Transformadorlocal aindaprecisa atentarpara osbenefícios doCAE no soproMárcio Azevedo

Os programas de simulaçãode injeção de peças plásticasjá são razoavelmenteconhecidos no mercadobrasileiro. O CAE (computeraided engineering ouengenharia auxiliada porcomputador) é atrativoporque reduz o tempo dedesenvolvimento de projetos,as ocorrências de erros ediminui custos, e ele tem sidoutilizado na desenvolução dediversas peças injetadas noBrasil com sucesso.

No entanto, poucos sabem que não apenas a injeção pode ser simulada em computadores,mas processos como a extrusão e as diferentes modalidades de sopro também já contamcom aplicativos de simulação. Esses softwares prometem vantagens semelhantes às que oCAE, em geral, oferece, mas os transformadores brasileiros ainda não estão atentos a essesbenefícios.

O mercado incipiente é atendido, no Brasil, por dois fornecedores estrangeiros, a norte-americana Ansys, representada pela brasileira ESSS, e a tcheca Accuform, cujarepresentação fica a cargo da ANK Eng. Consultoria. Ambos os concorrentes confirmamque o emprego de programas de simulação de sopro ainda é mais difundido no meioacadêmico, graças aos esforços de marketing, do que no meio produtivo, que reluta emaderir à tecnologia.

Isso se dá por uma série demotivos. No topo da lista, está ofato de os moldes para soproserem muito mais baratos e maissimples que as ferramentasusadas em injeção. Os primeiroscostumam estar na casa dasdezenas ou centenas de milharesde reais, ao passo que ossegundos facilmente superam acifra do milhão de dólares. Porisso, na visão do engenheiro NgKin Pui, diretor-técnico da ANKEng., o transformador que sevale de processos de sopro adotauma abordagem muito maisempírica no dia-a-dia daprodução, preferindo o velho“tentativa e erro” ao CAD e aoCAE. Traduzindo: para acertaras espessuras das paredes doproduto final soprado, otransformador realiza uma sériede testes em que modifica as

espessuras de seções do parison. Para saber se a peça atende aos seus requisitos mecânicos,a tática pode ser ainda mais prosaica: a peça é produzida, e lançada de uma determinadaaltura. Se passar no teste, tudo bem, senão, mais uma mudança no parison e nova queda. Ostestes prosseguem até que a modificação no parison leve a uma peça com as espessurasdesejadas e que atenda à solicitação mecânica. Obviamente, esse processo consome tempo edinheiro, mas como não é tão caro produzir vários moldes de sopro

quanto os de injeção, a tentativa “na marra”é preferida. “O uso comercial do CAE parasopro no Brasil é próximo do zero, assimcomo no resto da América Latina”, diz Kin,contrapondo a situação brasileira à daEuropa, onde a Accuform encontra umareceptividade muito maior ao seu programa,o B-Sim. Kin expressa sua opiniãoamparado pela experiência de dez anoscomo representante exclusivo do programano Brasil, e mais de vinte oferecendosoftwares para a indústria do plástico,período em que pouca coisa mudou nocenário da simulação de sopro.

Cuca Jorge

Kin vê sopro com perfil pouco técnico no Brasil

Poderia se argumentar que o perfil das aplicações de sopro não é tão técnico quanto o daspeças injetadas. “No Brasil, sim. Mas não é o que eu vejo no exterior”, diz o engenheiro,citando o exemplo de algumas garrafas plásticas de refrigerante que se deformamexageradamente quando manuseadas pelo consumidor, por deficiência de resistênciamecânica à compressão lateral. Para ele, esse fato dificilmente ocorre com uma garrafaprojetada com auxílio da simulação, como já se faz no Velho Continente.

À esquerda, sãoexibidas as imagenspré-distorcidas peloprograma de CAE.Após o processo deencolhimento, elas semoldam no formatofinal da embalagem,sem deformaçõesvisuais (dir.).

Por outro lado, há uma parcela do mercado formada pelos grandes transformadores,sintonizados com as tecnologias contemporâneas por força da fabricação de enormesvolumes, mas essas empresas, que poderiam formar um importante filão de usuários dosprogramas de simulação de sopro, absorvem as tecnologias de CAE diretamente de seusfornecedores estrangeiros, pois, em muitas vezes, reproduzem aqui projetos vindos prontosde fora. “O transformador local está acostumado com um determinado design e preferemantê-lo a alterá-lo, porque as embalagens são muito baratas e muitas vezes, como no casode uma garrafa de água, o produto final também é. Na contabilidade do custo de um moldelocal, apenas são considerados os custos de projeto, sempre mantidos em patamares muitobaixos, o custo com o metal, e o custo da usinagem. Gasta-se muito pouco com o projeto. Aengenharia agregada ao molde é muito pequena”, aponta o diretor técnico.

Outro problema que aflige qualquer fornecedor de softwares no Brasil reside nadisseminação de cópias ilegais – a popular pirataria. As fornecedoras de aplicativos de

simulação não passam ao largo da questão, muito pelo contrário, e a situação é consideradaespecialmente grave pelo engenheiro da ANK Eng. no sul do país, em virtude daconcentração de ferramentarias nessa região.

O que fazem? – O intuito do emprego de aplicativos de simulação é prever propriedadesrelevantes da peça soprada. Para cumprir essa tarefa, o programa usa métodos de cálculonumérico para resolver equações diferenciais que regem os fenômenos físico-químicosocorridos com a resina durante o processo de sopro, desde a formação do parison até aabertura do molde. A solução dessas derivadas e integrais fornece o valor de variáveis comoas espessuras e temperaturas da peça, ao final da transformação. Mais do que isso, oconhecimento das características do produto final antes da produção possibilita a correçãoprecoce de possíveis erros e o aperfeiçoamento da peça.

Para rodar, os simuladores precisam de algumas informações de entrada fornecidas pelousuário, como expressões de reologia e parâmetros relativos à deformação do materialplástico, além de variáveis de processo relativas à sopradora e ao molde, caso da presençaou não de plugs, valores de pressão e vácuo, e coeficientes de transferência de calor e deatrito entre o plástico e o molde. Os dados pertinentes à resina podem constar do bancoembutido no próprio programa, se forem soprados materiais mais comuns, ou podem serobtidos em laboratório nos casos de produtos muito específicos ou compostos. Já os dadosde processo relativos aos moldes e às máquinas são facilmente obtidos da própria operaçãode processamento e da literatura acadêmica.

Com base nesses inputs, o programa pode tanto realizar a simulação e prever o resultadofinal quanto obter parâmetros de processo que levem a peças com distribuições deespessuras mais adequadas aos esforços mecânicos a que serão submetidas. Nessa últimaabordagem, o software utiliza espessuras finais determinadas em programas de análiseestrutural e, por intermédio de regressões, realiza um procedimento de engenharia reversa edetermina a correta distribuição de espessuras que o parison precisa ter.

A forma empírica de ajuste, por outro lado, pode não conseguir resolver a questão decontrole do parison, pois ela está relacionada com a passagem do fundido, após a extrusão,por uma espiral onde ocorre certa perda de carga, ocasionando diferenças na espessura doparison ao longo de seu raio. O balanceamento da quantidade de resina ao longo da espiralé um tema complexo, que muitas vezes não pode ser resolvido sem o auxílio docomputador.

Outra vantagem que a simulação traz é a ampliação das possibilidades de variação dodesign. O diretor-técnico da ANK Eng. crê que as garrafas produzidas no país ainda exibemgrande variação de espessura em suas paredes, e isso poderia ser melhorado pela simulação.Muitas garrafas também poderiam ser produzidas a custos menores, se não ostentassemparedes mais grossas, em algumas de suas seções, que as estritamente necessárias àadequada resistência mecânica da peça – mais um item passível de correção pelo simulador.Porém, Kin destaca que a principal função do simulador não é economizar matéria-prima,mas distribuir o material pela parede da peça de maneira que as melhores propriedadesmecânicas possíveis sejam obtidas. A economia está mais vinculada à eliminação do tryoute dos gastos com modificação do molde e ao ganho de velocidade no desenrolar do projeto.

Diversas peças fabricadas por sopro, como as garrafas, passam por uma etapa adicional deprodução em que recebem em sua face exterior filmes plásticos para comunicação visual,como os rótulos sleeve (ou mangas encolhíveis, em português). A grande vantagem dessetipo de filme reside no fato de ele se ajustar à geometria da peça após o encolhimento. Mas,sem ajustes prévios, as imagens impressas no rótulo seriam distorcidas durante o processode encolhimento, em que o filme sleeve é deformado.

Esses ajustes imprescindíveis também são feitos, atualmente, de forma empírica, portentativas e erros, entretanto, poderiam ser realizados com método científico no computador.Com o auxílio do programa de simulação, é possível projetar as imagens sem deformaçõesdiretamente nas superfícies que comporão o produto final, isto é, no formato que o filmeterá após o encolhimento. O software regride a imagem projetada no filme encolhido parauma imagem inicial, precisamente distorcida, correspondente à situação antes doencolhimento. Essa imagem obtida da regressão é impressa no rótulo e durante oencolhimento se ajusta ao formato desejado. A habilidade já é utilizada em aplicações degarrafas cuja comunicação visual é impressa diretamente nas pré-formas.

O B-Sim, simulador da Accuform, se baseia em análises de elementos finitos e écomercializado na forma de dois módulos básicos, um para simulação do preenchimento dacavidade, incluindo a formação do parison e a etapa de sopro, e outro para a distorção deimagem. O preço, sempre apontado pelo mercado como um grande entrave ao uso do CAE,é o típico dessa tecnologia: algumas dezenas de milhares de dólares. No entanto,contrariando o censo comum, o B-Sim não requer supercomputadores (um processador dedois núcleos e 1GB de memória RAM podem dar conta do serviço), e não exige extensoperíodo de treinamento. Para o usuário minimamente familiarizado com o CAD, o CAE, e oplástico, Kin diz que um dia de treinamento qualifica o aluno à operação do aplicativo.

O software pode ser empregado na simulação de processos de injeção-sopro e extrusão-sopro; e, por aqui, poderiam – ou deveriam – se interessar pela tecnologia designers deprodutos plásticos, como embalagens, engenheiros de produto e fabricantes de autopeças,como os tanques de combustível, principalmente, nesse caso, pelos tamanhos em questão.Ilustrando a aplicação em injeção-sopro, Kin comenta o caso de uma grande transformadorade garrafas envolta com processos que resultavam em pré-formas tensionadas. As pequenaspeças se “torciam” ao serem aquecidas durante a fase de sopro, e algumas de suas regiõestocavam as paredes do molde antes que outras. Quem se encostava primeiro no molde,também se resfriava mais rápido e, em conseqüência, variações indesejadas de espessuraapareciam no produto final. Só com a ajuda do simulador uma solução foi encontrada.

Pouca informação – O outro fornecedor encarregado da missão de popularizar o CAE empeças sopradas no Brasil é a norte-americana Ansys, que se apresenta como a maiorfornecedora mundial de softwares para a simulação de sopro e opera no país via ESSS,representante local de diversos players atuantes em simulação computacional. Seuprograma é o Polyflow, um aplicativo de dinâmica dos fluidos computacional (CFD, eminglês) baseado em elementos finitos desenvolvido inicialmente para a extrusão, mas comaplicação também em sopro.

No entender de Martin Kessler, engenheiro, doutor e analista de suporte da ESSS, o baixouso de programas de simulação de sopro no Brasil é explicado, entre outras coisas, pelapouca divulgação da tecnologia no mercado local. Desde 2006, quando assumiu arepresentação do Polyflow no Brasil, a ESSS tem divulgado o programa no meioacadêmico, como Kessler diz sempre acontecer

com novos softwares. No passar desses quatro anos, oanalista afirma ter percebido um sensível aumento dointeresse pelo Polyflow, embora as vendas, de fato, aindanão tenham decolado. “Como a empresa ainda está noinício da divulgação do produto como instrumento desimulação, é difícil saber se o mercado realmente não éreceptivo ao programa, ou se o foco de divulgação éincorreto”, relata.

Um ponto relevante a ser destacado, e que pode ajudar nadisseminação do programa: o Polyflow foi recentementeincorporado ao ambiente Workbench da Ansys, umaplataforma que funciona como suíte, onde se integramdiversos programas de simulação computacional. Aincorporação do Polyflow ao Workbench, segundoKessler,

Cuca Jorge

Workbench facilita uso doPolyflow, acredita Kessler

torna o uso do programa mais amigável e facilita sua assimilação, uma vez que traz ossimuladores para usuários que já estão acostumados a outros programas do ambiente. “OWorkbench já incorporava toda a parte de preparação de geometrias, malhas e pós-processamento, e isso é comum a diversos aplicativos. Agora foi adicionado mais umsolver a esse ambiente, formando uma plataforma integrada que facilita muito a utilização”,diz.

O panorama da utilização do CAE em sopro também está relacionado a uma questão deamadurecimento, conforme pensa Guilherme Tondello, da área de Indústrias Mecânicas dadivisão

de CAE da ESSS. “Ainda há poucos usuários do Cuca Jorge

aplicativo e o mercado não tem clara a ideia do queé a ferramenta e do seu valor. É preciso umtrabalho de alguns anos até que se forme umaopinião sobre o produto”, opina Tondello.

Valor que é percebido em situações como a de umcliente da ESSS decidido a substituir um molde deuma cavidade, fabricando um único produto, poroutro, de duas cavidades, fabricando o mesmoproduto. “De uma para duas cavidades, todo mundoconsegue fazer a adaptação”, explica Tondello, poisé um procedimento relativamente simples. Masquando o cliente decidiu

Tondello: mais cavidades pedem ajuda desimulador

utilizar quatro cavidades, só obteve êxito com o auxílio do programa de simulação, pois émuito mais complexo balancear o fluxo de resina distribuído para quantidades superiores decavidades.

O perfil da produção é outro fator importante na escolha pelo uso de simulação. Quemfabrica apenas um único produto precisará das simulações somente uma vez; e nessasituação adquirir o programa não se justifica, muito menos o gasto com o treinamento deum profissional dedicado ao assunto. Nesse caso, acaba sendo mais fácil para o clienteadquirir o serviço de simulação, que a ESSS também oferece. “É o que acontecenormalmente. Nós começamos oferecendo o serviço e, à medida que vai aumentando ademanda pelas simulações, há um momento em que contratar mais serviço é mais caro queadquirir a licença do software, e o cliente acaba optando pela aquisição”, atesta Kessler.

Tanto ele, como Tondello, concordam que o setor de refrigerantes poderia ser um ótimocliente potencial, mas também compartilham a opinião de que essas empresas trazemprontos do exterior os designs de seus produtos. Dentro do raciocínio de que quanto maior aquantidade de produtos, melhor a adequação ao uso da simulação, seriam prováveis bonsclientes as grandes empresas de produtos de consumo, bem como os fornecedores de peçaspara as indústrias automotivas, particularmente, de novo, os tanques de combustível,modificados a cada dois ou três anos por ocasião do desenvolvimento de novos modelos deveículos. Aliás, o Polyflow já é utilizado nessa aplicação em clientes norte-americanos daAnsys. Alguns dutos com geometria mais complexa, como os do coletor de admissão de ar,também poderiam se beneficiar da simulação do processo de sopro. A ESSS revela quealguns clientes do Brasil já perceberam isso, no entanto, até o momento, eles têm optadopela compra do serviço, e não pela aquisição do programa.

Estar apto a realizar simulações na própria fábrica pressupõe, a bem da verdade, mais deuma habilidade: é requerido conhecer a geração da geometria da peça em um aplicativo deCAD (computer aided design, no vernáculo, desenho assistido por computador), a criaçãode uma malha de elementos finitos associada a essa geometria, a realização da simulação,propriamente dita, e o pós-processamento. No último, o usuário configura a exposição dosresultados e das animações representativas do preenchimento da cavidade, além de podermanipular a peça em três dimensões.

Esse perfil de usuário, que deseja realizar por si próprio a simulação, adquire uma licençaque o libera para usar o gerador de malha em CAD, o solver (o Polyflow) e o pós-processador. O preço da licença? Kessler e Tondello não o revelam, mas dão a dica de quenão é nada diferente do usual no segmento de CAE, ou seja, algumas dezenas de milharesde dólares.

Assim como Kin, da ANK Eng., os colaboradores da ESSS acreditam que a evolução damicroeletrônica beneficiou os programas de CAE, pois confirmam que não são necessárioscomputadores altamente poderosos para a realização das simulações. O número e acapacidade dos processadores determinam o tempo necessário para rodar o aplicativo, e amemória volátil define o tamanho da malha que poderá ser computada. Uma malha de ummilhão de elementos requer 1 GB de RAM, aproximadamente, e esse é o tamanho da malhaque representa um tanque de combustível.

Não é ciência de foguete – Para o treinamento do usuário, a ESSS informa ser desejávelum aluno já apresentado ao menos aos programas de CAD e, preferencialmente, a algumprograma de simulação. Esse é o caso de apenas metade das pessoas que passam pelo setorde treinamento da empresa, pois grande parte dos cursos de graduação em engenhariamecânica brasileiros não inclui o estudo de elementos finitos e o cálculo de CFD em suagrade curricular como matérias regulares, apenas como opcionais. “São poucos os cursosque oferecem esses temas como obrigatórios, e o profissional pode ter se formado semnunca ter visto simulação”, observa Kessler. “E isso é bem comum”, complementaTondello.

No entanto, se o formando detiver bons conhecimentos em mecânica dos fluidos, cálculosestruturais e cálculo numérico, há uma excelente base para o treinamento, pois osaplicativos são bastante amigáveis. O treinamento, na ESSS, costuma durar três dias, sendoque metade do tempo é empregada no estudo da geração de malhas; e a outra metade, naexploração do Polyflow, executando simulações. O treinamento se desenrola na forma detutorial e o aluno “põe a mão na massa: ele gera malhas, faz simulações, e pós-processa osresultados”, explica Kessler.

Com a experiência adquirida nos quatro anos de atuação da ESSS, os dois colaboradoresanotam que as variáveis que o usuário do simulador realmente tem interesse em determinarcostumam ser a distribuição de material na parede do parison e na parede do produto final.São elas que, com maior intensidade, condicionam as propriedades estruturais do produtofinal ou a economia de custos. O caso típico do cliente interessado na simulação é o dotransformador que produz peças com paredes de espessura homogênea, quando em certasregiões do artefato não é necessária tal quantidade de resina e existe a chance de afinar asparedes. Um exemplo mais sofisticado, apresentado como um caso de aplicação pela Ansysno exterior, é o de um fabricante de tanques automotivos preocupado com novasregulamentações acerca de emissões de voláteis. Os tanques de combustível expostos anormas particularmente severas são fabricados em estruturas multicamadas, sendo umadelas composta por copolímero de etileno e álcool vinílico (EVOH), polímero comdestacada impermeabilidade aos voláteis. No caso do cliente da Ansys, a geometria dotanque tornava a camada de EVOH muito fina em algumas regiões, ou até inexistente,prejudicando o atendimento à norma de emissões. A simulação contornou a questão. “Bemconhecidas as propriedades da resina e corretamente utilizadas as ferramentascomputacionais, o programa leva ao sucesso experimental logo no primeiro teste,eliminando o tryout”, garante o analista de suporte da ESSS.

É fato que, apesar das propaladas vantagens, o preço se mantém como uma questãoimportante, quando da decisão de compra do simulador. Mas já há muitos casos em que setornou claro para as empresas, em injeção, que a simulação reduz o custo da produção, emelhora sua qualidade. Se no sopro se materializar a mesma percepção, é certa a ampliaçãodo mercado. Nos eventos de divulgação que realiza, a ESSS sente que o preço sempre écomentado com surpresa, mas lembra: o cliente pequeno tem a opção do serviço, e umasimulação simples “não é cara”, segundo Tondello. No caso do cliente maior, ou quedemanda uma simulação mais complexa, “os ganhos também costumam ser maiores”,realça.

Extrusão: Por que não?Todo processo de transformação de plásticos, independentemente da máquina utilizada,se inicia por uma etapa de extrusão em que o polímero é fundido – plastificado, como sediz no jargão da indústria. Os programas que simulam os processos de transformação,por sua vez, se concentram nos fenômenos que ocorrem na partir da operação principal,(a injeção, o sopro ou a termoformagem, por exemplo), sem dar maior atenção àplastificação. “As simulações pressupõem que para trás do bico de entrada do materialestá tudo bem, sem se preocuparem com a extrusão. Mas os materiais mudamrapidamente, são grades diferentes, novos aditivos, e ninguém se atém às roscas dasextrusoras”, diz Ng Kin Pui.

Por isso, há um campo fértil, porém virgem, para o uso de programas que simulam apassagem de resina pelas roscas e a plastificação. Vejamos o caso das injetorasequipadas com a famosa rosca universal. “Como existe uma rosca universal para tantosmateriais diferentes? Materiais diferentes precisam de perfis de rosca diferentes”,argumenta o diretor-técnico da ANK Eng. Ele também é representante da Compuplast,dona de um simulador denominado Vel, capaz de, entre outras coisas, definir o perfilideal de rosca para um determinado processo. O Vel também analisa os cabeçotes emprocessos de extrusão, ou a etapa de extrusão no sopro em que é produzido o parison.Utilizando um perfil de rosca adequado, o transformador gasta menos energia, pois a

transferência de energia mecânica para o material é mais eficiente. Também são evitadasas porções de material degradado, que formam pontos duros, e as tensões internas daspeças são aliviadas.