Fibra aumenta a resistência de filmes em dobradiças plásticas

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Dobradiças feitas com filme mantêm-se funcionais sob altas solicitações de flexão aplicadas simultaneamente a forças de tração relativamente baixas. Um novo conceito desse tipo de componente, recentemente desenvolvido, feito com fibras, suporta essas solicitações combinadas e pode servir para a fabricação de articulações com alto desempenho.

Katja Zornkau, Roman Goldberg, Hans-Peter Friedrich e Jens Lenig

Data: 26/09/2016

Edição: PI Stembro 2016 Ano 19 N^o 217

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Dobradiças feitas com filme são articulações sólidas que podem ser fabricadas por meio de moldagem por injeção de resinas termoplásticas. Um filme mais fino une as duas metades da dobradiça, as quais deslocam-se entre si (figura 1). Após um grande número de ciclos de flexão o filme apenas se deforma, mas sem se romper. Dessa forma são aproveitadas as características elásticas da resina termoplástica. Os materiais mais favoráveis para as dobradiças com filme são o PP e PE. Com o uso de materiais muito elásticos é possível minimizar a ocorrência indesejada da chamada “fratura branca” da articulação. Uma vez que a dobradiça e os componentes a ela ligados são produzidos simultaneamente no mesmo ciclo de injeção, o uso da dobradiça com filme permite suprimir etapas adicionais de montagem. Isso torna interessante o seu uso não apenas em embalagens, como também em mecanismos flexíveis feitos com poucos componentes.

Uma desvantagem da dobradiça com filme é revelada quando esta é submetida não apenas às solicitações de flexão, mas também a solicitações simultâneas de tração. Este é o caso quando a dobradiça, por exemplo, deve aceitar forças de fechamento. O filme fino se alonga devido à solicitação de tração, afetando a função da dobradiça já sob pequenos valores de força de tração. Um segundo inconveniente se encontra no fato de que a dobradiça com filme geralmente apresenta alta rigidez ao dobramento no início de seu uso mas, após um certo número de ciclos de flexão absorvidos, essa propriedade diminui de forma não-linear.

Fibras expostas substituem o filme

Uma nova abordagem consiste em substituir o filme por fibras paralelas, resistentes a tração, e fortemente enfeixadas (figura 2). Elas viabilizam dobradiças com maior resistência à tração e, simultaneamente, baixa rigidez ao dobramento. A implantação dessa inovação foi o objetivo de um projeto de pesquisa desenvolvido cooperativamente pela WerkzeugmacherBetrieb Hans-Peter Friedrig and Sohn GbR, de Grobdubrau, o Instituto de Mecânica de Precisão e Design Eletrônico (Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design, IFTE) e a Universidade Técnica de Dresden, bem como a V.D. Ledermann & Co GmbH, filial de Bautzen, todas na Alemanha. O projeto foi apoiado pelo Programa Central de Inovação para as Empresas de Médio Porte (Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand, ZIM) do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, BMWi).

As dimensões apresentadas pela dobradiça com fibras criada neste projeto são a largura do feixe de fibras (3,8 mm) e espessura de 0,12 mm. O comprimento livre da dobradiça, igual a 2,5 mm, correspondia à região do feixe de fibras entre ambas as metades da dobradiça que não havia sido sobre-injetada. O feixe era composto por fibras descontínuas, para que posteriormente também fossem utilizadas fibras naturais nessa aplicação. Foi tomada como referência uma dobradiça feita com filme apresentando largura de 3,8 mm, espessura de 0,45 mm e comprimento de 2,5 mm.

O material de partida para o feixe de fibras foi um semi-produto têxtil, com formato linear, o qual é designado como mecha. Seu peso por unidade de comprimento foi calculado para a seção transversal do feixe de fibras. As fibras descontínuas foram fixas no interior do feixe de fibras. Isso evita que fibras isoladas sejam deslocadas pelas solicitações mecânicas atuantes sobre o feixe durante o processo de fabricação. Fibras sintéticas de poliamida ou poliéster podem ser soldadas termicamente (figura 3), enquanto outras fibras precisam ser fixadas por meios alternativos. A fixação permite ainda influenciar a dispersão dos comprimentos das fibras na dobradiça. Contudo, os efeitos concretos de tais manipulações do feixe sobre o comportamento da dobradiça ainda precisam ser investigados.

A grande dispersão na espessura do feixe de fibras precisa ser levada em conta na cavidade do molde por meio da adoção de tolerâncias de compensação adequadas. Somente assim é possível conseguir conexões entre ambas as metades da dobradiça e o feixe de fibras, sem efetuar sobre-injeção e também sem cisalhamento das fibras (figura 4).

Durante a execução das pesquisas básicas foram selecionadas fibras de poliéster, uma vez que elas apresentam alta resistência à tração, boa resistência a agentes químicos e baixa absorção de água. Além disso, elas podem ser trabalhadas com PP sem a necessidade de se usar adesivos especiais. Uma dobradiça experimental permitiu comprovar que as dobradiças de fibra podem ser fabricadas num único estágio por meio de um processo de moldagem por injeção. Este resultado é muito importante do ponto de vista econômico.

Conforme esperado, as dispersões observadas nos parâmetros do feixe de fibras levam a grandes oscilações nos valores de resistência à tração e no número de ciclos de flexão da dobradiça. Estas variações na resistência mecânica precisam ser consideradas ao dimensionar a dobradiça. Para determinar a relação entre as variações observadas nos parâmetros do feixe e as oscilações na resistência mecânica da articulação, é necessário efetuar uma série de ensaios estatísticos cuja execução demanda muito tempo e grandes quantidades de material. Não se pode cogitar o dimensionamento da dobradiça orientado à solicitação devido ao extenso trabalho associado aos testes requeridos por esse método. Por esse motivo, o Instituto de Mecânica de Precisão e Design Eletrônico desenvolveu um modelo de simulação que considera as dispersões nos parâmetros das dobradiças. Dessa forma é possível dimensionar a dobradiça de forma correspondente às solicitações mecânicas previstas.

Comparação entre as dobradiças com fibras e com filme

A cada 50 amostras, ambos os tipos de dobradiça foram submetidos tanto a solicitações de tração unidirecional como também a solicitações combinadas de tração e flexão (figura 5). A dobradiça com filme foi moldada por injeção usando PP. Já a dobradiça com fibras era composta de fibras de poliéster sobre-injetadas com PP.

A dobradiça experimental com fibras alcançou um valor médio de resistência durante os ensaios de tração unidirecional que, em média, correspondeu ao dobro do obtido com as dobradiças com filme. A figura 6 e a tabela 1 apresentam os resultados do estudo comparativo entre as dobradiças com fibra e com filme. Os resultados mostraram que a dobradiça com fibras é superior às dobradiças com filme no caso de tensão pura de tração. Por outro lado, a dobradiça com fibra apresenta maior nível de dispersão.

Isso se manifesta de maneira ainda mais intensa no caso da resistência à flexão cíclica. Na figura 7 estão mostrados os números mínimo e máximo de ciclos alcançados para as dobradiças com filme e com fibras aqui testadas. Além da nada desprezível faixa de dispersão de 2,5 milhões de ciclos no caso das dobradiças com fibras, também se pode observar no diagrama a considerável distância em relação ao número de ciclos conseguido pelas dobradiças com filme. Nesta série de ensaios as dobradiças com fibras alcançaram vida útil de 100 até 1.000 vezes superior às dobradiças com filme.

Até o momento não foi possível evitar as dispersões dos valores experimentais observadas nas dobradiças com fibras. No futuro essas dispersões deverão ser estudadas quantitativamente e reduzidas com auxílio de modelos de simulação. Além disso, também deverão ser testadas dobradiças com filme adicionais, feitas com PEAD, PEBD, PP/formulação de elastômero termoplástico e TPU. Elas apresentam trincamento sob solicitação de tração de 15 N de forma direta ou então apresentam alongamento tão intenso que inviabiliza a continuação da execução dos ensaios para determinação da resistência à flexão alternada.

Conclusões

As dobradiças com fibras aqui apresentadas possuem resistência à flexão alternada mil vezes superior em relação às dobradiças com filme para condições similares de solicitação de tração. Elas são adequadas tanto para embalagens como também para dobradiças usadas em grupos construtivos mecânicos feitos de plástico. As dobradiças de fibra podem ser produzidas numa única etapa por meio de moldagem por injeção. Feixes adequados de fibras podem ser produzidos a partir de fibras sintéticas descontínuas. É necessário aperfeiçoar a tecnologia para que as dobradiças de fibras possam ser fabricadas de forma econômica e descobrir possibilidades adicionais de utilização.

Uma montagem simples é um aspecto importante para os interessados em testar dobradiças com fibras em peças já existentes. Para tanto, foi desenvolvida uma dobradiça experimental, a qual pode ser montada com auxílio de quatro furos (figura 8). A pedido de partes interessadas, a tecnologia para fabricação em série de dobradiças com fibras pode ser aperfeiçoada de forma conjunta com a Werkzeugmacher-Betrieb Hans-Peter Fridrich und Sohn GbR.