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Selecção de materiais com base na metodologia de Li fe
Cycle Engineering: caso de estudo uma mola da roupa
César André Coelho Inácio
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Prof. Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista
Orientador: Prof. Paulo Miguel Nogueira Peças
Vogal: Profª: Elsa Maria Pires Henriques
Dezembro de 2009
I
Agradecimentos
Ao professor Paulo Peças pela excelente orientação, pelos seus ensinamentos, pela
dedicação e pela disponibilidade demonstrada.
À Inês Ribeiro pela disponibilidade, pelas sugestões, pelo apoio e dedicação prestada ao
longo do desenvolvimento do presente trabalho.
À empresa Fapil nomeadamente ao Doutor Pedro Teixeira e ao Eng. Pedro Teixeira pela
disponibilidade, esclarecimento de dúvidas e pelo fornecimento de dados.
Ao Dário Enes pela sua disponibilidade e pelo esclarecimento de dúvidas sobre o software
Moldflow Plastics Insight 5.0.
E aos meus pais e restante família, por todo o apoio dado durante a realização do presente
trabalho.
II
Resumo
A selecção de materiais é uma das etapas mais importantes no projecto de um produto. Nos
últimos anos têm surgido várias metodologias para auxiliar os projectistas na selecção de materiais.
Vários factores como o impacto ambiental provocado pelos produtos têm sido cada vez mais
valorizados pela sociedade em geral, tendo sido necessário englobar uma análise ambiental nas
metodologias de selecção de materiais. Assim a partir desta necessidade surgiu a metodologia
denominada de Life Cycle Engineering.
Neste trabalho aplica-se a metodologia de Life Cycle Engineering a um caso de estudo – uma
mola da roupa. Esta metodologia baseia-se em três análises, que são: o Life Cycle Cost, o Life Cycle
Assessment e o desempenho funcional. O Life Cycle Cost consiste numa análise económica feita ao
produto durante toda a sua vida. O Life Cycle Assessment consiste numa avaliação dos impactos
ambientais provocados durante toda a vida do produto. O desempenho funcional consiste numa
avaliação feita aos materiais tendo em conta as funções ou requisitos do produto.
O objectivo deste trabalho consiste em seleccionar materiais candidatos para uma mola da
roupa e aplicar a metodologia Life Cycle Engineering para avaliar os seus desempenhos com base
nas três análises que o compõem. Para a selecção do melhor material é utilizada uma metodologia
de apoio à decisão denominada de Multi-attribute Utility Analysis, que se baseia na opinião dos
consumidores deste produto sobre a importância de três factores: o preço de mercado do produto, o
impacto ambiental e a qualidade do produto.
Palavras-Chave: Selecção de materiais; Life Cycle Engineering; Life Cycle Cost; Life Cycle
Assessment; Desempenho técnico; Multi-attribute Utility Analysis
III
Abstract
Materials selection is one of the most important steps in the design of a product. In recent
years there have been several methods to help designers in materials selection. Several factors such
as the environmental impact provoked by the products have been increasingly valued by the society in
general, and so had been necessary to include an environmental analysis in the methodologies of
materials selection. So from this need arose the methodology called Life Cycle Engineering.
In this paper the Life Cycle Engineering methodology is applied to a case study - a clothes
peg. This methodology is based on three analysis, which are: the Life Cycle Cost, the Life Cycle
Assessment and a technical evaluation. Life Cycle Cost is an economic analysis of the product
throughout its life. Life Cycle Assessment is an evaluation of environmental impacts caused during the
lifetime of the product. Technical evaluation consists in the evaluation of the candidate materials
based on the functions or the requirements of the product.
The purpose of this study is to select candidate materials for a clothes peg and apply the
methodology of Life Cycle Engineering to evaluate their performance based on the three studies that it
comprises. For the final selection of the best material is used a decision making methodology called
Multi-attribute Utility Analysis, which is based on the consumers opinion of this product on three
factors: the market price, the environmental impact and the quality of the product.
Keywords: Materials selection; Life Cycle Engineering; Life Cycle Cost; Life Cycle Assessment;
Technical evaluation; Multi-attribute Utility Analysis
IV
Índice
Agradecimentos ........................................................................................................................................ I
Resumo ................................................................................................................................................... II
Abstract................................................................................................................................................... III
Índice ...................................................................................................................................................... IV
Lista de Figuras ..................................................................................................................................... VII
Lista de Tabelas ..................................................................................................................................... IX
Lista de Equações .................................................................................................................................. XI
Lista de Abreviações ............................................................................................................................. XII
1 - Introdução .......................................................................................................................................... 1
2 - Estado da arte sobre a selecção de materiais e o método de Life Cycle Engineering ..................... 3
2.1 - Metodologias de selecção de materiais ...................................................................................... 4
2.2 - Life Cycle Engineering ................................................................................................................. 6
2.2.1 - Life Cycle Cost ...................................................................................................................... 7
2.2.2 - Life Cycle Assessment .......................................................................................................... 8
2.2.2.1 - Eco Indicador 95 .......................................................................................................... 10
2.2.2.2 - Eco Indicador 99 .......................................................................................................... 11
2.2.3 - Desempenho funcional dos materiais ................................................................................. 13
2.3 - Materials Selection Engine (MSE) ............................................................................................. 14
2.4 - Metodologia de Selecção de Materiais - Multi-attribute Utility Analysis .................................... 18
2.5 - Ciclo de vida de peças em plástico ........................................................................................... 21
2.6 - Aplicações da metodologia LCE ................................................................................................ 22
3 - Aplicação da metodologia LCE na selecção de materiais para uma mola da roupa ...................... 25
3.1 - Identificação com os trabalhos realizados anteriormente ......................................................... 25
3.1.1 - Desenvolvimento de um produto utilizando Análises de Valor: caso de estudo mola da
roupa……… ................................................................................................................................... 25
3.1.2 - Estudo e simulação do processo de fabrico: Injecção de plásticos ................................... 29
3.2 - Metodologia utilizada ................................................................................................................. 31
3.3 - Selecção preliminar de materiais candidatos ............................................................................ 33
3.4 - Análise de desempenho dos materiais para a mola da roupa .................................................. 39
3.4.1 - Metodologia utilizada .......................................................................................................... 39
3.4.2 - Requisitos da mola da roupa e propriedades do material .................................................. 39
3.4.3 - Especificação dos materiais de injecção ............................................................................ 41
3.4.4 - Análise de desempenho dos materiais ............................................................................... 42
3.5 - Simulação do processo de injecção .......................................................................................... 43
3.5.1 - Parâmetros do processo ..................................................................................................... 43
3.5.1.1 - Tipologias de moldes ................................................................................................... 43
3.5.1.2 - Condições de processamento dos materiais de injecção ............................................ 44
3.5.1.3 - Materiais dos moldes ................................................................................................... 45
3.5.1.4 - Máquina de Injecção .................................................................................................... 45
V
3.5.2 - Procedimento realizado no software .................................................................................. 46
3.5.2.1 - Geração da malha do corpo da mola ........................................................................... 46
3.5.2.2 - Ponto de injecção e a disposição das cavidades ........................................................ 47
3.5.2.3 - Sistemas de alimentação ............................................................................................. 48
3.5.2.4 - Sistema de arrefecimento ............................................................................................ 49
3.5.2.5 - Tempo de abertura do molde ....................................................................................... 50
3.5.3 - Parâmetros de controlo do processo .................................................................................. 51
3.5.4 - Resultados obtidos na simulação do processo de injecção ............................................... 51
3.5.4.1 - Tempos de ciclo ........................................................................................................... 52
3.5.4.2 - Outros resultados importantes ..................................................................................... 53
3.6 - Aplicação do Modelo de Life Cycle Engineering ....................................................................... 54
3.6.1 - Life Cycle Cost .................................................................................................................... 54
3.6.1.1 - Custos de entrada ........................................................................................................ 55
3.6.1.2 - Custos do processo ...................................................................................................... 56
3.6.1.3 - Custos totais de produção da mola da roupa .............................................................. 58
3.6.1.4 - Análise de sensibilidade ao volume de produção ........................................................ 60
3.6.2 - Life Cycle Assessment ........................................................................................................ 62
3.6.2.1 - Metodologia utilizada .................................................................................................... 62
3.6.2.2 - 1ª Fase: Produção dos materiais ................................................................................. 63
3.6.2.3 - 2ª Fase: Processo de injecção ..................................................................................... 63
3.6.2.4 - 3ª Fase: Fim de vida .................................................................................................... 64
3.6.2.5 - Resultados do Life Cycle Assessment ......................................................................... 64
3.6.3 - Desempenho funcional ....................................................................................................... 66
3.6.3.1 - Requisitos e propriedades mecânicas requeridas para a mola da roupa .................... 66
3.6.4 - Conclusões da metodologia LCE........................................................................................ 68
3.7 - Metodologia de decisão - Multi-attribute Utility Analysis ........................................................... 69
3.7.1 - Metodologia utilizada .......................................................................................................... 69
3.7.2 - Procedimento realizado ...................................................................................................... 69
3.7.2.1 - Definição dos atributos utilizados ................................................................................. 69
3.7.2.2 - Estrutura do questionário e resultados ........................................................................ 71
3.7.2.3 - Medição das utilidades ................................................................................................. 72
3.7.3 - Resultados do modelo ........................................................................................................ 72
4 - Conclusões ....................................................................................................................................... 76
5 - Referências ...................................................................................................................................... 78
6 - Anexos.............................................................................................................................................. 81
Anexo 1 - Polímeros ......................................................................................................................... 81
1 - Polipropileno (PP) ..................................................................................................................... 82
2 - Policloreto de Vinilo (PVC) ........................................................................................................ 84
3 - Poliestireno (PS) ....................................................................................................................... 87
4 - Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) ....................................................................................... 89
VI
5 - Polimetil-metacrilato (PMMA) ................................................................................................... 90
6 - Polioximetileno (POM) .............................................................................................................. 93
7 - Politereftalato de etileno (PET) ................................................................................................. 94
Anexo 2 - Exemplo da aplicação da metodologia MAUA .................................................................. 97
Anexo 3 - Questionário ...................................................................................................................... 99
VII
Lista de Figuras
Figura 2.1: Gráficos de selecção de Ashby: a) Módulo de Young vs Densidade; b) Tensão de
cedência vs Densidade; c) Tenacidade à fractura vs Módulo de Young [6]. .......................................... 5
Figura 2.2: Modelo do Life Cycle Engineering [20]. ................................................................................ 7
Figura 2.3: Modelo do Life Cycle Cost [26]. ............................................................................................ 8
Figura 2.4: Modelo do Life Cycle Assessment [26]. .............................................................................. 10
Figura 2.5: Método EI’ 95 [37]. .............................................................................................................. 11
Figura 2.6: Método EI’99 [39]. ............................................................................................................... 12
Figura 2.7: Campos do projecto mecânico [1]....................................................................................... 13
Figura 2.8: Propriedades dos materiais em projecto mecânico [3]. ...................................................... 14
Figura 2.9: Fases da selecção de materiais [5]..................................................................................... 14
Figura 2.10: Exemplos entre a relação entre o custo e um determinado atributo. a) Grande
sensibilidade ao custo; b) Caso intermédio; c) Grande sensibilidade ao desempenho [43]. ............... 20
Figura 2.11: Ciclo de vida das peças em plástico [44]. ......................................................................... 21
Figura 2.12: Metodologia de LCE utilizada [2]. ..................................................................................... 24
Figura 3.1: a) Mola original [50]; b) CAD da mola original [51]. ............................................................ 26
Figura 3.2: Diagrama representativo da metodologia utilizada para a selecção de materiais [51]. ..... 27
Figura 3.3: a) Geometria 1; b) Geometria 2; c) Geometria do fixador [51]. .......................................... 28
Figura 3.4: Geometria final do corpo da mola 1 [52]. ............................................................................ 29
Figura 3.5: Geometria final do corpo da mola 2 [52]. ............................................................................ 29
Figura 3.6: Tempos de ciclo para todas as tipologias de moldes [52]. ................................................. 30
Figura 3.7: Estrutura de custos do processo de injecção utilizada [52]. ............................................... 31
Figura 3.8: Metodologia utilizada. ......................................................................................................... 33
Figura 3.9: Design da mola da roupa em estudo. ................................................................................. 34
Figura 3.10: Gráfico original apresentado no software CES EduPack 2008. ....................................... 35
Figura 3.11: a) Gráfico resultante após o 1º constrangimento; b) Gráfico resultante após o 2º
constrangimento; c) Gráfico resultante após o 3º constrangimento; .................................................... 36
Figura 3.12: Gráfico representativo dos materiais escolhidos. ............................................................. 37
Figura 3.13: Distribuição dos custos de produção da mola [52]. .......................................................... 37
Figura 3.14: Materiais seleccionados. ................................................................................................... 38
Figura 3.15: Configuração da malha utilizada nas análises. ................................................................. 46
Figura 3.16: a) Localização dos pontos de injecção que foram analisados; b) Ponto de injecção
escolhido................................................................................................................................................ 47
Figura 3.17: Disposição das cavidades; a) 32 cavidades; b) 96 cavidades; ........................................ 47
Figura 3.18: Diâmetro de ataque em função do caudal [56]. ................................................................ 48
Figura 3.19: Sistemas de alimentação finais para as duas tipologias de moldes estudadas. a) 32
cavidades com canais frios; b) 32 cavidades com canais quentes; c) 96 cavidades com canais frios; d)
96 cavidades com canais quentes. ....................................................................................................... 49
Figura 3.20: Configuração do sistema de arrefecimento; a) 32 cavidades com canais quentes; b) 32
cavidades com canais frios; c) 96 cavidades com canais quentes; d) 96 cavidades com canais frios. 50
VIII
Figura 3.21: Tempos de ciclo para todos os casos estudados. ............................................................ 53
Figura 3.22: Metodologia do LCC utilizada. .......................................................................................... 54
Figura 3.23: Custos totais de produção da mola da roupa. .................................................................. 59
Figura 3.24: Distribuição dos custos de produção da mola. ................................................................. 60
Figura 3.25: Variação dos custos unitários de produção das molas da roupa em função do volume de
produção. ............................................................................................................................................... 61
Figura 3.26: Metodologia utilizada para o modelo LCA. ....................................................................... 62
Figura 3.27: Resultados finais do LCA. ................................................................................................. 64
Figura 3.28: Impacto ambiental provocado pelo material do molde. .................................................... 65
Figura 3.29: Impactos ambientais no fim de vida. ................................................................................. 65
Figura 3.30: Distribuição do impacto ambiental pelos intervenientes. .................................................. 65
Figura 3.31: Pontuações adimensionais das análises do LCE. ............................................................ 68
Figura 3.32: Gráfico da utilidade vs o preço de mercado. .................................................................... 73
Figura 3.33: Gráfico da utilidade vs o preço de mercado para as novas percentagens. ...................... 74
Figura A.1: Tipos de polímeros [1]. ....................................................................................................... 81
Figura A.2: Classificação dos polímeros pelas suas propriedades [4]. ................................................ 82
Figura A.3: Cadeia do polipropileno [2]. ................................................................................................ 82
Figura A.4: Tacticidade do polipropileno [4]. ......................................................................................... 83
Figura A.5: Estrutura química do PVC [2]. ............................................................................................ 84
Figura A.6: Esquema representativo do processamento do PVC [7]. .................................................. 85
Figura A.7: Estrutura química do PS [2] [9]. .......................................................................................... 87
Figura A.8: Estrutura química do ABS [2]. ............................................................................................ 89
Figura A.9: Estrutura química do PMMA [2]. ......................................................................................... 90
Figura A.10: Estrutura química do POM [2]. ......................................................................................... 93
Figura A.11: Estrutura química do PET [2]. ........................................................................................... 94
Figura A.12: Representação gráfica dos valores dos atributos [1]. ...................................................... 97
Figura A.13: Percentagens de indiferença [1]. ...................................................................................... 98
Figura A.14: Percentagem de indiferença dos atributos [1]. ................................................................. 98
Figura A.15: Pontos para a medição da utilidade [1]. ........................................................................... 98
Figura A.16: Distribuição das probabilidades para o preço de mercado. ............................................. 99
Figura A.17: Distribuição das probabilidades para o impacto ambiental. ............................................. 99
Figura A.18: Distribuição das probabilidades para a qualidade. ........................................................... 99
Figura A.19: Distribuição das probabilidades para um preço muito bom, um impacto ambiental muito
mau e uma qualidade muito má. ......................................................................................................... 100
Figura A.20: Distribuição das probabilidades para um preço muito mau, um impacto ambiental muito
bom e uma qualidade muito má. ......................................................................................................... 100
Figura A.21: Distribuição das probabilidades para um preço muito mau, um impacto ambiental muito
mau e uma qualidade muito boa. ........................................................................................................ 100
IX
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Categorias de impacto e respectivos pesos [1]. ................................................................ 11
Tabela 2.2: Pesos das categorias consoante as perspectivas [1]. ....................................................... 12
Tabela 2.3: Obtenção dos pesos das propriedades mecânicas [4]. ..................................................... 16
Tabela 2.4: Classificação dos materiais candidatos [4]. ....................................................................... 16
Tabela 3.1 Material do corpo da mola [51]. ........................................................................................... 26
Tabela 3.2: Material do fixador [51]. ...................................................................................................... 26
Tabela 3.3: Material escolhido [51]. ...................................................................................................... 28
Tabela 3.4: Parâmetros do processo de injecção para os dois corpos da mola [52]. .......................... 30
Tabela 3.5: Distribuição dos custos de produção do corpo da mola para os diferentes modelos/molde
estudados para o volume de produção de 2 400 000 molas por ano [52]. ........................................... 31
Tabela 3.6: Dimensões da mola da roupa. ........................................................................................... 34
Tabela 3.7: Especificações para a mola da roupa. ............................................................................... 34
Tabela 3.8: Propriedades mecânicas dos materiais seleccionados [54]. ............................................. 38
Tabela 3.9: Classificação dos requisitos da mola da roupa. ................................................................. 40
Tabela 3.10: Peso das propriedades mecânicas. ................................................................................. 40
Tabela 3.11: Características mecânicas dos materiais propostos [55]. ................................................ 42
Tabela 3.12: Valores alvo para a mola. ................................................................................................. 42
Tabela 3.13: Classificação dos materiais tendo em conta o valor alvo. ............................................... 43
Tabela 3.14: Terminologia utilizada para a identificação das várias variantes de moldes em estudo. 44
Tabela 3.15: Condições de processamento recomendadas [57]. ......................................................... 45
Tabela 3.16: Principais características dos materiais para os moldes [58]. ......................................... 45
Tabela 3.17: Principais características da máquina de injecção. ......................................................... 46
Tabela 3.18: Espaçamento das tipologias dos moldes. ........................................................................ 47
Tabela 3.19: Dimensões dos sistemas de alimentação utilizados. ....................................................... 48
Tabela 3.20: Configuração dos canais de arrefecimento. ..................................................................... 49
Tabela 3.21: Tempos de abertura do molde. ........................................................................................ 50
Tabela 3.22: Parâmetros de controlo do processo [57]. ....................................................................... 51
Tabela 3.23: Tempo de ciclo para todos os casos estudados. ............................................................. 52
Tabela 3.24: Parâmetros importantes no processo de injecção. .......................................................... 53
Tabela 3.25: Custos dos materiais de injecção. ................................................................................... 55
Tabela 3.26: Custo e dimensão dos moldes. ........................................................................................ 56
Tabela 3.27: Maquinas de injecção para cada tipologia de molde. ...................................................... 57
Tabela 3.28: Características das máquinas de injecção [60]................................................................ 57
Tabela 3.29: Custos totais de produção da mola da roupa. ................................................................. 59
Tabela 3.30: Volume máximo de produção das tipologias de moldes. ................................................. 60
Tabela 3.31: Valores do impacto para o material dos moldes. ............................................................. 63
Tabela 3.32: Valores de EI’99 e da massa dos materiais de injecção. ................................................ 63
Tabela 3.33: Consumo de energia total de cada material. ................................................................... 64
Tabela 3.34: Percentagem dos requerimentos considerados............................................................... 66
X
Tabela 3.35: Peso das propriedades mecânicas. ................................................................................. 67
Tabela 3.36: Classificação dos materiais candidatos. .......................................................................... 67
Tabela 3.37: Resultados finais da metodologia LCE. ........................................................................... 68
Tabela 3.38: Valores dos atributos. ....................................................................................................... 70
Tabela 3.39: Resultados do questionário. ............................................................................................. 72
Tabela 3.40: Valores dos atributos de cada material. ........................................................................... 72
Tabela 3.41: Custo final e utilidades para cada material. ..................................................................... 73
Tabela 3.42: Novas percentagens. ....................................................................................................... 74
XI
Lista de Equações
Equação 2.1 – Importância das prop. mecânicas ................................................................................. 16
Equação 2.2 – Peso das prop. mecânicas ............................................................................................ 16
Equação 3.1 – Custo hora máquina ...................................................................................................... 57
Equação 3.2 – Custo da trituração ........................................................................................................ 57
Equação 3.3 – Custo hora da mão-de-obra .......................................................................................... 58
Equação 3.4 – Custo hora da energia ................................................................................................... 58
Equação 3.5 – Custo por setup ............................................................................................................. 58
Equação 3.6 – “Mark-up” do custo de produção ................................................................................... 73
Equação A.1 – Medição das utilidades ................................................................................................. 98
XII
Lista de Abreviações ABS – Acrilonitrilo-butadieno-estireno
AISI – American Iron and Steel Institute
CAD – Projecto assistido por computador (Computer Aided Design)
Cd – Cádmio
CFC – Clorofluorcarboneto
CO2 – Dióxido de Carbono
DALY – Disability-adjusted life years
DDT – Dicloro-Difenil-Tricloroetano
EI’ 95 – Eco indicador 95
EI’ 99 – Eco indicador 99
FMVSS – Federal Motor Vehicle Safety Standards
GWP – Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential)
ISO – International Organization for Standardization
LCA – Análise Ambiental do Ciclo de Vida (Life Cycle Assessment)
LCC – Custo do Ciclo de Vida (Life Cycle Cost)
LCE – Engenharia do Ciclo de Vida (Life Cycle Engineering)
LCI – Análise de Inventário de Ciclo de Vida (Life Cycle Inventory stage)
LCIA – Avaliação do Impacto de Ciclo de Vida (Life Cycle Inventory Analysis)
MADM – Multiple Attributes Decision-making
MAUA – Análise de Utilidade com Multi-atributos (Multi-attribute Utility Analysis)
MPI – Moldflow Plastics Insight 5.0
MSE – Materials Selection Engine
NOx – Óxidos de Azoto
ODP – Potencial de Destruição da Camada de Ozono (Ozone Depletion Potential)
P – Fósforo
PAF – Fracção Potencialmente Afectada (Potentially Affected Fraction)
PAH – Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos
Pb – Chumbo
PDF – Fracção Potencialmente Desaparecida (Potentially Disappeared Fraction)
PET – Politereftalato de etileno
PMMA – Polimetil-metacrilato
POM – Polioximetileno
PP – Polipropileno
PS – Poliestireno
PVC – Policloreto de Vinilo
SAW – Simple Aditive Weighting
SETAC – Society for Environmental Toxicology and Chemistry
SO2 – Dióxido de Enxofre
UV – Radiação Ultravioleta
1
1 – Introdução
Um dos grandes desafios nos dias de hoje por parte das empresas é a selecção de materiais.
A selecção de materiais para um produto é de extrema importância, pois a escolha correcta de um
material pode ser a chave para o sucesso do produto no mercado. Para auxiliar as empresas a
seleccionar materiais para os seus produtos, têm sido desenvolvidos nas últimas décadas muitas
metodologias. Tais metodologias têm em consideração os mais variados aspectos e características
dos materiais como as suas propriedades mecânicas, o impacto ambiental e os seus custos
associados, quer no processo de fabrico quer no próprio preço de mercado. O impacto ambiental tem
sido um factor cada vez mais valorizado pela sociedade em geral, por isso torna-se fundamental a
inclusão de um estudo ambiental na fase de projecto de um produto, tanto nos impactos inerentes ao
processo(s) de fabrico(s) como da produção do próprio material.
Nesta dissertação é aplicada a metodologia LCE para a selecção de materiais a um caso de
estudo. A metodologia do LCE tem por base três análises: o LCC que é uma análise económica
considerando toda a vida do produto, desde a fabricação da sua matéria-prima até à sua eliminação
quando acaba a sua vida útil; o LCA que é uma análise ambiental onde são consideradas todas as
etapas da vida do produto; e o desempenho funcional que é uma análise ao desempenho dos
materiais relativamente às funções que o produto desempenhará. Estas três análises permitem a
realização de uma abordagem bastante abrangente aos factores mais importantes na selecção dos
materiais.
Esta dissertação foi efectuada com base em dois trabalhos realizados previamente, em que
no primeiro foi feita uma modificação ao design de um produto já existente com o objectivo de
diminuir os custos de produção. Para alcançar este objectivo foi desenvolvido um estudo tendo como
base uma análise aos produtos concorrentes onde se identificaram as características que podem ser
melhoradas, tendo-se depois desenvolvido novas propostas de design em que essas características
foram melhoradas. No segundo trabalho foi realizado um estudo relativamente ao processo de fabrico
utilizado para fabricar o produto, onde também foram realizadas melhorias no design com o objectivo
de facilitar o processo de fabrico. Também foi realizado neste trabalho um estudo dos custos de
produção do produto.
No capítulo 2 deste trabalho é exposta a pesquisa realizada. Neste capítulo são apresentadas
resumidamente algumas metodologias de selecção de materiais, depois é descrita a metodologia
LCE e as suas respectivas análises: o LCC, o LCA e o desempenho funcional. Seguidamente são
descritas as metodologias Materials Selection Engine e Multi-attribute Utility Analysis que são
utilizadas nesta dissertação. Finalmente, são dados alguns exemplos de trabalhos onde foi aplicada
uma abordagem de LCE.
No capítulo 3 começa por ser feita uma breve descrição sobre os trabalhos realizados
previamente. Seguidamente é descrita a metodologia utilizada nesta dissertação, onde são descritas
brevemente todas as etapas desta dissertação. Posteriormente é feita a selecção preliminar de
2
materiais candidatos para o produto, neste ponto é utilizado um software que tem por base os
gráficos de Ashby. De referir que nesta fase decidiu-se restringir os materiais seleccionados aos
polímeros, devido sobretudo à grande facilidade de produzir grandes volumes de produção a um
preço reduzido, através do processo de moldação por injecção. Seguidamente é feita uma análise
aos materiais tendo em conta as suas propriedades mecânicas e as especificações do produto, com
o objectivo de verificar se dentro dos materiais escolhidos se encontram materiais que não se
adequam ao produto em estudo. Posteriormente é feita a simulação do processo de fabrico
(moldação por injecção), para se saberem algumas características importantes do processo que
serão úteis em fases posteriores do trabalho, nomeadamente para o LCC. Como todos os materiais
candidatos seleccionados são todos materiais poliméricos decidiu-se simular o processo de injecção
de plásticos por moldação, utilizando o software Moldflow Plastics Insight 5.0. Nesta etapa para além
de se testarem todos os materiais candidatos também são estudadas várias tipologias de moldes de
injecção de plástico. Seguidamente é aplicada a metodologia de LCE para todos os materiais
propostos para o produto, onde é feita uma análise de custos, uma análise ao impacto ambiental
durante toda a vida do produto e uma análise ao desempenho dos materiais para o produto em
estudo. Finalmente, é utilizada uma metodologia de apoio à decisão designada de Mullti-attribute
Utility Analysis, onde se procura saber o que os clientes valorizam mais no produto para assim se
tomar uma decisão sobre qual o material mais indicado para o produto.
Por fim, no capítulo 4 são apresentadas as conclusões que se podem retirar dos estudos
realizados neste trabalho.
3
2 – Estado da arte sobre a selecção de materiais e o método de Life Cycle Engineering
A presente secção tem como objectivo a exposição do estado da arte sobre a selecção de
materiais com especial ênfase à metodologia LCE. É feita em primeiro lugar uma breve introdução ao
tema, seguidamente são apresentadas sucintamente algumas metodologias de selecção de
materiais, com especial atenção aos gráficos de selecção de Ashby, posteriormente é descrita
metodologia LCE, depois é descrita uma metodologia designada de Materials Selection Engine
proposta por Henriques et al., seguidamente é descrita uma metodologia de apoio à decisão
designada de Multi-attribute Utility Analisys e finalmente são apresentados resumidamente alguns
trabalhos desenvolvidos sob a égide do LCE.
O fabrico de produtos tem-se alterado ao longo dos tempos à medida que novos objectivos
emergem. Vários factores como a tecnologia disponível, as necessidades do mercado e da sociedade
têm ditado esta mudança. Até ao século XIX, o fabrico de produtos era personalizado e em pequenos
volumes, sendo a tecnologia bastante limitada. A partir desta data e até 1913, surge a produção em
massa, sendo o grande objectivo a produção de baixo custo e pouco diferenciada. Contudo, a partir
da década de 80 assistiu-se a uma mudança de paradigma na produção, devido ao aparecimento da
automatização industrial assistida por computador e consequente aumento da flexibilidade dos
sistemas produtivos, o que possibilitou uma maior variedade dos produtos. Com o aumento da oferta
surgiu uma maior exigência na qualidade e foi necessário limitar a produção à procura do mercado. A
globalização do mercado que surgiu nos anos 90 obrigou ao aumento da competitividade das
empresas, tornado a indústria cada vez mais virada para o mercado [1]. A produção tornou-se muito
mais flexível devido à constante alteração da procura, com os seus produtos mais personalizados.
Actualmente para satisfazer as necessidades do mercado, o desenvolvimento de um produto não
pode ser focado somente na abordagem clássica, tais como o desempenho técnico e económico [2].
Na última década, as questões ambientais tornaram-se objecto de preocupação para a sociedade em
geral, por isso houve a necessidade de desenvolver estratégias e métodos para tornar os produtos o
mais ecológicos possível.
Para satisfazer as necessidades actuais de mercado, o desenvolvimento de um produto tem
de ser um esforço contínuo que envolve profissionais de várias áreas, tais como: engenharia, gestão,
marketing e ambiente que funcionam em equipas integradas, para que desta forma seja mais fácil
responder aos desafios do mercado que está constantemente em mutação.
Os requisitos de desempenho económico, mecânico, electrónico e químico sempre foram
considerados como elementos de decisão. No entanto, a integração na decisão de factores como as
implicações ambientais dos produtos são um fenómeno recente. As implicações ambientais de um
produto ocorrem em todas as etapas do seu ciclo de vida, desde a aquisição de matéria-prima,
processamento dos materiais, até à produção, uso e desmantelamento. Uma caracterização completa
de um produto, sistema ou processo permite identificar os seus impactos ambientais ao longo do ciclo
de vida, conjuntamente com os requisitos técnicos e económicos [1].
4
Uma das fases mais importantes durante o projecto de um produto é a selecção de materiais.
A selecção de materiais é uma actividade multi-disciplinar, que integra um vasto leque de
conhecimentos e experiência profissional. A selecção de materiais não pode ser só baseada no
desempenho funcional mas também deve considerar os impactos económicos e ambientais que
serão originados durante todo o ciclo de vida do produto [2]. Existem muitos métodos de selecção de
materiais, no ponto seguinte são descritos alguns métodos de selecção de materiais.
2.1 – Metodologias de selecção de materiais
Durante o design de um produto a selecção de materiais pode ser feita de várias maneiras.
Existem muitos factores que condicionam a selecção de materiais para uma aplicação em particular
como o custo, o peso, a processabilidade e o desempenho mecânico. Existem muitos métodos para
optimizar os parâmetros no design mecânico permitindo actividades como o “design para o mínimo
peso”, “design para a minimização da distorção térmica” e o “design para o custo mínimo” [3]. Estas
considerações são muito importantes mas nos últimos anos tem-se verificado que os factores
ambientais têm tido um papel cada vez maior na selecção de materiais e tecnologias. A inclusão de
critérios de impactos ambientais complexos no processo de design necessita do desenvolvimento de
metodologias e ferramentas para ajudar os projectistas.
O autor Ashby é um dos que tem mais contribuído para o desenvolvimento de ferramentas de
selecção de materiais. Sendo que ele desenvolveu um dos métodos mais comuns e “visual” para a
selecção de materiais para uma dada aplicação, os chamados gráficos de selecção de materiais de
Ashby [4]. Aliás segundo o próprio Ashby “os gráficos de selecção de materiais podem ser utilizados
de forma mais eficaz, através da inclusão de índices de desempenho no gráfico, isolando um
subconjunto de materiais que cumprem os objectivos do design” [3][5]. Permitindo assim seleccionar
um conjunto de materiais, através da comparação de duas propriedades mecânicas ao mesmo
tempo. Na figura 2.1 estão alguns exemplos de gráficos de selecção de materiais de Ashby, de referir
que existem mais de 18 gráficos de selecção de materiais e gráficos de selecção de processos que
cobrem a maior parte das áreas do design mecânico [3].
a) b)
5
O custo não é uma variável muito realista neste método. De facto, mesmo sabendo que é
fundamental avaliar o impacto do material no custo final do produto, apenas é considerado o custo
relativo da matéria-prima nesta metodologia. Como o custo relativo da matéria-prima é apenas uma
parcela desse impacto, o efeito dos materiais num certo volume de produção, no processo de fabrico
e no seu custo, é naturalmente negligenciável. Existe um software (CES EduPack), que organiza de
forma hierarquizada e estruturada uma base de dados de materiais, possuindo um sistema de
informação que permite gerir grandes quantidades de informação de suporte numa vasta gama de
formatos de dados [4].
Uma outra forma de selecção de materiais é através da utilização de matrizes de decisão.
Existem várias abordagens, algumas são qualitativas [7] e outras são quantitativas [8]. Estes métodos
podem ser usados como apoio à decisão, independentemente do objectivo. Estes métodos
normalmente utilizam um sistema de ponderações para quantificar quando um critério é mais
importante que outro, mas todos eles são muitos similares em todos os aspectos [4].
A Análise de Valor é outro método disponível para a selecção de materiais [9]. Este é também
um método utilizado como apoio à decisão. É normalmente empregue a um produto no seu todo, não
para um só componente, visto que o seu principal objectivo é melhorar o valor do produto para o
cliente. O método funciona com um design já definido, por isso é de pouca utilidade para a decisão do
material a utilizar quando ainda não há uma definição completa do design. Os outputs deste método
são recomendações para modificações no produto e possível substituição dos materiais [4].
Hoje em dia o desenvolvimento de um produto não pode ser focalizado apenas no
desempenho técnico e económico. Em resposta a isso surgiu a metodologia LCE (ver ponto 2.2) que
tem em conta os aspectos económicos e ambientais, bem como o desempenho dos materiais
propostos relativamente ao produto, sendo por isso uma ferramenta cada vez mais utilizada em
várias áreas de engenharia.
Existe uma outra metodologia, o “Materials Selection Engine” (ver ponto 2.3) que permite
analisar todo o processo de fabrico, desde a opinião de todos os intervenientes no projecto e
produção do produto para a materialização num intervalo progressivamente mais pequeno de
c) Figura 2.1: Gráficos de selecção de Ashby: a) Módulo de Young vs Densidade; b) Tensão de
cedência vs Densidade; c) Tenacidade à fractura vs Módulo de Young [6].
6
materiais potencialmente bons, baseado num processo estruturado de análise e avaliação, utilizando
uma abordagem passo-a-passo.
2.2 – Life Cycle Engineering
O LCE surgiu em resposta à necessidade de desenvolver ciclos de vida que reduzam o mais
possível os impactos ambientais, mas que continuem a ser economicamente viáveis. Uma possível
definição para o LCE é a seguinte “actividades de engenharia que incluem: a aplicação de princípios
científicos e tecnológicos para a concepção e fabrico de produtos, como o objectivo de proteger o
ambiente e conservar os recursos, enquanto encoraja o progresso económico, não esquecendo a
sustentabilidade, e ao mesmo tempo optimiza o ciclo de vida do produto e minimiza a poluição e os
desperdícios” [10]. Para além disso o LCE pode ser definido também como uma metodologia de
tomada de decisão que considera o desempenho, o ambiente e o custo durante toda a vida de um
produto, guiando dessa forma os designers a tomarem decisões informadas [11][12].
O LCE incorpora três dimensões de análise, sendo elas as seguintes: LCA que cobre os
aspectos relacionados com o ambiente; o LCC que tem como objectivo estudar os aspectos
económicos; e o desempenho técnico que tem como objectivo classificar os materiais candidatos
tendo em conta a importância relativa das suas propriedades mecânicas em função dos requisitos
funcionais do produto. O LCE tem sido aplicado nas mais variadas aplicações tais como: aplicações
automóveis [13][14], construção [15], indústria de computadores [16][17], entre outras, visando uma
avaliação individual dos aspectos técnicos, económicos e ambientais dos produtos ou dos sistemas.
A selecção de materiais é uma importante área de aplicação do LCE. Como a selecção de
materiais é uma parte integrante do design de um produto, as decisões tomadas durante esta etapa
têm grande influência no custo do produto e nos impactos ambientais durante todo o seu ciclo de vida
[18]. Quando se selecciona um material para um conjunto específico de funcionalidades as
propriedades relevantes do material são identificadas e correlacionadas nos requisitos de design.
Normalmente, a selecção é realizada considerando os valores dessas propriedades juntamente com
as considerações económicas. Por exemplo, no design mecânico as propriedades mecânicas são as
mais importantes para a selecção de materiais, mas a influência do material seleccionado no custo
final do produto tem de ser controlado de forma a ter uma solução de design viável em termos de
desempenho técnico e viabilidade económica. Portanto, a selecção de materiais pode ser
considerada como um problema multi-objectivo, sendo a selecção óptima a melhor correspondência
feita entre os materiais disponíveis e os requisitos do design. De facto de acordo com o autor Field
“os quatro principais factores considerados pelos designers quando escolhem materiais são as
relações entre as especificações dos materiais e o desempenho técnico do produto, o desempenho
económico do produto, o desempenho ambiental do produto e a prática de design industrial
incorporados no produto e na sua funcionalidade” [19]. Contudo, isto não é uma tarefa simples e na
prática os métodos de selecção de materiais frequentemente ignoram os aspectos económicos e
ambientais ou só os consideram em fases do desenvolvimento do produto avançadas.
7
Na figura 2.2 é mostrado um diagrama representativo da metodologia LCE.
Figura 2.2: Modelo do Life Cycle Engineering [20].
2.2.1 – Life Cycle Cost
A análise LCC é uma ferramenta que traduz o custo total de um produto, estrutura ou
sistema, ao longo da sua vida útil. A crescente necessidade de criar modelos LCC apareceu nos anos
60, ao serem constatados os impactos económicos que as decisões nas fases iniciais de
desenvolvimento de um produto têm no futuro. O objectivo de uma análise LCC é identificar as
consequências económicas de uma decisão. Por exemplo, na escolha de um material para uma peça,
o material com menor custo de aquisição pode não ser o material economicamente mais viável no fim
do ciclo de vida. O modelo LCC avalia os custos de um produto, projecto ou sistema desde o
desenvolvimento e produção ao uso, manutenção e fim de vida, permitindo assim uma decisão
informada e consciente [21].
O LCC pode definir-se da seguinte forma "avaliação de todos os custos associados ao ciclo
de vida de um produto que são directamente abrangidos por qualquer interveniente no ciclo de vida
do produto, tais como o fornecedor, o produtor, o utilizador/consumidor e os intervenientes no fim de
vida do produto, com a inclusão complementar de factores externos que são tidos em conta nas
tomadas de decisões futuras” [22]. O seu objectivo é cobrir as avaliações de custos em todas as
etapas do ciclo de vida do produto, incluindo os custos que não são normalmente expressos em
preços do produto no mercado [23], tais como os custos incorridos durante a utilização e eliminação
[24].
A metodologia LCC inclui todos os custos internos e externos relativos ao produto; os custos
internos são os custos suportados pela empresa que o produz e os externos, custos pelos quais a
empresa não é responsável. Os custos internos podem ser divididos em custos convencionais, os
custos directos decorrentes da produção, custos indirectos, os custos gerais da empresa atribuídos
directamente ao produto, e custos intangíveis, custos muitas vezes omitidos na contabilidade devido
Condições Especificas
Avaliação Técnica
Avaliação Económica
Avaliação Ambiental
Avaliação Global
Diagrama de selecção
Estratégia da empresa
8
ao seu carácter probabilístico. Os custos externos são custos pelos quais a companhia não é
responsável, como por exemplo os custos ambientais não regulamentados pelos governos. Apenas
são incluídos na empresa devido a factores como a competitividade internacional, responsabilidade
social, etc. [25].
O LCC é essencialmente uma ferramenta de avaliação no sentido em que averigua métricas
importantes para escolher a solução mais eficaz em termos de custos a partir de uma série de
alternativas [21]. No entanto, o método LCC por si só, sem mais avaliações, não é suficiente, como
um indicador de uma prática sustentável [22]. Assim, também é aconselhável avaliar o produto numa
base ambiental com uma abordagem do ciclo de vida, nomeadamente com o LCA [24].
Na figura 2.3 está representado um diagrama do método LCC.
2.2.2 – Life Cycle Assessment
A metodologia LCA é uma ferramenta de decisão ambiental, inovadora e relativamente
recente, normalizada pela International Standardisation Organisation (ISO). Esta metodologia permite
quantificar dados ambientais e energéticos de produtos ou processos, quantificando assim o
desempenho ambiental destes ao longo de todo o seu ciclo de vida, desde a extracção de matéria-
prima até ao seu fim de vida [1][27].
Figura 2.3: Modelo do Life Cycle Cost [26].
Produção do molde
Produção do Plástico
Processamento do plástico
Utilização do plastico
Eliminação Final
Reciclagem Incineração Aterro
Informação sobre o
Processo
Fluxos de Massa
Fluxos de Energia
Instalações da Produção
Recursos Consumidos
Energia Consumida
Mão-de-ObraMaquinas e Ferramentas
Infra-estruturas e despesas gerais
Custo Total
Base de dados dos Custos
Electricidade
9
As primeiras análises de ciclo de vida, publicadas nos anos 70, apenas consideravam o
consumo de energia de um produto ou processo ao longo do seu ciclo de vida. Mais tarde, alguns
estudos, em particular para sistemas de empacotamento e produtos de consumo incluíram
desperdícios e emissões à análise, mas nenhum fazia mais que quantificar materiais e uso de
energia. Foi então necessária uma metodologia mais sofisticada. Como resultado, em 1990, a Society
for Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) iniciou a definição de LCA e desenvolveu
metodologias para realizar análises de ciclo de vida [28][29]. Finalmente, a organização ISO iniciou
trabalhos similares e desenvolveu princípios e guias para a metodologia LCA, resultando numa série
de normas [30][31][32][33].
A metodologia LCA ainda está em desenvolvimento. Actualmente, o LCA consiste de quatro
etapas: definição do objectivo e âmbito do estudo, construção do modelo de ciclo de vida do produto
com todos os inputs e outputs ambientais (Life Cycle Inventory stage - LCI), a avaliação da relevância
ambiental de todos os inputs e outputs (Life Cycle Impacts Assessment stage - LCIA) e, finalmente, a
interpretação dos resultados [24][34].
A definição e objectivo do estudo estabelecem as condições de fronteira do sistema, as
unidades funcionais e os critérios para o inventário de dados. O inventário de ciclo de vida (Life Cycle
Inventory – LCI) lida com a recolha e síntese de informação sobre materiais e entradas e saídas de
energia nas várias fases do ciclo de vida. A recolha de informação em cada uma das fases é depois
compilada numa caracterização ambiental de fluxos de entrada e saída do produto em estudo. Na
análise de impactos do ciclo de vida (Life Cycle Impact Assessment – LCIA), estes fluxos de entrada
e saída são relacionados com as categorias de impacto ambiental, sendo desenvolvido um modelo de
caracterização de modo a calcular o efeito destes fluxos nas categorias, resultando num índice para
cada categoria de impacto ambiental. Finalmente, a interpretação dos resultados é efectuada de
modo a avaliar todo o estudo, tendo sempre presente o seu objectivo.
A técnica principal usada no LCA é através da modelação. Na fase do inventário dos fluxos
(LCI), o modelo é desenvolvido a partir dos processos usados para produzir, usar e desmantelar um
produto. Para cada processo, são recolhidas todas as emissões e consumos de recursos durante o
ciclo de vida do produto em estudo. Os resultados deste inventário são listas de emissões, recursos
consumidos e impactos não materiais, como o uso de terrenos. Como estas listas são geralmente
muito longas e de difícil interpretação, para quantificar ambientalmente esses fluxos, foi desenvolvido
um modelo simplificado, usando o LCIA. Neste modelo os fluxos são transpostos para um mecanismo
ambiental, resultando daí impactos em várias categorias, como o efeito de estufa, a acidificação, etc.
Com as categorias geradas, são usadas técnicas adicionais de normalização e atribuição de pesos
para analisar o estudo sob a forma de indicadores nas categorias de impactos. A forma como são
atribuídos pesos às categorias pode ser discutível, pelo que se efectua a normalização do indicador
dividindo-o por um valor de referência. Geralmente, este valor é o total dado a cada categoria. A
atribuição dos pesos envolve um ranking e uma possível agregação dos resultados dos indicadores
pelas categorias, resultando assim uma pontuação final. A atribuição de pesos é um assunto
controverso nesta metodologia, devido à sua dependência nos julgamentos de valor e consequente
10
subjectividade. Existem vários métodos disponíveis para a sua atribuição dentro da metodologia LCA;
o EPS-system, o método Tellus, o método da eco-escassez, o Eco Indicador 95 e outros métodos de
distância ao valor alvo [34]. Contudo existem vários métodos para a fase do LCIA que são
compatíveis com os requisitos da norma ISO, mas a maior parte dos especialistas preferem
seleccionar um método já publicado em vez de desenvolver um novo. Em termos de utilidade, os
resultados do LCA têm sido utilizados pelas empresas internamente para apoiar decisões de gestão,
no exterior para fins de marketing e para dar suporte a reclamações sobre os produtos e as agências
governamentais utilizaram os resultados do LCA para fundamentar decisões técnicas e
regulamentadas [35].
Um dos modelos utilizados para a análise LCA está representado na figura 2.4.
2.2.2.1 – Eco Indicador 95
A forma como são atribuídos pesos às categorias de impactos ambientais é a parte mais
controversa de uma análise de ciclo de vida. O método do Eco indicador 95 (EI’ 95) tem resolvido
esse problema, possibilitando o cálculo de um único valor representativo do total dos impactos
ambientais de um produto, baseando-se nos efeitos dos fluxos, como está representado na figura 2.5.
Este método baseia-se no princípio da distância ao valor alvo, considerando que existe uma relação
entre a importância de um efeito e a distância entre o seu valor actual e o valor alvo. O valor alvo
corresponde ao valor médio europeu de uma determinada emissão. Este método permite assim
Figura 2.4: Modelo do Life Cycle Assessment [26].
Produção do Molde
Produção do material Produção da Peça (Injecção por moldação)
Utilização da Peça
Aterro
Reciclagem Industrial (Trituração)
Informação do Processo
Fluxos de Massa Fluxos de Energia
EmissõesRecursos Consumidos
Energia Consumida
Categorias de Impacto
Indicador Ambiental
Sistema de Pesos
AditivosPetróleo
Gás Natural
Transporte
Emissões
Energia
Energia EmissõesTransporte Transporte Transporte
Emissões, resíduos sólidos
Desperdícios
Energia
LCI (Life Cycle Inventory)
LCIA (Life Cycle Impact Assessment)
Base de Dados
11
CFC
Pb
Cd
PAH
Dust
VOS
DDT
CO2
SO2
NOx
P
Camada de Ozono
Metais Pesados
Carcinogenia
Smog de Verão
Smog de Inverno
Pesticidas
Acidificação
Eutrofização
Efeito de Estufa
Aumento
Marginal de
Mortalidade
Saúde
Degradação
do
Ecossistema
Val
oriz
ação
Sub
ject
iva
Eco - Indicador
separar os assuntos importantes dos menos importantes, determinando a importância relativa dos
vários problemas ambientais. No entanto o valor alvo incorpora um problema, ao ser necessário
definir um bom nível para os impactos. Este terá de ser equivalente para todos os efeitos, tendo sido
realizadas correlações para os efeitos provocados pelos vários danos ambientais. Para estabelecer
uma correlação entre os níveis de dano e os efeitos, foi realizado um estudo detalhado sobre o
estado actual do ambiente na Europa. Foi determinado o estado actual de cada efeito e definido o
grau que cada efeito em particular tem de ser reduzido, de modo a atingir o nível de dano estipulado.
Estes dados foram usados para determinar o nível actual dos problemas ambientais e a redução
necessária destes, de modo a atingir um nível aceitável. Os problemas ambientais definidos foram os
danos para a saúde humana, para a qualidade do ecossistema e para os recursos. As definições a
este nível são assim de mais fácil compreensão do que as categorias de impactos, como a
acidificação e o efeito de estufa. Os pesos dados a estas categorias são apresentados na tabela 2.1
[36].
Categorias de Impacto Pesos Efeito de Estufa 5 Camada de Ozono 100 Acidificação 10 Eutrofização 5 Smog de Verão 2.5 Smog de Inverno 5 Pesticidas 25 Metais Pesados 5 Carcinogenia 10
Tabela 2.1: Categorias de impacto e respectivos pesos [1].
2.2.2.2 – Eco Indicador 99
O Eco indicador 99 (EI’ 99) é um sucessor do EI’ 95 e avalia os impactos das emissões na
saúde humana e nos ecossistemas. O impacto ecológico é representado pela fracção potencialmente
afectada (PAF) ou pela fracção potencialmente desaparecida (PDF) de espécies, sendo o impacto
Figura 2.5: Método EI’ 95 [37].
12
ambiental dado pelo potencial de aquecimento global (GWP), pelo potencial de destruição da camada
de ozono (ODP), etc. O impacto na saúde humana é medido por unidades DALY, que representam os
anos de vida perdidos ou com incapacidades em consequência dos impactos das emissões. Para um
dado processo, as emissões são classificadas em diversas categorias de impactos e caracterizadas
em unidades comuns para cada categoria baseadas em factores de impacto. Os melhoramentos
destes índices foram desenvolvidos nas próprias categorias de impacto, incluindo o uso de terra e a
escassez de recursos como categoria de impacto. Foram também desenvolvidos modelos das
funções de dano e incluídas teorias culturais como ferramentas para lidar com a subjectividade. Este
método considera a análise de três esferas, nomeadamente a tecnosfera, a ecosfera e a valoresfera,
seguindo a teoria cultural. A tecnosfera representa o domínio dos processos tecnológicos e sistemas
desenvolvidos por humanos. O domínio da ecosfera compreende os processos e sistemas
ecológicos, incorporando a tecnosfera. Na valoresfera, que significa escolha de valores, foram
desenvolvidas três perspectivas, dependendo da atitude de três arquétipos humanos (individualistas,
equalitários e hierarquistas), foi determinada a distribuição de factores de pesos entre saúde humana,
ecossistema e recursos (tabela 2.2). Dependendo da perspectiva escolhida, um só indicador pode ser
obtido. A perspectiva geralmente aceite na comunidade científica é a perspectiva hierarquista, por ser
uma perspectiva moderada [38]. Um esquema geral da obtenção do EI’ 99 está ilustrado na figura
2.6. Este esquema exemplifica o método para se calcular a pontuação do EI’99 e divide-se em três
passos: inventário dos fluxos de entrada e saída dos processos no ciclo de vida do produto, modelo
de dano dos fluxos e atribuição de pesos às três categorias [39].
Perspectivas Categorias de Dano Individualista Equalitária Hierarquista
Ecossistema 25 50 40 Saúde Humana 55 30 30
Recursos 20 20 30 Tabela 2.2: Pesos das categorias consoante as perspectivas [1].
Inventário
dos fluxos de
entrada e
saída dos
processos no
ciclo de vida
do produto
Resultados do
inventário
Recursos
Uso de
Terrenos
Emissões
Modelo
de
Dano
dos
Fluxos
2
Dano para
os Recursos
Dano para os
Ecossistemas
Dano para a
Saúde
Atribuição
de pesos
às três
categorias
Indicador
1 3
Figura 2.6: Método EI’99 [39].
13
2.2.3 – Desempenho funcional dos materiais
O desenvolvimento de produto é actualmente um factor determinante para o sucesso do
produto/empresa. Com o aumento da competitividade, as mudanças tecnológicas constantes e a
maior qualidade exigida ao produto, obriga as empresas a terem maior agilidade, maior produtividade
e que produzam com maior eficiência e eficácia.
Assim, todo o processo de desenvolvimento de produto desde o planeamento até ao seu
lançamento deve ser realizado no menor intervalo de tempo possível. O processo pode ser dividido
por fases, no entanto a comunicação entre estas deve ser constante, pois o processo é interactivo
[40].
Na fase de projecto mecânico são definidas: a geometria, os materiais e os processos de
produção do produto. Os campos do projecto mecânico e as interacções entre estes são
apresentados na figura 2.7. Os campos anteriores são condicionados pela função/aplicação
pretendida para o produto.
A selecção de materiais baseada no seu desempenho funcional, ou seja, nas suas
propriedades, é a abordagem clássica em engenharia. Qualquer componente de engenharia executa
uma ou mais funções: suportar uma carga, conter uma pressão, transmitir calor, ter uma determinada
dimensão, etc., sendo estas tidas como condições na selecção do material [41]. Estas funções
abrangem desde propriedades mecânicas e eléctricas, à resistência à corrosão e ao acabamento de
superfícies. Em projectos mecânicos são as propriedades mecânicas que ganham maior importância,
havendo um grande espectro de propriedades que podem ser consideradas, estando algumas
apresentadas na figura 2.8. A importância relativa destas propriedades é dependente da aplicação do
componente, sendo que diferentes classes de materiais apresentam propriedades mecânicas
específicas. Combinações apropriadas de propriedades determinam a aplicabilidade de um dado
material para uma aplicação específica. Por exemplo, valores de densidade e módulo de Young são
usados para seleccionar materiais leves e rígidos, assim como valores de densidade e resistência
mecânica também são usados para seleccionar esses mesmos [3]. As relações entre as propriedades
são referidas como índices de material. Estes índices são agrupamentos de propriedades que,
quando maximizados, melhoram alguns aspectos de desempenho de um componente [1].
Geometria Material
Função
Processo
Figura 2.7: Campos do projecto mecânico [1].
14
A selecção de material pode ser dividida em três fases, apresentadas na figura 2.9. Na fase
de selecção são definidas as propriedades mínimas do material para que este possa desempenhar a
função pretendida. Os materiais que possuam as propriedades mínimas são qualificados conforme o
seu desempenho técnico, sendo os restantes eliminados. Nesta fase é ainda definido o número e
quais os materiais que seguem para a fase seguinte. Na fase de Informação são recolhidos dados
sobre o historial dos diferentes materiais tais como os campos de aplicação usuais e os
desempenhos em aplicações análogas ou semelhantes [5]. Com base nos dados recolhidos e nas
condições definidas para o projecto são seleccionados os materiais com melhor desempenho técnico
para este [1].
2.3 – Materials Selection Engine (MSE)
O MSE é um método proposto por Henriques et al. O MSE é apresentado como uma mistura
entre o processo de desenvolvimento do produto e o processo de selecção de materiais clássico, de
uma forma que combina a informação gerada tipicamente em ambos os métodos. Ao fazê-lo, a
selecção de materiais torna-se uma parte do processo de desenvolvimento do produto, e não faz
sentido encará-lo como um passo ou uma fase separada deste processo. Este mistura-se com o
processo de desenvolvimento, permitindo uma completa integração entre os materiais e o design.
Propriedades
Mecânicas
Densidade
Resistência
Elasticidade
Deformação
Ductilidade
Dureza
Tenacidade
Materiais
Selecção e Ranking
Condições Específicas
Informação
Selecção Final
Figura 2.8: Propriedades dos materiais em projecto mecânico [3].
Figura 2.9: Fases da selecção de materiais [5].
15
Este método divide-se em 6 passos: selecção preliminar de materiais, mapeamento dos requisitos
mecânicos com as especificações do produto e as propriedades mecânicas, design do produto para
cada material, construção de um modelo de custos baseado no processo de fabrico, análise de
modelos de ciclo de vida e modelo o LCE, integrando os desempenhos económicos, ambientais e
técnicos. Seguidamente este método é explicado brevemente, mas com especial ênfase ao segundo
passo, dado que este passo é utilizado nesta dissertação.
O primeiro passo consiste numa primeira fase em identificar uma necessidade ou desejo no
mercado. A fase seguinte segue-se com a recolha de dados e a identificação dos requisitos do
produto ou da peça que vai de encontro às necessidades do mercado. Esta recolha de dados é
realizada com a inclusão de todas as partes envolvidas durante todo ciclo de vida do produto
(clientes, utilizadores finais, fabricação, …) e incorpora uma análise comparativa dos produtos
concorrentes. Enquanto isto se passa, e sem parâmetros quantificáveis ainda, a triagem de materiais
deve começar também. Após se ter uma estimativa das dimensões e forma da peça ou produto,
alguns pressupostos muito básicos podem ser feitos que permitem aos projectistas limitar o universo
de materiais candidatos. Nesta fase, a análise tradicional desenvolvida por Ashby pode ser utilizada.
O número de parâmetros na pesquisa dependerá da quantidade de informação que a equipa está
disposta ou capaz de digerir, embora que nesta fase já seja possível que uma vasta gama de
materiais candidatos possam ser tomados como uma possibilidade legítima.
O segundo passo do MSE consiste numa primeira fase em classificar os materiais candidatos
numa matriz de atributos. Esta comparação é baseada numa análise pelos métodos “pair wise”,
“Multiple Attributes Decision-making” (MADM) e um “Simple Aditive Weighting” (SAW). Esta matriz é
construída usando os requisitos que vêm do passo anterior. Estes requisitos devem ser agora
traduzidos em termos de propriedades mecânicas dos materiais. Este passo é crucial porque um
material para uma determinada aplicação não pode ser seleccionado somente com base em
requisitos da peça, tais como “a peça deve de ter uma força adequada” ou “a peça deve ter ser
resistente à corrosão” ou mesmo “a peça deve ser reciclável/reutilizável”, mas pode ser facilmente
seleccionado com base em propriedades mecânicas, tais como a resistência à ruptura, índice de
resistência à corrosão ou índice de reciclagem. Note-se que cada requisito pode ser traduzido em
mais de uma propriedade mecânica, e pode ser mais ou menos importante. Por causa disso, a matriz
de correlação deve ser construída relativamente aos requisitos da peça (vindos de todas as partes
interessadas no produto da analise aos produtos concorrentes) e das propriedades mecânicas
(relativa às propriedades do material que afectam os requisitos), de maneira eficaz de modo que
permita, em fases preliminares da fase de projecto, uma comparação quantificada e sistemática do
desempenho dos diferentes materiais. A próxima fase é a identificação dos requisitos (R1 até Rn),
baseado na perspectiva e expectativas de todas as partes intervenientes do produto ou da peça. A
identificação é seguida pela atribuição da importância relativa de cada requisito, através de um
conjunto de pesos (C1 até Cn). Estes pesos pretendem captar a contribuição que cada requisito tem
para o sucesso do produto ou da peça (∑Ci=100%). Quantificar esta contribuição relativa não é uma
tarefa fácil, especialmente porque diferentes perspectivas e pontos de vista devem ser balanceados
consistentemente. Uma forma de atenuar esta dificuldade é comparar os requisitos em pares. Para
16
comparar o desempenho de diferentes materiais nas fases preliminares do projecto, a importância
dos requisitos deve ser convertida em importância das especificações. As especificações,
materializadas como propriedades mecânicas, estão relacionadas com os requisitos através de uma
matriz de índices, W, em que cada índice W ij reflecte a contribuição das propriedades mecânicas EPj
para realizar o requisito Ri (ver tabela 2.3). A maior parte destes índices é zero, o que significa que
não existe correlação entre a especificação e o requisito, mas a soma dos índices de cada linha da
matriz P tem de gerar o mesmo número, ou seja, ∑ ∑∑ ==== ...321 jjj WWPW que significa que
a equipa de desenvolvimento tem de concordar com a predefinição do valor de P e distribui-lo através
de uma ou varias propriedades mecânicas correlacionadas para cada requisito.
Pesos Ri EP1 … EPj … EPm R1 C1 W11 … W1j … W1m R2 C2 W21 … W2j … W2m … … … … … … … Ri Ci Wi1 … Wij … Wim … … … … … … … Rn Cn Wn1 … Wnj … Wnm W1 … Wj … Wm
Pesos da Prop. Mecânicas = EPW1 … EPWj … EPWm Tabela 2.3: Obtenção dos pesos das propriedades mecânicas [4].
Com o tempo, os valores de Wij podem ser compilados e tabulados, para mostrar alguma
consistência entre os diferentes projectos de selecção de materiais. A importância absoluta de cada
propriedade mecânica Wj pode ser calculada através da equação 2.1:
(Equação 2.1 – Importância das prop. mecânicas)
Finalmente, o peso da propriedade mecânica (a importância relativa) é obtido através da
equação 2.2:
(Equação 2.2 – Peso das prop. mecânicas)
Tendo agora esses pesos das propriedades mecânicas, toda a informação requerida para
comparar um conjunto de materiais está presente. A equipa de concepção pode agora construir outra
tabela na qual cada material pode ser classificado em relação aos outros, como é mostrado na tabela
2.4.
Prop. Mecânicas
Pesos EPi Material 1 Material 2 … Material k …
EP1 EPW1 EP11 EP12 … EP1k … AEP11 AEP12 … AEP1k … WAEP11 WAEP12 … WAEP1k …
.. … … … … … … EPj EPWj EPj1 EPj2 … EPjk …
AEPj1 AEPj2 … AEPjk … WAEPj1 WAEPj2 … WAEPjk …
.. … … … … … … Índice do material ponderado = WMI1 WMI2 … WMIk
Tabela 2.4: Classificação dos materiais candidatos [4].
mj
jj WWWW
WEPW
+++++=
......21
nnjjjj CWCWCWW ⋅++⋅+⋅= ......2211
17
O valor da propriedade mecânica j para o material k é EPjk. Uma vez que cada propriedade
do material tem as suas próprias unidades, a propriedade deve de ser adimensionalisada. Isto é feito
dividindo cada valor pelo valor máximo dessa propriedade, se o valor máximo for o melhor valor,
como no caso da tensão de ruptura; se o melhor valor for o mínimo, como no caso da densidade, a
propriedade adimensional deve de ser calculada através da divisão do valor mínimo da propriedade
através de todos os materiais pelo valor de cada material, produzindo AEPjk. Agora estas
propriedades mecânicas adimensionais têm de ser ponderadas de acordo com o peso obtido através
da tabela 2.3. Finalmente, adicionando todas as propriedades mecânicas adimensionais ponderadas,
é alcançado um índice ponderado do material, WMIk para cada material (Tabela 2.4). O potencial
melhor material será aquele que tiver um valor maior de WMI. A maior parte das propriedades
mecânicas necessárias para construir a tabela 2.4 são encontradas em bases de dados, em literatura
técnica ou em bases de dados de fornecedores. No entanto, o requisito recorrente “ter um custo
baixo” pode apenas ser convertido na propriedade “custo final do produto”, que tem de ser estimado.
Numa fase preliminar da concepção, onde as geometrias, dimensões e características técnicas ainda
não estão definidas, tal estimativa ou é muito pouco precisa e não permite a diferenciação dos
materiais ou é demasiado demorada para uma vasta gama de bons potenciais materiais. Assim,
numa primeira iteração, e se alguma informação económica tiver de ser incluída, a aproximação
lógica é converter o referido requisito na propriedade “custo da matéria-prima” em vez de “custo da
peça”. Após esta iteração, a análise da matriz (tabela 2.4) propõe o isolamento de um conjunto de
materiais mais restrito: os materiais com os maiores valores dos índices ponderados. Tendo em conta
que nesta primeira iteração a análise é feita principalmente com base em propriedades tecnológicas é
recomendado seleccionar não só o material que neste passo “parece ser o melhor”, mas também os
que “parecem estar mais próximos do melhor”. O objectivo deste passo não é tomar o melhor, mas
sim eliminar os que têm desempenhos piores. O número de materiais que transitam para o próximo
passo dependerá mais uma vez na equipa de concepção: eliminar muitos materiais candidatos pode
por em risco a eliminação do “melhor material” antes da análise económica ser integrada; não
eliminar materiais vai aumentar o esforço necessário para os próximos passos do desenvolvimento
do produto.
O terceiro passo do MSE consiste na modificação do design para cada material tendo em
conta as especificações do produto e os requisitos do material. Se a peça em estudo for simples,
pode-se fazer alguns cálculos simples envolvendo a mecânica do material ou equações de
transferência de calor, para projectar as características principais. Se, pelo contrário, a peça ou
produto têm um certo grau de complexidade, ferramentas como uma análise com elementos finitos ou
mesmo a construção de um protótipo e subsequentes testes mecânicos, podem ser necessários.
O quarto passo do método MSE consiste na construção de um modelo de custo baseado no
processo de fabrico para determinar a influência das variáveis dos materiais e do processo nos
custos de produção do produto utilizando os materiais seleccionados no passo 2, com a geometria
encontrada no passo 3.
18
O quinto passo do método MSE é dedicado a uma análise de ciclo de vida da peça ou do
produto. Após a identificação das etapas de ciclo de vida do produto, tanto os custos e os impactos
ambientais são calculados com base nas análises LCC e LCA. Estes modelos de cálculos recebem
informação determinante do passo anterior, visto que ele não fornece apenas o custo total mas
também a energia consumida, materiais, etc.
O sexto e último passo, do método MSE consiste em utilizar a metodologia LCE para
seleccionar o material mais apropriado para o produto em estudo. A metodologia LCE integra os
resultados das análises LCC e LCA com um modelo baseado no método “Multiple Attributes Decision-
Making (MADM)” para avaliar qual a contribuição do desempenho técnico durante o ciclo de vida [4].
2.4 – Metodologia de Selecção de Materiais - Multi- attribute Utility Analysis
O MAUA surgiu como uma ferramenta de selecção e avaliação de materiais. O MAUA tem
sido utilizado numa vasta gama de áreas de engenharia, sendo a engenharia e ciência de materiais,
uma das mais recentes. A análise de utilidade proporciona um método racional de selecção de
materiais que evita muitas das dificuldades fundamentais da maioria das abordagens alternativas
[42].
Em seguida são explicados brevemente os passos necessários para a aplicação desta
metodologia.
1. Avaliação do atributo – o objectivo deste passo é identificar aquelas características nas
quais a análise é baseada. Em primeiro lugar, são caracterizadas todas as características de
desempenho que suportam a selecção de um material para uma determinada aplicação de
engenharia. Tais características podem ser económicas, de engenharia, de design e de processos de
fabrico, entre muitas outras.
Este conjunto de características é depois reduzido, para reflectir os objectivos da análise e as
realidades da decisão de engenharia. Esta redução das características é impulsionada pelo desejo de
se considerar apenas as características que:
• São relevantes para a escolha do material na aplicação em estudo;
• Não são fixados limites de desempenho;
• Têm diferenças bastante acentuadas entre as alternativas em consideração.
O raciocínio por trás do primeiro critério é óbvio. O segundo critério reflecte o facto de que
muitos (senão a maioria) dos parâmetros de projecto representam valores alvo fixos, cujos níveis de
desempenho devem ser cumpridos. Por exemplo, todos os pára-choques devem satisfazer normas
de impacto FMVSS, bem como normas de impacto internas. Um pára-choques, composto por
materiais que não cumpram estas normas, não é aceitável independentemente de qualquer
característica de desempenho que possa ter. Por outro lado, se um pára-choques exceder os valores
destas normas, representa uma oportunidade para reduzir o volume de material, o peso e o custo, o
que fará com que o design tenha de ser reformulado em conformidade. O terceiro critério é um critério
19
de eficiência, uma vez que, se a diferença entre as alternativas é insignificante, é improvável que
essa característica vá determinar qual o material seleccionado.
2. Desenvolvimento do questionário – o MAUA é uma técnica de medição voltada para a
medição de uma estrutura de preferência a um factor de decisão. Esta estrutura de preferência é
revelada no decurso de uma entrevista estruturada. A entrevista avalia subtilmente as preferências do
utilizador, enquanto confronta o sujeito com situações provenientes da sua experiência pessoal na
área da selecção de materiais.
Estas questões assumem a forma de um problema de aceitação de um determinado material
ou um problema de pesquisa e desenvolvimento dos recursos. Em qualquer caso, o elemento crítico
é a introdução de incerteza, e a reacção do sujeito à incerteza.
3. Entrevistas – durante esta fase, o objectivo é identificar e entrevistar as pessoas que
realmente tomam as decisões que são realizadas no estudo. Estas entrevistas devido ao seu
conteúdo e objectivo, permitem frequentemente fornecer informações consideráveis fora do âmbito
restrito do MAUA, e aumentar a avaliação com o conhecimento sobre a dinâmica do processo de
decisão. Estes conhecimentos podem incluir a sequência habitual de tomada de decisões, os nomes
de outros indivíduos críticos no processo e a influência das políticas da empresa.
4. Análise da informação – a fase final envolve a análise da informação. Aqui, as informações
recolhidas nas entrevistas são reduzidas a uma forma de construção matemática conhecida como
função de utilidade. Esta função transforma dados níveis de desempenho numa medição de
preferência, conhecida como utilidade. A função de utilidade é definida da seguinte forma:
Se U(A) > U(B), então o sujeito prefere A a B;
Se U(A) = U(B), então para o sujeito é indiferente escolher entre A e B.
Devido ao facto da função de utilidade ser uma função analítica, é possível não só calcular a
utilidade de combinações específicas de desempenho que cada alternativa em consideração
representa, mas também permite identificar todas as combinações de características que podem
conduzir a um determinado nível de utilidade. Para além disso, devido à teoria por detrás destas
funções, é possível quantificar as diferenças e o efeito que uma alteração das características tem
sobre a utilidade. Este recurso permite ao analista identificar a forma como as características de
desempenho se relacionam entre si, e em que medida o desempenho de uma determinada
alternativa deve mudar para a sua posição competitiva se alterar.
A utilização do MAUA no problema de selecção de materiais apresenta vantagens segundo
duas formas distintas:
• A classificação dos diferentes materiais permite que os projectistas façam uma introspecção
sobre os processos de fabrico e a forma que estes são valorizados. Por exemplo, se uma
árvore de cames forjada tem uma maior utilidade do que uma árvore de cames fundida, então
pode-se concluir que em pelo menos nalgumas condições a utilização de um aço forjado é
preferível.
20
• Trocas entre diferentes atributos, e mais especificamente entre o custo e o peso para uma
determinada aplicação, vão permitir aos projectistas a definição do valor relativo da
importância desses atributos. Além disso, pode ser determinada a medida em que as
características de um qualquer atributo em particular devem mudar para atingir um
determinado nível de utilidade, possibilitando assim ao analista identificar o custo, o
desempenho ou metas de transformação que devem ser cumpridas.
Uma síntese dos resultados do MAUA, como uma análise de custos fornecerá uma
introspecção sobre a qual os projectistas valorizam os diferentes materiais para uma determinada
aplicação, e como este valor acabará por ditar o potencial mercado para este tipo de aplicações. Irá
também ajudar na tomada de decisões relativamente às estratégicas que envolvam o comportamento
competitivo das várias alternativas, e ajudará na solidificação de possíveis mudanças para manter ou
aumentar a competitividade.
Uma vez todos os dados analisados, a utilidade global para um determinado nível de atributos
de desempenho pode ser calculado. O uso real é obtido quando os materiais concorrentes são
comparados com base nas suas utilidades individuais, computadas a partir da sua matriz individual
de atributos de desempenho.
Também é possível determinar a variação da utilidade com determinados atributos. Isto é
particularmente útil em comparações, já que é possível determinar quanto um determinado atributo
deve mudar, para que este possa ter o mesmo nível de utilidade que um material concorrente.
Utilizando os dados obtidos pela análise de utilidade, é possível determinar a forma como os
atributos são relacionados entre si, analisando os declives das rectas de utilidade constante. Na
figura 2.12 são mostrados exemplos de gráficos onde são mostrados três diferentes tipos de atitudes
relativamente à relação entre os custos e um atributo arbitrário.
a) b)
c)
Figura 2.10: Exemplos entre a relação entre o custo e um determinado atributo. a) Grande sensibilidade ao custo; b) Caso intermédio; c) Grande sensibilidade ao desempenho [43].
21
Na figura 2.10 a) está representada uma curva horizontal, o que significa que o projectista é
altamente sensível ao custo e a única forma de se ter uma utilidade maior é através da redução de
custos. Na figura 2.10 b) é apresentado um cenário onde o custo e desempenho são directamente
relacionados entre si. Na figura 2.10 c) é apresentado o outro extremo do espectro, onde o projectista
é mais sensível ao desempenho e está disposto a ser penalizado em termos de custos para ter uma
melhoria no desempenho. O entrevistado nestas circunstâncias está apenas interessado no
desempenho e as alterações no custo têm pouca influência na utilidade [43].
2.5 – Ciclo de vida de peças em plástico termoplást ico
Como neste trabalho são estudados materiais plásticos termoplásticos, interessa introduzir o
conceito de ciclo de vida de peças em plásticos termoplásticos. Para determinar os impactos
ambientais de produtos em plástico, é necessário analisar o seu ciclo de vida. A figura 2.11
representa o ciclo de vida genérico de peças em plástico, desde a matéria-prima até ao seu fim de
vida.
Relativamente à primeira fase, o petróleo e o gás natural são as matérias-primas mais
importantes para a obtenção dos plásticos. A seguinte fase, o processamento, inclui a adição de
aditivos para melhorar as propriedades físicas e químicas e o processo de produção que poderá ser
extrusão, moldagem por injecção, moldagem por sopro e moldagem rotacional. A fase da utilização
refere-se ao uso específico do produto em que são considerados os materiais e os fluxos de energia
e emissões. A última fase é a eliminação do produto, este pode seguir três vias: reciclagem,
incineração e o aterro [45]. A reutilização tem sido fortemente encarada como uma quarta alternativa,
especialmente para as ferramentas utilizadas na produção [46]. Cada uma destas opções tem os
seus impactos ambientais associados, por exemplo a reciclagem evita a produção de material virgem,
mas requer energia e gera emissões, enquanto a incineração produz energia, mas também gera
emissões e desperdícios, já o aterro é sem sombra de dúvida a pior opção porque não é produzida
energia nem material mas são libertadas emissões, especialmente para a água [44].
Figura 2.11: Ciclo de vida das peças em plástico [44].
Matéria-prima Fabricação dos Plásticos
Processamento dos Plásticos
Utilização dos Plásticos
Reciclagem Inceneração Aterro
Disposição Final
Electricidade
Processamento de materiais, Energia e Transporte
Emissões para o ar, a água, o solo e resíduos
22
A contabilização de toda a energia, material e fluxos de emissões de cada fase do ciclo de
vida permite a construção do Life Cycle Inventory. Este inventário é uma parte crucial para do LCA,
como uma fonte de informação precisa para se poder efectuar um estudo fidedigno. Além disso, um
estudo do ciclo de vida de um produto requer que as suas fronteiras estejam bem definidas, o que só
será possível através de um conhecimento retirado de estudos realizados anteriormente dos mais
importantes contribuintes para os impactos ambientais envolvidos no processo [44].
2.6 – Aplicações da metodologia LCE
Ultimamente têm surgido várias pesquisas e trabalhos publicados de muitos autores sob a
égide do LCE. Os trabalhos publicados têm vários ramos de investigação que vão desde a definição
de orientações e enquadramentos para promover a aplicação da filosofia LCE, passando pelo
desenvolvimento de estratégias e abordagens para a aplicação de princípios de LCE para a
fiabilidade de produtos, manutenção e modelação e no desenvolvimento de ferramentas e modelos
que aplicam os princípios do LCE para comparar alternativas durante a fase de projecto ou de
processamento. Nesta secção são descritos resumidamente alguns dos trabalhos desenvolvidos
nestas áreas de investigação.
O autor Keys apresentou uma pesquisa sobre os desafios do LCE no mundo académico,
devido à sua natureza multi-disciplinar. Na verdade, a filosofia LCE pode ser chamada também
“Designing for the Life Cycle”, para enfatizar a necessidade de se considerar numa fase prematura do
projecto a vida completa do produto, incluindo a pesquisa de mercado, as fases de design, os
processos de fabrico, a fiabilidade e o serviço de cliente/manutenção [47]. Recentemente foram
também publicadas orientações para suportar a filosofia LCE em fases preliminares do design dos
produtos, considerando o LCE como um processo em curso para desenvolver especificações para ir
de encontro a uma série de requisitos e objectivos que abrangem o ciclo de vida do produto [48]. O
autor Atling publicou um trabalho que tem como objectivo desenvolver produtos, sistemas ou
instalações cada vez mais sofisticados, em períodos de tempo mais pequenos através de uma
compreensão holística do ciclo de vida dos produtos e dos processos [49]. Estes trabalhos são
sobretudo incentivos à utilização da metodologia LCE e demonstrar as suas aplicações e vantagens,
em seguida são apresentados alguns trabalhos onde são propostas metodologias LCE com o
objectivo de comparar alternativas quer na selecção de materiais ou na selecção de processos de
fabrico.
O autor Ishii propôs um dos primeiros modelos de LCE, no qual propõe uma ferramenta
baseada numa rede hierarquizada para suportar decisões em fases preliminares do design. Esta
ferramenta abrange produtos, componentes, subconjuntos (nós) e relações entre nós, traduzindo
para o “custo” os impactos económicos e ambientais de cada decisão no design. Apesar de esta
ferramenta permitir uma rápida avaliação do LCC em todas as fases do design, esta não permite
comparar alternativas e não inclui os impactos ambientais durante todo o ciclo de vida [50]. O autor
Betz propôs um modelo de LCE que pode integrar informação ambiental, económica e tecnológica,
23
numa única ferramenta de apoio à decisão. Esta ferramenta de design tem a capacidade de apoiar
decisões como, a escolha de materiais, a escolha de processo, optimização do produto e
comparações de sistemas. Para a interpretação dos resultados foi proposta a utilização do método
“3D-portfolio” [12]. O autor Saur apresentou um modelo de LCE no qual o LCC é utilizado como uma
ferramenta de avaliação económica, o LCA é a base para uma análise dos impactos ambientais e um
critério de multi-atributos é utilizado para a avaliação da performance técnica. Apesar da precisão das
analises individualmente e na perspectiva do ciclo de vida, o modelo não mostra uma análise
integrada dos atributos [14]. Um outro trabalho desenvolvido nesta área foi proposto por Ribeiro, et al.
com o título “Metodologia LCE aplicada à selecção de materiais: caso de estudo um guarda-lamas”.
Este trabalho consistiu em aplicar a metodologia de LCE à selecção de materiais para um guarda-
lamas de um automóvel, com o objectivo de integrar no mesmo estudo uma avaliação ao
desempenho do material para a aplicação específica, ambiental e económica, durante a vida do
produto. A metodologia proposta neste trabalho compara uma série de materiais candidatos, pela
agregação de três dimensões (técnica, económica e ambiental), identificando o domínio do melhor
material. Este domínio do melhor material está presente num diagrama ternário, que permite uma
comparação global dos materiais candidatos e permite tomar uma decisão informada acerca da
selecção do melhor material de acordo com os diferentes cenários de negócios e a estratégia da
empresa. A metodologia foi aplicada a um caso de estudo com o objectivo de utilizar novos materiais
metálicos (aços de alta resistência e ligas de alumínio) para um guarda-lamas de um automóvel feito
de um aço macio e a avaliação de benefícios potenciais relativamente ao desempenho global do
material [2]. Este trabalho baseia-se num modelo de LCE igual ao representado na figura 2.2.
Constituído por três estudos diferentes, uma análise económica (LCC), uma análise ambiental (LCA)
e uma análise ao desempenho dos materiais para toda a vida do produto. Estas análises foram
realizadas de acordo com as metodologias descritas anteriormente. Interessa também referir um
pouco sobre o diagrama que permitiu identificar a importância dos materiais. Para se determinar o
diagrama foi preciso dar pesos aos critérios considerados (LCC, LCA e avaliação técnica) de acordo
com a estratégia da empresa. O diagrama da figura 2.12 exemplifica esquematicamente a
metodologia utilizada neste trabalho.
24
Existe ainda outro trabalho com o título “Um modelo de Life Cycle Engineering para a
selecção de uma tecnologia: um caso de estudo de moldes para injecção de plásticos para pequenos
volumes de produção”. Neste trabalho foi proposto um modelo de LCE para auxiliar na selecção de
uma alternativa tecnológica através da integração de três análises. Neste trabalho é utilizado o
mesmo principio que foi utilizado no trabalho descrito anteriormente. Sendo utilizado novamente o
diagrama ternário como uma ferramenta para identificar o melhor domínio para cada alternativa
tecnológica. Este modelo foi aplicado para um caso de estudo visando produções muito pequenas de
peças em plástico. Foram avaliadas duas tecnologias: uma envolvendo a produção de um molde
utilizando um spray de revestimento com resina e pó de alumínio e outro baseado na maquinagem de
alumínio [20]. Como foi utilizada a mesma metodologia do trabalho descrito anteriormente não vale a
pena aprofundar mais este trabalho.
Existem muitos mais trabalhos desenvolvidos nesta área de aplicação, estes são apenas
exemplos representativos das potencialidades do método LCE como ferramenta de apoio no design
de produtos.
Figura 2.12: Metodologia de LCE utilizada [2].
Aquisição da Matéria-prima
Produção do material
Produção do Guarda-lamas
Utilização do Guarda-lamas
Fim de Vida / Desmantelamento
Desempenho Técnico
Diagrama de Selecção
Mod
elo
LCC
Mod
elo
LCA
25
3 – Aplicação da metodologia LCE na selecção de mat eriais para uma mola da roupa
O objectivo desta dissertação consiste em aplicar a abordagem de LCE na selecção de
materiais a um caso de estudo – uma mola da roupa. Esta mola da roupa já se encontra num estado
avançado de análise no que diz respeito ao desenvolvimento do produto, consubstanciado em duas
dissertações que foram realizadas em ambiente colaborativo entre o Instituto Superior Técnico e a
empresa Fapil – Indústria de Escovaria, S.A., que será a responsável pela fabricação e montagem do
produto. Nesta secção são explanados os procedimentos utilizados na aplicação deste método,
desde a selecção de materiais até á decisão sobre o material mais indicado para a mola, tendo em
conta todos os estudos efectuados. Esta secção começa com um breve resumo sobre as
metodologias utilizadas e principais conclusões dos trabalhos anteriores. Seguidamente é explicada a
metodologia utilizada neste estudo. Depois começa o trabalho propriamente dito, onde é feita a
selecção preliminar dos materiais candidatos para a mola, passando pela simulação do processo de
fabrico, pela aplicação do LCE e finalmente a aplicação da metodologia MAUA para a escolha do
material mais indicado para a mola da roupa.
3.1 – Identificação com os trabalhos realizados ant eriormente
Antes de mais é necessário dar a conhecer em que fase do desenvolvimento de produto este
produto se encontra, para isso neste ponto são resumidos brevemente os dois trabalhos realizados
anteriormente, onde são realçadas as metodologias utilizadas e as principais conclusões tomadas.
Esta secção foi dividida em duas partes como forma de diferenciar o que foi feito nos dois trabalhos
realizados anteriormente. Estas serão referenciadas ao longo desta dissertação como estudo 1 para
o primeiro e estudo 2 para o segundo.
3.1.1 – Desenvolvimento de um produto utilizando An álises de Valor: caso de estudo
mola da roupa
O objectivo desta dissertação consistiu na inovação de um produto já existente no mercado –
uma mola da roupa, em colaboração entre o Instituto Superior Técnico e a empresa Fapil, que é a
empresa responsável pela distribuição do produto. Na altura a empresa Fapil apenas era a
responsável pela distribuição do produto, sendo este adquirido a uma segunda empresa. Um dos
objectivos do estudo era ser desenvolvido um novo design para o produto para tornar a sua produção
mais barata, para que a fabricação e montagem do produto passasse a ser feita na empresa Fapil.
A metodologia adoptada na realização deste trabalho foi a seguinte: foi realizado
inicialmente um diagnóstico ao produto actual, onde se identificaram as suas características técnicas
e o seu custo; seguidamente partiu-se para o desenvolvimento do novo produto propriamente dito;
depois foi realizada uma comparação entre os modelos obtidos na fase anterior do projecto; e por
26
último realizou-se uma análise introdutória ao sistema de montagem do produto com o fim de
estabelecer as especificações a atingir e gerar o conceito funcional.
A estrutura da mola da roupa que se encontrava até à data em comercialização está
apresentada em baixo na figura 3.1 a). Na figura 3.1 b) encontra-se o desenho em CAD que foi feito a
partir da mola da roupa actual, com o objectivo de estudar mais facilmente o produto através da
utilização de ferramentas informáticas. A mola original é constituída por duas partes montadas
simetricamente, que constituem o corpo da mola. As duas partes encontram-se fixas por uma banda,
que permite a união das duas partes sendo esta responsável pela força de fixação da mola da roupa.
A banda tem a designação de fixador.
O corpo da mola da roupa original é constituído por um material polimérico, mais
concretamente por um polipropileno homopolímero reforçado com 20% de um mineral não
especificado. Na tabela 3.1 estão especificadas as características do material utilizado.
Fornecedor Referência Tensão de Cedência
Módulo de Elasticidade
Coeficiente de Poisson
Massa Especifica
Temp. de distorção a quente
ExxonMobil Chemical
HMU 210 100000 34 MPa 2750 MPa 0,41 1,04 g/cm3 65/119 ºC
Tabela 3.1 Material do corpo da mola [51].
No que diz respeito ao fixador, este é constituído também por um material polimérico, mas
neste caso trata-se de um elastómero, mais especificamente o Silicone (VMQ) de dureza 40 Shore A.
Na tabela 3.2 encontram-se as principais características deste material.
Tensão de rotura Alongamento Gama de temperaturas (período de 1000h)
10,9 Mpa 550 % - 60ºC → 240ºC Tabela 3.2: Material do fixador [51].
A próxima fase do trabalho consistiu em fazer o desenvolvido do produto tendo como base o
produto original. Para isso começou-se por identificar as principais características da mola original,
seguidamente foram identificados os principais problemas do produto e finalmente através de
questionários realizados a potenciais clientes do produto, foram identificadas as principais
necessidades dos clientes. Após a identificação dos problemas e das necessidades dos clientes,
Figura 3.1: a) Mola original [50]; b) CAD da mola original [51].
a)
b)
27
elaborou-se uma lista onde foram colocados esses itens. Depois procurou-se propor várias soluções,
ou seja, várias geometrias em que esses problemas estariam resolvidos. Ainda durante esta fase
foram propostos vários materiais poliméricos, que levaram também à modificação do design do
produto. Estes materiais foram seleccionados através da identificação das especificações da mola da
roupa que foram determinadas anteriormente, através das necessidades dos clientes e do produto
original. Um dos requisitos do trabalho foi o de não mudar o conceito do produto original, o que
originou algumas limitações relativamente ao novo design, nomeadamente na resolução de alguns
problemas identificados pelos clientes.
Assim as principais especificações identificadas estão listadas em seguida.
• Densidade: <1,5 g/cm3;
• Tensão máxima: 27,11 MPa (determinada a partir de uma simulação de elementos finitos);
• Módulo de Young: 1000 MPa (tendo em conta que a deformada máxima seria de 3,5 mm).
Na figura 3.2 está esquematizada metodologia utilizada na selecção dos materiais.
Seguidamente através de gráficos de selecção de materiais de Ashby, concluiu-se que a
família de polímeros mais indicada era a família dos polipropilenos, devido sobretudo ao facto de ser
a família de polímeros que tem uma densidade menor, e consequentemente fará com que o produto
final apresente um peso menor, já que essa questão foi uma das principais necessidades identificas
pelos clientes.
Após ter sido escolhida a família de polímeros, procedeu-se à selecção do polipropileno
específico que iria ser utilizado na produção da mola. A escolha consistiu em seleccionar dois dos
maiores fornecedores de polímeros existentes a nível mundial, a ExxonMobil e a Geplastics, tendo
sido seleccionados 4 polímeros destas empresas.
Figura 3.2: Diagrama representativo da metodologia utilizada para a selecção de materiais [51].
28
Como já foi referido anteriormente foram propostas várias soluções tendo em conta os
diferentes materiais propostos e diferentes abordagens para a solução dos problemas. Seguidamente
procedeu-se à realização de uma Análise de Valor onde foram comparadas todas as soluções
propostas, tendo-se verificado que as melhores opções seriam as que estão representadas nas
figuras 3.3 a) e b) e o material correspondente é apresentado na tabela 3.3. Relativamente ao fixador
que também foi alvo de estudo verificou-se que o melhor é o que se encontra na figura 3.3 c). O facto
de se terem escolhido duas geometrias prende-se com o facto de não ser possível verificar qual a
melhor opção tendo somente como base uma Análise de Valor, sendo necessário para isso realizar
uma análise aos processos de fabrico, só assim é que se pode afirmar com certeza qual a melhor
opção.
Fornecedor Referência Tensão de Cedência
Módulo de Elasticidade
Massa Especifica HDT A/B Custo
ExxonMobil Chemical PP 1063L1 33 MPa 1500 MPa 0,90 g/cm3 52/87 ºC 1,091 €
Tabela 3.3: Material escolhido [51].
Dando-se assim por concluído o resumo ao primeiro trabalho realizado sobre a mola da
roupa, de seguida é resumido o segundo trabalho efectuado.
a) b)
c)
Figura 3.3: a) Geometria 1; b) Geometria 2; c) Geometria do fixador [51].
29
3.1.2 – Estudo e simulação do processo de fabrico: Injecção de plásticos
Este trabalho teve como objectivo descrever um estudo de desenvolvimento de produto com
o objectivo de definir a geometria final, o processo de fabrico e o sistema de montagem da mola da
roupa.
Este trabalho teve início com uma avaliação e consequente reformulação das duas
geometrias do produto que foram desenvolvidas no trabalho anterior. Para isso foi utilizada a
metodologia “Design for Manufacturing”, cujo seu principal objectivo é o de facilitar a fabricação do
produto. Seguidamente foram identificados os aspectos críticos das geometrias que teriam de ser
alterados, tendo em conta o processo de fabrico a utilizar. Após a alteração da geometria foram
desenvolvidos testes estruturais à nova geometria com o fim de verificar se a estabilidade estrutural
da nova geometria se mantém inalterada. O processo de fabricação escolhido foi o processo de
injecção de plásticos, processo este que tem requisitos próprios em relação à geometria,
nomeadamente no que diz respeito à extracção das peças no molde. Após esse estudo chegaram-se
às geometrias representadas nas figuras 3.4 e 3.5.
Na fase seguinte do trabalho foi realizado o estudo do processo de injecção, tendo sido
utilizado o software Moldflow Plastics Insight 5.0. Neste estudo foram propostas e estudadas várias
tipologias de molde que se diferenciam no número de cavidades e na utilização de canais quentes ou
canais frios no sistema de alimentação. Tendo sido estudados moldes multi-cavidade com 16, 32 e 96
cavidades com canais de alimentação quentes e frios, perfazendo um total de 12 possibilidades de
tipologias de moldes.
A etapa seguinte do projecto dividiu-se em três fases. Na primeira fase foram definidos os
parâmetros fixos do processo, tais como o material de injecção, o material do molde e a selecção da
máquina de injecção. Na segunda fase foi realizado o projecto dos moldes de injecção, onde foram
definidas as condições de processamento, gerada a malha dos modelos, estudados os pontos de
injecção e o sistema de arrefecimento, assim como definida a disposição das cavidades no molde. Na
terceira fase foi realizado o estudo do processo de injecção dos moldes multi-cavidade, tendo sido
Figura 3.4: Geometria final do corpo da mola 1 [52]. Figura 3.5: Geometria final do corpo da mola 2 [52].
30
gerados nesta fase os sistemas de alimentação juntamente com a análise de enchimento, depois foi
realizada a análise de compactação, seguindo-se da definição do sistema de arrefecimento e da
análise de arrefecimento e por último foram analisados os empenos que são característicos neste
processo.
O software MPI permite simular todas as fases do processo de injecção sendo estas, o
enchimento, a compactação, o arrefecimento e ainda simular os empenos e contracções verificados
nos componentes. Este software fornece vários “outputs” de grande utilidade, tais como o tempo de
execução de todas as fases do processo, permitindo assim o cálculo dos tempos de ciclo associados
a cada tipologia do molde. Também permite obter as pressões de injecção e de compactação, a força
de fecho da máquina, o volume dos componentes e o volume de material desperdiçado quando se
utilizam canais frios.
Um dos resultados que mais importa referir desta dissertação são os tempos de ciclo para
cada tipologia de molde, estes tempos podem ser verificados através da visualização da figura 3.6.
Outros resultados importantes para a realização do processo estão representados na tabela 3.4.
Tipologia do molde
Massa do material injectado por ciclo (g)
Pressão máxima de injecção (MPa)
Força de fecho máxima (ton)
Caudal nominal (cm 3/s)
1 - 16 Q 45,60 19,32 17,72 45,97 1 - 16 F 53,36 40,80 24,19 48,98 1 - 32 Q 91,21 27,80 40,21 91,94 1 - 32 F 108,81 53,26 59,12 98,61 1 - 96 Q 273,63 46,52 199,06 275,82 1 - 96 F 393,86 59,47 269,64 316,09 2 - 16 Q 49,59 17,62 17,15 34,46 2 - 16 F 57,66 42,14 40,87 37,33 2 - 32 Q 99,19 24,74 48,27 68,92 2 - 32 F 116,96 56,39 95,42 75,13 2 - 96 Q 297,56 45,63 266,97 206,76 2 - 96 F 417,92 59,73 306 245,31
Tabela 3.4: Parâmetros do processo de injecção para os dois corpos da mola [52].
Figura 3.6: Tempos de ciclo para todas as tipologias de moldes [52].
31
A última fase do projecto consistiu em realizar uma análise comparativa dos custos de
produção do corpo da mola, com o fim de saber qual das tipologias de molde seria mais viável do
ponto de vista financeiro. Na figura 3.7 é mostrada a estrutura de custos que foi utilizada.
Concluiu-se, após a realização da análise de custo que a tipologia mais indicada para a
produção da mola seria através da utilização de um molde com 32 cavidades com canais frios (a
negrito na tabela 3.4 e 3.5). Através desta análise de custo verificou-se que faria mais sentido utilizar
a geometria do corpo da mola 1, visto que esta apresenta mais vantagens sobre o ponto de vista
económico. Na tabela 3.5 são apresentados os principais resultados obtidos nesta análise. Nota que
os custos apresentados aqui têm por base uma produção anual de 2 400 000 molas.
Tipologia do molde
Duração total da produção (dias)
Duração da produção por lote
(dias)
Custo total de produção dos
corpos da mola (€)
Custo unitário de produção do corpo
da mola (10 -2€) 1 - 16 Q 97,1 16,2 56 548 2,356 1 - 16 F 124,7 20,8 66 548 2,773 1 - 32 Q 51,0 8,5 58 657 2,444 1 - 32 F 68,1 11,3 53 085 2,212 1 - 96 Q 19,5 3,3 85 215 3,551 1 - 96 F 25,3 4,2 64 485 2,687 2 - 16 Q 166,3 27,7 73 748 3,073 2 - 16 F 187,8 31,3 88 011 3,667 2 - 32 Q 86,5 14,4 67 655 2,819 2 - 32 F 105,5 17,6 65 908 2,746 2 - 96 Q 34,8 5,8 88 180 3,674 2 - 96 F 37,8 6,3 67 925 2,830
Tabela 3.5: Distribuição dos custos de produção do corpo da mola para os diferentes modelos/molde estudados para o volume de produção de 2 400 000 molas por ano [52].
Neste trabalho ainda se fez um estudo ao sistema de montagem que teria de ser utilizado
para a montagem dos componentes.
3.2 – Metodologia utilizada
Neste ponto é feita uma breve descrição sobre a metodologia utilizada na realização desta
dissertação. A primeira etapa da dissertação consistiu em realizar uma selecção preliminar de
materiais candidatos para a mola da roupa, tendo sido utilizado como auxiliar à selecção, o software
Figura 3.7: Estrutura de custos do processo de injecção utilizada [52].
32
CES EduPack, tendo-se optado por seleccionar apenas materiais poliméricos. A segunda etapa
consistiu em efectuar uma avaliação dos materiais candidatos, utilizando a metodologia designada de
Materials Selection Engine, para verificar se existem materiais que devido às suas propriedades
mecânicas não são boas escolhas para o produto em estudo e eliminá-los, tendo como base as
especificações do produto. Na terceira etapa foi feita uma simulação do processo de fabrico que irá
ser utilizado para a produção da mola da roupa. Como os materiais escolhidos nas etapas anteriores
são somente polímeros, o processo estudado foi a injecção de plásticos por moldação, já que este é
o processo de eleição para a produção de peças em plástico devido ao seu baixo custo sobretudo
para cadências de produção elevadas. Para a realização desta simulação do processo de injecção foi
utilizado o software Moldflow Plastics Insight 5.0, que permite fazer um estudo completo ao processo,
desde o projecto dos canais de alimentação, dos canais de arrefecimento e da própria simulação do
processo de injecção, fornecendo resultados bastante importantes para a realização das etapas
seguintes do trabalho. De referir que nesta etapa não são apenas testados os materiais propostos,
mas também serão testadas várias tipologias de moldes, com o objectivo de se verificar qual mais se
adequa para a produção da mola da roupa. As tipologias de moldes estudadas variam no número de
cavidades e na utilização de canais quentes ou frios no sistema de alimentação do molde. Assim são
estudadas nesta fase tipologias de moldes com 32 e 96 cavidades com canais quentes e canais frios,
perfazendo um total de 4 alternativas de moldes para cada material candidato. Na etapa seguinte foi
aplicada a metodologia LCE. Esta etapa divide-se em três fases: o LCC onde é realizado um estudo
económico à vida do produto, tendo especial atenção aos custos associados ao processo de fabrico;
o LCA onde é realizado uma análise dos impactos ambientais provocados durante todas as fases da
vida do produto e por fim uma análise de desempenho dos materiais escolhidos para se saber qual
ou quais os materiais que têm um melhor desempenho tendo em conta as suas propriedades
mecânicas, tendo sido utilizado novamente o MSE. Finalmente, a última etapa consistiu em utilizar
uma metodologia de apoio à decisão com o objectivo de seleccionar um material para a mola da
roupa tendo em conta as análises realizadas no LCE. A metodologia escolhida foi o MAUA, onde
foram analisados o desempenho dos materiais em termos de impacto ambiental, desempenho
funcional e o preço final do produto. Na figura 3.8 está representada esquematicamente a
metodologia utilizada.
33
Figura 3.8: Metodologia utilizada.
3.3 – Selecção preliminar de materiais candidatos
Nesta secção é explicado com detalhe o procedimento utilizado para a selecção preliminar de
materiais candidatos. Como auxiliar à selecção de materiais candidatos foi utilizado o software CES
EduPack 2008, que tem por base os gráficos de selecção de materiais de Ashby (ver ponto 2.1).
Em primeiro lugar é apresentado o caso de estudo. O caso de estudo é uma mola da roupa.
Na figura 3.9 pode-se verificar o desenho em CAD da mola da roupa que se encontra em estudo. Nos
estudos 1 e 2 foram estudados dois designs diferentes. No entanto após a realização do estudo 2
34
pode-se concluir que um dos designs apresenta maiores desvantagens a nível dos custos de
fabricação, por isso decidiu-se excluir esse design deste trabalho.
As dimensões globais da mola da roupa são as seguintes são apresentadas na tabela 3.6.
Comprimento (mm) Largura (mm) Altura (mm) 80 10 8,5
Tabela 3.6: Dimensões da mola da roupa.
A primeira fase propriamente dita deste ponto é identificar as especificações da mola da
roupa tendo como referência a análise realizada no estudo 1. As especificações mais importantes que
se encontram nessa análise são: o valor da densidade, da tensão de cedência e do módulo de
Young. De referir que ainda existe uma outra especificação embora seja indirecta, que é o facto de os
custos de produção da mola terem de estar abaixo de 5 cêntimos por mola, isto deve-se ao facto de
que esse é o preço que a empresa Fapil paga à empresa responsável actualmente pela produção da
mola, já que tal como foi dito aquando do resumo do estudo 1 actualmente a empresa Fapil não
produz a mola apenas a comercializa. Os valores de referência destas propriedades mecânicas são
apresentados na tabela 3.7.
1 ª Especificação 2ª Especificação 3ª Especificação Densidade (Kg/m 3) Tensão de cedência (MPa) Módulo de Young (GPa)
1500 30 1 Valor máximo Valor mínimo Valor mínimo
Tabela 3.7: Especificações para a mola da roupa.
Em seguida escolheu-se um gráfico no software (Figura 3.10), onde se relacionou a tensão
de cedência com a densidade de forma a visualizar todos os materiais que são apresentados no
software. Na figura 3.10 podem-se ver todos os materiais que estão disponíveis, cada elipse
representa um material diferente, estes estão representados de várias cores consoante a família a
que pertencem. Pode-se identificar mais facilmente as famílias pelo sombreado que envolve as
elipses da mesma cor, podem-se destacar a verde-escuro os materiais naturais, a verde-claro as
espumas, a verde seco os minerais, a azul-escuro os polímeros, a azul-claro os elastómeros, a
vermelho as ligas metálicas, a cor-de-rosa os vidros, a amarelo os cerâmicos e a castanho os
materiais compósitos.
Figura 3.9: Design da mola da roupa em estudo.
35
a)
Após a escolha do gráfico colocaram-se as especificações da mola uma a uma no software,
para que desta forma fosse mais fácil identificar os materiais que fossem eliminados à medida que as
especificações são introduzidas.
Ao impor a primeira especificação, a densidade máxima de 1500 Kg/m3, verificou-se como
mostra a figura 3.11 a) que os materiais metálicos, os cerâmicos e os vidros foram eliminados.
Quanto aos materiais compósitos apenas permaneceram as fibras de carbono. As madeiras, as
espumas e os polímeros como era esperado permaneceram com todos os seus materiais.
Em seguida impôs-se a segunda especificação, a tensão de cedência mínima de 30 MPa,
verificou-se como mostra a figura 3.11 b) que os materiais situados mais abaixo no gráfico da figura
3.11 a) foram eliminados, nomeadamente as espumas, algumas madeiras e alguns elastómeros.
Finalmente, impôs-se a última especificação, o módulo de Young mínimo de 1 GPa,
verificou-se como mostra a figura 3.11 c) que os elastómeros e as espumas foram eliminados. Alguns
polímeros como o polietileno, ionomero e o teflon foram eliminados. Pode ainda verificar-se duas
famílias com muitos materiais presentes, trata-se das madeiras e dos polímeros. As fibras de carbono
também se mantêm.
Figura 3.10: Gráfico original apresentado no software CES EduPack 2008.
36
c) b)
Finalizada esta primeira etapa na selecção de materiais, verificou-se que ainda existem
muitos materiais que cumprem os requisitos necessários para a mola da roupa, pelo que se torna
necessário reduzir o número de hipóteses. O próximo passo será o de analisar, tendo em conta
vários factores, as famílias de materiais que se adequam ao produto em causa. Assim foram
identificados alguns factores que são muito importantes na selecção de materiais de um produto.
Esses factores são: o preço de mercado do material, o processo de fabrico (que varia consoante o
material) e as propriedades mecânicas dos materiais.
Tendo em conta o primeiro factor facilmente se verifica que as fibras de carbono têm um
preço mais elevado que os outros materiais, varia entre 27,3 €/Kg e 30,1 €/Kg, pelo que iria tornar
este produto demasiado caro, o que faria com que não fosse viável. Outro factor desfavorável é o
facto de as fibras de carbono não serem utilizadas sozinhas, mas sim combinadas com materiais
matrizes [53]. Este factor apresenta mais uma desvantagem relativamente a este material que é o
facto de o processo de fabrico não permitir cadências muito elevadas, como por exemplo o processo
de injecção de plásticos por moldação. Em relação às propriedades mecânicas este material é muito
bom, o que não faz com que seja uma escolha apropriada para uma mola da roupa. Tendo em conta
todos estes factores decidiu-se eliminar este material.
Restam agora apenas as famílias das madeiras e dos polímeros. Como é do conhecimento
geral, as molas da roupa são normalmente feitas em madeira ou com polímeros (plásticos), devido
sobretudo ao baixo preço de mercado do material e das suas propriedades mecânicas que são boas
para este tipo de produtos. Em relação às propriedades mecânicas pode realçar-se que as madeiras
têm uma densidade menor que os polímeros mas têm um módulo de Young superior. Contudo,
decidiu-se excluir as madeiras deste trabalho devido ao facto de o processo de fabrico envolvido na
produção da mola ser muito diferente do que o utilizado no caso dos polímeros e também pelo facto
de não se conhecê-lo em detalhe. Por isso optou-se por escolher somente materiais da família dos
polímeros. Assim pode-se verificar na figura 3.12 que existem 12 materiais candidatos.
Figura 3.11: a) Gráfico resultante após o 1º constrangimento; b) Gráfico resultante após o 2º constrangimento; c) Gráfico resultante após o 3º constrangimento;
37
Figura 3.12: Gráfico representativo dos materiais escolhidos.
Devido ao facto de haver diferenças bastantes significativas em termos de características
mecânicas entre os polímeros, optou-se por impor um limite do preço de mercado para que desta
forma alguns polímeros mais “nobres” sejam eliminados, possibilitando assim o estudo de materiais
com propriedades semelhantes entre si. Como já foi dito anteriormente um dos principais requisitos
para o estudo 1 foi que para a mola ser economicamente viável esta teria de ter um custo de
produção inferior a 5 cêntimos de euro, sendo que este é o valor que a empresa responsável pela
distribuição da mola paga ao fabricante por cada mola, assim qualquer custo de produção inferior a
este seria vantajoso para a empresa responsável pela distribuição. Tendo em conta este facto
procurou-se saber qual a percentagem que o preço do material tem em relação ao custo total do
produto, tendo-se verificado através de uma análise à figura 3.13 que em média esse custo
representa cerca de 25%, isto tendo em conta o estudo 2. De referir que este valor serve apenas de
referência visto que este depende de muitos factores, entre os quais o custo do molde, o próprio
custo do material, as tipologias do molde e todos os outros custos relacionados directa ou
indirectamente com o processo de fabrico. Como estes valores ainda não são conhecidos decidiu-se
estimar esse valor. Obteve-se então um preço de mercado máximo para o material de 2,16 €/Kg.
Figura 3.13: Distribuição dos custos de produção da mola [52].
38
Ao impor este último constrangimento chegaram-se a 7 materiais que estão representados na
figura 3.14. Na tabela 3.8 estes materiais são apresentados em conjunto com as suas propriedades
mecânicas.
Famílias Densidade (Kg/m 3) Módulo de Young (GPa) Tensão de Cedência (MPa) Preço (€/Kg)
PVC 1300 – 1580 2,14 – 4,14 35,4 – 52,1 1,04 – 1,14 PET 1290 – 1400 2,76 – 4,14 56,5 – 62,3 1,11 – 1,22 PS 1040 – 1050 1,20 – 2,60 28,7 – 56,2 1,23 – 1,36 PP 890 – 910 0,896 – 1,55 20,7 – 37,2 1,45 – 1,6
POM 1390 – 1430 2,5 – 5 48,6 – 72,4 1,55 – 1,7 ABS 1010 – 1210 1,1 – 2,9 18,5 – 51 1,59 – 1,74
PMMA 1160 – 1220 2,24 – 3,8 53,8 – 72,4 1,67 – 1,84 Especificações da
mola da roupa 1500 1 30 -
Tabela 3.8: Propriedades mecânicas dos materiais seleccionados [54].
Numa rápida análise à tabela 3.8 verifica-se que existem materiais em que as suas
propriedades mecânicas se encontram mais próximas das especificações da mola da roupa. Por
exemplo o PP, PS e o ABS têm características mais próximas às especificações que o PVC, o PET, o
POM e o PMMA. Em termos do preço do material verifica-se que as diferenças não são muito
grandes, mas mesmo assim pode-se destacar o PVC, o PET e o PS como sendo os materiais com
um menor custo em relação aos restantes.
É recomendada a leitura em anexo da secção A.1, onde é apresentada uma breve descrição
sobre cada um dos polímeros que foram seleccionados até agora para que se ficar a conhecer mais
em pormenor as suas principais características e aplicações. Em seguida é feita uma análise de
desempenho aos polímeros seleccionados.
Figura 3.14: Materiais seleccionados.
39
3.4 – Análise de desempenho dos materiais para a mo la da roupa
O objectivo desta secção é avaliar em termos de desempenho funcional os materiais para a
mola da roupa para determinar os materiais que mais se adequam à mola da roupa. Esta análise de
desempenho tem como base a metodologia MSE, que foi descrita no ponto 2.3.
3.4.1 – Metodologia utilizada
Neste ponto é explicada a metodologia utilizada nesta secção. Esta metodologia é baseada
na metodologia MSE, que foi descrita no ponto 2.3. A metodologia começa com a definição dos
requisitos da mola da roupa e a averiguação das suas importâncias relativas. Seguidamente os
requisitos são relacionados com as propriedades mecânicas para se saber o peso que cada
propriedade mecânica tem. Posteriormente são definidos os materiais de injecção para se saber as
propriedades mecânicas exactas dos materiais. E finalmente os materiais são classificados tendo em
conta os pesos das propriedades mecânicas e os valores alvo definidos.
3.4.2 – Requisitos da mola da roupa e propriedades do material
Os requisitos da mola da roupa tendo em conta o estudo 1 e uma análise ao produto são as
seguintes:
• Prender roupa – função que descreve a capacidade de agarrar a roupa através da geometria
do corpo da mola e da força exercida pelo fixador.
• Ser económica – ser constituído por um material de baixo preço de mercado.
• Ser confortável – capacidade de o produto ser ou não confortável e fácil de usar, através da
força de abertura, de concavidades na pega e arestas suavizadas.
• Ser robusta – consiste no nível de deformada do corpo da mola quando solicitada na
abertura máxima, avaliando a capacidade da mola em deformação para lá do requerido (< 3,5
mm).
• Ser durável – ter uma duração longa relativamente à sua resistência às condições
atmosféricas (chuva e sol).
Agora que se têm os requisitos definidos podem-se classificá-los em termos da sua
importância. Na tabela 3.9 pode-se identificar a importância de cada um dos requisitos tendo em
conta a funcionalidade do produto. Os pesos dos requisitos foram dados em função da sua
importância para o cumprimento dos requisitos definidos. Assim considerou-se que o requisito mais
importante é “prender roupa” já que esta é a única função de uma mola da roupa. O requisito “ser
económica” apresenta-se em segundo lugar já que o preço é sem dúvida um dos factores mais
importantes em todos os produtos, contudo decidiu-se não dar mais peso ao requisito “ser
económica” que o “prender roupa”. O requisito “ser confortável” é uma função importante, mas não
tanto como as duas primeiras, já que se considerou não ser um requisito essencial para o produto.
Em relação requisito “ser robusta” optou-se por não lhe atribuir uma grande relevância, já que é
40
claramente menos importante que os anteriores. Finalmente, o requisito “ser durável” foi considerado
o menos importante, por ser menos importante para uma mola da roupa que os restantes.
Prender roupa
Ser económica
Ser confortável
Ser Robusta
Ser durável Soma % %
Corrigida A B C D E
Prender roupa A 0 A1 A2 A2 A3 8 42,11 41,11
Ser económica B - 0 B2 B2 B3 7 36,84 35,84
Ser confortável C - - 0 C1 C2 3 15,79 15,79
Ser robusta D - - - 0 D1 1 5,26 5,26
Ser durável E - - - - 0 0 0,00 2 Total - 19 100 100,00
Tabela 3.9: Classificação dos requisitos da mola da roupa.
O próximo passo consistiu em identificar quais são as propriedades mecânicas mais
importantes para os requisitos da mola da roupa. Foram identificadas as seguintes propriedades
mecânicas: a tensão de cedência, o módulo de Young, o preço do material, a resistência à água e
aos raios ultravioleta. Sendo agora possível relacionar cada propriedade mecânica a cada requisito,
para se determinar o peso relativo de cada propriedade mecânica. Na tabela 3.10 pode-se visualizar
este processo.
Propriedades dos materiais
Importância relativa (%)
Tensão de
cedência
Módulo de
Young
Preço material
Resistência aos UV
Resistência à água
A mola da roupa deve…
Prender roupa 41,11 7 3 Ser económica 35,84 10 Ser confortável 15,79 4 6
Ser robusta 5,26 2 8 Ser durável 2 8 2
Total 100,00 3,61 2,60 3,58 0,16 0,04 Peso das propriedades mecânicas (%) 36,14 26,02 35,84 1,60 0,40
Tabela 3.10: Peso das propriedades mecânicas.
Este método consistiu em dar uma pontuação às propriedades mecânicas de acordo com a
sua importância em relação ao respectivo requisito. A pontuação é dada de 1 a 10. Em seguida são
explicados os pesos dados às propriedades dos materiais relativamente aos requisitos.
Relativamente ao requisito “prender roupa” foi dada uma pontuação de 7 e 3 para a tensão de
cedência e o módulo de Young respectivamente. Estes valores prendem-se com o facto de se
considerar que a tensão de cedência tem um peso maior em relação ao módulo de Young no que diz
respeito à força aplicada pela mola ao prender a roupa.
No que diz respeito ao requisito “ser económica”, esta tem única e exclusivamente a ver com
o preço do material.
No requisito “ser confortável” optou-se por dar uma classificação um pouco maior ao módulo
de Young que à tensão de cedência, devido ao facto da força de abertura estar relacionada com a
rigidez da mola da roupa. Isto verifica-se pelo facto de uma mola mais rígida não se deformar tanto, o
que faz com que a força necessária para abrir a mola seja menor.
41
Em relação ao requisito “ser robusta” foi dado um grande peso ao módulo de Young visto que
a robustez da mola tem directamente a ver com rigidez.
Finalmente o requisito “ser durável” a resistência aos raios ultravioletas têm um maior peso
visto ser este o principal factor responsável pela degradação da mola.
Pode-se concluir que a tensão de cedência é a característica mais importante do material
para a mola da roupa, seguido do preço do material com quase a mesma percentagem, o módulo de
Young foi considerada a terceira propriedade mais importante. A resistência aos raios ultravioletas e à
água ficaram em último lugar com percentagens muito baixas devido à sua baixa importância para o
produto.
3.4.3 – Especificação dos materiais de injecção
Como existe uma vasta gama de polímeros em cada família com propriedades mecânicas
diferentes, optou-se por especificar os materiais de injecção que serão utilizados. Esta etapa é
importante porque só especificando o material de injecção é que se pode obter de forma precisa as
suas propriedades mecânicas.
A metodologia consistiu em escolher materiais, cujas suas propriedades mecânicas estejam o
mais próximo possível das especificações da mola da roupa. Isto porque estes materiais cumprem
minimamente os requisitos e também porque o custo dos materiais tende a ser proporcional à sua
qualidade, assim o material que mais se aproxima das especificações é o mais barato. As principais
propriedades mecânicas que se tiveram em consideração para a especificação do material de
injecção foram a tensão de cedência, a densidade e o módulo de Young. Na tabela 3.11 estão
representados alguns dos materiais candidatos. De referir que no caso do polipropileno optou-se por
continuar com o mesmo material do estudo 2. Nos restantes foram colocados vários materiais sendo
que os primeiros são os materiais seleccionados, os últimos são os materiais com as “melhores
propriedades” dentro dessa família e os intermédios são materiais cujas propriedades mecânicas são
intermédias. Alguns materiais como o caso do PVC possuem propriedades mecânicas parecidas, aí
optou-se por adoptar como critério de maior importância a densidade. De referir ainda que no caso do
PET a maior parte dos materiais possuem uma densidade maior que o mínimo exigido, no entanto
foram encontrados alguns dentro das especificações, embora estes possuam uma tensão de
cedência e o módulo de Young bastante superiores às especificações. Alguns valores de tensão de
cedência têm um asterisco porque a única informação disponível era tensão de rotura, isto também
se deve ao facto de estes materiais terem um comportamento frágil.
Família Referência Fornecedor Densidade (Kg/m 3)
Módulo de Young (GPa)
Tensão de cedência (MPa)
PP PP 1052 ExxonMobil 900 1,5 33
PS Empera 416 BP Chemicals 1040 2,6 30
Polystyrene 1340 TOTAL Petrochemicals 1050 3,1 44,0* Polystyrol 168 N BASF Corporation 1050 3,3 59,0*
ABS
Novodur P2K INEOS ABS (Spain) 1030 1,7 34 Magnum 3904 Dow Plastics 1050 1,9 35 Polyman HH 3 A. Schulman GmbH 1050 1,8 53
CYCOLAC CRT 3370 SABIC Innovative Plastics 1170 5,1 62*
42
PVC
HH - 1900 Georgia Gulf 1220 2,48 41,4 Geon M3900 PolyOne Corporation 1330 2,28 37,9 Geon M3800 PolyOne Corporation 1330 2,28 41,4 Geon M3000 PolyOne Corporation 1400 3,1 51
PMMA Delpet SR8500 Asahi Kasei Corporation 1140 1,3 30
Acrylite Plus ZK - 6 Cyro Industries 1160 1,52 43,4 Pleximid 8817 Evonik Rohm GmbH 1210 4,5 90*
POM Ultraform N2640 Z6 UNC Basf Corporation 1330 1,3 37
Ultraform N2640 Z4 Basf Corporation 1350 1,7 44 Tenac 5010 Asahi Kasei Plastics Inc. 1420 3,4 73
PET Rynite 415 HP NC 010 DuPont Engineering
Polymers 1390 4,22 79*
Rynite 625FD BK505 DuPont Engineering Polymers 1500 5,37 60* Petra 110 BK - 112 BASF Corporation 1440 6,68 105*
Tabela 3.11: Características mecânicas dos materiais propostos [55].
3.4.4 – Análise de desempenho dos materiais
Nesta secção analisou-se o desempenho dos materiais especificados na secção anterior
tendo em conta as suas propriedades mecânicas. Optou-se por definir como valor alvo as
especificações da mola, isto é, os materiais cujas propriedades mecânicas estejam mais próximas
das especificações terão uma melhor classificação. Isto porque no caso dos polímeros nem sempre
os materiais com as melhores propriedades mecânicas são os mais indicados para determinadas
aplicações. Em relação ao preço do material considerou-se uma abordagem diferente, já que o que
se pretende sempre é minimizar o preço, assim como o PP tem um preço mais baixo em relação aos
outros materiais, tomou-se esse valor como referência. No que diz respeito à resistência aos raios
ultravioleta e à água o que se pretende é que seja o máximo possível. De referir que em relação a
estas resistências foram dadas classificações de 1 a 5 conforme o seu desempenho, sendo que 1
significa que o material tem uma má resistência e 5 que tem uma muito boa resistência. Os valores
das resistências à água e aos UV foram determinados através do software CES EduPack para cada
uma das famílias (valores médios) já que não foi possível obter uma classificação para os materiais
de injecção especificados anteriormente. Outro factor que tem de se ter em conta é o facto de os
valores de resistência aos raios UV poderem variar na mesma família isto porque normalmente todos
os materiais de injecção não são puros, ou seja, são sempre adicionados aditivos para melhorar o
seu desempenho nas mais variadas formas. No entanto como tanto a resistência aos raios UV e à
água têm um peso pequeno o resultado final não é influenciado em grande medida. Na tabela 3.12
estão os valores alvo que se pretendem para a mola.
Tensão de cedência (MPa)
Módulo de Young (GPa)
Preço do material (€)
Resistência aos raios ultravioleta
Resistência à água
29 1 0,8 5 5 Tabela 3.12: Valores alvo para a mola.
Utilizando o peso de cada propriedade mecânica que foi determinada no ponto 3.4.2 pode-se
classificar cada material de acordo com as suas propriedades mecânicas. Na tabela 3.13 pode-se ver
os resultados dos cálculos efectuados para se classificar os materiais.
43
Materiais
Propriedades mecânicas
Peso das propriedades
mecânicas PP PS ABS PVC PMMA POM PET
Tensão de cedência 36,14
Valor (Mpa) 33,00 30,00 34,00 41,40 30,00 37,00 79,00 Adimensional 0,90 0,99 0,88 0,72 0,99 0,81 0,38
Score 32,66 35,93 31,70 26,03 35,93 29,13 13,64
Módulo de Young 26,02
Valor (Gpa) 1,50 2,60 1,70 2,48 1,30 1,30 4,22 Adimensional 0,67 0,38 0,59 0,40 0,77 0,77 0,24
Score 17,34 10,01 15,30 10,49 20,01 20,01 6,16
Preço do material 35,84
Valor (€/Kg) 0,80 0,90 1,15 1,10 2,10 1,40 1,20 Adimensional 1,00 0,89 0,70 0,73 0,38 0,57 0,67
Score 35,84 31,86 24,93 26,07 13,65 20,48 23,89
Resistência aos UV 1,6
Valor () 2,00 3,00 3,00 5,00 5,00 2,00 4,00 Adimensional 0,40 0,60 0,60 1,00 1,00 0,40 0,80
Score 0,64 0,96 0,96 1,60 1,60 0,64 1,28
Resistência à água 0,4
Valor () 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 Adimensional 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Score 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40
Classificação dos
materiais 86,89 79,15 73,30 64,59 71,59 70,66 45,38
1º 2º 3º 6º 4º 5º 7º Tabela 3.13: Classificação dos materiais tendo em conta o valor alvo.
Analisando a tabela 3.13 verifica-se que o PP foi o material que obteve melhor classificação,
seguindo-se o PS, o ABS, o PMMA, o POM, o PVC e o PET. Existem dois materiais, o PVC e o PET
que têm uma classificação mais baixa, relativamente aos outros o que faz com que estes materiais
não sejam os mais apropriados para a mola da roupa tendo em conta todos os requisitos
considerados. Assim optou-se por excluir estes materiais do estudo. Sendo assim os materiais que
vão ser estudados nas próximas fases do trabalho são: o PP, o PS, o ABS, o PMMA e o POM.
3.5 – Simulação do processo de injecção
Neste capítulo são descritos os passos efectuados para a simulação do processo de injecção
com a utilização do software Moldflow Plastics Insight 5.0. O objectivo é o de simular o processo de
produção no qual vai ser fabricado o produto, isto para retirar algumas informações necessárias para
as fases seguintes da dissertação, nomeadamente para a realização da análise LCC.
3.5.1 – Parâmetros do processo
Esta secção divide-se em 4 partes, na primeira são descritas as tipologias de moldes
estudadas, na segunda são apresentadas as condições de processamento recomendadas para cada
material de injecção, na terceira refere-se aos materiais dos moldes seleccionados para cada caso e
por último é definida a máquina de injecção utilizada nas simulações.
3.5.1.1 – Tipologias de moldes
No estudo 2 foram estudadas 6 tipologias de moldes diferentes, nas quais se variou o número
de cavidades e o sistema de alimentação. Os números de cavidades estudados foram: 16, 32 e 96.
Em relação ao sistema de alimentação foi estudado para todas as cavidades um sistema de
44
alimentação com canais quentes e frios. Como nesta dissertação vão ser estudados 5 materiais de
injecção diferentes, optou-se por não estudar todas as tipologias que foram analisadas no estudo 2,
assim optou-se por excluir as tipologias de 16 cavidades com canais quentes e frios. Isto porque de
acordo com o estudo 2 estas tipologias devido ao seu baixo número de cavidades em relação às
outras, os seus moldes irão ter uma vida mais limitada o que limita o volume total de produção de
peças produzidas com estas tipologias. Pois de acordo com o estudo 2 os moldes de 16 cavidades
poderiam produzir no máximo 4 000 000 de peças (a mola da roupa é constituída por 2 partes), o que
não é suficiente para garantir um ano de produção, já que o volume produção anual necessário era
de 2 400 000 de molas. Assim optou-se por estudar as tipologias com 32 e 96 cavidades com canais
quentes e frios.
Em relação ao sistema de alimentação optou-se por incluir neste estudo os sistemas com
canais quentes e frios porque estes apresentam custos diferentes, quer na produção do molde quer
na produção do produto. Os canais frios têm uma desvantagem em relação aos canais quentes visto
que com estes os canais de alimentação são extraídos em conjunto com a peça, o que provoca um
consumo maior de matéria-prima. Contudo esses canais de alimentação podem ser triturados e ser
utilizados em posteriores ciclos de moldação, mas essa trituração acarreta consigo custos que vão
ser reflectidos no custo final do produto. Por outro lado os moldes com canais frios necessitam de um
tempo de ciclo maior que um molde com canais quentes [56]. Mas os canais frios têm uma vantagem
clara em relação ao custo do molde, já que os moldes com canais frios têm um custo menor que os
moldes com canais quentes, devido à simplicidade dos canais de alimentação. Os canais quentes
são também preferidos quando se pretende que as peças tenham um grande rigor dimensional, visto
que os canais são controlados termicamente para que não ocorram variações de temperatura nos
canais.
A terminologia que será empregue daqui para a frente para a identificação dos modelos
estudados é apresentada na tabela 3.14.
Número de cavidades no m olde 32 ou 96 Sistema de alimentação com canais quentes Q
Sistema de alimentação com canais frios F Tabela 3.14: Terminologia utilizada para a identificação das várias variantes de moldes em estudo.
Como exemplo um molde de 32 cavidades com sistema de alimentação com canais frios terá
a designação de 32 F.
3.5.1.2 – Condições de processamento dos materiais de injecção
As condições de processamento dos materiais são extremamente importantes, visto que são
um dos principais factores para o cálculo do tempo de ciclo realizado pelo software. Os materiais de
injecção foram seleccionados na secção 3.4.3. As condições de processamento estão representadas
na tabela 3.15. Os valores da temperatura do molde recomendada, da temperatura do fundido
recomendado e da temperatura de ejecção foram utilizados como inputs no software.
45
Material
Temp. do molde
recomendada (ºC)
Temp. do fundido
recomendado (ºC)
Intervalo de temp. do
molde recomendada
(ºC)
Intervalo de temp. do fundido
recomendado (ºC)
Temp. máxima absoluta
do fundido
(ºC)
Temp. de
ejecção (ºC)
PP 1052 50 230 20 a 80 200 a 280 320 93 Empera
416 35 218 21 a 48 176 a 260 300 85
Novodur P2K 80 260 60 a 85 220 a 280 300 85
Delpet SR8500 70 240 50 a 90 220 a 260 280 104
Ultraform N2640 Z6
UNC 80 200 60 a 80 190 a 215 215 105
Tabela 3.15: Condições de processamento recomendadas [57].
3.5.1.3 – Materiais dos moldes
Os materiais utilizados nos moldes foram sugeridos por uma empresa especializada na
produção de moldes de injecção. A empresa contactada foi a LONGMOLD TECHNOLOGY CO., LTD
sediada na China, tendo sido posteriormente contactada a empresa Fapil e a empresa fornecedora
de moldes de injecção com o objectivo de confirmar a escolha dos materiais sugeridos pela primeira.
Os materiais foram seleccionados de forma a tenham uma vida semelhante dependendo do material
de injecção. Foi considerada uma vida dos moldes de 1 000 000 de ciclos. Assim foram
seleccionados dois materiais para os moldes, o AISI H13 para os materiais de injecção PS, ABS e
PMMA e o AISI Type 420 (ou S136) para o PP e o POM. A razão de se optar pela utilização de dois
materiais dos moldes diferentes prende-se com o facto de que os materiais de injecção PP e POM
serem bastante corrosivos a altas temperaturas o que faz com que seja necessário utilizar um aço
inoxidável como é o caso do AISI Type 420 (ou S136). As principais características dos materiais
estão representadas na tabela 3.16.
Normas Propriedades
Material de injecção DIN AISI/SAE Densidade
(g/cm 3)
Calor específico (J/Kg. oC)
Condutividade térmica (W/m. oC)
Coeficiente de expansão térmica
(10-6/oC) PP/POM 1,4021 420 7,8 460 24,9 10,3
PS/ABS/PMMA 1,2344 H13 7,76 - 28,6 10,4 Tabela 3.16: Principais características dos materiais para os moldes [58].
3.5.1.4 – Máquina de Injecção
Um dos principais objectivos da simulação do processo de injecção é a selecção da máquina
de injecção mais indicada para cada tipologia de molde, através dos parâmetros de injecção
específicos para cada tipologia, tais como a pressão de injecção, a força de fecho e o caudal de
injecção. Como nesta fase essa informação ainda não existe decidiu-se utilizar parâmetros de
injecção pré-definidos no software, sabendo à partida que estes são superiores aos valores dos
parâmetros de todas as tipologias. Os valores utilizados são apresentados na tabela 3.17.
46
Caudal máximo de injecção (cm 3/s)
Pressão máxima de injecção (MPa) Força máxima de fecho (ton)
5000 180 7000,22 Tabela 3.17: Principais características da máquina de injecção.
3.5.2 – Procedimento realizado no software
Nesta secção é descrito o procedimento realizado no software MPI para a realização da
simulação do processo de injecção. Alguns parâmetros são os mesmos considerados no estudo 2,
nesses casos é descrito porque se optou por aproveitar esses resultados e nos restantes é descrito o
procedimento para seleccionar esses parâmetros.
O procedimento utilizado na simulação do processo de injecção começa com a geração da
malha e correcção dos erros que são originados devido à malha ser originada de forma automática,
sendo que esta é uma das fases mais importantes do estudo. Seguidamente procurou-se saber qual
o melhor ponto de injecção para a peça e a forma como se dispõem as cavidades tendo em conta o
número de cavidades e o sistema de alimentação. Após esta fase projectaram-se os sistemas de
alimentação sendo apresentadas as suas dimensões mais importantes. Finalmente projectou-se o
sistema de alimentação. Optou-se por não realizar um estudo aos empenos visto que esse estudo
não implicaria melhorias significativas para dois dos resultados mais importantes que se obtêm de
todo o estudo de simulação do processo de injecção, que são: o tempo de ciclo e a pressão de
injecção.
3.5.2.1 – Geração da malha do corpo da mola
A geração da malha é a primeira fase e a mais importante numa análise no software MPI. O
primeiro passo foi importar o ficheiro CAD da geometria da mola para o software, em seguida
procedeu-se à geração da malha do tipo “Fusion”. Realizou-se uma análise à malha com o fim de
encontrar erros, seguidamente procurou-se corrigi-los para que não ocorram erros nas análises
posteriores. Também tem de se salientar o facto de estarem em análise moldes multi-cavidade
procurou-se não refinar em demasia a malha, pois um refinamento elevado conduziria a um tempo
demasiado elevado na execução das análises. O número de elementos da malha após a correcção
de todos os defeitos críticos foi de 1204. Na figura 3.15 é apresentada a malha que foi utilizada na
simulação do processo.
Figura 3.15: Configuração da malha utilizada nas análises.
47
3.5.2.2 – Ponto de injecção e a disposição das cavi dades
O estudo do ponto de injecção e da disposição das cavidades foram realizados no estudo 2.
Por isso optou-se por utilizar os resultados obtidos nesse estudo.
Quanto ao ponto de injecção foram estudadas várias opções de localização como mostra a
figura 3.16, e foi feita análise de empenos com o fim de verificar qual a solução que provoca menos
empenos, tendo se verificado que a melhor opção seria colocar o ponto de injecção na extremidade
1.
A disposição das cavidades no molde consiste em duas colunas simétricas. As distâncias
entre as colunas têm uma distância igual para todos os materiais de injecção. Na tabela 3.18 estão as
dimensões das cavidades para todas as diferentes tipologias.
Tipologia Espaçamento entre colunas (mm) Espaçamento entre cavidades (mm) 32 Q 200 10 32 F 160 10 96 Q 240 10 96 F 240 10
Tabela 3.18: Espaçamento das tipologias dos moldes.
Na figura 3.17 está representada a disposição das cavidades as tipologias de 32 e 96
cavidades.
b)
a)
b)
a)
Figura 3.16: a) Localização dos pontos de injecção que foram analisados; b) Ponto de injecção escolhido.
Figura 3.17: Disposição das cavidades; a) 32 cavidades; b) 96 cavidades;
48
3.5.2.3 – Sistemas de alimentação
Nos sistemas de alimentação foram utilizados canais de distribuição de secção circular. Para
o projecto dos canais de alimentação é necessário recorrer-se a um processo iterativo, onde se teria
de variar as dimensões dos canais até se verificar quais as dimensões que apresentam os melhores
resultados. Como neste trabalho se estão a estudar no total 20 alternativas diferentes esse estudo
seria extremamente moroso, por isso optou-se por considerar as mesmas dimensões para todas as
alternativas estudadas. Contudo verificou-se que a variação das dimensões dos canais de
alimentação não provocaria diferenças significativas nos principais parâmetros do processo de
injecção, nomeadamente no tempo de ciclo e da pressão de injecção. A única excepção foi em
relação ao diâmetro do orifício de ataque que varia consoante o material, considerando a partir do
estudo 2 um caudal médio de 50 (cm3/s) para todos os materiais e tipologias, já que nesta fase do
trabalho ainda não se sabe os caudais necessários para o processo de injecção. Na figura 3.18 pode-
se verificar a forma como variam as dimensões para os materiais especificados em relação ao caudal
[56]. Assim para o PP a dimensão utilizada foi de 1mm, para o PS, o PMMA e o POM foi de 1,5mm e
para o ABS foi de 1,25 [56]. Contudo, teve-se especial atenção ao número de cavidades e do sistema
de alimentação, já que no caso das tipologias de canais frios quanto maior for a dimensão dos canais
maior será o desperdício de material. A altura que vai desde o orifício até às cavidades é de 77mm
para todas as tipologias de moldes. As dimensões utilizadas encontram-se na tabela 3.19. Na figura
3.19 é mostrada a configuração os sistemas de alimentação para as quatro tipologias estudadas.
Tipologia Diâmetro do orifício dos canais de alimentação (mm)
Diâmetro dos canais de alimentação (mm)
Diâmetro do orifício de ataque (mm)
32 Q 6 6 1 ou 1,25 ou 1,5 32 F 4 5 1 ou 1,25 0u 1,5 96 Q 7 7 1 ou 1,25 0u 1,5 96 F 5 6 1 ou 1,25 0u 1,5
Tabela 3.19: Dimensões dos sistemas de alimentação utilizados.
Figura 3.18: Diâmetro de ataque em função do caudal [56].
49
3.5.2.4 – Sistema de arrefecimento
O sistema de arrefecimento utilizado é o mesmo que foi escolhido no estudo 2, já que
diferentes configurações dos canais não alterariam a sua eficácia relativamente a materiais
diferentes. Este estudo consistiu em apresentar várias configurações de canais de arrefecimento,
onde se variou o número e diâmetro, a distância entre canais e a distância à cavidade.
Há que referir que foi utilizado o mesmo líquido de refrigeração em todas as configurações, o
líquido seleccionado foi a água com uma temperatura à entrada dos canais de arrefecimento de 15 oC. Após a análise de arrefecimento a todas as configurações verificou-se qual seria a que
apresentaria melhores resultados, tendo-se verificado que a melhor configuração é a que está
apresentada na tabela 3.20. De referir também que nesta análise foi apenas utilizada uma cavidade,
pois considera-se que, a configuração do sistema de arrefecimento que permite a melhor extracção
de calor para um molde com uma cavidade é também a melhor para os moldes multi-cavidade.
Nº de canais Diâmetro do canal (mm) Espaçamento entre canais (mm) Distância à cavidade (mm) 4 8 24 16
Tabela 3.20: Configuração dos canais de arrefecimento.
b)
c) d)
a)
Figura 3.19: Sistemas de alimentação finais para as duas tipologias de moldes estudadas. a) 32 cavidades com canais frios; b) 32 cavidades com canais quentes; c) 96 cavidades com canais frios;
d) 96 cavidades com canais quentes.
50
Teve-se ter em atenção ao facto de que no sistema de alimentação com canais frios se
colocar os sistemas de arrefecimento sobre os canais de alimentação, visto que estes também
precisam de ser arrefecidos pois são extraídos em conjunto com a peça. Na figura 3.20 é mostrada a
configuração dos sistemas de arrefecimento.
3.5.2.5 – Tempo de abertura do molde
O tempo de abertura do molde considerado é igual ao determinado no estudo 2. Este tempo
foi determinado tendo em consideração o tempo necessário para extrair as peças de dentro do
molde, sendo que os moldes com um maior número de cavidades necessitam de um tempo maior e
que os moldes com um sistema de alimentação com canais frios também necessitam de um tempo
superior dado que os canais de alimentação também têm de ser extraídos. Os tempos de abertura do
molde são iguais para todos os materiais e variam somente consoante o número de cavidades do
molde e do sistema de alimentação. Na tabela 3.21 estão os tempos de abertura do molde
considerados.
Tipologia Tempo de abertura do molde (s) 32 Q 3 32 F 5 96 Q 5 96 F 7
Tabela 3.21: Tempos de abertura do molde.
a) b)
c) d)
Figura 3.20: Configuração do sistema de arrefecimento; a) 32 cavidades com canais quentes; b) 32 cavidades com canais frios; c) 96 cavidades com canais quentes; d) 96 cavidades com canais frios.
51
3.5.3 – Parâmetros de controlo do processo
Os parâmetros de controlo do processo são: a temperatura do molde, a temperatura do
fundido e a temperatura de ejecção. Todas estas temperaturas são sugeridas pelo software e variam
consoante o material de injecção utilizado. Estes parâmetros são muito importantes porque é a partir
destes que o software calcula o tempo de ciclo. Em relação à temperatura de ejecção nem sempre é
possível esperar que toda a peça esteja a essa temperatura quando é extraída, assim decidiu-se
definir que a peça seria extraída quando esta estivesse com 80% do seu volume à temperatura de
ejecção. Este é o valor mínimo recomendado para o arrefecimento de peças espessas, como é o
caso da peça em estudo [57]. A utilização desta percentagem é importante para a redução do tempo
de ciclo. Na tabela 3.22 são apresentadas as temperaturas recomendadas para cada material.
Material de injecção Temperatura do molde (ºC) Temperatura do fundido (ºC) Temperatura de
ejecção (ºC) PP 50 230 93 PS 35 218 85
ABS 80 260 85 PMMA 70 240 104 POM 80 200 105
Tabela 3.22: Parâmetros de controlo do processo [57].
Através da análise às temperaturas de ejecção na tabela 3.22 é possível antecipar que o
tempo de ciclo para os materiais PMMA e POM terão um tempo de ciclo inferior aos restantes, dado
que têm uma temperatura de ejecção maior. Logo a peça demora menos tempo a atingir a
temperatura de ejecção. Contudo, a temperatura do molde e do fundido também são muito
importantes no cálculo do tempo de ciclo e também têm de se levar em conta.
3.5.4 – Resultados obtidos na simulação do processo de injecção
Nesta secção são colocados alguns resultados importantes provenientes da simulação do
processo de injecção. No entanto interessa explicar brevemente como estes resultados foram
obtidos. Existem quatro tipos principais de análises que o software MPI permite realizar, que são:
análise de arrefecimento, análise de enchimento, análise de compactação e análise aos empenos. A
análise de arrefecimento permite determinar resultados importantes como a distribuição de
temperaturas na peça e no molde e também permite determinar o tempo de ciclo que é determinado
a partir dos parâmetros definidos no ponto 3.5.3. A análise de enchimento e a análise de
compactação são feitas normalmente em conjunto e permitem saber se as cavidades são totalmente
preenchidas com material de injecção e permite determinar parâmetros importantes como a pressão
de injecção, a força de fecho, o caudal de injecção, o tempo de injecção, o “holding time” (soma do
tempo de arrefecimento com o tempo de compactação), entre outros. Finalmente a análise de
empenos, que permite verificar as zonas onde ocorrem os empenos e os níveis de empenos
provocados. Neste trabalho foram utilizadas as três primeiras análises, não tendo sido realizada a
análise de empenos devido sobretudo ao elevado tempo de execução que esta análise requer, devido
ao facto de ser necessário recorrer a um processo de tentativa e erro e também por se ter verificado
52
que os principais parâmetros desta simulação não seriam alterados. Após a realização das análises
em seguida são apresentados os resultados da simulação.
3.5.4.1 – Tempos de ciclo
O tempo de ciclo é o tempo que demora a extrair um conjunto de peças, desde o tempo de
fecho do molde até à extracção das peças. Assim o tempo de ciclo pode-se dividir em quatro partes,
o tempo de injecção (enchimento), o tempo de compactação, o tempo de arrefecimento e o tempo de
abertura do molde. No software MPI o tempo de compactação e o tempo de abertura do molde são
definidos pelo utilizador. No que diz respeito ao tempo de compactação optou-se por definir o mesmo
valor para todas as alternativas devido ao facto de não se ter realizado uma análise de empenos, já
que este tempo em conjunto com a força de fecho está directamente ligado ao empeno das peças.
Este facto não provoca uma alteração do tempo de ciclo final porque o software realiza em primeiro
lugar uma análise de arrefecimento onde se obtém o valor do tempo de ciclo, depois o software
realiza a análise de enchimento e de compactação onde se obtém o tempo de enchimento e o
“holding time”. O software apresenta uma limitação precisamente no “holding time” já que este não é
mais que a subtracção do tempo de ciclo com o tempo de enchimento e o tempo de abertura do
molde, assim quando se muda o valor do tempo de compactação o valor do tempo de arrefecimento é
corrigido de forma que o “holding time” seja o mesmo. Na tabela 3.23 estão os tempos de ciclo para
as alternativas estudadas.
Holding Time
Material Tipologia Tempo de enchimento (s)
Tempo de compactação (s)
Tempo de arrefecimento (s)
Tempo de abertura do molde (s)
Tempo de ciclo (s)
PP
32 F 1,92 3,01 11,65 5 21,58 32 Q 1,62 2,99 10,90 3 18,51 96 F 2,25 3,01 10,04 7 22,30 96 Q 1,76 2,99 10,14 5 19,89
PS
32 F 1,72 3,01 13,40 5 23,13 32 Q 1,47 2,99 12,64 3 20,10 96 F 2,01 3,01 11,40 7 23,42 96 Q 1,58 2,98 12,15 5 21,71
ABS
32 F 2,34 3,01 15,65 5 26,00 32 Q 1,93 2,99 15,89 3 23,81 96 F 2,8 3,01 13,90 7 26,71 96 Q 2,18 2,98 14,90 5 25,06
PMMA
32 F 3,92 3,01 9,15 5 21,08 32 Q 3,42 2,84 9,40 3 18,66 96 F 4,74 3,01 7,64 7 22,39 96 Q 3,69 2,85 8,39 5 19,93
POM
32 F 3,41 3,01 4,65 5 16,07 32 Q 2,86 2,97 5,89 3 14,72 96 F 4,31 2,99 3,40 7 17,70 96 Q 3,32 2,97 3,89 5 15,18
Tabela 3.23: Tempo de ciclo para todos os casos estudados.
Para facilitar a visualização e a relação entre os tempos de ciclo para os diferentes materiais
é apresentado na figura 3.21 um gráfico com os tempos de ciclo para todos os casos estudados.
53
Figura 3.21: Tempos de ciclo para todos os casos estudados.
Pode-se verificar que o material que apresenta um menor tempo de ciclo é o POM, em
seguida vêm o PP e o PMMA com tempos de ciclo bastante semelhantes, o PS e o ABS são os
materiais que apresentam um maior tempo de ciclo. A tipologia de 32 cavidades com canais quentes
é a que apresenta o menor tempo de ciclo, à semelhança do estudo realizado no estudo 2. Verifica-se
que a diferença entre a tipologia com menor e a de maior tempo de ciclo não é muito grande (cerca
de 3 s).
3.5.4.2 – Outros resultados importantes
Outros resultados importantes que se podem retirar da simulação do processo de injecção
para além do tempo de ciclo são: a pressão máxima de injecção, o caudal máximo de injecção e a
força máxima de fecho. Todos estes parâmetros são determinantes para se encontrar uma máquina
de injecção mais indicada para cada tipologia de molde estudada, que será escolhida posteriormente
aquando da realização do LCC. Na tabela 3.24 são mostrados estes resultados para todos os casos
estudados.
Material Tipologia Pressão máxima de injecção (MPa)
Caudal máximo de injecção (cm 3/s)
Força máxima de fecho (ton)
PP
32 F 34,75 92,63 45,05 32 Q 22,61 87,29 33,18 96 F 56,85 304,49 237,82 96 Q 40,87 277,31 171,60
PS
32 F 33,39 99,29 42,41 32 Q 22,56 94,96 30,01 96 F 50,91 324,63 263,97 96 Q 42,59 308,03 112,33
ABS
32 F 74,65 77,75 105,46 32 Q 48,77 74,47 75,57 96 F 108,26 243,69 516,42 96 Q 90,06 231,08 293,71
PMMA
32 F 143,37 46,79 198,88 32 Q 95,73 50,71 78,66 96 F 180,00 158,80 1076,42 96 Q 180,00 190,26 258,36
POM
32 F 89,27 53,56 130,50 32 Q 53,83 51,67 82,93 96 F 132,31 181,74 748,52 96 Q 101,28 155,95 295,38
Tabela 3.24: Parâmetros importantes no processo de injecção.
0
10
20
30
PP PS ABS PMMA POMT
empo
de
cicl
o (s
)
32 Q
32 F
96 Q
96 F
54
Pode-se verificar que os materiais de injecção PMMA e POM são os materiais que
necessitam de uma pressão de injecção e força de fecho maiores. Nas tipologias de 96 cavidades do
material PMMA é atingida a pressão máxima imposta no software, o que não é problemático visto ter-
se tratado de um pico de pressão na fase inicial da injecção, tendo-se verificado logo de seguida uma
descida repentina na pressão de injecção. Em relação aos sistemas de alimentação verifica-se que
os canais frios necessitam de maiores pressões de injecção e forças de fecho. Como era esperado as
tipologias de moldes com 96 cavidades têm maiores valores destes parâmetros que as tipologias de
32 cavidades. No que diz respeito ao caudal de injecção verifica-se que as tipologias de canais
quentes necessitam de um caudal menor que as tipologias com canais frios.
3.6 – Aplicação do Modelo de Life Cycle Engineering
Nesta secção é descrita e metodologia utilizada para a aplicação do LCE ao trabalho
realizado até agora. Esta secção é dividida em três partes, na primeira será feita uma análise dos
custos de produção do produto (LCC), na segunda será feita uma análise ao impacto ambiental
provocado pelo produto durante toda a sua vida (LCA) e por fim é feita uma análise ao desempenho
do produto tendo em conta os materiais propostos (desempenho funcional).
3.6.1 – Life Cycle Cost
Para se determinar os impactos económicos de todas as alternativas de moldes estudados e
dos diferentes materiais decidiu-se implementar a metodologia de LCC. A metodologia utilizada para
a realização do modelo de custo está representada na figura 3.22. De referir que o modelo de LCC
utilizado baseia-se no “Process-based Cost Model”. Sendo a grande vantagem deste modelo a
enorme facilidade em efectuar análises de sensibilidade e modificar parâmetros [59].
Figura 3.22: Metodologia do LCC utilizada.
Existem dois tipos de custos considerados nesta análise de custos que são: os custos de
entrada e os custos relacionados com o processo de injecção. Os custos de entrada são relativos aos
Life Cycle Cost
Custos de entrada
Molde Matéria-prima
Custos do processo
TrituraçãoMaterial triturado
Máquina de injecção
Energia Mão-de-obra
Setup´s
55
custos do molde e da matéria-prima utilizada no processo de injecção. Relativamente aos custos do
processo são considerados os custos da máquina de injecção e da máquina de trituração. Dentro do
custo da máquina de injecção e da máquina de trituração têm-se directamente ligado os custos com a
energia e com a mão-de-obra. Os custos com os setups também foram considerados, aqui estão
englobados os custos da máquina de injecção e da mão-de-obra aquando da montagem do molde na
máquina de injecção e do tempo de abertura do molde no final de cada ciclo de injecção para a
extracção das peças. Relativamente à trituração foi considerado que todo o material que é
desperdiçado durante o processo de injecção, nomeadamente os canais de alimentação para o caso
das tipologias de molde com canais frios e o material que é desperdiçado para a afinação do
processo de injecção, será todo ele triturado e reutilizado em ciclos de injecção posteriores. Ainda
existem outros custos fixos, como os custos da instalação e overheads (custos indirectos fixos que
não estão directamente alocados ao produto), que poderiam ter sido considerados. Mas como esses
custos são semelhantes para todas as alternativas e como este estudo não pretende ser uma
ferramenta financeira, mas uma ferramenta de apoio à decisão, estes não foram considerados.
3.6.1.1 – Custos de entrada
Nesta secção estão representados os custos de entrada para a produção da mola da roupa.
Os custos dos moldes e do material de injecção foram determinados através de duas empresas, a
Fapil – Indústria de Escovaria, S. A. e a Longmold Technology CO., LTD, ambas com larga
experiência nas suas respectivas áreas.
Custo da matéria-prima
Os custos dos materiais de injecção são apresentados na tabela 3.25. O preço do material foi
fornecido pela empresa Fapil. Esta é uma empresa com larga experiência na produção de peças por
moldação por injecção e na revenda de material de injecção.
Família Preço do material (€/Kg)
PP 0,80 PS 0,90
ABS 1,15 PMMA 2,10 POM 1,40
Tabela 3.25: Custos dos materiais de injecção.
Verifica-se que o material PP é o material com um preço menor e o PMMA é o que apresenta
um preço maior. O preço do material é um dos factores mais importantes na avaliação dos custos do
processo de injecção.
Custo do molde
Para se obter o custo dos moldes contactou-se a empresa Longmold Technology CO., LTD.,
sediada na China (ver tabela 3.26). Contudo verificou-se que os preços fornecidos eram muito mais
baixos que os preços fornecidos no estudo 2, por uma empresa portuguesa (ver tabela 3.26). Devido
56
à impossibilidade de contactar uma empresa portuguesa para fornecer com rigor os valores dos
custos para os moldes decidiu-se utilizar os custos fornecidos pela primeira empresa. No entanto
como este é um estudo com uma lógica de comparação, a diferença de preços dos moldes entre uma
empresa de Portugal ou da China, para as mesmas tipologias não é importante, o importante é
diferença do custo dos moldes das tipologias entre si. Assim em relação ao preço dos moldes
verifica-se que existe uma diferença no que diz respeito aos materiais propostos para os moldes.
Então foram escolhidos dois materiais para os moldes o AISI H13 e o AISI Type 420, sendo que o
primeiro é indicado para os materiais de injecção PS, ABS e PMMA e o segundo para o PP e POM,
tendo por isso custos diferentes. De referir que os preços referentes ao estudo 2 na tabela 3.26 foram
obtidos para o material de injecção PP, e o material do molde é o AISI P20. De referir que o preço da
tabela 3.26 fornecido pela empresa Longmold foi em dólares tendo havido a necessidade de
converter para euros. Para além do custo do molde outra informação importante é as dimensões do
molde, sendo que estas variam apenas consoante a tipologia não dependendo por isso do material
de injecção.
Material Tipologia Custo do molde (Longmold) (€)
Custo do molde (Estudo 2) (€)
Dimensões do molde (Largura x Comprimento x
Altura) (mm)
PP / POM
32 F 8.941,99 15.000 500 x 700 x 400 32 Q 19.300,10 31.000 550 x 700 x 430 96 F 26.385,21 40.000 650 x 1200 x 400 96 Q 48.217,74 65.000 650 x 1400 x 450
PS / ABS / PMMA
32 F 7.664,30 15.000 500 x 700 x 400 32 Q 17.241,54 31.000 550 x 700 x 430 96 F 22.704,44 40.000 650 x 1200 x 400 96 Q 42.826,33 65.000 650 x 1400 x 450
Tabela 3.26: Custo e dimensão dos moldes.
Pode-se verificar que as tipologias de molde com sistemas de alimentação com canais frios
têm um custo mais baixo que as tipologias de molde com canais quentes, o que se deve sobretudo à
sua simplicidade no que diz respeito ao sistema de alimentação.
3.6.1.2 – Custos do processo
Os custos relativos ao processo de injecção são apresentados em seguida.
Custo hora da máquina de injecção
Antes de apresentar a equação utilizada para calcular o custo hora da máquina de injecção é
necessário escolher a máquina de injecção mais indicada para cada tipologia de molde. Tiveram-se
em consideração vários factores para a sua selecção. O mais importante e foi o que mais limitou a
selecção das máquinas de injecção foram as dimensões do molde. Em seguida tiveram-se os outros
factores que foram determinados na simulação do processo de injecção feita no MPI, tais como a
pressão de injecção, a força de aperto e o caudal máximo requerido. As máquinas de injecção
escolhidas são todas da mesma marca, Sandretto, que é um dos maiores produtores mundiais de
máquinas de injecção. Após uma análise aos parâmetros das máquinas e aos requisitos para cada
tipologia chegou-se à conclusão que eram necessárias 4 máquinas de injecção diferentes. Na tabela
3.27 estão representadas as máquinas de injecção mais indicadas para cada tipologia e na tabela
57
3.28 estão as suas características principais. Na tabela 3.24 estão os requisitos em termos de
pressão de injecção, força de aperto e caudal de injecção.
Material Cavidades Referência
PP / PS / ABS
32 F Nove HP 1700 / 2200 32 Q Nove HP 1700 / 2200 96 F Mega TES 5500 ES 96 Q Mega TES 5500 ES
PMMA
32 F Nove HP 1700 / 2200 32 Q Nove HP 1700 / 2200 96 F Mega TES 12000 ES 96 Q Mega TES 5500 ES
POM
32 F Nove HP 1700 / 2200 32 Q Nove HP 1700 / 2200 96 F Mega TES 7000 ES 96 Q Mega TES 5500 ES
Tabela 3.27: Maquinas de injecção para cada tipologia de molde.
Referência Dimensões
do prato (mm)
Dimensões entre
colunas (mm)
Força de fecho (ton)
Caudal máximo
de injecção (cm3/s)
Pressão máxima de
injecção (MPa)
Potência da
máquina (KW)
Custo de aquisição
(€)
Nove HP 1700 / 2200 770 x 770 510 x 510 224,34 121 146,1 31,8 100.000,00 € Mega TES 5500 ES 1370 x 1270 950 x 850 560,84 366 264,7 109 275.000,00 € Mega TES 7000 ES 1560 x 1560 1060 x 1060 713,80 366 264,7 109 275.000,00 €
Mega TES 12000 ES 2010 x 1820 1422 x 1232 1223,659 653 249,7 146 350.000,00 € Tabela 3.28: Características das máquinas de injecção [60].
A equação 3.1 permite calcular o custo hora da máquina de injecção:
−++××
×=
1)1(
)1(
)(.
n
n
diaano
MIAqHMI i
ii
hd
CC (Equação 3.1 – Custo hora máquina)
Em que CAq.MI é o custo de aquisição da máquina de injecção (ver tabela 3.28), dano são os
dias em que a máquina de injecção está a trabalhar, foram considerados 250 dias, hdia é o número de
horas em que a máquina de injecção se encontra em funcionamento, foram consideradas 7 horas, i é
o custo de oportunidade, foi considerado 15% e n é a vida do equipamento, foi considerado uma vida
de 8 anos.
Custo da trituração
EnerHtritHHtrit CCCC ++= (Equação 3.2 – Custo da trituração)
Em que CHH é o custo hora de mão-de-obra, CHtrit é o custo hora da trituradora, que foi
determinado da mesma forma que o da máquina de injecção, só o custo de aquisição da trituradora é
diferente (15000 €) e o CEner é o custo hora da energia da máquina de trituração, sendo que a
potência da máquina de trituração é de 10 KW. Teve-se em conta que 10% do material utilizado na
injecção teria de ser triturado (desperdício necessário para afinação do processo de injecção), para
além disso também foram considerados os canais de alimentação provenientes da injecção nas
tipologias de molde com canais frios. A capacidade da máquina de trituração é de 200 Kg/h. Foi ainda
58
considerado que o material triturado volta a ser utilizado em ciclos de injecção posteriores, o que faz
com que se gaste menos material de injecção.
Custo hora da mão-de-obra
diaano
SSmHH hd
CNSC
×××= (Equação 3.3 – Custo hora da mão-de-obra)
Em que Sm é o salário mensal incluindo benefícios do trabalhador envolvido na produção, foi
considerado um valor de 1300 €, NS é o número de salários por ano (14), CS representa os custos
sociais (1,23), dano é o número de dias de trabalho por ano, foram considerados 228 e o hdia é o
número de horas de trabalho por dia (7h).
Custo hora da energia
eMIMI PotC Pr×= (Equação 3.4 – Custo hora da energia)
Em que PotMI é a potência total da máquina de injecção (ver tabela 3.28) e Pre é o preço da
energia fornecida pela EDP (0.0969€/kWh).
Custo por setup
LotesNtCCC setupHHHMIsetup º)( ××+= (Equação 3.5 – Custo por setup)
Em que CHMI é o custo da máquina de injecção por hora, CHH é o custo hora de mão-de-obra
e o tsetup é o tempo de setup, que é composto pelo tempo de mudança do molde (2h) que foi
considerado igual para todas as tipologias de moldes (2 horas) e o Nº Lotes representa o número de
lotes necessários para atingir o volume de produção considerado de 2 400 000 molas, sendo que
cada lote é composto por 400 000 molas (retirado do estudo 2). O número de lotes representa o
número de vezes que o molde tem de se retirar da máquina de injecção para a manutenção do molde
ou da máquina de injecção ou para a necessidade de desocupar a máquina de injecção para a
produção de outro produto.
3.6.1.3 – Custos totais de produção da mola da roup a
Nesta secção é feita uma análise comparativa entre todas as alternativas estudadas para um
volume de produção de 2 400 000 molas por ano. Na tabela 3.29 e na figura 3.23 são apresentados
os custos totais da produção das molas para as diferentes tipologias estudadas.
Material Tipologias Custo total de produção (€)
Custo unitário de produção (10 -2 €)
PP
32 Q 52956,62 2,21 32 F 40164,30 1,67 96 Q 75874,70 3,16 96 F 53965,72 2,25
59
PS
32 Q 55856,08 2,33 32 F 43300,77 1,80 96 Q 74970,93 3,12 96 F 54010,41 2,25
ABS
32 Q 63876,63 2,66 32 F 49305,31 2,05 96 Q 81151,71 3,38 96 F 59597,98 2,48
PMMA
32 Q 74078,34 3,09 32 F 60719,31 2,53 96 Q 93509,42 3,90 96 F 76406,15 3,18
POM
32 Q 63964,68 2,67 32 F 50281,24 2,10 96 Q 87695,46 3,65 96 F 65682,10 2,74
Tabela 3.29: Custos totais de produção da mola da roupa.
Figura 3.23: Custos totais de produção da mola da roupa.
Como se pode verificar pelo gráfico da figura 3.23 a tipologia de 32 cavidades com sistema de
alimentação de canais frios é a tipologia que apresenta um custo menor para a produção do corpo da
mola, o que vai de encontro às conclusões retiradas do estudo 2. Em relação ao material de injecção
verifica-se que o PP é o material que apresenta um menor custo para a produção da mola, isto
apesar de o molde necessário para injectar este material ser mais caro que para o PS, ABS e PMMA.
O PS tem um custo de produção um pouco mais elevado que o PP. O ABS e o POM estão em
seguida e por último o PMMA, essencialmente devido ao elevado custo do material de injecção.
Para analisar de uma melhor forma os custos de produção faz todo o sentido ver de que
forma se distribuem os custos de produção. Tendo em conta as percentagens no custo total de
factores como: o custo do material de injecção, o custo de mão-de-obra, o custo da máquina de
injecção, o custo da energia, o custo do molde, o custo dos setups e os custos da trituração. Na figura
3.24 é apresentada a distribuição dos custos de produção.
0,00
10.000,00
20.000,00
30.000,00
40.000,00
50.000,00
60.000,00
70.000,00
80.000,00
90.000,00
100.000,00
PP
-32
F
PS
-32
F
AB
S-3
2F
PO
M-3
2F
PP
-32
Q
PP
-96
F
PS
-96
F
PS
-32
Q
AB
S-9
6F
PM
MA
-32
F
AB
S-3
2Q
PO
M-3
2Q
PO
M-9
6F
PM
MA
-32
Q
PS
-96
Q
PP
-96
Q
PM
MA
-96
F
AB
S-9
6Q
PO
M-9
6Q
PM
MA
-96
Q
Cu
sto
de
Pro
du
ção
To
tal
(€)
60
Figura 3.24: Distribuição dos custos de produção da mola.
A partir do gráfico da figura 3.24 verifica-se que o custo do material e o custo do molde são os
factores que mais contribuem para os custos totais de produção. Pode-se verificar que nas tipologias
de 96 cavidades com canais quentes o preço do molde é o factor que mais contribui para o custo final
de produção, e daí que esta seja a tipologia com custos mais elevados. De referir ainda que no caso
dos materiais PMMA e POM o custo do material tem um grande peso, isso deve-se sobretudo ao seu
elevado preço de mercado. Os custos de setup e de trituração têm um peso em relação aos outros
quase insignificantes.
Pode-se concluir que em termos de custos de produção que o material de injecção mais
vantajoso é o PP e a tipologia de molde mais indicada é a tipologia de 32 cavidades com sistema de
alimentação com canais frios.
3.6.1.4 – Análise de sensibilidade ao volume de pro dução
Nesta secção é analisada a forma como variam os custos de produção em função do volume
de produção.
Foi considerada uma vida para os moldes de 1 000 000 de ciclos de injecção. Como os
moldes estudados têm um número diferente de cavidades, o número máximo de peças que cada
molde pode produzir durante toda a sua vida é diferente. Assim o número máximo de peças que cada
molde pode produzir, consoante o número de cavidades encontra-se na tabela 3.30.
Número de cavidades Volume máximo de produção (Molas) Número de anos de produção (Anos)
32 16 000 000 6,67 96 48 000 000 20
Tabela 3.30: Volume máximo de produção das tipologias de moldes.
Cada mola necessita de duas peças exactamente iguais. Logo, no molde de 32 cavidades
podem-se fazer 16 molas e no molde de 96 cavidades pode-se fazer 48 molas por cada ciclo de
injecção. Pode-se ver que existe uma grande diferença entre o volume máximo de produção de um
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
80,00%
90,00%
100,00%
32 Q 32 F 96 Q 96 F 32 Q 32 F 96 Q 96 F 32 Q 32 F 96 Q 96 F 32 Q 32 F 96 Q 96 F 32 Q 32 F 96 Q 96 F
PP PS ABS PMMA POM
% Custo de trituração
% Custo de setup
% Custo do molde
% Custo de energia
% Custo máquina de injecção
% Custo de mão-de-obra
% Custo do material
61
molde com 32 cavidades e um com 96 cavidades. Em relação ao número de anos de produção foi
considerada uma produção anual de 2 400 000 molas por ano.
Na figura 3.23 os custos de produção correspondem a um volume de produção de 2 400 000
molas. Agora pode-se analisar os custos para diferentes volumes de produção para ver se as
diferenças entre tipologias se mantêm. Na figura 3.25 é mostrada a variação de custos em função do
volume de produção para todas as cavidades.
A figura 3.25 mostra os custos unitários de produção para todas as alternativas estudadas.
De referir que os moldes com 32 cavidades têm um volume de produção máximo bastante mais
baixo, pelo que são necessários três moldes de 32 cavidades para atingir um volume de produção
igual aos dos moldes de 96 cavidades. Assim no gráfico pode-se verificar que para os moldes de 32
cavidades foram consideradas a aquisição de um segundo e terceiro molde para um volume de
produção de 16 000 000 e 32 000 000 de molas da roupa, respectivamente, por isso é que se verifica
um aumento do custo unitário de produção nesses volumes de produção. Foi fixado um volume de
produção de 48 000 000 de molas da roupa que corresponde ao volume de produção máximo para os
moldes de 96 cavidades. Verifica-se que o material que acarreta um menor custo de produção é o
PP, para todos os volumes de produção. No que diz respeito às tipologias de moldes verifica-se que a
tipologia de molde de 32 cavidades com canais frios é a que apresenta um menor custo de produção
até um volume de produção aproximado de 11 000 000 de molas da roupa, a partir desse volume de
produção a tipologia de 96 cavidades com canais frios ganha vantagem. A tipologia de 96 cavidades
com canais quentes aparece em segundo. De referir que a tipologia de 96 cavidades com canais frios
para o material PS, aparece em terceiro. O material que apresenta sempre um custo maior é o
PMMA.
0,01
0,012
0,014
0,016
0,018
0,02
0,022
0,024
0,026
0,028
0,03
0 10000000 20000000 30000000 40000000 50000000
Cus
to u
nitá
rio (
€)
Volume de produção (Molas)
PP - 32 Q
PP - 32 F
PP - 96 Q
PP - 96 F
PS - 32 Q
PS - 32 F
PS - 96 Q
PS - 96 F
ABS - 32 Q
ABS - 32 F
ABS - 96 Q
ABS - 96 F
PMMA - 32 Q
PMMA - 32 F
PMMA - 96 Q
PMMA - 96 F
POM - 32 Q
POM -32 F
POM - 96 Q
POM - 96 F
Figura 3.25: Variação dos custos unitários de produção das molas da roupa em função do volume de produção.
62
3.6.2 – Life Cycle Assessment
Este estudo tem como objectivo analisar o impacto ambiental durante todo ciclo de vida da
mola da roupa. A análise terá por base a tipologia de molde que apresentou melhores resultados na
análise económica, que foi a tipologia de 32 cavidades com sistema de alimentação de canais frios.
Não é necessário realizar um estudo para cada tipologia porque as variações entre estas seriam
proporcionais. Neste estudo não são estudadas todas as etapas dos processos de fabrico envolvidos
na produção do molde devido ao facto de estas terem um peso relativamente pequeno relativamente
ao processo de injecção e ao material de injecção [61]. Outro factor foi o facto de não ter sido
possível recolher todos os dados necessários de uma forma rigorosa, uma vez que para isso era
necessário analisar todos os processos durante a fabricação do molde, o que não foi possível dado
que o molde não se encontra em processo de fabrico. Assim só será analisado em termos de impacto
ambiental o material do molde.
3.6.2.1 – Metodologia utilizada
A metodologia utilizada foi a seguinte. Foram analisadas três fases do ciclo de vida do
produto. A primeira fase foi a produção dos materiais do molde e do produto, em relação ao molde
nesta fase foi considerado apenas o material do molde que é diferente consoante o material de
injecção. Na segunda fase foi estudado o processo de injecção, esta fase dividiu-se em duas partes,
uma foi a energia gasta durante o processo e a outra foi o material de injecção. E finalmente, o fim de
vida tanto do molde como do produto. Foram considerados diferentes destinados para o molde e o
produto. Enquanto que o produto irá para um aterro, o molde será reciclado. Na figura 3.26 está
representada a metodologia utilizada para a execução do LCA.
Figura 3.26: Metodologia utilizada para o modelo LCA.
63
3.6.2.2 – 1ª Fase: Produção dos materiais
Neste ponto são explicadas em pormenor todas as considerações tomadas para a avaliação
do impacto ambiental associado à produção dos materiais de injecção e dos materiais dos moldes.
Os valores para impactos são os EI’99 e foram calculados através do software SimaPro 7.1. Esta
secção divide-se em duas partes, uma está relacionada somente com os materiais de injecção e a
outra está relacionada com os materiais dos moldes.
Materiais dos moldes
Como já foi visto na análise de custos foram utilizados dois materiais diferentes para os
moldes, logo existem dois valores de impactos ambientais diferentes referentes aos materiais dos
moldes. Optou-se por utilizar apenas uma tipologia de molde nesta análise porque a único parâmetro
que varia é o peso do molde, por isso basta analisar somente uma tipologia. A tipologia seleccionada
foi a tipologia que apresentou melhores resultados na análise de custos, que foi a tipologia de 32
cavidades com canais frios. Este molde tem um peso estimado de 900 Kg. Os valores do EI’99 dos
materiais dos moldes estão apresentados na tabela 3.31.
Material do molde EI’99 (pts/Kg) AISI Type 420 0,123 AISI H13 0,0757
Tabela 3.31: Valores do impacto para o material dos moldes.
É visível que os valores de impacto ambiental são um pouco diferentes, o que faz sentido
dado serem materiais com características diferentes.
Materiais de injecção
Para se realizar esta análise definiu-se um volume de produção que foi de 2 400 000 molas,
para que a partir desta se possa saber qual o peso do material de injecção que é necessário para
injectar todas as peças. Aqui também foi considerado o material proveniente da trituração. Na tabela
3.32 são mostrados os valores de EI’99 e a massa para cada material de injecção. De referir que o
valor do EI’99 do polímero POM não foi encontrado, por isso não foi contabilizado no estudo do LCA
o impacto ambiental deste polímero.
Material de injecção EI’99 (pts/Kg) Massa do material (Kg) PP 0,38 11925,76 PS 0,471 13775,27
ABS 0,4 13585,80 PMMA 0,537 15099,81 POM - 17592,51
Tabela 3.32: Valores de EI’99 e da massa dos materiais de injecção.
3.6.2.3 – 2ª Fase: Processo de injecção
Relativamente ao processo de injecção o único factor que contribui para o impacto ambiental
é a energia gasta no processo, quer pela máquina de injecção quer pela máquina de trituração. O
valor do EI’99 da electricidade de média voltagem em Portugal é de 0,0369 pts/Mj. Foi considerada a
64
energia de média voltagem porque é a energia que normalmente é fornecida às empresas. Na tabela
3.33 estão os valores dos consumos de energia do processo de injecção.
Material Consumo de energia Total (GJ) PP 104,1 PS 111,7
ABS 125,5 PMMA 102,0 POM 78,4
Tabela 3.33: Consumo de energia total de cada material.
3.6.2.4 – 3ª Fase: Fim de vida
Nesta etapa são analisados os impactos ambientais relacionados com o fim de vida da mola
da roupa e do molde. Os destinos dos dois são diferentes, enquanto que o molde que é constituído
por aço será reciclado, a mola da roupa que é constituída por um material plástico irá para um aterro.
Os plásticos também podem ser reciclados, mas em relação ao nosso produto optou-se por não o
fazer visto que normalmente quando a vida útil de mola da roupa acaba, o seu destino mais provável
é o “lixo”. Em relação ao material do molde considerou-se um valor de EI’’99 igual para os dois
materiais dos moldes propostos, e em relação aos polímeros também foi considerado o mesmo valor
para todos os polímeros. Sendo assim o valor do EI’99 para a reciclagem dos materiais do molde é
de -94 mpts/Kg e o valor do EI’99 para a disposição do produto num aterro é 3,5 mpts/kg.
3.6.2.5 – Resultados do Life Cycle Assessment
Os resultados globais desta análise encontram-se na figura 3.27.
Figura 3.27: Resultados finais do LCA.
Verifica-se que o PP é de novo o material que apresenta melhores resultados à semelhança
dos resultados obtidos na análise económica. Em seguida seguem-se dois materiais com uma
diferença entre si bastante pequena, que são o PS e o ABS. Depois segue-se o PMMA, que apesar
de ter uma energia na injecção inferior ao PP, PS e ABS não é suficiente para compensar o impacto
ambiental provocado durante a sua produção. Em relação ao POM optou-se por não o incluir no
gráfico visto que não foi possível obter o valor do EI’99 referente à produção deste polímero.
0,00
2000,00
4000,00
6000,00
8000,00
10000,00
12000,00
14000,00
PP PS ABS PMMA
EI'9
9 to
tal (
pts)
65
Interessa agora verificar quais os factores que mais contribuem para o impacto ambiental,
desta forma em seguida são apresentados alguns gráficos que demonstram os pesos relativos a cada
factor.
Na figura 3.28 verifica-se que o impacto ambiental provocado pela produção do material do
molde e do material de injecção. Pode-se verificar que o valor do impacto ambiental da produção do
molde em relação ao material de injecção é praticamente negligenciável.
Figura 3.28: Impacto ambiental provocado pelo material do molde.
Na figura 3.29 verificam-se os valores de impactos provocados no fim de vida dos materiais
do molde e do material de injecção. O valor do impacto ambiental da reciclagem do material do molde
é negativo porque o material ao ser reciclado pode ser reaproveitado para outras aplicações, ao
contrário do plástico que irá para um aterro perdendo-se esse material.
Figura 3.29: Impactos ambientais no fim de vida.
Na figura 3.30 está representada a distribuição do impacto ambiental pela energia de
injecção, pelo material do molde e pelo material de injecção.
Figura 3.30: Distribuição do impacto ambiental pelos intervenientes.
0
2000
4000
6000
8000
10000
PP PS ABS PMMA
EI'9
9 to
tal (
pts)
Produção do material
de injecção
Produção do material
do molde
-100
-50
0
50
100
PP PS ABS PMMA
EI'9
9 to
tal (
pts)
Aterro de plastico
Reciclagem do
molde
-5000
0
5000
10000
15000
PP PS ABS PMMA
EI'9
9 to
tal (
pts)
Energia de injecção
Total do material de
injecção
Total do material do
molde
66
No gráfico 3.30 pode-se verificar que o impacto ambiental total provocado pelo material do
molde, ou seja, na produção do material e no seu fim de vida, tem um peso bastante pequeno
relativamente aos outros e para além disso apresenta um outro factor relevante, que é o facto de este
ter um impacto negativo, devido ao facto do valor do impacto ambiental durante a produção do molde
em termos absolutos ser inferior ao valor da reciclagem do molde. Pode-se verificar também que o
impacto ambiental provocado pelo material de injecção é superior ao da energia gasta no processo
de injecção. De referir que no caso do material de injecção também foi considerado o impacto
ambiental provocado na produção deste e o relativo ao seu fim de vida.
Pode-se concluir que o material de injecção que acarreta consigo um menor impacto
ambiental é o PP. Contudo devido ao facto de não se ter encontrado o valor do impacto ambiental na
produção do material POM não foi possível avaliar este material.
3.6.3 – Desempenho funcional
Nesta secção são estudados os materiais propostos relativamente ao seu desempenho na
mola da roupa. O método utilizado aqui é semelhante ao utilizado no ponto 3.4, só que aqui os
valores alvo considerados serão os valores das propriedades mecânicas mais elevados, isto porque
neste ponto pretende-se verificar qual o material que cumpre melhor as funções da mola da roupa.
Por exemplo para a tensão de cedência verifica-se qual é o material que tem o valor mais alto e toma-
se esse valor como referência.
Os requisitos da mola considerados aqui são iguais às do ponto 3.4, só não foi considerado o
custo do material porque nesta análise pretende-se analisar os materiais em termos de desempenho
e não em termos de desempenho e custo como foi feito no ponto 3.4.
3.6.3.1 – Requisitos e propriedades mecânicas reque ridas para a mola da roupa
Os requisitos considerados são: prender roupa, ser confortável, ser robusta e ser durável. No
ponto 3.4 está descrita a definição destes requisitos. Quanto às propriedades mecânicas mais
importantes para a mola são: tensão de cedência, módulo de Young, resistência aos raios
ultravioletas e resistência à água. Na tabela 3.34 estão representadas as considerações tomadas
para determinar o peso de cada função.
Prender roupa Ser confortável Ser Robusta Ser durável Soma % %
Corrigida A B C D Prender roupa A 0 A1 A2 A3 6 60 59 Ser confortável B - 0 C1 C2 3 30 29
Ser robusta C - - 0 D1 1 10 10 Ser durável D - - - 0 0 0 2
Total - 10 100 100 Tabela 3.34: Percentagem dos requerimentos considerados.
Foi dado um grande peso à função “prender a roupa” porque é a função mais importante de
uma mola da roupa. Já as funções “ser robusta” e “ser durável” não têm um grande peso
67
relativamente às outras porque não foram consideradas como funções prioritárias no projecto de uma
mola.
Na tabela 3.35 é mostrado o peso relativo de cada propriedade mecânica tendo em conta as
funções da mola pretendidas.
Propriedades dos materiais
Importância relativa (%)
Tensão de cedência
Módulo de Young
Resistência aos UV
Resistência à água
A mola da roupa deve…
Prender roupa 59 7 3 Ser confortável 29 4 6
Ser robusta 10 2 8 Ser durável 2 8 2
Total 100,00 5,49 4,31 0,16 0,04 Peso das propriedades mecânicas (%) 54,90 43,10 1,60 0,40
Tabela 3.35: Peso das propriedades mecânicas.
A pontuação relativa dada a cada propriedade mecânica em função dos requerimentos da
mola foi igual à do ponto 3.4. Como se pode verificar a tensão de cedência foi a propriedade com
uma percentagem mais elevada, sendo que o módulo de Young também tem um peso bastante
elevado. A resistência aos ultravioletas e à água têm um peso muito baixo devido ao peso da função
“ser durável” ter um peso muito baixo.
Na tabela 3.36 estão representados os cálculos para determinar o material com um maior
desempenho para a mola da roupa tendo em conta as suas propriedades mecânicas. Os valores das
propriedades mecânicas que se encontram a negrito são os valores máximos dessas propriedades,
tendo sido esses valores tomados como referência.
Polímeros
Propriedades mecânicas
Peso das propriedades
mecânicas PP PS ABS PMMA POM
Tensão de cedência 54,90 Valor (Mpa) 33 30 34 30 37
Valor adimensional 0,89 0,81 0,92 0,81 1,00 Score 48,96 44,51 50,45 44,51 54,90
Módulo de Young 43,10 Valor (Gpa) 1,50 2,60 1,70 1,30 1,30
Valor adimensional 0,58 1,00 0,65 0,50 0,50 Score 24,87 43,10 28,18 21,55 21,55
Resistência aos UV 1,60 Valor () 2 3 3 5 2
Valor adimensional 0,40 0,60 0,60 1,00 0,40 Score 0,64 0,96 0,96 1,6 0,64
Resistência à água 0,40 Valor () 5 5 5 5 5
Valor adimensional 1 1 1 1 1 Score 0,40 0,40 0,40 0,40 0,40
Classificação dos
materiais 74,87 88,97 79,99 68,06 77,49
4º 1º 2º 5º 3º Tabela 3.36: Classificação dos materiais candidatos.
Verifica-se que o PS é o material que tem uma pontuação mais elevada, isso deve-se
sobretudo ao seu elevado módulo de Young. O PP que era o material que apresentou melhores
resultados na análise de custos e no LCA ficou em quarto atrás do ABS e do POM. O PMMA foi o
material que apresentou o pior resultado, o que é expectável dado que as propriedades mecânicas
deste material são mais baixas relativamente aos outros materiais.
68
3.6.4 – Conclusões da metodologia LCE
Na tabela 3.37 encontram-se as principais conclusões retiradas das análises LCC, LCA e o
desempenho funcional. Pode-se verificar que os materiais têm classificações diferentes nas três
análises realizadas pelo que é necessário utilizar uma metodologia de decisão que permita agregar
as três análises para se concluir qual o melhor material para a mola da roupa. Na figura 3.31 pode-se
verificar as pontuações dos materiais das análises na forma adimensional. Os valores adimensionais
foram obtidos da seguinte forma: no caso do LCC e LCA como o melhor material é o que tiver um
valor mais baixo, foi dividido o valor mínimo pelo valor do material, e no caso do desempenho
funcional como o melhor material é o que apresenta um valor maior, foi dividido o valor
correspondente ao material pelo valor máximo desta análise. Pode-se verificar através da coluna
global que o melhor material é o PP. Contudo, a coluna que representa o valor global das
características é apenas a soma aritmética, pelo que não se podem retirar daí conclusões definitivas,
já que estas características podem não ter o mesmo peso. Peso esse que é determinado pela
empresa responsável pela produção do produto. No entanto optou-se por adoptar uma filosofia
diferente, na medida em que como são os clientes que determinam o sucesso de um produto no
mercado decidiu-se questioná-los directamente sobre a sua opinião relativamente ao peso destes
atributos. Para efectuar esta pesquisa decidiu-se utilizar a metodologia MAUA, que é desenvolvida
em seguida no ponto 3.7.
LCC LCA Desempenho funcional
Materiais Custo
unitário de produção (€)
Classificação Impacto
ambiental total (pts)
Classificação Pontuação total Classificação
PP 1,66 1º 8753,55 1º 74,87 4º PS 1,79 2º 10975,84 3º 88,97 1º
ABS 2,04 3º 10471,71 2º 79,99 2º PMMA 2,51 5º 12215,57 4º 68,06 5º POM 2,08 4º - - 77,49 3º
Tabela 3.37: Resultados finais da metodologia LCE.
Figura 3.31: Pontuações adimensionais das análises do LCE.
1,000,93
0,81
0,66
1,00
0,80 0,84
0,72
0,84
1,000,90
0,76
1,00 0,960,90
0,75
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
PP PS ABS PMMA
Po
ntu
açõ
es
ad
ime
nsi
on
ali
zad
as
LCC LCA Desempenho funcional Total
69
3.7 – Metodologia de decisão - Multi-attribute Util ity Analysis
Com o fim de determinar a melhor solução entre os diferentes materiais propostos para a
mola da roupa, decidiu-se utilizar a metodologia designada de Multi-attribute Utility Analysis. Este
método é bastante eficaz como auxilio à tomada de decisão em problemas de selecção de materiais.
Este método tem como base questionários realizados a utilizadores do produto. Foram considerados
neste método três atributos visto que foram também realizadas três análises na metodologia LCE.
Esta metodologia foi apresentada no estado da arte, na secção 2.4. Em seguida é apresentada a
metodologia utilizada.
3.7.1 – Metodologia utilizada
A metodologia utilizada consistiu em definir em primeiro lugar os atributos a serem utilizados.
Depois foi realizado um questionário com base nos atributos definidos anteriormente, aos
consumidores deste produto com o objectivo de definir os pesos dos atributos entre si. Seguidamente
realizou-se uma análise aos resultados dos questionários, onde foram identificados os pesos dos
atributos. Posteriormente foi desenvolvido um modelo informático para relacionar os atributos entre si,
de acordo com os pesos determinados através do questionário, e assim determinar o valor das
utilidades que os clientes dão ao produto para os diferentes materiais. Finalmente foram analisados
os resultados do modelo informático, tendo em conta os custos de produção para se concluir qual a
melhor opção em termos de material para o produto.
É recomendada a leitura ao anexo 2 onde é explicado um exemplo deste método, onde se
pode ver como se calcula a função utilidade.
3.7.2 – Procedimento realizado
Neste ponto é explicado o procedimento utilizado para a aplicação desta metodologia ao
estudo realizado.
3.7.2.1 – Definição dos atributos utilizados
Para a aplicação deste estudo optou-se por escolher 3 atributos. Foram escolhidos 3 atributos
porque a metodologia utilizada nesta dissertação baseia-se também em três estudos: os custos de
produção, análise ambiental e o desempenho funcional. Assim foram seleccionados três atributos
para aplicar neste método, que são: o preço de venda da mola da roupa ao público, o impacto
ambiental de cada material estudado e a qualidade (desempenho funcional).
Para a implementação desta metodologia é necessário definir quais os valores máximos,
mínimos e recomendados dos atributos que serão analisados. Assim tiveram-se de definir estes
valores para os três atributos escolhidos.
Em relação ao preço de venda da mola da roupa fez-se uma pesquisa de mercado para saber
os preços praticados pelos estabelecimentos comerciais para molas da roupa em plástico, não se
70
incluíram as molas da roupa em madeiras porque não foram estudadas nesta dissertação. O
objectivo desta pesquisa é determinar qual o preço mais baixo e o mais alto que são praticados,
tendo-se verificado que o preço mais baixo é de 0,60 € e o mais alto é de 2,45 € para packs de 12
molas. Para além disso sabe-se a partir do estudo 1 que o objectivo do projecto da mola da roupa era
ter um preço de mercado de 1 € por cada pack de 12 molas. Assim este valor será tomado como
valor de referência.
No que diz respeito ao impacto ambiental utilizaram-se os valores obtidos na análise
ambiental feita no ponto 3.6.2. Aqui também se procuram saber quais os materiais que têm um
impacto ambiental menor e maior. Contudo aqui houve a necessidade de alargar o espectro de
polímeros estudados para saber se existe algum polímero com um valor menor de impacto ambiental
que os estudados. Assim, utilizando o mesmo modelo de LCA, foram testados outros polímeros
tendo-se verificado que o polímero que produziria um impacto ambiental menor era o PVC e o que
produziria um impacto ambiental maior era o PMMA. Aqui o PP foi tomado como referência porque
este foi o material recomendado no estudo 1 e também por ser este o material que apresentou
menores custos de produção.
A qualidade foi determinada a partir do desempenho funcional, cujo procedimento foi
desenvolvido no ponto 3.6.3. Neste ponto a referência continuou a ser o PP, pelo mesmo motivo do
impacto ambiental. Em relação aos extremos foi verificado qual o polímero que apresenta melhores
resultados em termos de desempenho, que neste caso foi o PS, e o que apresenta piores resultados
foi o PMMA.
Os valores dos extremos dos atributos encontram-se na tabela 3.38. De referir que os valores
adimensionais, para o impacto ambiental e a qualidade foram obtidos da seguinte forma. No caso do
impacto ambiental como o material que apresenta um impacto ambiental mais baixo é o melhor, o
valor adimensional foi obtido pela divisão do valor do impacto ambiental do material pelo valor mínimo
de impacto ambiental correspondente ao material com um impacto inferior. No caso da qualidade o
material que apresenta um valor maior é o melhor material, assim o valor adimensional foi obtido pela
divisão do valor mais alto correspondente ao material com uma qualidade maior pelo valor da
qualidade do material, para que desta forma o material que tenha uma qualidade maior tenha um
valor adimensional menor. O cálculo dos valores adimensionais foi feito desta forma porque o modelo
informático foi realizado considerando que os valores dos atributos menores representam a melhor
opção.
1º Atributo – Preço de
mercado 2º Atributo – Impacto
ambiental 3º Atributo - Qualidade
Preço Pack de molas
(€)
Preço individual (€)
Impacto ambiental
(pts)
Valor adimensional Pontuação Valor
adimensional
Valor mínimo 0,60 € 0,05 € 7068,54 1,00 88,97 1,00 Valor de
referência 1,00 € 0,08 € 8753,55 1,24 74,87 1,19
Valor máximo 2,45 € 0,20 € 12215,57 1,73 68,06 1,31 Tabela 3.38: Valores dos atributos.
71
60%
40%PF
P1
P2
45%
55% EI’99 F
EI’99 1
EI’99 2
Q F
Q 1
Q 2 50%
50%
3.7.2.2 – Estrutura do questionário e resultados
Neste ponto é explicada a estrutura do questionário realizado aos utilizadores da mola da
roupa. A estrutura deste questionário pode-se dividir em duas partes.
Na primeira parte é perguntado aos utilizadores até que valores em percentagem é indiferente
para os clientes escolher entre comprar já o produto, com os valores de referência, ou esperar e ter a
possibilidade de comprar o mesmo produto com os melhores valores dos atributos. Esta questão foi
realizada para cada um dos atributos.
Na segunda parte é perguntado o mesmo mas agora relacionando os atributos entre si.
No anexo 3 encontra-se o questionário realizado. Devido à complexidade e natureza das
questões presentes no questionário, não foi possível fazê-lo a muitas pessoas, tendo sido realizado a
10 pessoas. Os resultados do questionário encontram-se na tabela 3.39.
Pergunta Resultados Designação Valores
1.1) Percentagem relativa ao preço de mercado.
P1: Melhor preço no mercado. P1 = 0,05 €
PF: Preço da mola da Fapil. PF = 0,08 €
P2: Pior preço no mercado. P2 = 0,20 €
1.2) Percentagem relativa ao impacto ambiental.
EI’99 1: Impacto ambiental baixo EI’99 1 = 1,00
EI’99 F: Impacto ambiental médio EI’99 F = 1,24
EI’99 2: Impacto ambiental alta EI’99 2 = 1,73
1.3) Percentagem relativa à qualidade.
Q 1: Qualidade muito alta
Q1 = 1,00
Q F: Qualidade média QF = 1,19
Q 2: Qualidade muito baixa
Q2 = 1,31
2.1) Percentagem quando se tem um preço bom, um impacto ambiental mau e uma qualidade má.
2.2) Percentagem quando se tem um preço mau, um impacto ambiental bom e uma qualidade má.
(P1, EI’99 2, Q2)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) 10%
90%
(P2, EI’99 1, Q2)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) 90%
10%
72
2.3) Percentagem quando se tem um preço mau, um impacto ambiental mau e uma qualidade boa.
Tabela 3.39: Resultados do questionário.
A partir das respostas dadas na primeira parte do questionário verifica-se que os clientes dão
mais valor ao preço de mercado que o impacto ambiental e a qualidade, isto porque não estão
dispostos a arriscar muito no preço de mercado. Contudo, as diferenças não são muito elevadas.
Em relação à segunda parte do questionário verifica-se aí sim, que os clientes valorizam
muito mais o preço que os outros atributos. Isso pode-se verificar através das respostas dadas às 3
questões. Pode-se também verificar que a qualidade é mais valorizada pelos clientes que o impacto
ambiental.
3.7.2.3 – Medição das utilidades
Após a realização do questionário já se têm todos os dados necessários para se calcular os
valores de utilidade. Para simplificar o processo de cálculo foi desenvolvido um modelo informático,
no qual se fazem todos os cálculos necessários para se obter o valor da utilidade. Na tabela 3.40 são
apresentados os valores dos atributos “impacto ambiental” e “qualidade” de todos os materiais
propostos, sendo estes os valores utilizados para a medição da utilidade. Optou-se por não incluir o
material POM neste estudo porque não foi possível obter o valor exacto do seu impacto ambiental.
O objectivo do MAUA foi realizar uma análise de sensibilidade ao preço de mercado. Assim,
nesta fase não entram os custos de produção. No final da análise é que esses custos serão
considerados. De referir que os valores da tabela 3.40 estão na forma adimensional para que a
medição dos atributos seja mais fácil e precisa, de referir que estes valores têm como base os
estudos do LCA e do desempenho funcional.
Material Ambiente Qualidade PP 1,24 1,19 PS 1,55 1,00
ABS 1,48 1,11 PMMA 1,73 1,31
Tabela 3.40: Valores dos atributos de cada material.
3.7.3 – Resultados do modelo
Com as percentagens obtidas no inquérito foi possível determinar a utilidade, através do
método descrito anteriormente. Foi desenvolvido um modelo que permitiu colocar os dados,
nomeadamente de impacto ambiental e qualidade, correspondente a cada material para depois se
comparar os materiais entre si. No gráfico da figura 3.32 pode-se verificar a utilidade em função do
preço de mercado do produto. Para além das utilidades em função do preço do mercado foram
(P2, EI’99 2, Q1)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) 70%
30%
73
colocados no gráfico os pontos correspondentes ao custo final de cada alternativa. O custo final de
cada alternativa foi determinado através do “mark-up” do custo de produção, através da equação 3.6.
O “mark-up” consiste na fixação de uma dada rentabilidade das vendas (quociente lucro/ volume de
vendas, em percentagem) e no cálculo do preço que permite obter, dado o custo de produção, essa
rentabilidade [62].
v
i
r
Cp
−=
1 (Equação 3.6 – “Mark-up” do custo de produção)
Onde Ci é o custo de produção de cada alternativa e rv é a rentabilidade das vendas do
produto. A rentabilidade das vendas considerada foi de 70%, sendo este um valor que permite que os
custos de “mark-up” sejam superiores ao valor mínimo do preço de mercado. De referir que só serão
considerados os custos das tipologias de moldes para cada material que apresentem um custo de
produção mais baixo, assim só serão consideradas as tipologias de 32 cavidades com canais frios. Já
que estas também por causa do seu custo mais baixo são as que têm uma utilidade maior para o
cliente. Assim os custos de “mark-up” para cada material e as respectivas utilidades para os clientes
estão representados na tabela 3.41.
Material Preço final ( €) Utilidade PP 0,055 0,8963 PS 0,060 0,8968
ABS 0,068 0,7867 PMMA 0,084 0,5235
Tabela 3.41: Custo final e utilidades para cada material.
Figura 3.32: Gráfico da utilidade vs o preço de mercado.
Através de uma análise ao gráfico da figura 3.32 verifica-se que o PP e PS têm os dois, uma
utilidade bastante semelhante para os clientes, relativamente aos preços finais respectivos, mas
verifica-se que o PS apresenta uma utilidade um pouco maior que o PP. Mas como o PP tem um
custo menor de produção ganha alguma vantagem, visto que tem uma utilidade semelhante ao PS
mas com um preço mais baixo, o que faria com que o PP tivesse uma margem de lucro maior à do
PS. O que é certamente uma grande vantagem. Em relação ao ABS e ao PMMA verifica-se que têm
utilidades bastante baixas para os preços de produção respectivos, o que faz com que estes
materiais não sejam boas opções para a produção da mola da roupa. Em relação à posição relativa
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Util
idad
e
Preço de mercado (€)
PP
PS
ABS
PMMA
PP 32F
PS 32F
ABS 32F
PMMA 32F
0,89680,8963
0,5235
0,7867
74
das rectas dos materiais verifica-se que a recta do material PS encontra-se numa posição superior às
restantes, o que significa que se for fixado um preço de mercado qualquer para todos os materiais o
PS é o material que terá uma utilidade maior, mas contudo convém referir que nessas circunstâncias
o PS terá uma desvantagem visto que terá uma margem de lucro inferior ao PP, já que o PP tem um
custo de produção menor.
No questionário os clientes demonstraram que dão uma maior preferência à qualidade em
relação ao impacto ambiental. Contudo devido às crescentes preocupações com o impacto ambiental
dos produtos, convém verificar o que aconteceria se o impacto ambiental fosse mais valorizado que a
qualidade. Para isso modificaram-se as percentagens da tabela 3.39 para dar mais relevância ao
impacto ambiental. As percentagens dadas para este caso estão expostas na tabela 3.42.
Pergunta Referência Resultados
1.1) PF P1 = 60% P2=40%
1.2) EI’99 F EI’99 1 = 50% EI’99 2 = 50%
1.3) QF Q1 = 45% Q2 = 55%
2.1) (P1, EI’99 2, Q2) (P1, EI’99 1, Q 1) = 90% (P2, EI’99 2, Q2) = 10%
2.2) (P2, EI’99 1, Q2) (P1, EI’99 1, Q 1) = 30% (P2, EI’99 2, Q2) = 70%
2.3) (P2, EI’99 2, Q1) (P1, EI’99 1, Q 1) = 10% (P2, EI’99 2, Q2) = 90%
Tabela 3.42: Novas percentagens.
Como se pode ver na tabela as percentagens relacionadas com o impacto ambiental e a
qualidade foram trocadas, para que o impacto ambiental fosse mais valorizado. De referir que estas
percentagens vão servir apenas como exemplo.
Na figura 3.33 pode-se verificar como fica o gráfico tendo em consideração as novas
percentagens.
Figura 3.33: Gráfico da utilidade vs o preço de mercado para as novas percentagens.
Analisando o gráfico da figura 3.33 verifica-se que o PP tem uma utilidade maior que os
restantes, como era de esperar dado que foi o material que apresentou um impacto ambiental menor.
Dadas estas circunstâncias verifica-se sem margem para dúvidas que o PP é o material melhor para
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Util
idad
e
Preço de mercado (€)
PP
PS
ABS
PMMA
PP 32F
PS 32F
ABS 32F
PMMA 32F
0,8963
0,8383 0,7461
0,5235
75
a produção da mola, visto que é o material que tem uma utilidade maior para o respectivo preço final.
Também se verifica que a recta do material PP encontra-se numa posição superior às restantes, o
que significa que se for fixado um preço de mercado qualquer para todos os materiais o PP é o
material que tem uma utilidade maior.
76
4 – Conclusões
O objectivo deste trabalho foi aplicar a metodologia do LCE à selecção de materiais a um
caso de estudo – uma mola da roupa.
A primeira parte do trabalho propriamente dito, foi a selecção preliminar de materiais
candidatos. Nesta fase foram seleccionados 7 polímeros para a mola da roupa, com o auxílio do
software Ces EduPack e tendo em conta algumas considerações e especificações determinadas nos
trabalhos antecessores.
Na etapa seguinte foi utilizada a metodologia MSE com o objectivo de se verificar se alguns
dos materiais seleccionados não se adequam ao produto em estudo, para isso entrou-se em
consideração com os valores das especificações da mola da roupa que foram determinadas no
estudo 1 e com os valores dos respectivos parâmetros de cada um dos materiais seleccionados.
Verificou-se então que dois materiais, nomeadamente o PET e o PVC não seriam boas opções para a
mola da roupa. Dos restantes polímeros que foram seleccionados, o PP foi o material que teve uma
pontuação mais elevada.
Na fase seguinte do trabalho foi feita a simulação do processo de injecção com a utilização do
software MPI, sendo que o objectivo desta simulação foi a determinação dos parâmetros do processo
e os tempos de ciclo para cada alternativa estudada. Aqui para além de se simularem os 5 materiais
escolhidos, foram testadas também 4 tipologias diferentes de moldes, que foram propostas no estudo
2. Em relação ao tempo de ciclo pode-se verificar que para as tipologias estudadas, a tipologia de 32
cavidades com canais quentes foi a tipologia que apresentou um tempo de ciclo mais baixo que as
restantes tipologias para todos os materiais. Verificou-se também que o POM foi o material que
apresentou um menor tempo de ciclo, seguindo-se o PMMA, sendo o ABS o material que necessita
de um tempo de ciclo maior. Em relação aos outros parâmetros do processo, tais como a pressão de
injecção, a força de fecho e o caudal de injecção verifica-se que o PP é o material que em geral
apresenta valores mais baixo, sendo que o PMMA é o material que apresenta valores mais elevados.
Na fase seguinte procedeu-se à aplicação da metodologia do LCE. Esta metodologia divide-
se em 3 estudos, que são: o LCC, o LCA e o desempenho funcional. Em relação ao estudo
económico (LCC) verificou-se que o material que apresenta para todas as tipologias de molde um
menor custo é o PP. Aqui verificou-se que a tipologia mais vantajosa sob este ponto de vista é a
tipologia de 32 cavidades com canais frios, isto para uma produção de 2 400 000 molas da roupa por
ano. Foi demonstrado que os dois factores que mais contribuem para o custo de produção são de
forma geral o custo do molde e o material de injecção. Também foi feita uma análise de sensibilidade
ao volume de produção, tendo-se verificado que à medida que se aumenta o volume de produção a
tipologia de 96 cavidades com canais frios ganha vantagem, em relação aos materiais verificou-se
que os custos se mantêm proporcionais. O estudo seguinte (LCA) está relacionado com os impactos
ambientais provocados durante a vida do produto, desde a produção da matéria-prima até à sua
eliminação. Aqui verificou-se que o material mais vantajoso neste ponto de vista é mais uma vez o
PP. Verificou-se também que os factores que contribuem com um peso mais elevado para o impacto
77
ambiental são: o material de injecção e a energia necessária durante o processo de fabrico. No
estudo seguinte procurou-se avaliar o desempenho dos diferentes materiais relativamente ao produto,
tendo-se verificado que o material que tem um maior desempenho é o PS.
Finalmente foi utilizada uma metodologia de decisão, o MAUA com base na opinião dos
clientes sobre o produto, tendo como base atributos pré-definidos com o objectivo de se escolher um
material que tenha uma utilidade para uma margem de lucro superior. Verificou-se que esse material
era o PP, dado que este material apesar de ter uma utilidade semelhante que o PS, tem um custo de
produção inferior que o PS. Foi ainda efectuada uma análise onde foi mais valorizado o impacto
ambiental e aí verificou-se que o material com uma utilidade maior era o PP, o que faria desde com
que este material fosse uma escolha ideal já que é o material que apresenta uma utilidade maior e
um custo de produção menor que os restantes.
Como trabalho futuro propõe-se o estudo de outras famílias de materiais, como a madeira,
para se saber qual a família de materiais que seria mais vantajosa para a produção da mola da roupa,
tendo em consideração os factores considerados nesta dissertação.
78
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81
-M-M-M-M- -M-N-N-M-N-M- -M-M-M-N-N-N-
Homopolímero Copolímero Aleatório Copolímero em bloco
6 – Anexos
Anexo 1 – Polímeros
Nesta secção é feita uma descrição sobre as principais características de cada polímero e
suas principais aplicações para que se possa ficar a conhecer mais em pormenor os polímeros
estudados.
Os polímeros são substâncias constituídas por moléculas grandes, frequentemente
designadas por macro moléculas [1][2]. Existem tanto polímeros naturais como sintéticos. As
proteínas, os amidos, a celulose e o látex são exemplos de polímeros naturais, já os polímeros
sintéticos são produzidos pelo Homem em grande escala e têm uma vasta gama de propriedades e
aplicações. Os materiais vulgarmente chamados de plásticos são todos polímeros sintéticos [3].
Os polímeros são formados por reacções químicas, onde um grande número de moléculas,
designadas de monómeros são ligadas entre si de forma sequencial, formando uma cadeia. Existem
polímeros que são constituídos por apenas um monómero, designados por homopolímero e outros
que são constituídos por vários monómeros diferentes combinados entre si, designados de
copolímeros [1]. No caso dos homopolímero o polímero é designado através do prefixo “poli” seguido
do nome do monómero que o constitui. Como exemplo o polímero do monómero designado de etileno
é o polietileno.
Os monómeros podem ser copolimerizados num polímero de forma aleatória, o que origina
copolímeros aleatórios, ou em forma de blocos alternados de idênticos monómeros, originando
copolímeros em bloco. Na figura A.1 estão representados de forma geral a composição dos
homopolímero, dos copolímeros aleatórios e dos copolímeros em bloco.
Em seguida vai ser descrito com mais pormenor o grupo dos polímeros sintéticos visto que é
este o grupo que tem uma maior relevância para esta dissertação.
Polímeros sintéticos
Os polímeros sintéticos dividem-se em dois grupos principais, os plásticos e as borrachas.
Estes polímeros distinguem-se devido ao facto dos plásticos serem em geral materiais rígidos nas
suas temperaturas de serviço, já as borrachas são flexíveis e têm uma grande elasticidade. Os
plásticos são ainda subdivididos em termoplásticos e termoendurecíveis. Este último tipo são
polímeros em que as suas longas cadeias são ligadas através de ligações cruzadas, esta é uma
característica compartilhada com as borrachas vulcanizadas convencionais. No entanto como se
pode verificar na figura A.2 a distinção em termos de rigidez foi abalada, por causa do
desenvolvimento dos elastómeros termoplásticos (TPEs). No entanto, todos os polímeros,
independentemente da sua natureza podem ser reforçados por uma vasta gama de materiais de
enchimento para produzir materiais compósitos.
Figura A.1: Tipos de polímeros [1].
Os materiais termoplásticos são
quando são aquecidos ou arrefecidos, respectivamente. Em teoria, esta reversibilidade não altera a
estrutura química do material, daí a possibilidade de reutilizar a sucata dos materiais termoplásticos.
Embora na prática ocorre alguma degradação térmica e oxidativa, por isso a reciclagem só deve de
ser feita com um conhecimento profundo sobre os efeitos que têm sobre as propriedades na
moldagem final. Os materiais termoendurecíveis são aqueles polímeros que
rígidos quando aquecidos ou quando são adicionados químicos especiais. Este endurecimento
envolve uma alteração química, designada de cura e, consequentemente, a sucata destes polímeros
não pode ser reciclada. O processo de cura en
moléculas lineares entre si para formar uma única macro molécula, estas ligações são conhecidas
como ligações cruzadas [4].
1 – Polipropileno (PP)
O polipropileno pertence ao grupo dos termoplásticos. É um polímero bastante versátil e pode
ser utilizado tanto como plástico ou como fibra.
O polipropileno é produzido através da polimerização do propileno, um produto gasoso obtido
da refinação do petróleo, na presença de catalisador com condições de calor e pressão controladas
cuidadosamente. O polipropileno é um hidrocarboneto insaturado, contendo apenas átomos de
carbono e hidrogénio.
O polipropileno é polimerizado segundo o método de Ziegler
catalisação metalocénica. A cadeia típica deste polímero está representada na figura A.3
Um dos principais conceitos para se perceber a ligação entre a estrutura do polipropileno e as
suas propriedades é a tacticidade, ou seja, a orientação relativa dos monómeros de propileno na
cadeia do polímero, sendo esta orientação de extrema importância
de formar cristais. O polipropileno pode ser atáctico, sindiotáctico ou isoctáctico. Um polímero
isoctáctico tem todos os monómeros que o constituem no mesmo lado da cadeia, no caso dos
atácticos, estes são colocados aleat
Figura A.2: Classificação dos polí
Figura A.
Os materiais termoplásticos são materiais que amaciam ou endurecem reversivelmente
quando são aquecidos ou arrefecidos, respectivamente. Em teoria, esta reversibilidade não altera a
estrutura química do material, daí a possibilidade de reutilizar a sucata dos materiais termoplásticos.
bora na prática ocorre alguma degradação térmica e oxidativa, por isso a reciclagem só deve de
ser feita com um conhecimento profundo sobre os efeitos que têm sobre as propriedades na
moldagem final. Os materiais termoendurecíveis são aqueles polímeros que ficam irreversivelmente
rígidos quando aquecidos ou quando são adicionados químicos especiais. Este endurecimento
envolve uma alteração química, designada de cura e, consequentemente, a sucata destes polímeros
não pode ser reciclada. O processo de cura envolve sempre uma reacção química que une as
moléculas lineares entre si para formar uma única macro molécula, estas ligações são conhecidas
Polipropileno (PP)
O polipropileno pertence ao grupo dos termoplásticos. É um polímero bastante versátil e pode
ser utilizado tanto como plástico ou como fibra.
O polipropileno é produzido através da polimerização do propileno, um produto gasoso obtido
óleo, na presença de catalisador com condições de calor e pressão controladas
cuidadosamente. O polipropileno é um hidrocarboneto insaturado, contendo apenas átomos de
O polipropileno é polimerizado segundo o método de Ziegler-Natta ou mais recentemente por
catalisação metalocénica. A cadeia típica deste polímero está representada na figura A.3
Um dos principais conceitos para se perceber a ligação entre a estrutura do polipropileno e as
suas propriedades é a tacticidade, ou seja, a orientação relativa dos monómeros de propileno na
cadeia do polímero, sendo esta orientação de extrema importância para conferir a esta a capacidade
de formar cristais. O polipropileno pode ser atáctico, sindiotáctico ou isoctáctico. Um polímero
isoctáctico tem todos os monómeros que o constituem no mesmo lado da cadeia, no caso dos
atácticos, estes são colocados aleatoriamente em ambos os lados da cadeia e no caso do
Classificação dos polímeros pelas suas propriedades [4].
Figura A.3: Cadeia do polipropileno [2].
82
materiais que amaciam ou endurecem reversivelmente
quando são aquecidos ou arrefecidos, respectivamente. Em teoria, esta reversibilidade não altera a
estrutura química do material, daí a possibilidade de reutilizar a sucata dos materiais termoplásticos.
bora na prática ocorre alguma degradação térmica e oxidativa, por isso a reciclagem só deve de
ser feita com um conhecimento profundo sobre os efeitos que têm sobre as propriedades na
ficam irreversivelmente
rígidos quando aquecidos ou quando são adicionados químicos especiais. Este endurecimento
envolve uma alteração química, designada de cura e, consequentemente, a sucata destes polímeros
volve sempre uma reacção química que une as
moléculas lineares entre si para formar uma única macro molécula, estas ligações são conhecidas
O polipropileno pertence ao grupo dos termoplásticos. É um polímero bastante versátil e pode
O polipropileno é produzido através da polimerização do propileno, um produto gasoso obtido
óleo, na presença de catalisador com condições de calor e pressão controladas
cuidadosamente. O polipropileno é um hidrocarboneto insaturado, contendo apenas átomos de
a ou mais recentemente por
catalisação metalocénica. A cadeia típica deste polímero está representada na figura A.3.
Um dos principais conceitos para se perceber a ligação entre a estrutura do polipropileno e as
suas propriedades é a tacticidade, ou seja, a orientação relativa dos monómeros de propileno na
para conferir a esta a capacidade
de formar cristais. O polipropileno pode ser atáctico, sindiotáctico ou isoctáctico. Um polímero
isoctáctico tem todos os monómeros que o constituem no mesmo lado da cadeia, no caso dos
oriamente em ambos os lados da cadeia e no caso do
4].
83
sindiotácticos, estes são colocados alternadamente nos dois lados da cadeia (ver figura A.4). Os
polipropilenos atácticos são amorfos, isto é uma clara desvantagem já que um material amorfo é um
material com pouca força, o que limita em muito as suas aplicações.
Figura A.4: Tacticidade do polipropileno [4].
A catalisação de Ziegler-Natta permite com que novos os monómeros sejam colocados todos
na mesma direcção. A maior parte dos polipropilenos existentes no mercado são produzidos por este
método, logo a maior parte dos polipropilenos existentes no mercado são isoctácticos. Com o grupo
metilo sempre do mesmo lado, as moléculas tendem a enrolar-se em forma helicoidal, alinhando-se
depois umas com as outras para formar cristais o que confere ao polipropileno as suas propriedades
tão apreciadas.
Existe contudo outro método de polimerização baseado em moléculas metalocénicas que
permitem um maior controlo no processo. Estes catalisadores utilizam grupos orgânicos para
controlar os monómeros que são adicionados, então uma adequada escolha do catalisador pode
produzir polipropileno isoctáctico, sindiotáctico, atáctico ou uma combinação entre estes. Para além
deste controlo qualitativo, eles também permitem um melhor controlo quantitativo, com uma maior
proporção de tacticidade que as técnicas de Ziegler-Natta permitem. Eles também limitam de melhor
forma a distribuição do peso molecular que os catalisadores de Ziegler-Natta, o que melhora de forma
significativa as propriedades do material [2].
Propriedades químicas e físicas
O PP é normalmente resistente e flexível, especialmente quando é copolimerizado com
etileno, isto permite ao PP ser utilizado como um plástico de engenharia, podendo desta forma
competir com outros polímeros, tal como o ABS. O seu nível de cristalização está situado entre o
polietileno de baixa densidade e o polietileno de alta densidade, o módulo de Young está também
situado entre eles. É razoavelmente económico. O PP pode ser feito translúcido quando não tem cor,
contudo este polímero não é tão fácil de se tornar transparente como o poliestireno, o acrílico ou de
outros determinados plásticos. É geralmente opaco e necessita de pigmentos para lhe dar a cor
pretendida. Tem uma boa resistência à fadiga.
Existem três tipos de PP, os homopolímeros, copolímeros aleatórios e copolímeros em bloco.
O monómero que é tipicamente utilizado é o etileno. Se o etileno foi adicionado de forma aleatória a
um homopolímero de PP, este faz com que a cristalização diminua e torne o material mais
transparente.
O PP está sujeito a sofrer degradação na cadeia quando exposto à radiação UV. Contudo
podem ser adicionados aditivos absorventes de UV para aplicações externas. O Carbono negro
também proporciona alguma protecção aos UV. Este polímero também pode ser oxidado a
84
temperaturas muito elevadas, sendo este um problema comum durante as operações de moldação,
no entanto podem ser adicionados anti-oxidantes para prevenir a degradação do polímero [2].
Aplicações
Este polímero tem muitas aplicações, alguns exemplos são:
• Brinquedos;
• Recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos;
• Carcaças de electrodomésticos;
• Fibras;
• Tubos para cargas de canetas esferográficas;
• Carpetes;
• Seringas;
• Material hospitalar esterilizável;
• Peças para automóveis (pára-choques, pedais, carcaças de baterias, lanternas, ventoinhas,
ventiladores, peças diversas no habitáculo);
• Peças para máquinas de lavar.
2 – Policloreto de Vinilo (PVC)
O PVC é um polímero termoplástico, mas diferente de todos os outros polímeros, dado que
este polímero não é originado somente a partir do petróleo [6]. O PVC tem na sua composição 57%
de cloro (obtido a partir do cloreto de sódio) e 43% de eteno (obtido a partir do petróleo). A presença
de cloro na sua estrutura molecular faz com que o PVC tenha uma resistência natural à propagação
de chamas, fazendo deste um polímero ideal para ser utilizado em aplicações onde essa
característica é importante. Além disso, devido à presença de um grande teor de cloro na sua
estrutura molecular, torna-o numa molécula polar. Este factor confere ao polímero uma maior
capacidade de mistura com aditivos do que outro qualquer polímero, o que permite alterar facilmente
as propriedades e as características que melhor se adequam a cada aplicação [5]. O PVC é um
polímero em geral com uma duração útil de vida bastante longa, podendo chegar a durar 100 anos,
tornando-o assim num polímero ideal para utilizar em aplicações na construção civil [5].
A estrutura química do PVC encontra-se na figura A.5.
Figura A.5: Estrutura química do PVC [2].
Processamento do PVC
A figura A.6 mostra um esquema do processamento do PVC. O sal e o petróleo, são os
recursos base para a fabricação deste polímero. O processo começa com a refinação do petróleo
para se obter o etileno. Simultaneamente, através da electrólise de uma mistura de água e sal,
obtém-se o cloro e a soda cáustica A soda cáustica não é utilizada neste processo. Nesta fase tanto o
cloro como o etileno estão no estado gasoso. Estes dois gases reagem entre si e através dessa
85
reacção é formado o DCE (dicloro de etano). A partir do DCE obtém-se o MVC (monómero de cloreto
de vinila). No seguimento do processo o MVC é submetido a uma reacção química, desta feita de
polimerização para se produzir uma molécula gigante de PVC, que é um pó muito fino, de cor branca,
e totalmente inerte [6][7].
Para se transformar em produto final, a resina de PVC obtida necessita de ser misturada com
aditivos (estabilizadores térmicos, modificadores de impacto, cargas, lubrificantes, pigmentos e
outros), constituindo o chamado composto de PVC. Um composto de PVC contém os tipos e as
quantidades correctas de aditivos necessários para atender aos requisitos de desempenho para o
produto final no qual será transformado [7].
Propriedades Físicas
O PVC tem uma estrutura amorfa com átomos de cloro polares na sua estrutura molecular. O
facto de ter átomos de cloro e uma estrutura molecular amorfa estão intimamente relacionados.
Embora os plásticos pereçam ser bastante parecidos no contexto da utilização diária, o PVC tem
características completamente diferentes em termos de performance e funções, em comparação com
os plásticos de olefinas (polímeros que só têm carbono e hidrogénio na sua estrutura molecular). A
estabilidade química é uma característica comum entre as substâncias que contêm halogéneos,
como é o caso do cloro e do flúor. Isto aplica-se às resinas de PVC, que ainda possuem outras
propriedades, como propriedades de retardar o fogo, durabilidade e resistência a substâncias
químicas [8].
Outras características deste polímero são:
• Leveza (1,4 g/cm3), o que facilita seu manuseamento e aplicação;
• Resistência a fungos, bactérias, insectos e roedores;
• Bom isolamento térmico, eléctrico e acústico;
• Solidez e resistência a choques;
• Impermeabilidade a gases e líquidos;
• Resistência às intempéries (sol, chuva, vento e maresia);
• Durabilidade (sua vida útil em construções civis é superior a 50 anos);
• Não propaga chamas (é auto-extinguível);
• Versatilidade e ambientalmente correcto;
• Registabilidade;
• Fabricação com baixo consumo de energia.
Processamento e moldabilidade
Figura A.6: Esquema representativo do processamento do PVC [7].
86
A processabilidade de um material termoplástico depende muito da viscosidade do fundido, o
que faz com que o PVC não seja indicado para o processo de moldação por injecção de plásticos de
peças de grandes dimensões, visto que a viscosidade do PVC é elevada comparativamente a outros
polímeros. Por outro lado, o comportamento do fundido do PVC é menos dependente da temperatura
e é estável. Por conseguinte o PVC é indicado para formas complexas obtidas por extrusão. Visto
que o PVC é um plástico amorfo sem fase de transição, produtos de PVC obtidos por moldação têm
uma excelente precisão dimensional [8].
Aplicações
As aplicações do PVC são as seguintes [8]: • Produtos médico-hospitalares: embalagens para medicamentos, sacos para sangue (é o
material que melhor conserva o sangue), tubos para transfusão e hemodiálise, artigos
cirúrgicos, além de pisos de salas onde é indispensável o alto índice de higiene;
• Janelas: oferecem excelente resistência às mudanças de clima e à passagem dos anos,
mesmo em ambientes corrosivos (por exemplo, beira-mar), em áreas rurais ou urbanas;
• Pisos e revestimentos de paredes: peças decorativas, resistentes e facilmente laváveis;
• Brinquedos e artigos insufláveis: bolas, bóias, colchões e barcos, etc.;
• Artigos escolares: facilmente moldados, têm grade variedade de aspectos (cor, brilho,
transparência) e baixo custo;
• Embalagens: usadas para acondicionar alimentos, protegendo-os contra a humidade e
bactérias. Estas embalagens são impermeáveis ao oxigénio e ao vapor, dispensando, assim,
o uso de conservantes, preservando o aroma;
• Tecidos espalmados decorativos e técnicos: usados principalmente para móveis,
vestuários, malas e bolsas;
• Garrafas para água mineral: leves e transparentes;
• Estruturas de computadores: assim como peças técnicas destinadas à indústria
electrónica;
• Automóveis: aplicado a revestimento de interiores devido à sua facilidade de moldagem e de
manutenção;
• Tubos e conexões: utilizados na canalização de água (potável ou não) e esgotos, pois são
resistentes e facilmente transportados e manipulados graças ao seu baixo peso. No caso da
água potável evita contaminações externas e previne perdas por vazamento, devido à fácil e
eficiente soldagem entre os tubos e as conexões. Também são muito utilizados em sistemas
de irrigação, de redes subterrâneas e de superfícies a tubulações e filtros para poços
profundos e minas, além de redes de drenagem agrícolas e de estradas;
• Mangueiras: são flexíveis, transparentes e coloridas;
• Frascos para acondicionar cosméticos e produtos dom ésticos: por sua
impermeabilidade e resistência a produtos químicos e óptima relação custo benefícios na
hora da troca de moldes, além de facilitar o design;
3 – Poliestireno (PS)
O poliestireno é um polímero aromático que é feito a partir de um monómero aromático de
estireno, um hidrocarboneto líquido que é produzido a partir do petróleo na indústria química. O
poliestireno é um dos plásticos mais utilizados. O p
normalmente encontra-se no estado sólido à temperatura ambiente, quando aquecido funde e fica
sólido quando é novamente quando arrefecido. O PS sólido puro não tem cor, é rígido e tem uma
flexibilidade limitada. Pode ser moldado com uma grande precisão dimensional. O poliestireno pode
ser transparente ou pode ser feito com várias cores mediante a adição de corantes [2].
Estrutura e propriedades
A estrutura química do PS consiste numa cadeia longa de hidrocarbonet
grupo fenilo, conforme se pode verificar na figura A.7. A fórmula química do poliestireno é (C
seja, só contém moléculas de hidrogénio e carbono. Devido ao facto de este polímero ser um
hidrocarboneto aromático, este arde com u
oposição aos hidrocarbonetos não aromáticos como o caso do polietileno, que arde com uma chama
amarela e não origina fuligem. Uma completa oxidação do poliestireno produz apenas dióxido de
carbono e vapor de água.
O PS é um polímero que à semelhança do PP pode variar em termos de tacticidade. O PS
pode ser atáctico ou sindiotáctico. O PS isoctáctico não é produzido. O PS
devido ao facto da posição aleatória do grupo fenol não permita um alinhamento com regularidade
suficiente, por isso o plástico não tem ponto de fusão. Mas através da polimerização através da
catalisação metalocénica pode-se produzi
em cada lado da cadeia, formando
de 270ºC [2].
Formas produzidas
O PS é produzido tradicionalmente em três formas: poliestireno extrudid
expandido (espuma) e espuma de poliestireno extrudida, cada uma com as suas aplicações
específicas. Copolímeros de PS também são produzidos, estes contêm um ou mais monómeros de
adição diferentes do estireno [2].
• PS Extrudido - é económico
talheres de plástico, caixas de CDs, e muitas outras aplicações onde é necessária uma
rigidez razoável e onde um plástico barato é exigido. Os processos de fabrico utilizados para
o processamento deste plástico são a estampagem e a moldação por injecção. As Placas de
Petri e outros recipientes utilizados em laboratórios tais como tubos de teste e placas de
titulação desempenham um papel importante na pesquisa biomédica. Para estas utilizações
Figura A.
O poliestireno é um polímero aromático que é feito a partir de um monómero aromático de
estireno, um hidrocarboneto líquido que é produzido a partir do petróleo na indústria química. O
poliestireno é um dos plásticos mais utilizados. O poliestireno é um polímero termoplástico, e
se no estado sólido à temperatura ambiente, quando aquecido funde e fica
sólido quando é novamente quando arrefecido. O PS sólido puro não tem cor, é rígido e tem uma
ode ser moldado com uma grande precisão dimensional. O poliestireno pode
ser transparente ou pode ser feito com várias cores mediante a adição de corantes [2].
A estrutura química do PS consiste numa cadeia longa de hidrocarbonetos alternada com um
grupo fenilo, conforme se pode verificar na figura A.7. A fórmula química do poliestireno é (C
seja, só contém moléculas de hidrogénio e carbono. Devido ao facto de este polímero ser um
hidrocarboneto aromático, este arde com uma chama laranja-amarela, originando fuligem, em
oposição aos hidrocarbonetos não aromáticos como o caso do polietileno, que arde com uma chama
amarela e não origina fuligem. Uma completa oxidação do poliestireno produz apenas dióxido de
O PS é um polímero que à semelhança do PP pode variar em termos de tacticidade. O PS
pode ser atáctico ou sindiotáctico. O PS isoctáctico não é produzido. O PS atáctico não cristaliza
devido ao facto da posição aleatória do grupo fenol não permita um alinhamento com regularidade
suficiente, por isso o plástico não tem ponto de fusão. Mas através da polimerização através da
se produzir um PS sindiotáctico com o grupo fenilo alternadamente
em cada lado da cadeia, formando-se desta forma um PS altamente cristalino com um ponto de fusão
O PS é produzido tradicionalmente em três formas: poliestireno extrudid
expandido (espuma) e espuma de poliestireno extrudida, cada uma com as suas aplicações
específicas. Copolímeros de PS também são produzidos, estes contêm um ou mais monómeros de
adição diferentes do estireno [2].
é económico e é utilizado na produção de Kits de montagem à escala,
talheres de plástico, caixas de CDs, e muitas outras aplicações onde é necessária uma
rigidez razoável e onde um plástico barato é exigido. Os processos de fabrico utilizados para
te plástico são a estampagem e a moldação por injecção. As Placas de
Petri e outros recipientes utilizados em laboratórios tais como tubos de teste e placas de
titulação desempenham um papel importante na pesquisa biomédica. Para estas utilizações
Figura A.7: Estrutura química do PS [2] [9].
87
O poliestireno é um polímero aromático que é feito a partir de um monómero aromático de
estireno, um hidrocarboneto líquido que é produzido a partir do petróleo na indústria química. O
oliestireno é um polímero termoplástico, e
se no estado sólido à temperatura ambiente, quando aquecido funde e fica
sólido quando é novamente quando arrefecido. O PS sólido puro não tem cor, é rígido e tem uma
ode ser moldado com uma grande precisão dimensional. O poliestireno pode
ser transparente ou pode ser feito com várias cores mediante a adição de corantes [2].
os alternada com um
grupo fenilo, conforme se pode verificar na figura A.7. A fórmula química do poliestireno é (C8H8)n, ou
seja, só contém moléculas de hidrogénio e carbono. Devido ao facto de este polímero ser um
amarela, originando fuligem, em
oposição aos hidrocarbonetos não aromáticos como o caso do polietileno, que arde com uma chama
amarela e não origina fuligem. Uma completa oxidação do poliestireno produz apenas dióxido de
O PS é um polímero que à semelhança do PP pode variar em termos de tacticidade. O PS
atáctico não cristaliza
devido ao facto da posição aleatória do grupo fenol não permita um alinhamento com regularidade
suficiente, por isso o plástico não tem ponto de fusão. Mas através da polimerização através da
r um PS sindiotáctico com o grupo fenilo alternadamente
se desta forma um PS altamente cristalino com um ponto de fusão
O PS é produzido tradicionalmente em três formas: poliestireno extrudido, poliestireno
expandido (espuma) e espuma de poliestireno extrudida, cada uma com as suas aplicações
específicas. Copolímeros de PS também são produzidos, estes contêm um ou mais monómeros de
e é utilizado na produção de Kits de montagem à escala,
talheres de plástico, caixas de CDs, e muitas outras aplicações onde é necessária uma
rigidez razoável e onde um plástico barato é exigido. Os processos de fabrico utilizados para
te plástico são a estampagem e a moldação por injecção. As Placas de
Petri e outros recipientes utilizados em laboratórios tais como tubos de teste e placas de
titulação desempenham um papel importante na pesquisa biomédica. Para estas utilizações
88
os artigos são quase sempre feitos por injecção de plásticos, e muitas vezes esterilizados
após a moldação, quer por irradiação ou tratamento com óxido de etileno. Este
processamento realizado após a moldação, usualmente com plasmas ricos em oxigénio, é
feito muitas vezes para introduzir grupos polares [2].
• Espumas - são boas isolantes térmicas, e por isso são bastante utilizadas como material de
isolamento em edifícios. Também podem ser utilizadas em estruturas arquitectónicas que não
estejam sujeitas a cargas, tais como colunas ornamentais. Existem dois tipos de espumas de
poliestireno, o poliestireno expandido (EPS) e o poliestireno extrudido (XPS).
• Poliestireno expandido - é um plástico celular e rígido, que se pode apresentar numa
grande variedade de formas e aplicações. O EPS é uma espuma de poliestireno moldada,
constituída por um aglomerado de grânulos, tem aplicação em placas de isolamento na
construção civil, caixas de peixe, embalagens de electrodomésticos e produtos electrónicos e
para muito mais. O poliestireno expandido é vulgarmente designado de esferovite em
Portugal [10].
• Poliestireno extrudido - é também uma espuma rígida de poliestireno, mas diferencia-se do
EPS por ser obtida através de um processo de extrusão em contínuo e por empregar outros
gases expansores. A sua única aplicação corrente é como isolamento na construção civil,
apresentando-se sob a forma de placas coloridas. O (PSP) poliestireno papel é também uma
espuma rígida de poliestireno extrudido, é produzido normalmente com uma espessura
pequena (2 - 3 mm). A sua aplicação é essencialmente em bandejas e tabuleiros para
acondicionar produtos alimentares [10].
• Copolímeros - O poliestireno puro é frágil, mas duro o suficiente para que um produto de
razoável alta performance possa ser feito sendo que para isso é necessário dar-lhe algumas
propriedades de um material com mais elasticidade, tal como a borracha de polibutadieno.
Esses dois materiais normalmente não podem ser misturados por causa do efeito amplificado
das forças intermoleculares, mas se o polibutadieno for adicionado durante a polimerização
pode-se ligar ao poliestireno, formando um copolímero o que ajuda a incorporar o
polibutadieno na mistura final, resultando num polímero de alto-impacto (HIPS). As aplicações
mais comuns do HIPS incluem brinquedos e embalagem de produtos. Os produtos feitos a
partir do HIPS são processados por moldação por injecção. Vários outros copolímeros são
também utilizados com o estireno. O Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) é parecido com o
HIPS, um copolímero de acrilonitrilo e estireno, endurecido com polibutadieno. A maior parte
das carcaças dos electrodomésticos são feitas a partir deste tipo poliestireno, tal como muitos
tubos de esgotos [9].
Aplicações
As aplicações do poliestireno são [11]:
• Brinquedos;
• Embalagens de protecção para aplicações industriais, farmacêuticas e comerciais;
• Embalagens promocionais;
• Tanques de fermentação;
• Talheres descartáveis;
• Caixas de CDs e DVDs;
• Detectores de fumo;
• Armações de placas de matrículas;
• Placas de Petri;
• Tubos de testes.
4 – Acrilonitrilo- butadieno
O ABS é um polímero termoplástico. É um copolímero feito a partir da polimerização do
estireno e acrilonitrilo na presença de polibutadieno. As proporções podem variar de 15% a 35% de
acrilonitrilo, 5% a 30% de butadi
polibutadieno com ligações cruzadas com pequenas cadeias de poli(estireno
grupos de nitrilo das cadeias vizinhas, sendo polares, atraem
tornando o ABS mais forte que o poliestireno puro. O estireno dá ao plástico uma superfície brilhante
e impermeável. O butadieno, que é uma borracha, proporciona resiliência mesmo a baixas
temperaturas. Para a maioria das aplicações, o ABS pode ser utiliza
propriedades mecânicas variam com a temperatura. Para a produção de 1 Kg de ABS requer o
equivalente a cerca de 2 Kg de petróleo, quer para a matéria
A.8 está representada a estrutura quími
Propriedades
O ABS deriva do acrilonitrilo, butadieno e estireno. O acrilonitrilo é um monómero sintético
produzido a partir do propileno e amónia, o butadieno é um hidrocarboneto de petróleo, obtido a partir
do processo de ‘steam cracking’, o monómero de estireno é feito pela
benzeno, um hidrocarboneto obtido na reacção do etileno e benzeno. A vantagem do ABS é que este
material combina a força e a rigidez do acrilonitrilo e dos polímeros de estireno com a rigidez da
borracha do polibutadieno. As propriedades
a rigidez. Pode ser feita uma variedade de modificações para melhorar a resistência ao impacto, a
rigidez e a resistência ao calor. A resistência ao impacto pode ser amplificada através do aumento
das proporções de polibuadieno em relação ao estireno e o acrilonitrilo, embora isto cause mudanças
noutras propriedades. A resistência ao impacto não diminui rapidamente a baixas temperaturas. A
estabilidade quando sujeito a uma carga é excelente, sendo que a
plástico ABS ser amplamente utilizado com fins mecânicos, estes têm também boas propriedades
Figura
Tanques de fermentação;
Armações de placas de matrículas;
butadieno -estireno (ABS)
O ABS é um polímero termoplástico. É um copolímero feito a partir da polimerização do
estireno e acrilonitrilo na presença de polibutadieno. As proporções podem variar de 15% a 35% de
acrilonitrilo, 5% a 30% de butadieno e 40% a 60% de estireno. O resultado é uma cadeia longa de
polibutadieno com ligações cruzadas com pequenas cadeias de poli(estireno
grupos de nitrilo das cadeias vizinhas, sendo polares, atraem-se mutuamente ligam
tornando o ABS mais forte que o poliestireno puro. O estireno dá ao plástico uma superfície brilhante
e impermeável. O butadieno, que é uma borracha, proporciona resiliência mesmo a baixas
temperaturas. Para a maioria das aplicações, o ABS pode ser utilizado entre -
propriedades mecânicas variam com a temperatura. Para a produção de 1 Kg de ABS requer o
equivalente a cerca de 2 Kg de petróleo, quer para a matéria-prima como para a energia. Na
A.8 está representada a estrutura química do ABS.
crilonitrilo, butadieno e estireno. O acrilonitrilo é um monómero sintético
produzido a partir do propileno e amónia, o butadieno é um hidrocarboneto de petróleo, obtido a partir
do processo de ‘steam cracking’, o monómero de estireno é feito pela desidrog
benzeno, um hidrocarboneto obtido na reacção do etileno e benzeno. A vantagem do ABS é que este
material combina a força e a rigidez do acrilonitrilo e dos polímeros de estireno com a rigidez da
borracha do polibutadieno. As propriedades mecânicas mais importantes do ABS são a resistência e
a rigidez. Pode ser feita uma variedade de modificações para melhorar a resistência ao impacto, a
rigidez e a resistência ao calor. A resistência ao impacto pode ser amplificada através do aumento
proporções de polibuadieno em relação ao estireno e o acrilonitrilo, embora isto cause mudanças
noutras propriedades. A resistência ao impacto não diminui rapidamente a baixas temperaturas. A
estabilidade quando sujeito a uma carga é excelente, sendo que as cargas são limitadas. Apesar do
plástico ABS ser amplamente utilizado com fins mecânicos, estes têm também boas propriedades
Figura A.8: Estrutura química do ABS [2].
89
O ABS é um polímero termoplástico. É um copolímero feito a partir da polimerização do
estireno e acrilonitrilo na presença de polibutadieno. As proporções podem variar de 15% a 35% de
eno e 40% a 60% de estireno. O resultado é uma cadeia longa de
polibutadieno com ligações cruzadas com pequenas cadeias de poli(estireno-co-acrilonitrilo). Os
se mutuamente ligam-se às cadeias,
tornando o ABS mais forte que o poliestireno puro. O estireno dá ao plástico uma superfície brilhante
e impermeável. O butadieno, que é uma borracha, proporciona resiliência mesmo a baixas
-25 e 60 0C, as suas
propriedades mecânicas variam com a temperatura. Para a produção de 1 Kg de ABS requer o
prima como para a energia. Na figura
crilonitrilo, butadieno e estireno. O acrilonitrilo é um monómero sintético
produzido a partir do propileno e amónia, o butadieno é um hidrocarboneto de petróleo, obtido a partir
desidrogenação do etilo de
benzeno, um hidrocarboneto obtido na reacção do etileno e benzeno. A vantagem do ABS é que este
material combina a força e a rigidez do acrilonitrilo e dos polímeros de estireno com a rigidez da
mecânicas mais importantes do ABS são a resistência e
a rigidez. Pode ser feita uma variedade de modificações para melhorar a resistência ao impacto, a
rigidez e a resistência ao calor. A resistência ao impacto pode ser amplificada através do aumento
proporções de polibuadieno em relação ao estireno e o acrilonitrilo, embora isto cause mudanças
noutras propriedades. A resistência ao impacto não diminui rapidamente a baixas temperaturas. A
s cargas são limitadas. Apesar do
plástico ABS ser amplamente utilizado com fins mecânicos, estes têm também boas propriedades
eléctricas que são praticamente constantes numa vasta gama de frequências. Estas propriedades
são pouco afectadas pela temperatur
temperatura de operação. As propriedades finais são influenciadas em certa medida pelas condições
de processamento para se obter o produto final, por exemplo, moldação a temperaturas elevadas, faz
aumentar o brilho e a resistência ao calor do que se fosse obtido por moldação a baixas
temperaturas. Os polímeros ABS são resistentes a ácidos aquosos, a acido clorídrico e fosfórico
alcalinos, álcoois, óleos vegetais e minerais, mas são inchados por ácido eta
carbono e carbonetos aromáticos e são atacados por ácidos sulfúricos e nítrico. Os polímeros ABS
são solúveis em esteres, cetonas e dicloretos de etileno. As características de envelhecimento do
ABS são largamente influenciadas pelo
composição. Por outro lado, enquanto que o custo de produção do ABS é sensivelmente o dobro do
custo de produção do poliestireno, o ABS é considerado superior pelas suas propriedades de dureza,
brilho resistência e isolamento eléctrico. O ABS é inflamável quando é exposto a altas temperaturas,
tal como a madeira [2].
Aplicações
O ABS tem as seguintes aplicações:
• Peças de automóveis;
• Malas de viagem;
• Brinquedos;
• Perfis extrudidos, tais como tubos e
5 – Polimetil- metacrilato (PMMA)
O polimetil-metacrilato (PMMA) é um polímero sintético obtido por polimerização do radical
livre de vinil a partir do monómero metil metacrilato. O PMMA é um termoplástico e é conhecido por
ser um polímero transparente.
inicialmente desenvolvido em 1928 e introduzido no mercado em 1933 pela companhia Alemã Rohm
and Haas (GmbH & Co. Kg). O PMMA é usualmente utilizado como uma alternativa ao vidro, e e
competição com o policarbonato (PC). É geralmente preferido devido às suas propriedades
moderadas, facilidade de manuseamento e processamento, baixo custo, contudo este apresenta
desvantagens no que toca ao seu comportamento frágil quando submetido a forç
produzir 1 Kg de PMMA, são precisos cerca de 2 Kg de petróleo. O PMMA entra em ignição a 460
e arde formando dióxido de carbono, água, monóxido de carbono e hidrocarbonetos de baixo peso
molecular incluindo o formaldeído. A sua estru
Figura
eléctricas que são praticamente constantes numa vasta gama de frequências. Estas propriedades
são pouco afectadas pela temperatura e humidade atmosférica, desde que dentro da gama de
temperatura de operação. As propriedades finais são influenciadas em certa medida pelas condições
de processamento para se obter o produto final, por exemplo, moldação a temperaturas elevadas, faz
tar o brilho e a resistência ao calor do que se fosse obtido por moldação a baixas
temperaturas. Os polímeros ABS são resistentes a ácidos aquosos, a acido clorídrico e fosfórico
alcalinos, álcoois, óleos vegetais e minerais, mas são inchados por ácido etanoico, tetracloreto de
carbono e carbonetos aromáticos e são atacados por ácidos sulfúricos e nítrico. Os polímeros ABS
são solúveis em esteres, cetonas e dicloretos de etileno. As características de envelhecimento do
ABS são largamente influenciadas pelo polibutadieno, e é normal incluir antioxidantes na sua
composição. Por outro lado, enquanto que o custo de produção do ABS é sensivelmente o dobro do
custo de produção do poliestireno, o ABS é considerado superior pelas suas propriedades de dureza,
resistência e isolamento eléctrico. O ABS é inflamável quando é exposto a altas temperaturas,
O ABS tem as seguintes aplicações:
Perfis extrudidos, tais como tubos e parafusos.
metacrilato (PMMA)
metacrilato (PMMA) é um polímero sintético obtido por polimerização do radical
livre de vinil a partir do monómero metil metacrilato. O PMMA é um termoplástico e é conhecido por
parente. Este polímero é designado vulgarmente por acrílico. O
inicialmente desenvolvido em 1928 e introduzido no mercado em 1933 pela companhia Alemã Rohm
O PMMA é usualmente utilizado como uma alternativa ao vidro, e e
competição com o policarbonato (PC). É geralmente preferido devido às suas propriedades
moderadas, facilidade de manuseamento e processamento, baixo custo, contudo este apresenta
desvantagens no que toca ao seu comportamento frágil quando submetido a forç
produzir 1 Kg de PMMA, são precisos cerca de 2 Kg de petróleo. O PMMA entra em ignição a 460
e arde formando dióxido de carbono, água, monóxido de carbono e hidrocarbonetos de baixo peso
molecular incluindo o formaldeído. A sua estrutura química está representada na figura A.9 [2].
Figura A.9: Estrutura química do PMMA [2].
90
eléctricas que são praticamente constantes numa vasta gama de frequências. Estas propriedades
a e humidade atmosférica, desde que dentro da gama de
temperatura de operação. As propriedades finais são influenciadas em certa medida pelas condições
de processamento para se obter o produto final, por exemplo, moldação a temperaturas elevadas, faz
tar o brilho e a resistência ao calor do que se fosse obtido por moldação a baixas
temperaturas. Os polímeros ABS são resistentes a ácidos aquosos, a acido clorídrico e fosfórico
noico, tetracloreto de
carbono e carbonetos aromáticos e são atacados por ácidos sulfúricos e nítrico. Os polímeros ABS
são solúveis em esteres, cetonas e dicloretos de etileno. As características de envelhecimento do
polibutadieno, e é normal incluir antioxidantes na sua
composição. Por outro lado, enquanto que o custo de produção do ABS é sensivelmente o dobro do
custo de produção do poliestireno, o ABS é considerado superior pelas suas propriedades de dureza,
resistência e isolamento eléctrico. O ABS é inflamável quando é exposto a altas temperaturas,
metacrilato (PMMA) é um polímero sintético obtido por polimerização do radical
livre de vinil a partir do monómero metil metacrilato. O PMMA é um termoplástico e é conhecido por
Este polímero é designado vulgarmente por acrílico. O PMMA foi
inicialmente desenvolvido em 1928 e introduzido no mercado em 1933 pela companhia Alemã Rohm
O PMMA é usualmente utilizado como uma alternativa ao vidro, e em
competição com o policarbonato (PC). É geralmente preferido devido às suas propriedades
moderadas, facilidade de manuseamento e processamento, baixo custo, contudo este apresenta
desvantagens no que toca ao seu comportamento frágil quando submetido a forças de impacto. Para
produzir 1 Kg de PMMA, são precisos cerca de 2 Kg de petróleo. O PMMA entra em ignição a 460 0C
e arde formando dióxido de carbono, água, monóxido de carbono e hidrocarbonetos de baixo peso
tura química está representada na figura A.9 [2].
91
Processamento
O PMMA é tipicamente processado a 240 – 250 0C. Todos os processos de moldação podem
ser utilizados para o seu processamento, incluindo moldação por injecção, moldação por compressão
e extrusão. O PMMA pode ser endurecido com borracha para que o seu comportamento, quando
submetido a cargas, não seja tão frágil. O PMMA pode ser ligado com o cianoacrilato (super cola), a
quente (fusão) ou usando solventes como o clorofórmio. Os riscos podem ser facilmente removidos
através do polimento ou aquecendo a superfície do material. O corte por laser pode ser utilizado para
quando se quer obter designs complexos a partir de folhas de PMMA. O PMMA vaporiza-se (incluindo
os seus monómeros) durante o corte a laser, por isso o corte é sempre bastante limpo e preciso.
Neste respeito o PMMA tem uma clara vantagem em relação aos polímeros concorrentes, como é o
caso do poliestireno e do policarboneto, já que estes requerem uma maior potência e dão origem a
cortes mais “sujos” e imprecisos [2].
Propriedades
O PMMA:
• Tem uma densidade que varia entre 1,150 e 1,190 Kg/m3. O que é menos de metade da
densidade do vidro, e é semelhante às densidades dos outros plásticos.
• Tem uma boa resistência ao impacto, maior que a do vidro ou do poliestireno, mas
significantemente mais baixa do que a do policarbonato ou dos polímeros de engenharia. Na
maioria das aplicações, o PMMA não estilhaça, em vez disso parte-se em grandes bocados;
• É mais suave e mais fácil de riscar que o vidro. Contudo em certas aplicações são
adicionados revestimentos anti-risco;
• Transmite até 92% da luz visível (3 mm espessura), e reflecte cerca de 4% em cada uma das
superfícies devido ao índice de refracção, que vai de 1,4893 até 1,4899;
• Filtra luz ultravioleta com comprimentos de onda inferiores a 300 nm. Alguns fabricantes
adicionam revestimentos ou aditivos ao PMMA para aumentar a absorção para comprimentos
de onda até 400 nm;
• Permite a passagem de luz infravermelha com comprimentos de onda até 2800 nm, os
comprimentos de onda maiores, até 25000 nm são essencialmente bloqueados. Contudo,
existem formulações especiais de PMMA coloridos que permitem a luz infravermelha passar,
enquanto bloqueia a luz visível, é utilizado para controlos remotos e para sensores de calor.
• Tem uma excelente estabilidade ambiental quando comparado com outros plásticos, como o
policarbonato, e por isso é frequentemente utilizado para aplicações no exterior;
• Tem uma fraca resistência a solventes, já que este incha e dissolve-se facilmente. Este tem
também uma fraca resistência a muitos outros químicos, devido á sua fácil hidrólise quando
sujeito a ésteres [2].
Modificação de propriedades
O homopolímero PMMA puro é raramente vendido como produto final, visto que este não se
encontra optimizado para a maior parte das aplicações. Em vez disso, são adicionados aditivos e
92
outros comonómeros para conferir ao material as propriedades requeridas em cada aplicação. Por
exemplo,
• uma pequena quantidade de comonómeros de acrilato é rotineiramente utilizada no PMMA
que se destinam a processamento a quente;
• comonómeros como o acrilato de butilo são frequentemente adicionados para aumentar a
resistência ao impacto.
• comonómeros como o acido metacrilato podem ser adicionados para aumentar a temperatura
de transição vítrea do polímero para temperaturas mais altas, para se utilizar em aplicações
de iluminação;
• plastificantes podem ser adicionados para melhorar as propriedades de processamento,
diminuir a temperatura de transição vítrea ou melhorar as propriedades quando sujeito ao
impacto;
• corantes podem ser adicionados para dar cor em aplicações decorativas, ou para proteger
(ou filtrar) luz ultravioleta;
• materiais de enchimento (fillers) podem ser adicionados para aumentar a relação custo-
eficácia.
Aplicações
O PMMA é utilizado como:
• Substituto do vidro para resistência ao impacto.
• O PMMA é frequentemente utilizado na construção residencial e comercial de aquários.
Os designers só começaram a construir grandes aquários quando o PMMA pôde ser
utilizado.
• O PMMA é utilizado nas lentes dos faróis dos automóveis;
• O visor dos capacetes dos motociclos;
• Os vidros dos veículos policiais para controlo de motins são substituídos com acrílico
para proteger os ocupantes de objectos atirados;
• Tecnologia médica e implantes.
• O PMMA tem um grau elevado de compatibilidade com o tecido humano, e pode ser utilizado
para substituir as lentes intra-oculares no olho quando as lentes originais são removidas no
tratamento das cataratas. As lentes de contacto também são feitas com o PMMA.
• As dentaduras são frequentemente feitas a partir de PMMA, e podem ser colorados
consoante a cor dos dentes do paciente. Na cirurgia cosmética são utilizadas micro esferas
de PMMA injectadas na pele para reduzir rugas ou cicatrizes.
• Aplicações artísticas e estéticas.
• A tinta acrílica consiste essencialmente em partículas de PMMA suspensas em água, mas
como o PMMA é hidrofóbico, uma substância com os dois grupos hidrofóbico e hidrofilico têm
de ser adicionados para facilitar a suspensão.
• Algumas pinturas podem ser feitas em superfícies de PMMA, por exemplo por Salvador Dalí;
93
6 – Polioximetileno (POM)
O polioximetileno (POM) ou também conhecido como acetal é um plástico altamente cristalino
baseado na tecnologia de polimerização de formaldeído. Este polímero é considerado como um
polímero de engenharia. É forte, rígido e tem grande resistência ao calor e aos solventes. Este
material é usualmente utilizado como um substituto ao metal. São produzidos homopolímeros e
copolímeros a partir deste polímero. A sua estrutura química está representada na figura A.10 [2].
Síntese
Para fazer o homopolímero de polioximetileno, tem de ser gerado o formaldeído anidro. O
método principal para a formação do POM é realizado através da reacção do formaldeído aquoso
com álcool para criar o hemiacetal, e consequente desidratação do hemiacetal (por extracção ou
destilação a vácuo) para que o formaldeído seja libertado por aquecimento do hemiacetal. O
formaldeído é depois polimerizado por catalisação anódica e o polímero resultante é depois
estabilizado por reacção com o anídrico acético. Para fazer um copolímero de polioximetileno, o
formaldeído é geralmente convertido em trioxano. Isto é feito por catalisação ácida (com ácido
sulfúrico ou por ion exchange resins) e consequente remoção do trioxano por destilação ou
extracção. O trioxano é depois seco para remover toda a água e outras impurezas que contenham
hidrogénio. O comonómero é tipicamente o dioxolano, mas o óxido de etileno pode também ser
utilizado. O dioxolano é formado pela reacção do etilenoglicol a partir do formaldeído com um ácido
catalisador. Podem ser também utilizados outros ‘diols’. O trioxano e o dioxolano são polimerizados
utilizando um ácido catalisador, frequentemente é utilizado o trifluorido de boro. A polimerização pode
ocorrer num solvente não polar ou em fusão. Depois da polimerização o ácido catalisador deve ser
desactivado e o polímero estabilizado através de calor [2].
Propriedades
As vantagens deste polímero são:
• Resistência química;
• A muito baixa absorção de água;
• Resistência à hidrólise através de bases;
As desvantagens são:
• Baixa força de impacto;
• Baixa temperatura de fusão;
• Maior rigidez que os Nylons;
• Expansão térmica muito elevada, tornando este polímero impróprio para algumas aplicações
de engenharia;
Este polímero partilha algumas características com outros polímeros sintéticos, tais como a
baixa densidade (1,4 – 1,5 g/cm3), a facilidade de moldagem quando o peso molecular é baixo o
Figura A.10: Estrutura química do POM [2].
94
suficiente. É um polímero semi-cristalino (75-85% cristalinidade) com um ponto de fusão de 1750 C
como homopolímero. A versão de copolímero tem um ponto de fusão de 1630 C. É um material
resistente com um baixo coeficiente de atrito. Contudo, é susceptível a degradação por catalisação a
partir de ácidos, razão pela qual ambos os polímeros são estabilizados. No caso do homopolímero,
os grupos finais das cadeias são resistentes à despolimerização. No caso dos copolímeros, a
segunda unidade é um éter cíclico que resiste à clivagem na cadeia. É também sensível à oxidação,
e normalmente é adicionado um anti-oxidante aos materiais que serão processados por moldação [2].
Aplicações
As aplicações do POM são [2]:
• Automóveis: o sistema de combustível, componentes do cinto de segurança, sistema de
direcção, suportes das janelas e puxadores.
• Canalizações: chuveiros, cartuchos de torneiras e vários acessórios.
• Outras: brinquedos, pulverizadores de jardim, peças de cassetes stéreo, partes de
isqueiros de butano, fecho-ecler e componentes de telefones.
7 – Politereftalato de etileno (PET)
O politereflato de etileno (PET) é um polímero termoplástico da família dos poliésteres e é
utilizado em fibras sintéticas, embalagens de comida e bebidas, aplicações de termoformagem e
aplicações de engenharia mas em combinação com fibra de vidro. Dependendo do seu historial de
processamento e térmico, o PET tanto pode ser um material amorfo (transparente) como semi-
cristalino. O material semi-cristalino poderá parecer transparente (esferólitos <500 nm) ou opaco e
branco (esferólitos até à dimensão de alguns µm) dependendo na sua estrutura cristalina e tamanhos
dos esferólitos. O seu monómero (bis-hidroxitereflalato) pode ser sintetizado através de uma reacção
de esterificação entre o ácido tereftálico e o etilenoglicol com água, como um subproduto, ou por uma
reacção de transesterificação entre o etilenoglicol e o dimetil de teraflatato, com metanol como um
subproduto. A polimerização faz-se através de uma reacção de poli condensação dos monómeros,
com o etilenoglicol como subproduto.
A maioria da produção mundial de PET destina-se à produção de fibras sintéticas, com cerca
de 60%, a produção de garrafas corresponde a cerca de 30% do PET produzido.
O PET consiste em unidades polimerizadas do monómero etileno de teraflalato. O PET
contém os seguintes elementos químicos: carbono, hidrogénio e oxigénio. Quando completamente
queimado produz apenas dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). A estrutura química do PET está
representada na figura A.11 [2].
Secagem
O PET é higroscópico, o que significa que absorve naturalmente a água da sua vizinhança.
Contudo, quando este PET “húmido” é aquecido, a água hidrolisa o PET, diminuindo a sua resiliência.
Figura A.11: Estrutura química do PET [2].
95
Isto significa que antes de a resina ser processada na máquina de injecção, deve ser retirada desta, o
máximo de humidade possível. Isto é conseguido através da utilização de um dessecante ou
secadores antes de o PET ser introduzido no equipamento de transformação. Dentro do secador, o ar
seco quente é bombeado para o fundo da tremonha que contem a resina, para que ela flua através
dos pellets, removendo a humidade no seu caminho. O ar húmido quente deixa o topo da tremonha e
vai para um pós-arrefecedor, isto porque é mais fácil retirar a humidade a partir de ar frio do que de ar
quente. O ar quente húmido resultante é depois passado por um dessecante. Finalmente o ar frio que
deixa o dessecante é reaquecido por um processo de aquecimento e é enviado de volta através do
mesmo processo num ciclo fechado. Tipicamente os níveis residuais de humidade na resina devem
de ser menores que 5 partes por milhão (partes de agua por milhões de partes de resina, através do
peso) antes do processamento. O tempo de secagem não deve de ser inferior a 4 horas, visto que se
for inferior a 4 horas a temperatura requerida teria de ser superior a 160 0C, o que levaria a que a
hidrólise tivesse inicio dentro dos pellets antes que estes pudessem ser secos. O PET pode também
ser seco em secadores de resinas de ar comprimido. Secadores de ar comprimido não reutilizam o ar
seco. O ar seco comprimido quente circula através dos pellets de PET como no secador dessecante,
depois é libertado na atmosfera [2].
Copolímeros
Além do PET puro (homopolímero), também existe PET copolimerizado. Em alguns casos, as
propriedades modificadas dos copolímeros são mais desejadas para uma aplicação em particular.
Por exemplo, o cyclohexane dimethanol (CHDM) pode ser adicionado no polímero no lugar do
etilenoglicol. No entanto, devido ao facto do seu bloco ser muito maior (6 átomos de carbono
adicionais) que a unidade de etilenoglicol que ele substitui, ele não se encaixa nas cadeias vizinhas
da mesma maneira que o etilenoglicol. Isto interfere sobretudo com a cristalização e diminui a
temperatura de fusão do polímero. Este polímero é conhecido como PETG. O PETG é um
termoplástico amorfo que pode ser injectado ou extrudido. Pode também ser colorido durante o
processamento. Outro modificador comum é o ácido isoftálico, para substituir algumas unidades de
tereflalato. Este composto causa alguns distúrbios na cristalização do polímero. Estes copolímeros
têm vantagens em certas operações de moldação, tais como a termoformagem, que é utilizada por
exemplo para fazer bandejas ou embalagens a partir de filmes de PETG ou folhas de PETG. Por
outro lado, a cristalização é importante noutras aplicações onde a estabilidade mecânica e
dimensional é importante, tal como em cintos de segurança. Para garrafas feitas a partir de PET, o
uso de pequenas quantidades de CHDM ou outro comonómero pode ser útil, mas só mesmo em
pequenas quantidades para que a cristalização se dê mais devagar e não a impeça totalmente. Como
resultado, as garrafas obtidas através de moldação por sopro são claras e cristalinas o suficiente para
barrar os aromas e mesmo os gases, como o dióxido de carbono nas bebidas gaseificadas [2].
Degradação
O PET está sujeito a vários tipos de degradação durante o processamento. As principais
degradações que podem ocorrer são devidas às oxidações hidroliticas, térmicas e mais importante as
térmicas. Quando o PET se degrada, algumas coisas acontecem: descoloração, cortes nas cadeias
96
devido ao reduzido peso molecular, formação de acetaldeído e a formação de ligações cruzadas. A
descoloração é devida à formação de vários sistemas cromofóricos devido a prolongados tratamentos
térmicos a temperaturas elevadas. Isto torna-se um problema quando os requerimentos ópticos do
polímero são muitos elevados, tais como aplicações em embalagens. O acetaldeido é normalmente
um líquido sem cor e com um aroma frutado. Este forma-se naturalmente nos frutos, mas pode
causar alteração do sabor em garrafas de água. Altas temperaturas (PET decompõe-se acima dos
300 0C), altas pressões e elevadas velocidades da extrusora (fluxos de corte elevados elevam a
temperatura), todos esses factores contribuem para a produção de acetaldeído. Quando o
acetaldeído é produzido, alguma dessa substância fica dissolvida nas paredes do recipiente e depois
difunde-se para o produto armazenado no seu interior, alterando o sabor e o aroma. Isto não é um
problema para produtos não consumíveis (como o champô), para sumos de fruto (que já contêm
acetaldeído) ou para bebidas com sabores fortes (como os refrigerantes). A degradação térmica e
termo oxidativa fazem com que o material tenha más características de processamento e
desempenho do material. Uma maneira de contornar este problema é utilizar Copolímeros.
Comonómeros como o CHDM ou o ácido isoftalico, baixam a temperatura de fusão e reduzem o nível
de cristalização do PET (especialmente importante quando o material utilizado é utilizado para a
fabricação de garrafas). Assim a resina pode ser transformada plasticamente a temperaturas mais
baixas e com menor força. Isto ajuda a prevenir a degradação, reduzindo o teor de acetaldeído do
produto final a níveis aceitáveis. Outra maneira de melhorar a estabilidade de um polímero é através
da utilização de estabilizadores, sobretudo antioxidantes como os fosfitos. Recentemente, a
estabilização a nível molecular utilizando químicos nano estruturados tornou-se também uma
realidade.
Aplicações
As aplicações do PET são [12]:
• Fibras e fitas para tecidos especiais, relvados artificiais e estofos;
• Filmes para cassetes de vídeo e de áudio e isolamento eléctrico;
• Como material de multi camadas com papel ou poliestireno;
• Para embalagens;
• Garrafas para quase todo o tipo de bebidas;
• Artigos obtidos da moldação por injecção com baixa fricção e abrasão para aplicações
técnicas como cilindros, rodas, interruptores, peças para bombas, válvulas e componentes de
telefones.
Referências:
[1] Scott, Gerald. Polymers and the environment. The Royal Society of Chemistry. 1999.
[2] http://en.wikipedia.org
[3] http://scifun.chem.wisc.edu/CHEMWEEK/POLYMERS/Polymers.html
[4] http://openlearn.open.ac.uk/course/view.php?id=2937&topic=all
[5] Tecnologia do PVC, 2ª Edição, BRASKEM
97
[6] http://www.institutodopvc.org
[7] Esquadrias de PVC, BRASKEM
[8] http://www.pvc.org
[9] http://www.pslc.ws/mactest/index.htm
[10] http://www.acepe.pt
[11] http://www.emachineshop.com
[12] http://www.plasfed.co.za/downloads/PET%20info.pdf
Anexo 2 – Exemplo da aplicação da metodologia MAUA
O objectivo deste exemplo é demonstrar como este método funciona, sendo explicados todos
os passos que têm de ser seguidos para a implementação deste método. Este exemplo divide-se em
5 passos, que vão desde a identificação dos atributos até à medição da utilidade. Serão utilizados
apenas dois atributos neste exemplo devido à complexidade inerente a este método quando se
utilizam mais de dois atributos [1].
1º Passo: Identificar os valores máximos e mínimos dos atributos
Os atributos deste exemplo são: a segurança (X1) e o lucro (X2). O valor mínimo da
segurança é 0 e o valor máximo é 5. Quanto ao lucro o valor mínimo é 0 e o valor máximo é 300.
Assim temos:
X1 = Segurança; X2 = Lucro
X1* = 0; X1* = 5
X2* = 0; X2* = 300
2º Passo: Representação gráfica dos atributos
Na figura A.12 podem-se visualizar numa forma gráfica os valores que os atributos podem
tomar.
Figura A.12: Representação gráfica dos valores dos atributos [1].
Em que a utilidade em U(0,0) = 0; U(5,300) = 1.
3º Passo: Percentagem de indiferença entre os atrib utos
Neste passo consiste na identificação das percentagens de indiferença. Este passo é
normalmente feito com auxílio de questionários. Na figura A.13 estão representadas as percentagens
de indiferença
98
4º Passo: Percentagem de indiferença dos atributos
Na figura A.14 verifica-se como a varia a percentagem de indiferença em relação aos
atributos. No caso da segurança a percentagem escolhida foi de 0,5 designada de k1 para uma
segurança de 3. Para o lucro a percentagem escolhida foi de 0,6 para 100 designada de K2.
5º Passo: Avaliação das utilidades
Na figura A.15 estão representados alguns pontos onde se pode medir a utilidade.
As utilidades nos pontos da figura A.15 são calculadas da seguinte forma:
Referências: [1] Acetatos de Dynamic Strategic Planning; Multiattribute Utility; MIT; Neufville, Richard de; Clark,
Joel; Field, Frank R.
52,0)56,0(5,024,0)45,0(6,025,0
)()(
70,0)4,01(5,04,0)(
80,0)5,01(6,05,0)(
24,0)04,0(6,00)(
25,0)05,0(5,00)(
12
*1
*2
*2*
*1*
=+=+⇔⇔−+=−+=
=−+=−+=
=−+=−+=
=−+=−+==−+=−+=
UBUCKUBUAUDKUAUE
KUKKUD
KUKKUC
UKKUUB
UKKUUA
pp
ss
p
s
Figura A.13: Percentagens de indiferença [1].
Figura A.14: Percentagem de indiferença dos atributos [1].
Figura A.15: Pontos para a medição da utilidade [1].
(Equação A.1 – Medição das utilidades)
99
Anexo 3 – Questionário
1ª Parte:
1.1) Se tivesse a possibilidade de comprar já uma mola da roupa a 1€ ou pudesse esperar por
amanhã e ter uma probabilidade de 10% de conseguir uma mola a 0,5€ e 90% de conseguir
uma a 2,45€, o que escolhia? (variar as probabilidades até ser até que a pessoa comece a
ficar indecisa)
1.2) Se tivesse a possibilidade de comprar uma mola da roupa com um material que tivesse um
impacto ambiental médio ou pudesse esperar por amanhã e ter uma probabilidade de 10% de
conseguir uma mola da roupa com um material que tivesse um impacto ambiental muito baixo
e 90% de conseguir uma com um material que tivesse um impacto ambiental muito alto, o
que escolhia? (variar as probabilidades até ser até que a pessoa comece a ficar indecisa)
1.3) Se tivesse a possibilidade de comprar uma mola da roupa com um material com uma
qualidade média ou pudesse esperar por amanhã e ter uma probabilidade de 10% de
conseguir uma mola da roupa com um material com uma qualidade muito má e 90% de
conseguir uma com um material com uma qualidade muito boa, o que escolhia? (variar as
probabilidades até ser até que a pessoa comece a ficar indecisa)
2ª Parte:
2.1) Se tivesse a possibilidade de comprar uma mola da roupa a 0,60€ mas com um material com
um impacto ambiental muito alto e com uma qualidade muito baixa ou pudesse esperar por
amanhã e ter uma probabilidade de 10% de conseguir uma mola da roupa à mesma a 0,60€
mas com um material que tenha um impacto ambiental baixa e uma qualidade muito boa e
p=?%
(1-p)% PF
P1
P2
p=?%
(1-p)% EI’99 F
EI’99 1
EI’99 2
Q F
Q 1
Q 2 (1-p)%
p=?%
Figura A.16: Distribuição das probabilidades para o preço de mercado.
Figura A.17: Distribuição das probabilidades para o impacto ambiental.
Figura A.18: Distribuição das probabilidades para a qualidade.
100
90% de conseguir uma mola a 2,45€ de um material com um impacto ambiental muito mau e
com uma qualidade também muito má, o que escolhia? (variar as probabilidades até ser até
que a pessoa comece a ficar indecisa)
2.2) Se tivesse a possibilidade de comprar uma mola da roupa a 2,45€ mas com um material com
um impacto ambiental muito baixo e com uma qualidade muito má ou pudesse esperar por
amanhã e ter uma probabilidade de 10% de conseguir uma mola da roupa a 0,60€ mas com
um material que tenha um impacto ambiental baixo e uma qualidade muito boa e 90% de
conseguir uma mola a 2,45€ de um material com um impacto ambiental muito mau e com
uma qualidade também muito má, o que escolhia? (variar as probabilidades até ser até que a
pessoa comece a ficar indecisa)
2.3) Se tivesse a possibilidade de comprar uma mola da roupa a 2,45€ mas com um material com
um impacto ambiental muito baixo e com uma qualidade muito boa ou pudesse esperar por
amanhã e ter uma probabilidade de 10% de conseguir uma mola da roupa a 0,60€ mas com
um material que tenha um impacto ambiental baixo e uma qualidade muito boa e 90% de
conseguir uma mola a 2,45€ de um material com um impacto ambiental muito mau e com
uma qualidade também muito má, o que escolhia? (variar as probabilidades até ser até que a
pessoa comece a ficar indecisa)
(P1, EI’99 2, Q2)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) (1-p)%
p=?%
(P2, EI’99 1, Q2)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) (1-p)%
p=?%
(P2, EI’99 2, Q1)
(P1, EI’99 1, Q 1)
(P2, EI’99 2, Q2) (1-p)%
p=?%
Figura A.19: Distribuição das probabilidades para um preço muito bom, um impacto ambiental muito mau e uma qualidade muito má.
Figura A.20: Distribuição das probabilidades para um preço muito mau, um impacto ambiental muito bom e uma qualidade muito má.
Figura A.21: Distribuição das probabilidades para um preço muito mau, um impacto ambiental muito mau e uma qualidade muito boa.
