devagarinho tomou o lugar do aço em partes da carroceria, como para-choques e para-

lamas, e de materiais como o vidro, nos faróis. Achou a porta aberta e entrou tomando o

painel no atacado e nos detalhes, além de laterais de portas e colunas. Por muito tempo, o

plástico ficou longe do motor, por causa das altas temperaturas e da contaminação por

produtos químicos, como combustível e lubrificante. Mas agora ele já substitui o metal

também nesse ambiente inóspito. Aparece em sistema agregados, como coletores de

admissão e caixas de ressonância, no próprio motor, no cárter e em galerias de

combustível. Todos componentes em que as exigências em relação a vibrações, impactos,

temperaturas e interações químicas são muito intensas e constantes. (ANFAVEA 2014).

Figura 11: Gráfico de produção anual de veículos no Brasil.

(Fonte: ANFAVEA - www.anfavea.com.br acessado em 21 de Março de 2015).

http://www.anfavea.com.br/

27

Com o processo de redução da cilindrada de motores e o foco permanente da

indústria na redução de peso total no veículo (em busca de economia de combustível), o

plástico de engenharia à base de poliamida vem encontrando cada vez mais serventia. Em

linhas gerais, o alumínio pesa 30% menos que o aço, e o plástico pesam outros 30% menos

que o alumínio. E a vantagem não fica só na redução de peso das peças. O plástico também

oferece imunidade à corrosão, melhor isolamento acústico e maior liberdade no design.

As Figuras 12 a 16 apresentam exemplos de aplicações de peças de plástico em

automóveis, segundo a Revista 4 Rodas.

TAMPA DO CABEÇOTE

O plástico está por cima da situação, o material serve para confecção de suportes

das bobinas de ignição e em alguns motores, como o 2.0 do novo Ford Focus, para a tampa

inteira do cabeçote, onde a temperatura pode passar dos 120 °C

MOTOR

Figura 12: Tampa do cabeçote.

(Fonte: Revista 4 Rodas de 23 de Dezembro de 2013).

Figura 13: Peças do motor.


28

Além de peças grandes, como o coletor de admissão, o plástico está presente em

componentes menores, caso da tampa do sensor do comando de válvulas, do suporte de

bobinas, das capas da correia dentada e da galeria de combustível do sistema de injeção do

motor 1.0 de três cilindros do Fox BLUEMOTION.

TRANSMISSÃO

A carcaça lateral da caixa de transmissão do Chevrolet Ônix já utiliza uma peça

plástica. Os projetistas garantem que o material apresenta boa resistência e estabilidade

térmica. Nessa área, a temperatura passa de 100 °C.

COLETOR DE ADMISSÃO

Figura 14: Peças de transmissão, tampa da 5ª Marcha.


Figura 15: Peças do motor, coletor de admissão.


29

Por trabalharem sob condições críticas (alta pressão de combustível e de

compressão da mistura), motores a diesel tradicionalmente utilizam materiais mais

robustos, Mesmo assim, o plástico chegou lá, a bordo no coletor da picape Ford Ranger.

CÁRTER

Aplicar plástico no cárter é a mais recente ousadia dos engenheiros, pois nesse

componente o material fica submetido a vários tipos de agressão mecânica, térmica e

química. A Ford é uma das primeiras a ter um cárter de plástico, instalado na picape Ford

F-250 americana.

Figura 16: Peças do motor, cárter de plástico.


30

6. MÉTODO TEÓRICO DE TESTE DO PP-GF35 NO MOTOR

O coletor de admissão é responsável em conduzir a mistura de ar/combustível para

o interior dos cilindros.

Um bom projeto do coletor de admissão é essencial para alcançar o melhor

desempenho de um motor de combustão interna e, portanto diversos parâmetros devem ser

considerados durante o desenvolvimento do mesmo. Por exemplo, uma distribuição de ar

não uniforme conduz a uma eficiência volumétrica não uniforme no cilindro, perda de

potência e aumento do consumo de combustível. Por outro lado, as variações de pressão no

coletor de admissão, devido aos efeitos pulsantes no escoamento do ar podem

substancialmente aumentar ou reduzir o desempenho do motor. Atualmente, no Brasil, a

maior parte dos coletores de admissão é fabricada a partir do nylon com fibra de vidro, pois

proporciona redução de peso, redução de atrito nos dutos e geometrias internas complexas.

Porém, novos fatores se tornam importante como redução de integridade estrutural e

atender a requisitos de pressão de estouro. Este trabalho apresenta as principais etapas de

desenvolvimento de um coletor de admissão plástico soldado por vibração. Primeiramente

as principais dimensões do coletor são definidas a partir da simulação unidimensional. A

partir disso, o modelo tridimensional é construído levando em consideração o espaço

disponível no compartimento do motor e aspectos que permitam a injeção e solda das

partes. Em seguida, a geometria interna do coletor é otimizada visando diminuir as perdas

de carga aumentando a eficiência volumétrica. (BRUNETTI, 2012).

A integridade estrutural do coletor e solda deve ser analisada a fim de atender os

requisitos do cliente. Ao confirmar o desenho do coletor de admissão através de testes com

peças protótipos, se inicia a fabricação dos ferramentais de produção.

Os coletores de admissão de ar em plástico tem feito muito sucesso nos últimos 20

anos, hoje 50% dos veículos estão equipados com coletores em plástico, mais sempre

utilizando materiais em poliamida PA66 e PA6 GF35 / GF30.

31

Alguns fatores chave que influenciam na utilização do coletor em polímero são:

• Melhor funcionalidade técnica (Fluxo de ar otimizado).

• Maior liberdade de design (Funções integradas).

• Redução de peso.

• Redução de custo.

Neste contexto, o maior desafio neste desenvolvimento foi substituir a matéria

prima PA6 GF30 / GF35 por Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT). Nos

próximos tópicos será apresentado de maneira bem resumida a análise de cada parâmetro

necessário para adequar o material Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT), de

modo a garantir o funcional / processo de fabricação semelhante à Poliamida atualmente

em produção.

Na Figura 17 pode se verificar um comparativo entre o Polipropileno PPGF35

(TECNOPRENE AK7 HCT) e a Poliamida PA6 GF30, que até então, era o material

comumente utilizado na fabricação de coletores de admissão.

Na questão custos:

Figura 17: Redução de Custos utilizando o Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT).

(Fonte: arquivo próprio).

32

Em uma breve comparação de redução de custos, podemos notar que alguns fatores econômicos

também influenciam na utilização do coletor em plástico utilizando o Polipropileno

PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT) quando comparado com o PA6 GF30:

• Redução na matéria prima: - 25%.

• Custo do componente: - 13%.

• Menor gasto de processamento: - 5%.

• Tempo ciclo de produção. Igual.

6.1 Propriedades Gerais Comparativas do PP x PA no motor (Coletor de

admissão)

Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) é uma poliolefina e é

polimerizada a partir de propileno (H3C-CH = CH2), também são materiais termoplásticos

semicristalinos como o Polietileno PE, mas apresenta maior resistência, rigidez e

temperatura de fusão cristalina em densidades mais baixas.

Uma ampla gama de produtos de Polipropileno (PP) está disponível no mercado

(por exemplo, homo e copolímeros de elevada massa molecular, e copolímeros em bloco

modificados com elastómeros graus).

No caso da constituição química e de polimerização, se observa que durante a

polimerização, os grupos CH3 de PP podem ser dispostos em diferentes configurações e

nesta forma de engradado propriedades diferentes:

PP isotático (PP-I)

PP sindiotático (PP-S)

PP atático (PP-A)

33

Como podemos observar nos quadros abaixo:

Figura 18: Processo de polimerização do o Polipropileno PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT).

(Fonte: arquivo próprio).

Figura 19: Estrutura estéreo-regulares no processo de polimerização do Polipropileno.


34

6.2 Características Químicas do PP

Dentro das características do Polipropileno (PP), se observa que:

Constituição química e de polimerização:

Atático PP tem a consistência de borracha não vulcanizada.

PP isotático é tecnicamente caracterizado pelo seu índice de isotacicidade, o que

indica o rácio de polímero não solúvel em xileno fervente.

O Polipropileno (PP) pode ser obtido através da polimerização de Ziegler-Natta

e por catálise de metaloceno de polimerização.

Ambos os métodos são utilizados para produzir polímeros com uma taticidade

específica. Na polimerização de Ziegler-Natta, devemos ter um catalisador de

Ziegler-Natta, (com base em compostos de titânio, geralmente, TiCl3 ou

TiCl4), e um co-catalisador à base de alumínio. Ocorre uma reação química dos

monómeros de propileno que adiciona no conjunto uma configuração específica

(isotático ou sindiotático), conforme pode se observar nas Figuras 22 e 21:

(CRAWFORD, 2001).

Figura 20: Etapas no processo de polimerização do Polipropileno.


35

Ainda na constituição química e de polimerização:

A segunda classe de catalisadores Ziegler-Natta são metalocenos. Eles contêm

dois componentes, um complexo de metaloceno e um co-catalisador

organometálico especial, chamado de MAO. Através de uma reação química

dos monómeros de propileno eles adicionam em conjunto uma configuração

específica (isotático ou sindiotático). Com esta tecnologia, taticidade,

distribuição de peso molecular e conteúdo co-monômero pode ser adaptada para

atender às necessidades dos clientes, conforme pode se observar na Figura 22:

(CRAWFORD, 2001).

Figura 21: Etapas estéreo-regulares no processo de polimerização do Polipropileno.


Figura 22: Etapas no processo de polimerização do Polipropileno.


36

Vantagens do Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT):

Boa resistência química devido à sua estrutura não polar.

Boa resistência à fadiga.

Ponto de fusão varia entre 160-165 ° C.

Baixa absorção de água (baixo <0,2%).

Copolimerizado com PE que mostra uma fragilização inferior a baixas

temperaturas.

Alto alongamento na ruptura.

Desvantagens do Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT):

O Polipropileno (PP) deve ser pré-tratado antes de acabamento de superfície

(revestimento, impressão).

Baixa resistência UV quando sem aditivos.

Fragilização a baixas temperaturas (0°C Tg), sendo necessária a adição de

copolímeros.

Sensível ao ataque químico-físico, sendo necessária a estabilização.

Nesta fase, estaremos analisando a Poliamida (PA6 GF30):

O mesmo tem em sua estrutura química geral o grupo Amide: CO-NH.

Os números contidos nas siglas de poliamidas (por exemplo, PA6, PA12) indicam o

número de átomos de carbono na unidade básica.

A elevada polaridade do grupo CONH provoca a formação de pontes de hidrogénio

entre as cadeias moleculares, e estas ligações determinar a dureza, ponto de distorção

térmica e o módulo de elasticidade elevado. Imediatamente após o processamento, as

poliamidas são duras e mais ou menos frágeis. Poliamidas foram formadas por

polimerização de condensação. (CRAWFORD, 2001).

37

A absorção de água provoca um aumento no volume e na dimensão e isso deve ser

considerado ao projetar peças em Poliamida (PA).

Com o aumento da distância entre os grupos amida (aumentando o número de grupos

CH2), a força das ligações intermoleculares diminui, bem como a taxa de absorção de

água, como pode se observar no gráfico de absorção de água da Figura 23, já na Figura 24

mostra a absorção de água e o condicionamento de corpos de prova em poliamida.

Figura 24: Gráfico mostra a absorção de água e condicionamento de corpos de prova com poliamida.

(Fonte: Empresa SO.F.TER).

Figura 23: Gráfico mostra a absorção de água e condicionamento de corpos de prova com poliamida


38

Características da Poliamida PA6:

Tem a maior taxa de absorção de água e maior teor de água de equilíbrio de

poliamidas.

Baixa resistência e rigidez que a Poliamida 6.6.

Polimerização:

Diferentemente da maioria dos outros Nylons, PA6 é formado por abertura de

anel-polimerização (uma forma de polimerização de crescimento da cadeia)

como indicado na Figura 25.

Nylon 6 possui Caprolactama em forma pura (anel com 6 átomos de carbono).

Quando Caprolactama é aquecido numa atmosfera inerte de azoto do anel dos

intervalos ela sofre polimerização. (MALLOY, 1996).

Características da Poliamida 66:

A Poliamida 66 é usada para aplicações em que é necessária maior resistência à

temperatura e menor absorção de água do que para a PA6.

Polimerização:

A Poliamida 66 é feita a partir de 1,6-diaminohexano e ácido adípico, dividindo

as moléculas de água (H a partir da amina e OH a partir do ácido, como

mostrado em azul na Figura 26). (MALLOY, 1996).

Figura 25: Etapa de composição da poliamida 6.


39

Vantagens da Poliamida (PA):

Ponto de fusão varia entre 220 ° C e 240 ° C.

Fácil de processar devido à baixa viscosidade de fusão.

Melhor superfície da peça moldada em comparação com PP.

Boa resistência ao impacto.

Contração de moldagem menor do que PP.

Melhor resistência UV.

Desvantagens da Poliamida (PA):

A absorção de água (máximo 9,5%).

Muitas variações dimensionais.

Diminuição de características mecânicas.

Sensíveis a ataques químicos de certos elementos.

Em água a temperaturas elevadas, ela sofre despolimerização.

Figura 26: Etapa de composição da poliamida 66.


40

6.3. Requisitos para um projeto de Coletor de admissão em Polipropileno

(PP)

A partir deste tópico, o foco principal é desenvolver um novo Polipropileno (PP)

que suporte todas as exigências de um coletor de admissão, lembrando que todos os

coletores de admissão no mercado para motores ciclo Otto/Bicombustível são fabricados

desde 1997 em Poliamida 6 ou 66.

Para o início do projeto do coletor de admissão em Polipropileno (PP), foram

tomados por base os seguintes critérios:

Alta cristalinidade.

Peso molecular elevado.

Estabilização térmica alta.

Tendo como base estas características, o projeto do coletor de admissão que é uma

peça de extrema exigência dentro das várias que fazem parte de um motor de combustão

ciclo Otto / Flex Fuel, demonstrou a possibilidade de fazer deste projeto, um projeto com

alta probabilidade de sucesso, sendo assim, poderá observar as seguintes propriedades do

PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) a serem desenvolvidas.

A primeira propriedade foi a identificação da alta cristalinidade, sendo que o

Polipropileno (PPGF35) de alta cristalinidade é uma resina termoplástica produzida da

polimerização de propileno e conhecida por sua alta rigidez, alta resistência ao calor e boa

processabilidade.

41

Esta estrutura altamente ordenada aumenta as resistências térmica e química do

polímero.

A taxa de cristalização é dependente da temperatura: Tm acima e abaixo da Tg do

polímero pode não nucleada ou cristalizar. A taxa mais rápida de cristalização é entre Tg e

Tm. Quanto mais tempo um polímero permanece entre os dois, maior será a quantidade de

cristalização, como pode se observar na Figura 27.

Figura 27: Etapa de cristalização do Polipropileno.


Figura 28: Forma da curva de taxa de cristalização por temperatura de um polímero linear cristalino.


42

Sendo que:

Tg = Temperatura de transição vítrea.

Tm = Temperatura de fusão.

Ainda na fase de desenvolvimento, foram tomados os seguintes pontos de

propriedades do Polipropileno PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT).

Como isso pode ser obtido alta cristalinidade e através de quais componentes, pode

se atingir esta fase, e a primeira medida tomada foi à adição de um agente de nucleação.

Pela adição de agentes de nucleação para polímero, ocorreu que os locais de

nucleação criados foram heterogéneos com massa fundida de polímero e então foi iniciada

a cristalização a temperaturas mais elevadas. Além disso, pelo controle do número de

núcleos, o número e tamanho dos cristalitos de polímero podem ser alterados para obter as

propriedades requeridas.

A maioria dos agentes de nucleação comuns são sais minerais inorgânicos e

pequenas partículas de minerais, os compostos orgânicos, pigmentos orgânicos e sais de

ácidos orgânicos.

Agentes de nucleação são normalmente adicionados em quantidades muito

pequenas (inferiores a 1% em peso), também foi combinado com outros polímeros.

Como agente de nucleação também pode usar polímero semelhante ao polímero de

base, mas com um ponto de fusão mais elevado.

Outro importante dado de entrada foi à busca por um elevado peso molecular, pois

o peso molecular é a soma das massas atómicas dos átomos que compõem molécula e

também porque os polímeros podem consistir de cadeias de moléculas muito longas, que

também pode ter um peso molecular muito elevado.

O fato de que o polímero consiste em cadeias muito longas aumenta a resistência

química e também as propriedades mecânicas, sendo que por outro lado, há também um

aumento da viscosidade devido cadeias longas são emaranhadas.

43

Outro importante dado de entrada foi à capacidade de estabilização térmica alta

deste novo material (Polipropileno PP HC), sendo assim, alguns detalhes mereceram serem

analisados, como, os plásticos tendem a degradar-se termicamente a temperaturas elevadas.

Lembrando que a degradação térmica é uma deterioração molecular, quando

exposto às temperaturas elevadas, os componentes de polímero da cadeia longa tendem a

começar a se separar (cisão molecular) e reagir uns com os outros, o que leva a alteração as

propriedades do polímero.

A degradação térmica geralmente envolve alterações no peso molecular (e

distribuição de peso molecular) e outras propriedades físicas e ópticas.

Visando proteger o material desta degradação térmica, foram adicionados

estabilizantes no material, e eles são usados para manter as cadeias de polímero e a

estrutura molecular original intacta e, por conseguinte, manter as propriedades tais como a

resistência, rigidez e tenacidade a um longo período de tempo.

Estabilizadores podem funcionar numa variedade de maneiras, mas na maioria dos

casos elas funcionam por interromper o ciclo de degradação térmica para retardar ou

impedir o ciclo de preenchimento.

Figura 29: Exemplo de duas cadeias poliméricas emaranhadas.


44

6.4 Estudos de comparação do PP Standard versus o PP HC

A partir do momento da identificação de uma possibilidade de um novo material

que apresentasse condições técnicas gerais para a fabricação de um importante

componentes do motor de combustão, iniciou se um estudo comparativo entre o

Polipropileno (PP) standard de mercado, com o novo material Polipropileno (PP HC), com

isso ocorreu as seguintes reflexões:

Considerando se os produtos com a mesma porcentagem de conteúdo de fibra de vidro, o

uso do novo Polipropileno PP HC gera ganho um considerável aumento as seguintes

propriedades mecânicas:

Rigidez (aumento da resistência à flexão e módulo de elasticidade).

Resistência (tração e tensão de flexão na ruptura).

Propriedades de fluência.

As propriedades térmicas (HDT, Vicat).

É possível atingir uma resistência muito elevada ao envelhecimento.

45

Conforme mostrado na Tabela 3, pode se identificar vários pontos comparativos de

vários testes realizados e que realmente indicam que o novo Polipropileno PP HC,

alcançou propriedades face ao Polipropileno PP GF 35 suficientes para uma aplicação em

coletores de admissão:

Tabela 3: Tabela comparativa entre o PP standard versus o PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT).


46

7. TESTES FÍSCOS EM AMOSTRAS

7.1 Testes de Módulo de Flexão

Para realizar este Teste de Módulo de Flexão, a metodologia aplicada foi conforme

Norma de Propriedades de flexão da ASTM D790. O Módulo de Flexão foi realizado em

uma amostra de PP Standard e em PP de Alta Cristalinidade.

Método para medir comportamento de materiais submetidos a carregamento de viga

simples. Também é chamado de teste de viga transversal para alguns materiais. O corpo de

prova é apoiado em dois pontos como uma viga simples e a carga são aplicadas em seu

ponto médio. A tensão máxima das fibras e a deformação máxima são calculadas para

incrementos de carga. Os resultados são traçados em um diagrama de tensão-deformação, e

a tensão máxima das fibras no colapso é a resistência à flexão.

Os procedimentos padrão para testes são dados na ASTM D-790 (plásticos) e

ASTM D-797 (elastômeros).

Dois procedimentos são usados para testes de flexão conforme pode se observar na

Tabela 4 e Figura 30 (1º procedimento) e na Tabela 5 e Figura 31 (2º procedimento):

Tabela 4: Procedimentos do ensaio de módulo de flexão, configuração do teste.

(Fonte: www.ides.com - acessado em 06 de Maio de 2015)

http://www.ides.com/

47

Figura 30: Ensaio de módulo de flexão, configuração do teste.


Tabela 5: Procedimentos do ensaio de módulo de flexão, ponto máxima tensão / deformação das fibras laterais.


Figura 31: Ensaio de módulo de flexão, ponto de máxima tensão de flexão/deformação das fibras laterais.





48

Com isso, na Figura 33 pode se identificar a diferença no quesito do módulo de

flexão entre o novo Polipropileno PP HC e o Standard, sendo que o novo alcançou com a

mesma quantidade de fibra de vidro, um aumento no módulo de flexão de

aproximadamente 500MPa, isto é, o Standard apresentou 1800 MPa enquanto o novo

apresentou 2300MPa, isto é, um aumento aproximado de 28%:

Figura 33: Gráfico resultante mostra uma tabela comparativa de módulo de flexão entre as porcentagens

de fibra de vidro entre o PP standard versus o novo PPGF35.


Figura 32: Foto do ensaio de módulo de flexão em máquina.



49

7.2 Testes Resistência a Tração

Para realizar este Teste de Tração, a metodologia aplicada foi conforme Norma de

Teste de Tração da ASTM D638.

Método para determinar o comportamento de materiais sob uma carga de

estiramento axial. Os dados obtidos no teste são usados para determinar o limite elástico,

alongamento, módulo de elasticidade, limite proporcional, redução na área, resistência à

tração, ponto de estricção, resistência à estricção e outras propriedades de tração. Os testes

de tensão em temperaturas elevadas fornecem dados sobre a extensão gradual.

Os métodos para testes de tensão de plásticos são explicados na norma ASTM D-

638, ASTM D-2289 (altas taxas de deformação), e ASTM D-882 (folhas finas), enquanto a

norma ASTM D-2343 descreve um método para testes de tensão de fibra de vidro; a

ASTM D-897, adesivos; a ASTM D-412, borracha vulcanizada. Também é conhecido

como teste de tração. (CRAWFORD, 2001).

Figura 34: Teste de tensão conforme ASTM D638 do novo PPGF35.


50

Levando em consideração que a aplicação de um coletor de admissão se dá a

temperaturas próximas à casa dos 100 °C, não somente devido à temperatura do cofre do

motor, mas também devido ao fato de que o Brasil é um país tropical com temperaturas

altas no verão em cidades costeiras, se fez necessário à realização de testes comparativos

de tensão baseados em temperatura controlada, como podemos observar no gráfico de

Teste de Tração a várias temperaturas conforme Figura 35:

Figura 35: Gráfico comparativo do teste de tensão do novo PPGF35.


Figura 36: Ilustração do teste de tração com temperatura controlada em forno conforme ASTM D638

no novo PPGF35.


51

8. ESTUDOS COMPARATIVOS

8.1 Estudos de comparação do Polipropileno (PP HC) versus a Poliamida

6 (PA 6)

Ao se considerarmos os produtos com o mesmo encolhimento de moldagem, a

utilização de PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) fez aumentar as seguintes propriedades

mecânicas:

Rigidez (aumento da resistência à flexão e módulo de elasticidade).

Resistência ao impacto superior.

É possível atingir uma resistência muito elevada o envelhecimento.

Na tabela mostrada na Tabela 6, pode se identificar vários pontos comparativos de

vários testes realizados e que realmente indicam que o novo Polipropileno PP HC,

alcançou propriedades face à Poliamida PA6 GF 30 suficientes para uma aplicação em

coletores de admissão:

Tabela 6: Tabela comparativa entre as propriedades do PA6 GF30 standard versus o novo PPGF35.


52

Na Figura 37, pode se identificar a diferença no quesito da resistência à tração e

tensão de tração na ruptura entre o novo Polipropileno PP HC e a Poliamida PA 6 GF30,

concluiu se que a Poliamida PA 6 GF30, apresentou 170 Mpa de resistência à tração ao

mesmo tempo em que o novo material Polipropileno PP HC, alcançou 110 Mpa, isto é,

55% a menor em relação ao PA6 GF30, com isso, verifica se que o PA6 GF30 continua

sendo tecnicamente superior ao novo material.

Ainda analisando os resultados da Figura 37, para compensar esta inferioridade de

quase 55% menor de tração à ruptura, foi incluído reforços “ribs” na geometria de

construção do Coletor de Admissão.

Figura 37: Gráfico comparativo do ensaio de tração na ruptura entre o PA6 GF30 standard versus

o novo PPGF35.


53

No outro gráfico da Figura 38, pode se verificar que o módulo de elasticidade foi

influenciado diretamente pela porcentagem de fibra (%) e que ocorreu no novo

Polipropileno PP HC uma baixa no índice do módulo de flexão em torno que 5000 MPa

enquanto a Poliamida PA6 GF30 se estabilizou em torno de 3500 MPa em 100° C de

temperatura.

Este novo PPGF35 representa uma nova família de polipropileno copolímero homo

e com talco e com carbonato de cálcio, este produto foi desenvolvido para aplicação

técnica de envelhecimento em diferentes condições térmicas.

A estabilidade dimensional e esperam características combinadas para melhorar as

propriedades mecânicas a fim de se obter uma melhor solução para aplicações estéticas e

técnicas para o setor automotivo.

Figura 38: Figura comparativa do ensaio de módulo de flexão entre o PA6 GF30 standard versus o

novo PPGF35.


54

8.2 Testes de Impacto

Trata-se de um teste de resistência ao impacto, este método chamado Izod segundo

a Norma ASTM D-256, visa medir a energia necessária para romper um corpo de prova

injetado sob condições padronizadas. O ensaio é realizado em pêndulo de impacto,

semelhante ao pêndulo do teste Charpy, entretanto a fixação e posição do corpo de prova

são específicas do teste, já no ensaio Izod o corpo de prova é fixado por um par de garras

na posição vertical.

Quando o pendulo da máquina de teste Izod é liberado ele oscila na direção

descendente e atinge o corpo de prova na posição vertical do braço. O corpo de prova é

quebrado. O braço do pendulo continua seu movimento, com redução de momentum

devido à energia absorvida pelo corpo de prova no instante do impacto. Uma escala

graduada fornece a leitura da energia gasta na fratura do corpo de prova demostrada nas

Figuras 39 e 40.

Figura 39: Padrão de corpo de ensaio em mm (milímetro) para corpo de prova teste Izod (ASTM D-256).


Figura 40: Padrão de prova teste Izod e Charpy (ASTM D-256).




55

Os testes de resistência ao impacto são eminentemente comparativos e, portanto

muito úteis neste caso que estamos comparando dois materiais, porém é importante

salientar que o método de resistência ao impacto Izod não deve ser isolado como único

indicador da tenacidade dos materiais testados, pois cada polímero se comporta de forma

diferente e sensíveis ao entalhe no corpo de prova, portanto é necessário uma repetitividade

dos testes pelo menos com 6 corpos de prova para se buscar uma leitura correta dos

resultados dos testes.

Após os testes comparativos entre PPGF35 (TECNOPRENE AK7 HCT) versus

PA6 30% GF verificou os seguintes pontos em relação a revestimentos para fibras de

vidro:

As fibras de vidro têm de ser revestidas para ter uma boa adesão à matriz do

polímero.

Os agentes de acoplamento mais utilizados em fibras de vidro são de três

tipos:

Ƴ - aminopropil-trietoxi-silano: polipropileno, poliamida.

Ƴ - glicidoxipropil silano: acrílicos, poli sulfetos, polipropileno.

Silano metacriloxi: polietileno, polipropileno, poliéster, estirenos.

PA é do Grupo dos Nylons e é um termoplástico polar típica. Seus grupos

finais interagem com o silano aminopropyl para gerar uma rede de ligações

de H tridimensional. Por esta razão, não é necessária a introdução de grupos

de ponte em compósito para facilitar a adesão entre a superfície tratada das

fibras de vidro e a matriz de polímero.

56

PP é do Grupo dos Poliolefinas e são os materiais não polares, por esta

razão, uma combinação de fibras de vidro adequado ao dimensionamento e

a adição de um acoplamento químico promotor foi necessária. Um número

de monómeros é tipicamente usado para funcionalizar as poliolefinas, por

exemplo, ácido acrílico, anidrido maleico, ácido fumárico, etc. Enxertado

com anidrido maleico compatibilizantes ao PP constituem a maioria dos

compostos quimicamente acoplados produzidos hoje.

9. TESTES COMPUTACIONAIS

9.1 Simulações através de um modelo matemático

A simulação numérica chamada “CFD (Computational Fluid Dynamics)”, é uma

ferramenta de enorme capacidade de simulação através de um modelo matemático, isto é,

um desenho 3D com dimensões reais do coletor de admissão a ser projetado e construído,

esta simulação pode ser descrita de forma generalizada como a simulação numérica de

todos aqueles processos físicos e/ou físico-químicos que apresentam escoamento, neste

caso, o escoamento se dá devido ao fato do coletor de admissão proporcionar a entrada de

ar dentro da câmara de combustão do motor, essa entrada deve se dar a partir de um fluxo

de turbulência controlado que proporciona um fenômeno de ciclone na admissão do ar,

fazendo com que o fluxo de combustível se misture de forte efetiva dentro da câmara de

combustão, resultando em uma melhor estequiometria da mistura ar/combustível e

consequentemente um melhor queima sem excessos. (HEYWOOD, 1998).

57

Para este modelo em 3D foi utilizado o software PRO_E, (Pro-Engineer) de um

coletor de um motor três cilindros em fase de projeto conforme Figuras 41 e 42.

Figura 41: Tela do PRO-E do modelo matemático do coletor de admissão três cilindros.

(Fonte: acervo próprio).

Figura 42: Simulação CFD de entrada do fluxo de ar na câmara de combustão.


58

A Teoria do Contínuo fundamenta a conceituação teórica que justifica a maior parte

das análises em CFD. O fluido, um meio contínuo, é discretizado com base no modelo das

partículas fluidas. Esta abstração conceitua um elemento representativo de volume REV

(Representative Element of Volume).

Neste elemento de volume, de micro ou nano dimensões, uma propriedade ou

quantidade física mantem um valor médio, sob as mesmas condições, passível de

reprodução em laboratório, sob as mesmas solicitações externas ao fluido. Assim uma

partícula representativa de um volume de fluido, o REV, é o menor volume em que as

propriedades do fluido se mantêm. As moléculas de um contínuo vibram constantemente,

cessando esta vibração somente no estado de repouso termodinâmico, o zero absoluto.

Fisicamente em um REV o caminho médio percorrido pelas moléculas do fluido entre duas

sucessivas é no mínimo da ordem de grandeza das próprias moléculas deste fluido.

(HEYWOOD, 1998).

Uma vez fechado o projeto no quesito volume interno do coletor de admissão,

espessura de parede mínima de 3 mm e por fim, o design externo, a necessidade da

simulação CDF para este modelo, passou a ser focada utilizando-se informações de

comportamento químico/físico/mecânico do motor em questão, e estes dados de entrada

são fornecidos através de Softwares de simulação de motores de ultima geração, neste caso

o GT-Power.

9.2 Simulações CAE

A simulação CAE (Computer Aided Engineering) ou engenharia assistida por

computador, é uma ferramenta que auxilia as empresas do setor de engenharia no

desenvolvimento e aperfeiçoamento de produtos. Com o suporte do computador, é possível

realizar diferentes análises estáticas, de fluidos, dinâmicas, térmicas, eletromagnéticas,

acústicas, entre outras que proporcionam benefícios como a redução de custos e de tempo

na elaboração do projeto, aumento da produtividade, facilidade na detecção de erros e

auxílio na identificação de soluções. (PETER; GOSMAN, 1993).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica_de_meios_cont%C3%ADnuos

http://pt.wikipedia.org/wiki/Fluido

http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_das_part%C3%ADculas_fluidas

http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_das_part%C3%ADculas_fluidas

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Elemento_representativo_de_volume&action=edit&redlink=1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Micro

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nano

http://pt.wikipedia.org/wiki/Propriedade

http://pt.wikipedia.org/wiki/Quantidade_f%C3%ADsica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Zero_absoluto

http://pt.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culas

59

Como o comportamento dos materiais (PA6GF30 VS PPGF35) é relativamente

diferentes, isto traz a necessidade de se alterar a geometria e como consequência avaliar as

mesmas com simulações utilizando-se de software tais como GT-Power, Nastran, etc.

Com isto, foram realizadas as seguintes simulações:

9.3 Análises Estruturais

Análise Estrutural: na qual foi utilizado o software Nastran, que é

responsável por reduzir o custo de desenvolvimento de produtos, pois

construir um modelo computacional e testar o desempenho digitalmente é

mais barato, rápido e efetivo do que os processos de prototipagem física que

ele substitui. Com o aumento na qualidade do produto, as empresas também

economizam em custos de garantia potenciais conforme Figura 43. (PETER;

GOSMAN, 1993).

Figura 43: Modelo matemático do coletor de admissão, durante a simulação CDF estrutural.


60

9.4 Análises de Fluxo do Material (Mold Flow)

Análise de Fluxo do Material: esta simulação de injeção de plástico também

conhecida como Moldflow ou FEA (Finite Element Analysis), em português

Analise de Elementos Finitos, se trata de uma Análise Reológica em

Plásticos, O Moldflow é um dos principais softwares de simulação de

injeção e modelagem de plásticos do mercado, utilizado por milhares de

empresas em todo o mundo e, que permite a simulação do preenchimento e

recalque da peça, incluindo a análise de balanceamento de canais

deformação do produto. O objetivo é reduzir os erros de produtos e moldes

diagnosticando as não conformidades antes da construção do ferramental

conforme Figura 44. (PETER; GOSMAN, 1993).

Figura 44: Tela do Moldflow que mostra a análise do fluxo do material e regiões críticas

durante a injeção do coletor de admissão.


61

9.5 Simulações do Fluxo de Ar

Simulação do Fluxo de Ar: no caso desta simulação, utilizamos o software

muito conhecido, o Ansys, este software é realmente o estado da arte que o

desenvolvimento tem o intuito de apresentar o desempenho da simulação

computacional e em alguns casos que podem ser considerados clássicos no

estudo de mecânica dos fluidos e transferência de calor, pra tanto, foi

utilizado o software comercial Ansys-CFX 12.1, que utiliza como base o

método dos volumes finitos, neste estudo, foi possível identificar o

comportamento do fluxo interno do coletor de admissão, bem como, o

resultado final do comportamento da mistura ar combustível /

estequiometria dentro da câmara de combustão conforme Figura 45.

(PETER; GOSMAN, 1993).

Figura 45: Modelo matemático que mostra a análise CFD (fluxo de ar)


62

9.6 Simulações Acústicas e de Performance Acústica

Simulação Acústica e de Desempenho Acústica: estas simulações,

utilizamos o software GT-Power e 3D Actran assim respectivamente, que

representa o estado arte quando pesquisamos comportamento de motores de

combustão, ele tem a capacidade de definir toda a concepção, característica,

desempenho e desenvolvimento de um motor. Hoje em dia, é utilizado por

todas as montadoras e fabricantes de motores, para um melhor projeto do

motor, realizando simulações de alto valor agregado e economizando muito

tempo e dinheiro na concepção de novos motores conforme Figuras 46 e 47.

Figura 46: Forma esquemática da simulação do perfil da nova geometria de um coletor de

admissão de 3 cilindros.


63

Figura 47: Forma esquemática da simulação acústica do coletor de admissão 3 cilindros com

curva de performance e radiação de ruídos.


64

9.7 Pré-desenvolvimento do Coletor de admissão em PP

De posse de todos os resultados das validações e simulação via CAE (Computer

Aided Engineering), verificou-se que realmente era viável começar o projeto e

desenvolvimento de um novo motor e, que o coletor de admissão alcançou ótimo

resultados nas simulações, uma vez definido geometria, comprimento dos condutos,

material e os dados de entrada do comportamento físico/mecânico do novo motor de 3

(três) cilindros, o próximo passo era construir amostras representativas em molde de

alumínio, para a fabricação posterior das mesmas, para início das validações em peça

física. Em razão da alteração da matéria prima, neste tópico iremos abordar os principais

passos para um pré-desenvolvimento e validação de um coletor de admissão em

polipropileno (PP). Durante um pré- desenvolvimento (principalmente de novo conceito

em PP) tem que se seguir um longo caminho para validar um novo produto conforme

Figura 48.

Figura 48: As muitas etapas de um pré-desenvolvimento de um coletor de admissão.


65

10. TESTES EM PROTÓTIPOS FÍSICOS

10.1 Testes de Validação do novo Conjunto em PP

Após os ensaios de simulações e o desenvolvimento de um novo material, foi

necessário à construção de amostras de um ferramental de baixa produção “soft-tooling” e

em seguida o início dos testes funcionais conforme seguem abaixo:

10.2 Avaliações em dinamômetro (1°. Teste funcional)

Em dinamômetro, é aonde se executam pelo menos 50% dos testes de validação do

conceito e validação do produto, são eles:

• Testes de durabilidade do motor

• Testes de calibração

• Testes de sistema de ventilação do motor (Blow-by)

• Testes de partida a frio

Figura 49: Cabine de dinamômetro / teste de motores.


66

O principal equipamento do laboratório de ensaio de motores é o dinamômetro. Os

motores são submetidos a testes ou ensaios para que se possa assegurar da sua potência e

demais características construtivas. O teste de potência é o principal e é feito para todos os

motores novos ainda em fase de projeto ou que saem da linha de montagem nas fábricas.

Há muitas versões, tipos e modelos de dinamômetros disponíveis atualmente,

porém todos se baseiam nos princípios físicos adotados no primeiro dispositivo do gênero,

conhecido como FREIO DE PRONY, inventado em 1821 pelo engenheiro francês Gaspard

de Prony. Dentre os diversos tipos de dinamômetros, os do tipo hidráulico se destacam por

sua simplicidade e menor custo. Para informações detalhadas, veja as páginas ao lado.

(PRONY, 1821).

Testes de motores em fase de pesquisa e desenvolvimento nas montadoras de

automóveis exigem testes sofisticados em motores e as mesmas montadoras estão

geralmente interessadas em desenvolver motores que atendem aos seguintes objetivos:

Proporcionar uma elevada eficiência em relação a consumo de combustível.

Para melhorar a durabilidade e dirigibilidade.

Para estar em conformidade com a legislação de emissão relevante.

Consequentemente, um departamento R&D (Research & Development) das

montadoras, trabalha em ensaio de motores que permitem um exercício de

desenvolvimento por meio de medição, controle e registro de diversas variáveis relevantes

do motor e tais testes típicos tendem a determinar conforme segue:

Determinar a eficiência de combustível e dirigibilidade por meio de teste de

desempenho e de torque-velocidade em condições de estado estacionário e

transitórios.

Determinar Durabilidade por meio de ensaios, testes de óleo e lubrificação

de envelhecimento.

67

Determinar o cumprimento de legislações de emissões relevantes por meio

de ensaios de emissões volumétricos e de massa mais ciclos de testes de

emissão estabelecidos.

Obter mais conhecimento sobre o próprio motor por meio de exercício de

mapeamento do motor ou o desenvolvimento de mapas de entrada-saída multidimensionais

entre as variáveis de motores diferentes, como por exemplo, um mapa de pressão do

coletor de admissão e da rotação do motor a taxa de fluxo de ar de admissão.

Após os testes de dinamômetros, observamos que o comportamento do motor 1.0 l

de 3 cilindros, foi um próximo ao de 1.0 l de 4 cilindros, isto, é em 3.000 RPM comum

tanto para a utilização de gasolina ou álcool, os valores encontrados foram muito próximos.

Figura 50: Curva característica do motor.


68

Com isso, pode-se observar que o novo motor é bem econômico e nem por ser um

motor 1.0l de três cilindros possui uma velocidade e desempenho menor que os motores

1.0l de quatro cilindros.

Tabela 7: Tabela de torque e potência do motor.


69

10.3 Avaliações de teste de estouro (Backfire) em laboratório

Os testes laboratoriais envolvendo importantes peças de motor são de suma

importância para tornar um projeto robusto, correto e bem sucedido, com isso e, devido a

sermos um país de conotação “bad fuel country” (país de combustível ruim), estamos

sujeitos a um fenômeno chamado Backfire, que se trata do retorno de uma explosão ocorre

dentro da câmara de combustão e que por um desgaste ou vazamento no comando de

válvula, esta explosão retorna ao coletor de admissão, fazendo com que o mesmo exploda.

O que é Backfire?

É o termo usado quando ocorrem fenômenos de uma série de pequenas explosões

dentro da câmara de combustão. Às vezes, estas explosões podem acontecer fora desta

câmara, como nas válvulas de admissão e nas suas sedes. Quando isto ocorre, o

combustível começa a explodir/queimar antes que as válvulas de admissão possam se

fechar completamente.

Quando estas explosões acontecem, um estrondo alto é ouvido tipicamente, e pode

ser possível ver uma chama intensa pelo sistema de admissão de ar conforme Figura 51.

Figura 51: Simulação do fenômeno de Backfire.


70

Causas Relacionadas para Abastecer Sistemas:

Baixa pressão de combustível pode causar o Backfire, desgaste em sede de válvula,

mínimo atraso na válvula de admissão em se fechar, alta condutividade no combustível e

volatilidade nas centelhas da vela.

Se qualquer faísca da vela, ou até mesmo fricção suficiente poderia acender este

combustível e causar uma contraexplosão.

O objetivo deste teste é simular a resistência de um coletor de admissão a uma

condição de retorno de explosão na câmara do coletor de admissão (Backfire).

Este teste é muito importante principalmente no nosso caso que estamos

trabalhando com uma nova matéria prima e, que não sabíamos como a mesma poderia se

comportar.

Este teste é muito importante principalmente no nosso caso que estamos

trabalhando com uma nova matéria prima e, que não sabíamos como a mesma poderia se

comportar. (HEYWOOD, 1988).

Figura 52: Gráfico de teste de estouro.


71

Como pode se verificar, a primeira amostra alcançou 4,3 bar em 20 segundos, a

segunda amostra alcançou 4,4 bar em 30 segundos, a quarta amostra alcançou 5 bar em 24

segundos e por fim após todas as melhorias, a sétima amostra alcançou 4,8 bar em 73

segundos.

Levando se em consideração que o fenômeno Backfire ocorre em algo próximo de

3 bar, por a pressão interna do sistema de combustível é controlado pelo regulador de

pressão em torno de 3 a 3,5 bar, concluiu se que não é necessário ter um coletor de

Poliamida PA6 que suporte 8 bar.

Após esta análise, observou se que o Polipropileno PPGF35(TECNOPRENE AK7

HCT), pode ter capacidade de menor que a Poliamida PA6 GF35 em relação ao teste de

estouro, pois a Poliamida PA6, mas o mesmo suporta 5 bar de pressão de estouro e, que é

mais do que suficiente para aplica-lo em um coletor de admissão, pois o mesmo suporta 5

bar em 24 segundos, lembrando que o fenômeno Backfire ocorre no máximo em 3

segundos.

72

10.4 Avaliações Acústicas

A avaliação acústica de um motor de combustão é de grande importância, pois ela

interage diretamente com o usuário final, isto é, o consumidor. Motores mal dimensionados

ou mal validados causam vários ruídos nos sistemas veiculares, como resultados de

vibração na suspenção, dirigibilidade ruim, ruídos internos, etc.

A norma americana ANSI S3.1 (1977), determina que a comunicação oral entre

duas pessoas em um campo acústico livre de 1m é efetuada em níveis normais da voz e

gera um ruído próximo de 65dB.

Levando em consideração a voz feminina, este fator é recalculado para 60dB,

então, valores entre 60 a 65dB são normais entre seres humanos durante uma conversa

normal corriqueira.

Para veículos de passageiros pequenos, como é o caso da utilização deste motor, a

norma brasileira NBR 362 (Acústica - Medição Do Ruído Emitido Por Veículos

Rodoviários Automotores Em Aceleração), determina um ruído entre 60 a 65dB a 80 km/h.

Algumas pesquisas e testes, já reportaram que o nível de pressão sonora do ruído do

motor com lastro de carga, isto é, em média de dois passageiros por veículo, este nível

aumenta em 5dB por cada 1000rpm e, que o efeito da carga do motor gera um acréscimo

de ruído de 2dB. (CLARENCE 1999).

Levando em consideração a relação entre o lastro de carga do motor, o giro e o

ruído resultante, os objetivos deste teste, é realmente medir se um motor de três cilindros e

com um coletor de admissão em PP GF35 irá proporcionar ao conjunto final veículo mais

motorização, uma harmonização e satisfação para o usuário final, com isso, devemos levar

em consideração as seguintes observações:

Em 80 km/h o ruído deve ser de 65dB.

Em 120 km/h o ruído poderá atingir 70dB.

Sob lastro de carga, e com 02 passageiros em média, o ruído deverá ser de

55dB a 1000rpm.

73

Para realizar se a avaliação acústica, utilização do programa GT-POWER que

utilizam a simulação para guiar o desenvolvimento de sistemas de admissão e escape,

especialmente com respeito ao desempenho acústico de admissão e sistema de escape.

Com isso, o GT-POWER intrinsecamente capta a dinâmica de ondas de pressão dentro do

sistema simulado e essas dinâmicas de onda de pressão resultam em ruído sendo propagado

a partir das aberturas de admissão e de escape do motor, e GT-POWER é capaz de

computar ambos os níveis e qualidade (teor de frequência) do ruído propagação do escape

tubo de escape e tubo de aspiração de ar e consequentemente do coletor de admissão.

Para a medição de toda essa dinâmica, este teste é realizado dentre de uma câmara

anecóica que quer dizer sem eco, que se trata de um laboratório totalmente acústico livre de

ruídos externos, é uma sala projetada para conter reflexões, tanto de ondas sonoras quanto

eletromagnéticas. Elas também são isoladas de fontes externas de ruído. A combinação de

ambos os aspectos significa que elas simulam um espaço aberto de dimensão infinita, que é

uma característica útil quando influências externas podem interferir nos resultados. O

termo câmara anecoica foi originalmente utilizado no contexto de acústica (ondas sonoras)

para minimizar as reflexões em uma sala. (CLARENCE 1999).

Figura 53: Foto do teste de avaliação acústica em câmera anecóica para medição de ruído.


74

Câmaras anecoicas podem variar desde pequenos compartimentos do tamanho de

um forno de microondas doméstico até o tamanho de grandes hangares para aeronaves. O

tamanho da câmara depende do tamanho do objeto a ser testado e do espectro de

frequência dos sinais utilizados, apesar de modelos em escala poderem ser utilizados

algumas vezes para testar comprimentos de onda menores. (CLARENCE 1999).

No nosso caso foi utilizada uma camara anecóica com capacidade de montar um

dinamômetro de motor incluindo, microfones para a previsão de ruído irradiado de

ingestão de abertura / escape, software CAD 3D para leitura e interpretação dos dados

resultantes para a geração do gráfico da Figura 54.

(

Figura 54: Gráfico de simulação acústica para medição de ruído do Software GT-Power.


75

O baseline inicial determinado pela norma NBR 362 (1998) foi de 80dB a 1000rpm

e o baseline final foi de 100dB a 6000rpm. Todas as quatro amostras utilizadas ficaram

abaixo do baseline, isto é, com níveis de ruídos iniciais em torno de 75dB a 1000rpm e

níveis finais em torno de 90dB a 6000rpm.

Isto é em baixa rotação ocorreu um resultado de quase 7% a menor e em alta

rotação, ocorreu um resultado de quase 11% a menor dos valores estipulados pela norma,

com isso, este motor resultou em um bom desempenho no quesito ruído.

A seguir temos o método utilizado na prática, utilizando-se um veículo de teste:

O ensaio foi conduzido utilizando um analisador de ruído global com as seguintes

características:

Spam de frequência: 1.6KHZ

Tempo de média: 1/16 SEG.

Atenuação: A.

Foram tomadas as medições nas seguintes formas e condições:

Coletor de admissão três cilindros.

Marcha lenta.

Aceleração lenta.

Aceleração rápida.

Coletor em série.

Marcha lenta.

Aceleração lenta.

Aceleração rápida.

76

Em ambos os coletores, foram realizados testes com e sem o filtro de ar:

Montagem dos microfones conforme segue foto:

Figura 55: Foto mostra a montagem dos microfones em veículo para medição acústica


Figura 56: Foto mostra a montagem dos microfones em veículo para medição acústica.


77

Na Tabela 8, mostram os resultados obtidos nas medições das Figuras 55 e 56:

Os gráficos dos testes podem ser vistos nas Figuras 57 a 61:

Tabela 8: Resultados obtidos com a medição acústica veicular através da montagem de microfones.


Figura 57: Resultados obtidos com a medição acústica veicular através da montagem de microfones.


78





79





80

Conclusões das medições acústicas:

O ruído, objetivo do presente ensaio, advém da formação de ondas de

expansão oriundas da abertura abrupta da válvula borboleta, dando a

impressão e implosão suave.

Um fenômeno físico associado a este ruído acima citado é o de propagação

de ondas de compressão para o interior do coletor de admissão, em direção

às válvulas de admissão, através do Plenum, ressonador de Helmholtz e do

Runners.

Os espectros acústicos obtidos demonstram que o efeito observado está presente

tanto no veículo equipado com o coletor de admissão de 3 Cilindros e o de 4 Cilindros

atual, apresentando valores muito próximos, cuja disparidade pode ter sido causada apenas

pelo fator humano.

81

Para se ter uma avaliação mais coerente e adequada aos fins que se destinam a

presente comparação, torna-se necessária a repetição destas medidas com maior rigor

experimental, devendo-se:

Utilizar um veículo de série e um veículo de teste de mesmo modelo e ano

de fabricação, com motores semelhantes, todos dotados de corpo de

borboleta de mesmo modelo e abastecido com o mesmo combustível.

Utilizar equipamento adequado e repetitivo para submeter ambos os corpos

de borboleta à mesma abertura abrupta e suave, determinando-se o critério

de separação de ambas as situações, para finalidade de referência

experimental.

Configurar cada medida experimental, com dois eventos simultâneos de

ruído, com os respectivos registros no domínio do tempo e processamento

digital no domínio da frequência.

O procedimento experimental deve ser realizado, através das seguintes práticas:

O veículo de série deve ser equipado com o respectivo coletor de admissão

e respectivo filtro de ar.

O veículo de teste deve ser equipado com o coletor de admissão e respectivo

filtro de ar.

As medidas experimentais devem ser realizadas próximas à exaustão do

corpo de borboleta e à parede do ressonador de Helmholtz mais distante do

corpo de borboleta, na seguinte sequência. (CLARENCE 1999).

82

11. TESTES DE APARAFUSAMENTO

Para este novo desenvolvimento, a ideia era não utilizar a fixação de componentes

no coletor de admissão através de fixação em insertos metálicos roscados e sim, utilizar a

montagem de um componente como o do corpo de borboleta através de parafusos auto-

atarraxantes.

Com isso, o novo material Polipropileno PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT),

deveria ser aprovado no teste de aparafusamento, pois se faz necessário reavaliar os pontos

aonde será feitas as fixações, porque principalmente são feitas diretamente no novo

material em desenvolvimento.

Baseando-se na Teoria de Aparafusamento, que verifica as funções básicas dos

parafusos, insertos e porcas, lembrando sempre que estes prendedores rosqueados são

utilizados na indústria para proteger os produtos alinhados e montadoras entre si e que sua

função principal é criar uma força de fixação através desta junção e que necessita ser capaz

de sustentar as condições de operação sem afrouxar.

Parafusos apertados corretamente fazem uso de suas propriedades elásticas, para

trabalhar bem, eles devem se comportar como molas. Quando a carga é aplicada, o

parafuso se distende e tenta voltar a seu comprimento original, e isto cria força

compressiva através das partes, que neste caso não era mais um inserto metálico e sim, um

material plástico.

Esta elasticidade é definida pela Lei de Física de Hooke, isto é, a tensão em um

parafuso é diretamente proporcional à sua força, a força de tensão em um parafuso é uma

amplitude de elasticidade e uma amplitude de plasticidade, na amplitude de elasticidade, a

Lei de Hooke é verdadeira. (ENERPAC, 2015).

83

Todo o alongamento aplicado dentro da amplitude de elasticidade é aliviado

quando a carga é removida. A quantidade de alongamento aumenta quando mais carga é

aplicada, isto é, quando um parafuso é tensionado além de seu teste de carga (carga

máxima sob a qual um parafuso se comportará de forma elástica), o alongamento elástico

muda para deformação plástica e a força não mais será proporcional à tensão. (ENERPAC,

2015).

Métodos de aperto: existem, principalmente, duas formas de aperto: “Sem

Controle” e “Controlado”.

Aperto sem controle: utiliza equipamento e/ou procedimentos que não podem

ser mensurados. Pré-carga é aplicada a uma montagem de parafuso e porca,

usando martelo e chave de boca ou outros tipos de ferramentas de impacto.

Aperto controlado: emprega equipamento mensurado e calibrado, segue os

procedimentos prescritos e é realizado por pessoal treinado, existem duas

técnicas principais, o aperto por torque e o tensionamento do parafuso,

conforme segue:

Figura 62: Ilustração da Lei de Física de Hooke.

(Fonte: Site Enerpac http://www.enerpac.com/pt/teoria-de-aparafusamento acessado em 19 de Maio de 2015).

http://www.enerpac.com/pt/teoria-de-aparafusamento

84

1. Aperto por torque: Alcança a Pré-carga na montagem de parafuso e porca,

através da porca, usando uma ferramenta de maneira controlada.

2. Tensionamento do parafuso: Alcança a Pré-carga na montagem de parafuso e

porca, tensionando o parafuso em seu eixo, com o uso de uma ferramenta.

Na figura 63 a seguir, mostra o teste de aparafusamento da galeria de

combustível:

.

Figura 63: Ilustração do aparafusamento do suporte da válvula purga do canister por parafuso autoatarraxante

diretamente no coletor de admissão.

(Fonte: Empresa Böllhoff).

85

Observa se na Figura 64 que o teste de aperto chegou a 7Nm, com referência à

Norma ISO 5393 (1994), todo o alongamento aplicado dentro da amplitude de elasticidade

é aliviado quando a carga é removida. A quantidade de alongamento aumenta quando mais

carga é aplicada, isto é, quando um parafuso é tensionado além de seu teste de carga (carga

máxima sob a qual um parafuso se comportará de forma elástica), o alongamento elástico

muda para deformação plástica e a força não mais será proporcional à tensão.

Abaixo na figura 65, pode se observar a fórmula utilizada para cálculos básicos de

teste de aparafusamento. (ATLAS COPCO, 2015).

Figura 64: Teste de aparafusamento direto no coletor de admissão em plástico.

(Fonte: Empresa Böllhoff).

Figura 65: Ilustração da fórmula de cálculo de torque.

(Fonte: Empresa Atlas Copco site www.atlascopco.com.br acessado em 19 de Maio de 2015)

http://www.atlascopco.com.br/

86

Torque é o produto da força de aperto e a distância perpendicular entre a linha da

força e o centro do parafuso, conforme equação seguinte:

T = F x R

Onde:

T = Torque

F = Força aplicada

R = Distância entre a Força aplicada e o centro do parafuso

Tal conceito, pode se observar na Figura 66, onde é conclusivo que quanto maior à

distância para a mesma força aplicada, maior será o torque produzido no eixo:

Figura 66: Ilustração do conceito de torque.

(Fonte: Empresa Atlas Copco site www.atlascopco.com.br acessado em 19 de Maio de 2015)

http://www.atlascopco.com.br/

87

12. ENSAIOS VIBRACIONAIS EM BANCADA

Para se realizar uma análise do conteúdo das frequências, devemos realizar os

cálculos através da função matemática desenvolvida pelo físico e matemático francês Jean

Baptiste Fourier (1768-1830), sendo que o cálculo de Fourier quando aplicado ao sinal x(t)

que se desenvolve no tempo e faz a sua transposição para o domínio da frequência X

(𝜔), conforme a equação a seguir: (ALMEIDA, 2003).

𝑋 (𝜔) = ∫ 𝑋(𝑡)𝑒−𝑖𝜔 +∞

−∞dt

Existem diversas formas de quantificar e calcular o valor da vibração, dentre as

quais se destacam técnicas de medição que levam em consideração as amplitudes das

oscilações, tipo zero-a-pico e pico-a-pico, sendo os níveis de vibração em função de tempo,

encontrando-se o valor médio, e o nível de energia de vibração, que resulta em um valor

quadrático médio como se vê na figura 67 a seguir: (ALMEIDA, 2003).

Para medir o nível vibratório em equipamentos de uma maneira mais básica, existe

a medida do Valor Global de Vibração (overall), que consiste em expor através de um

único número a quantificação das excitações em todas as faixas de frequência (banda

larga). A determinação desse parâmetro emprega a medição e compilação da intensidade

total de vibração presente nos espectros coletados. O Valor Global poderá ser obtido para

quaisquer grandezas que se desejem avaliar (deslocamento, velocidade ou aceleração).

Figura 67: Representação gráfica das formas de quantificação de vibração.

(Fonte: ALMEIDA, 2003).

88

De maneira prática, pode se afirmar que consiste em realizar o somatório das

influências de cada frequência na energia total de vibração atuando sobre o equipamento

(ALMEIDA, 2003).

Para fechar este novo desenvolvimento com certeza que o novo material

Polipropileno PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT) poderia ser aprovado para uma

aplicação tão crítica como um coletor de admissão, foi realizado o teste de vibração, que

serve para sinalizar uma possível quebra do componente em um tempo bem menor que o

de uma durabilidade veicular, pois normalmente podemos aplicar as frequências mais

criticas.

A vantagem é diagnosticar um módulo de falha ainda em uma fase do projeto que

haja tempo de corrigir qualquer anomalia sem que haja uma perda de todo o

desenvolvimento feito até então.

Em um ensaio e posterior análise de vibração em um motor de combustão interna,

observa se que as maiores fontes de vibrações são produzidas pelas forças devido à

combustão e explosão interna e também devido às forças mecânicas resultantes, tais forças

ocorrem numa ampla faixa de frequência e são transmitidas para a superfície externa do

motor através de diversos caminhos, sendo que um deles é através do mecanismo pistão -

biela - virabrequim - bloco do motor. (BRUNETTI, 2012).

Figura 68: Ilustração do mecanismo pistão – biela – virabrequim.

(Fonte: ROCHA, 2009).

89

Como resultado da atuação destas forças, as superfícies externas do motor ficam

sujeitas a vibrações de diversas amplitudes.

O controle de vibrações do motor através da modificação de sua estrutura (bloco do

motor e cabeçote) é uma tarefa complexa e requer considerações de diversos aspectos da

engenharia, tais como a análise modal, análise de amortecimento, análise de serie de

tempo, entre outros.

O objetivo desse trabalho é a aplicação dos novos métodos para serem aplicados a

problema típicos de vibrações e ruídos em motores, que consiste da aplicação conjunta de

técnicas analíticas e experimentais, para estudos de estruturas submetidas a altas

amplitudes de vibrações.

A vibração é uma resposta repetitiva, periódica ou oscilatória de um sistema

mecânico e a taxa dos ciclos de vibração é chamada de "frequência", sendo movimentos

repetitivos que são um tanto limpa e regular, e que ocorrem em frequências relativamente

baixas, são comumente chamados de oscilações, enquanto qualquer movimento repetitivo,

mesmo em altas frequências, com amplitudes baixas, ter um comportamento irregular e

aleatório cai na classe geral de vibração.

Vibrações podem ocorrem naturalmente em um sistema de engenharia e pode ser

representante de sua livre e comportamento dinâmico natural. Além disso, as vibrações

podem ser forçadas em um sistema através de alguma forma de excitação. As forças de

excitação podem ser geradas internamente dentro do sistema dinâmico, ou transmitida ao

sistema através de uma fonte externa.

Quando a frequência da excitação coincide com a do movimento natural, o sistema

irá responder de forma mais vigorosa, com aumento de amplitude. Esta condição é

conhecida como ressonância, e a frequência associada, e chamada de frequência de

ressonância. (CLARENCE, 1999).

90

Há "boas vibrações", que servem a um propósito útil, mas, além disso, existem

"más vibrações", que podem ser desagradáveis ou prejudiciais, para muitos sistemas de

engenharia, operação de ressonância seria indesejável e pode ser destrutivo, sendo que a

supressão ou eliminação de vibrações ruins e geração de formas desejadas e os níveis de

vibração boa são os objetivos gerais da engenharia de vibração (CLARENCE, 1999).

Figura 69: Ilustração do equipamento para simulação de vibração.

(Fonte: acervo pessoal).

91

11. CONCLUSÕES

Para fechar este desenvolvimento, foi verificado que o novo material Polipropileno

PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT) possui excelentes propriedades físico-mecânicas para

ser aplicado em uma peça tão importante como um Coletor de Admissão.

Com a adição de 35% de Fibra de Vidro neste Polipropileno de Alta Cristalinidade,

pode se verificar que este novo material este específico, pode chegar bem próximo à

aplicabilidade da Poliamida PA 6 com 35% de Fibra de Vidro em Coletores de Admissão.

A redução de 9 bar para 6 bar que este novo material possui em relação á Poliamida

PA 6, não impacta de forma de redução de segurança / teste de estouro, uma vez que a

pressão de injeção chega ao máximo de 5 bar, isto é, mesmo assim, temos 20% de teor de

segurança, mesmo assim, este novo material gerou uma redução na ordem de quase 15% de

peso e também quase 15% em redução de preço peça, devido à diferença de densidade

entre o Polipropileno e a Poliamida.

Com isso, concluiu se que este novo material pode e deve ser aplicado em

Coletores de Admissão para Motores Ciclo Otto / Bi-Combustível (Gasolina + Álcool)

desde que sejam Motores Aspirados.

Figura 70: Produto Final - Coletor de Admissão três cilindros em Polipropileno PPGF35(TECNOPRENE AK7 HCT).


92

REFERÊNCIAS

ABIPLAST - Associação Brasileira da Indústria do Plástico. Perfil 2014 da Indústria

Brasileira de Transformação de Material Plástico.

www.abiplast.org.br/download/estatistica_2011.pdf acessado em 21 de Março de 2015.

ABIQUIM - Associação Brasileira da Indústria Química. O Desempenho da Indústria

Química Brasileira em 2014. www.abiquim.org.br/home/associacao-brasileira-da-

industria-quimica acessado em 21 de Março de 2015.

ALBUQUERQUE, J. A. C. Planeta Plástico, Porto Alegre. Editora Sagra Luzzatto, 2000.

ALMEIDA, M. T; GÓZ, R. D. Análise de Vibrações I – Medida e Diagnósticos.

Apostila do Curso de Análise de Vibrações da FUPAI, Itajubá – MG. Editora Sales,

2003.

ANFAVEA - Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores. Anuário da

Indústria Automobilística Brasileira - 2014. www.anfavea.com.br/anuario.html acessado

em 21 de Março de 2015.

ASHBY, A.F. Materials selection in mechanical design, Elsevier, Third, 2005,

603p.

ASTM D256-97. Standard test methods for determining the Izod pendulum impact

resistance of plastics – method A. American Society for Testing and Materials,

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