Análise de Engrenagem em Poliamida com Inserção de Grafeno

INTRODUÇÃO

No início do século XX, a descoberta de que materiais anteriormente considerados colóides eram, na verdade, polímeros, que por sua vez marcaram a história da química e na evolução dos materiais, conforme figura 1. Esses polímeros consistiam em longas cadeias de átomos de carbono com repetição de unidades estruturais. Essa revelação impulsionou o desenvolvimento de materiais sintéticos. O texto também destaca as macromoléculas naturais, como madeira e DNA, cujas estruturas, ao contrário dos polímeros, podem não apresentar repetição regular. Essas descobertas foram cruciais para avanços na química orgânica e na compreensão da complexidade dos materiais naturais [1].

O crescimento da produção de plásticos superou substancialmente qualquer outro material fabricado globalmente, nos últimos 65 anos [1]. Desta forma, evidenciando a importância a aplicação destes materiais em novos processos de fabricação, com intuito de substituir os metais, objetivando assim uma produção sustentável e diminuindo os impactos ambientais e econômicos [2].

Figura 1 - Gráfico Importância x Tempo dos Materiais

Os polímeros são materiais versáteis usados na indústria devido às suas propriedades únicas. Existem dois tipos principais: termorrígidos, que são rígidos e estáveis após moldagem, e termoplásticos, que podem ser remodelados. Os compósitos, uma categoria de polímeros, combinam uma matriz polimérica com materiais de reforço, proporcionando flexibilidade, resistência e reciclabilidade. Para o projeto em questão, os compósitos poliméricos são ideais devido à sua flexibilidade, facilidade de manuseio e capacidade de reciclagem, oferecendo diversas possibilidades na indústria.[3]

A importância das poliamidas, conhecidas como náilons, são polímeros amplamente utilizados na indústria, sendo os tipos Nylon 6 e 66 os mais comuns, representando cerca de 90% do consumo mundial. Polímeros reforçados com fibras de vidro ou carbono são elogiados por suas propriedades mecânicas superiores, como rigidez, tenacidade e resistência termomecânica. Além dos náilons convencionais, o texto menciona polímeros de engenharia de alto desempenho, como o Vectra, um poliéster de cristal líquido, usado na indústria automotiva e eletrônica. A possibilidade de adicionar carga mineral ao Vectra é destacada para melhorar sua rigidez e resistência mecânica. As marcas registradas Nylon (DuPont) e Vectra (Ticona) são mencionadas, ressaltando o papel significativo dessas empresas no desenvolvimento e popularização desses materiais.

A poliamida, é um polímero termoplástico com destaque no setor automotivo devido ao seu excelente desempenho mecânico. Contudo, sua natureza higroscópica, absorvendo umidade do ambiente, pode levar a instabilidade dimensional e perda de resistência mecânica. Essas características podem comprometer tolerâncias em projetos e montagem de peças, resultando em reclamações e custos elevados para garantia e qualidade. A utilização de materiais de reforço, como fibras ou partículas, em compósitos poliméricos, surge como uma solução para melhorar a estabilidade dessas propriedades.[4]

A incorporação de reforços de fibras em materiais proporciona um aumento notável na resistência física, chegando a ser até 5 vezes superior à resina base, além de conferir uma rigidez cerca de 10 vezes maior. A adição de lubrificantes internos complementa essa melhoria, contribuindo para uma resistência adicional ao desgaste e reduzindo o atrito interno. Essa combinação resulta em materiais com propriedades mecânicas excepcionais, atendendo a padrões elevados de desempenho e durabilidade.[6]

A modificação da PA6 com fibras de carbono resulta em melhorias nas propriedades mecânicas, térmicas e tribológicas [7]. No entanto, é crucial melhorar a adesão entre as fibras de carbono e a PA6 para otimizar as propriedades mencionadas. Um desafio enfrentado reside na baixa quantidade de grupos polares na superfície das fibras de carbono, o que pode resultar em uma adesão fraca entre a matriz e a fase reforçadora [8]. Diversos tratamentos superficiais são aplicados às fibras de carbono, sendo os mais comuns o tratamento eletroquímico ou oxidação química, tratamentos com ozônio, tratamento por plasma, e o revestimento por polímeros ou metais. Estes procedimentos têm como objetivo aumentar a quantidade de grupos funcionais nas fibras, visando uma melhoria significativa na adesão entre as fases [9].

Além disso, há a prática de incorporar nanocargas nos compósitos, o que pode resultar no aumento da rugosidade da superfície da fibra, na elevação do módulo na interfase e na resistência ao cisalhamento. Isso, por sua vez, contribui para uma adesão aprimorada entre as fases, promovendo uma maior rigidez ao compósito [10].

O projeto tem como propósito a criação de engrenagens para aplicação em transmissão de redutore industrial, utilizando compósito em substituição aos materiais tradicionais, como forma de reduzir a dependência de agentes degradantes ambientais, como lubrificantes, além da redução sonora gerada pelo atrito. A iniciativa visa oferecer uma abordagem sustentável para o avanço tecnológico, enfatizando os seguintes aspectos:

• Inovação com Compósitos: Explorar o potencial dos compósitos para criar engrenagens mais leves, resistentes e eficientes em comparação com as opções convencionais, enquanto elimina ou minimiza a necessidade de lubrificação.

• Preservação Ambiental: Destacar os benefícios ambientais da substituição de engrenagens convencionais por compósitos, reduzindo a emissão de agentes poluentes decorrentes da lubrificação tradicional.

• Desempenho Comparativo: Conduzir análises de desempenho de compósitos, destacando vantagens em termos de peso, manutenção e desempenho global.

GRÁFICO DE ASHBY

O gráfico de Ashby é uma ferramenta valiosa para visualizar e analisar sistemas complexos, ajudando a compreender suas características adaptativas, limitações e requisitos de controle em ração aos processos. Sendo assim, buscou-se neste trabalho análisar as características do material a ser substituído (metal) por outro capaz de equiparalo ou mesmo supera-lo em relação as suas propriedades, chegando então ao compósito, situado na zona superior central (cor laranja), apresentando menor densidade e menor módulo de elásticidade, conforme figura 2 abaixo.

Figura 2 - Mapa de Ashby

MATERIAIS E MÉTODOS

Ao desenvolvimento da pesquisa, será analisado o comportamento da engrenagem em compósito, visando identificar suas propriedades mecânicas e compará-las com o material convencional empregado a mesma. Desta forma, os equipamentos envolvidos no processo de fabricação serão utilizados do SENAI Adelino Miotti concomitante aos disponibilizados pelo Instituto Federal do Rio Grande do Sul – Campus Farroupilha. Os materiais utilizados na engrenagem, será poliamida (PA) e óxido de Grafeno.

A primeira etapa, ocorrerá na extrusão da poliamida com adição do óxido de grafeno em proporções a serem ainda análisadas junto ao acervo bibliográfico, após isto o compósito parte aos processos de usinagem (torneamento, fresamento e furação) seguindo posteriormente de análises como:

• (DSC) Calorimetria Exploratória Diferencial conforme figura 3, para medir o fluxo de calor no compósito durante mudanças de temperatura, revelando processos como fusões e reações químicas. Afim, de obserar o comportamento relacionado entre absorção e liberação de calor, fornecendo informações detalhadas sobre transições térmicas e capacidade calorífica do materiail. dimensional.

Figura 3 - Representação de Médoto (DSC)

Fonte: afinkopolimeros.com.br

• (TGA) Análise Termogravimétrica, conforme figura 4, será utilizada para medir a massa de uma amostra enquanto ela é aquecida ou resfriada em uma atmosfera controlada, sendo aplicada no experimento para fins de caracterizar a composição do compósito.

Figura 4 - Modelo de Análise Termogravimétrica (TGA)

Fonte: www.mt.com

• Análise de Rugosidade Superficial, conforme figura 5, será realizada com um instrumento denominado rugosímetro, com o objetivo de se obter a rugosidade do material já extrudado para posterior comparativo ao aço 1045 aplicado comumente em engrenagens industriais.

Figura 5 - Modelo de Rugosímetro Portátil

Fonte: tecnologiamecanicaiii.blogspot.com

• Ensaios de Tração e Compressão, conforme figuras 6 e 7 respectivamente, com o intuíto de de se obter dados relativos a zona de deformação elástica, limite de escoamento, zona de deformação plástica e limite de ruptura.

Figura 6 - Representação de Ensaio de Tração

Fonte: biopdi.com

Figura 7- Representação de Ensaio de Compressão

Fonte: biopdi.com

RESULTADOS ESPERADOS

Espera-se com a pesquisa, desenvolver uma engrenagem de compósito que apresente baixos índices de desgaste por fadiga e deformação por temperatura de operação, redução na emissão de ruído e emissão de gases poluentes derivados de lubrificantes contidos no sistema.

Além da produção da engrenagem, espera-se que o processamento deste material apresente um bom custo-benefício em relação ao procedimento convencional, apresentando ainda soluções promissoras e sustentáveis para outros pontos de transmissão dependentes de óleos lubrificantes ou graxas.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

[1] E. B. MANO (1991). Polímeros como Materiais de Engenharia. Editora Edgard Blücher, 1ª Edição, São Paulo.

[2] LIMA, A; Percepção dos consumidores de canudos plásticos e os seus impactos na economia circular / Aline Linde Lima. – Brasília, 2020. 74 f. : il. 2020. Disponível em: https://bdm.unb.br/bitstream/10483/25824/3/2020_AlineLindeLima_tcc.pdf

[3] OLIVEIRA, D. Estação de reciclagem de polímeros termoplásticos para a impressão 3D. Instituto Superior Técnico Lisboa. Universidade pública de Lisboa, Portugal, 2018. Disponível em: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/1126295043835989/MSc_Thesis_76146_OLIVEIRADiogo.pdf

[4] ROTONDO BAGLIOTTI, I.; MOUTIN SEGORIA GASPAROTTO , A. APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA DE IMPRESSÃO 3D COMO INOVAÇÃO EM UMA INDUSTRIA MOVELEIRA. Revista Interface Tecnológica, [S. l.], v. 18, n. 1, p. 631–643, 2021. DOI: 10.31510/infa.v18i1.1077. Disponível em: https://revista.fatectq.edu.br/interfacetecnologica/article/view/1077.

[5] K. R. Hart and E. D. Wetzel, “Fracture behavior of additively manufactured acrylonitrile butadiene styrene (ABS) materials,” Eng. Fract. Mech., vol. 177, pp. 1–13, 2017. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/315956376_Fracture_behavior_of_additively_manufactured acrylonitrilebutadiene_styrene_ABS_materials

[6] RODOLFO, M. MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE PROPRIEDADES DE POLÍMEROS: uma perspectiva crítica, UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS, SÃO CARLOS - SP 2021 Disponível em:

https://repositorio.ufscar.br/bitstream/handle/ufscar/15357/Mateus%20Garcia%20Rodolfo.pdf.sequence=3

[7] DIKE, A. S. Improvement of mechanical and physical properties of carbon fiber-reinforced polyamide composites by applying different surface coatings for short carbon fiber. Journal of Thermoplastic Composite Materials, v. 33, n. 4, p. 541–553, 2020.

[8] SHARMA, M. et al. Carbon fiber surfaces and composite interphases. Composites Science and Technology, v. 102, p. 35–50, 2014.

[9] YAO, S. S. et al. Recent advances in carbon-fiber-reinforced thermoplastic composites: A review. Composites Part B: Engineering, v. 142, p. 241–250, 2018.

[10]KARGER-KOCSIS, J.; MAHMOOD, H.; PEGORETTI, A. Recent advances in fiber/matrixinterphase engineering for polymer composites. Progress in Materials Science, v. 73, p. 1–43, 2015.

[11] ALVES, O. L. Nanotecnologias: elas já estão entre nós. Revista Ciência e Cultura, v.65, n.3, São Paulo, jul. 2013. p.22-23.

[12] SEERS, K.; PETERSEN, A.; BOWMAN, D. The social and economic impacts of nanotechnologies: a literature review. Disponível em: . Acesso em: 19 fev. 2012.

[13] ARAIA, Eduardo. Como Grafeno vai mudar sua vida. Revista Planeta, 472.ed., jan. 2012. Disponível em: . Acesso em: 14 out. 2014. [14] ALIVISATOS, A. P. Menos é mais na medicina. Scientific American Brasil, edição especial, n.22, São Paulo, mar. 2004. p.74-81.