Fabrico de plásticos: Processos principais e tecnologias da próxima geração

O petróleo bruto é a principal fonte da matéria-prima utilizada no fabrico de plásticos. No entanto, algumas são derivadas de outros hidrocarbonetos, incluindo o carvão e o gás natural. Devido à crescente preocupação com a poluição ambiental causada pelos plásticos e à pressão exercida sobre as fontes de hidrocarbonetos cada vez mais escassas, as fontes renováveis de plástico, como o amido e a celulose, estão a ser cada vez mais analisadas como alternativas viáveis. Alguns plásticos de fontes renováveis são biodegradáveis, o que os torna amigos do ambiente.

Os plásticos provenientes de fontes renováveis são geralmente designados por bioplásticos, enquanto os provenientes de hidrocarbonetos são designados por plásticos sintéticos. Na sua forma bruta, o plástico quase não tem utilidade para ninguém. No entanto, através de vários processos de fabrico de plásticos, a matéria-prima é transformada em resina ou pellets, uma forma que é útil para as indústrias de fabrico de plásticos.

Visão geral rápida dos processos básicos de fabrico de plásticos

O petróleo bruto, que é a matéria-prima para o fabrico de plástico sintético, é adquirido a partir de reservatórios subterrâneos utilizando plataformas de perfuração. Estas perfuradoras gigantes fazem furos de milhares de metros no solo com a ajuda de brocas que cortam as formações rochosas. Uma vez extraído o petróleo bruto, este passa pelo seguinte processo para obter plástico:

• A refinação utiliza o calor e a destilação para separar o petróleo bruto em diferentes componentes.
• A nafta é um dos componentes recuperados durante o fracionamento que constitui a base para a produção de plástico.
• A nafta é submetida a um processamento posterior para ser dividida em moléculas mais pequenas denominadas monómeros (por exemplo, propileno e etileno).
• As cadeias de monómeros são ligadas para formar polímeros, hidrocarbonetos de maior peso molecular. Isto é feito através da polimerização por adição ou condensação.
• O produto da polimerização é misturado com aditivos ou outros compostos para obter as propriedades desejadas.
• O polímero processado está agora pronto para ser moldado em produtos plásticos ou peças de produtos.

Aditivos comuns no fabrico de plásticos e suas funções

Os aditivos incorporados no fabrico de plásticos podem melhorar o prazo de validade, a resistência e a flexibilidade. Eis os aditivos mais comuns utilizados no fabrico de plásticos e as suas funções.

• Plastificantes: Aumentam a suavidade e a flexibilidade, facilitando a moldagem do plástico em diferentes formas, por exemplo, ftalatos.
• Estabilizadores de calor: Tornar o plástico resistente à degradação ou descoloração a altas temperaturas, por exemplo, compostos organoestânicos e sabões metálicos.
• Retardadores de chama: Os retardadores de chama sem halogéneos, como os compostos à base de fósforo, reduzem a inflamabilidade e cumprem a conformidade com a diretiva RoHS.
• Antioxidantes: Adicionados para prolongar o prazo de validade do plástico, protegendo-o da degradação provocada pela luz UV e pela exposição ao calor, por exemplo, fenólicos.
• Lubrificantes: Melhoram o fluxo durante a moldagem e reduzem o atrito, por exemplo, óleos de silicone e minerais.
• Cor: Torna os plásticos mais apelativos, mas também pode melhorar a proteção UV, por exemplo, o dióxido de titânio (TiO2).
• Agentes anti-estáticos: Evitar a acumulação de eletricidade estática, que pode causar riscos de incêndio ou atrair poeiras. Exemplos comuns são os sais de amónio quaternário e os ésteres de glicerol.

Os métodos mais comuns utilizados para transformar os granulados ou blocos de plástico transformados em produtos do dia a dia são a moldagem por injeção (para formas complexas), a moldagem por sopro (para formas ocas, como garrafas de plástico) e a extrusão (para fibras ou películas). Os fabricantes continuam a enfrentar vários desafios na conversão de plásticos em produtos úteis. Alguns destes desafios podem resultar da qualidade do plástico ou do processo de fabrico. A maioria desses desafios está a ser ultrapassada com a tecnologia.

Três grandes motores tecnológicos que subvertem o fabrico tradicional de plásticos

Os métodos tradicionais utilizados no fabrico de plásticos são, na sua maioria, um desperdício, em termos do volume de material não utilizado deixado para trás. Para além disso, são normalmente intensivos em mão de obra e prolongam os tempos de ciclo. O impacto a longo prazo no fabricante inclui um aumento das facturas de energia, um aumento dos custos de mão de obra e, por vezes, a incapacidade de satisfazer a procura. Estas falhas expõem o fabricante ao risco de ser substituído por um concorrente mais competente.

Felizmente, muita coisa mudou na indústria de fabrico de plásticos nas últimas décadas. Estão a surgir novas tecnologias que estão a ajudar os fabricantes a ultrapassar alguns dos desafios que até agora atormentavam a indústria. Embora apresentem soluções para algumas das questões prementes do sector, trazem consigo um novo conjunto de desafios. Para as empresas mais pequenas, os obstáculos podem ser suficientemente grandes para as impedir de adotar estas novas tecnologias.

Por exemplo, a indústria de fabrico de plásticos já é de capital intensivo em termos de ferramentas e aquisição de matérias-primas. A maior parte das novas tecnologias também não são baratas, o que as pode manter fora do alcance das empresas que operam com um orçamento apertado. Mesmo quando a empresa pode adquirir a tecnologia, ainda precisa de formar o seu pessoal sobre como utilizar a nova tecnologia. Nalguns casos, as novas tecnologias implicam o reequipamento de toda a fábrica.

Apesar das implicações financeiras da adoção das mais recentes tecnologias e processos no fabrico de plásticos, estes pagam os custos ao longo do tempo sob a forma de maior produção e tempos de ciclo mais rápidos. Eis as tecnologias mais recentes que impulsionam uma maior eficiência na indústria de produção de plásticos.

Motor 1: Moldagem por injeção inteligente - Como a IA aumenta a taxa de rendimento para 99,5%

A invenção da moldagem por injeção em 1872 por John e Isaiah Hyatt marcou o início do fabrico em grande escala de peças de plástico. Desde o seu desenvolvimento, a máquina passou por várias iterações para a melhorar. A recente integração da IA para criar máquinas de moldagem por injeção inteligentes transformou a indústria de fabrico de plásticos de sistemas reactivos dependentes do homem em sistemas proactivos orientados por dados.

As máquinas de moldagem por injeção inteligentes estão equipadas com sensores que tiram partido da IA para otimizar o rendimento até 99,5%. Os sistemas inteligentes de moldagem por injeção optimizam os parâmetros de produção, como a temperatura, a pressão, o tempo de arrefecimento e o fluxo de material. Por outras palavras, os sistemas de IA aumentam a eficácia global da máquina e reduzem as perdas de produção ao funcionarem com parâmetros óptimos.

Para além de melhorar o rendimento, as máquinas de moldagem por injeção inteligentes utilizam a IA para funções de previsão. Os sensores instalados nas máquinas de fabrico de plásticos podem detetar potenciais problemas antes que estes se agravem e interrompam o processo de produção. A deteção precoce de potenciais problemas ajuda os operadores de máquinas a efetuar a manutenção preditiva, o que reduz significativamente o tempo de inatividade da operação.

No que diz respeito ao produto, todos os fabricantes compreendem a importância de fornecer peças ou produtos consistentes e de alta qualidade aos seus clientes. Os sistemas com IA analisam dados de sensores em tempo real para prever desvios nos parâmetros do processo que podem causar defeitos, muitas vezes integrados com visão artificial para deteção de falhas físicas.

Os sistemas inteligentes utilizam a análise de dados para prever possíveis problemas com peças ou produtos moldados. Com o apoio destes dados, os fabricantes podem, de forma proactiva, fazer ajustes nos seus processos para evitar a ocorrência do defeito. Por extensão, isso também os poupará de desperdício de material e energia. A tabela abaixo mostra as principais áreas em que as intervenções de IA na moldagem por injeção ajudaram a otimizar o rendimento.

Parâmetros optimizados por IA na moldagem por injeção e respectivos métodos de realização

A vantagem dos sistemas alimentados por IA é o facto de se tornarem melhores com o tempo, à medida que geram mais dados para a sua formação. Por conseguinte, os benefícios iniciais só melhorarão com o tempo, conduzindo a práticas de fabrico de plástico mais sustentáveis e a uma menor pegada ambiental.

Motor 2: Materiais sustentáveis

Um dos maiores desafios no fabrico de plástico gira em torno do material. A fonte de hidrocarbonetos dos plásticos não é renovável. A formação de hidrocarbonetos leva milhões de anos devido à ação de pressões geológicas sobre a matéria orgânica. Com o aumento da procura de hidrocarbonetos para combustível, existe o risco de o mundo ficar sem reservas. Este facto tornou necessária a obtenção de plásticos a partir de materiais mais sustentáveis, como os produtos à base de plantas.

Fabrico de bioplásticos: Matérias-primas e processos

Para o fabrico de bioplástico, as matérias-primas incluem amido de milho, mandioca, cana-de-açúcar, algas marinhas ou óleos vegetais. O que estes alimentos têm em comum é a abundância de açúcar e amido, que são processados para obter os monómeros que formarão os blocos de construção do plástico. Por exemplo, os fabricantes começam por converter o amido de milho em ácido lático, que depois polimerizam para formar ácido poliláctico (PLA) ou polihidroxialcanoatos (PHA).

O processo de polimerização é, sem dúvida, o passo mais crítico no fabrico de bioplásticos, porque determina as propriedades do plástico. Se o produto final se destina a ser biodegradável, a polimerização será efectuada com esse objetivo em mente. As propriedades do bioplástico resultante são ainda mais refinadas através de um processo chamado mistura. Este processo envolve a mistura de aditivos com o polímero de base biológica.

A ênfase está também a ser colocada nas resinas pós-consumo (PCR) e no plástico reciclado como fontes de materiais mais sustentáveis para o fabrico de plásticos. Esta transição também ajudará a reduzir a pressão da obtenção de plásticos a partir de fontes naturais, bem como a diminuir a carga de plástico no ambiente.

Os PCR são utilizados em produtos de consumo, como materiais de embalagem e garrafas, enquanto os reciclados são resíduos ou restos de ciclos de fabrico de plástico, que são recolhidos e triturados em pellets para reutilização. Os PCR devem ser selecionados e classificados para evitar a introdução de contaminantes nos novos produtos. Os contaminantes podem afetar o desempenho, a eficiência ou o tempo de vida do produto acabado.

Motor 3: Fabrico híbrido - Impressão 3D

Até à data, a impressão 3D é a tecnologia mais avançada no fabrico de plásticos. Esta nova tecnologia permite aos fabricantes criar peças ou produtos complexos diretamente a partir de software de design. Esta tecnologia é particularmente eficiente para a criação de protótipos ou para situações em que os projectos estão em constante evolução.

Existem atualmente diferentes tipos de tecnologias de impressão 3D. No entanto, a mais comum é o fabrico de filamentos fundidos (FFF), que é preferido pela sua maior precisão e custos mais baixos. Utiliza filamentos termoplásticos como o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), famoso pela sua resistência ao calor, durabilidade e força.

O material é aquecido e extrudido através da cabeça da impressora 3D. O processo de impressão consiste em empilhar o material extrudido, camada a camada, para formar o produto concebido no software informático anexado. Os passos envolvidos no fabrico de plásticos através da impressão 3D são os seguintes:

Modelação

O primeiro passo para fabricar produtos de plástico através da impressão 3D é criar um modelo do produto ou peça utilizando um software de modelação 3D, como o CAD. Em alternativa, pode encontrar os modelos desejados em bibliotecas online dedicadas e descarregá-los.

Cortar

É utilizado um software de corte específico, como o ideaMaker, para cortar o modelo. Este processo cria um código G (uma lista de instruções) que dá instruções à impressora sobre o melhor caminho de movimento para construir o modelo. Certifique-se sempre de que o seu software é compatível com a sua impressora.

Impressão

O ficheiro de corte é carregado para a impressora. Segue-se a calibração da impressora para melhorar a precisão. Algumas impressoras têm painéis transparentes ou uma aplicação através da qual é possível monitorizar o progresso da impressão.

Pós-processamento

Quando a impressão estiver concluída, retirar o produto ou a peça da impressora. Se o modelo tiver um suporte, remova-o. Outros requisitos de pós-processamento podem incluir polimento, lixagem, montagem ou coloração para dar ao produto um acabamento brilhante e prepará-lo para o mercado.

Como as tecnologias resolvem problemas reais

As intervenções tecnológicas no fabrico de plásticos vão para além da otimização dos materiais e dos processos, para além do acabamento e da marca. Por exemplo, após o fabrico de peças de plástico, os fabricantes podem enfrentar desafios durante a montagem, especialmente quando as peças têm de aderir umas às outras. Os métodos tradicionais deixam frequentemente cicatrizes no local onde as peças foram unidas, o que pode diminuir a atratividade do produto.

Quando os engenheiros utilizam diretores de energia optimizados, as frequências ultra-sónicas podem gerar calor localizado nas interfaces das juntas para unir materiais de forma eficiente com o mínimo de marcas visíveis.

As ferramentas de gravação a laser também alteraram a forma como a marca é feita nos produtos de plástico. Anteriormente, os fabricantes criavam etiquetas em autocolantes que eram colados ao corpo do plástico. Em alternativa, pintavam o seu logótipo diretamente nos produtos. No entanto, estes autocolantes ou tintas descolam-se facilmente, o que anula o objetivo de visibilidade do fabricante. Além disso, por vezes, os contrafactores removem propositadamente os rótulos e substituem-nos pelos seus próprios rótulos.

Com as ferramentas de gravação a laser, o fabricante grava com precisão o seu logótipo ou rótulo no corpo do produto, garantindo que este se mantém durante toda a vida útil do produto. As tecnologias de fabrico de plásticos continuarão a evoluir e os fabricantes que as adoptarem irão superar os restantes em termos de eficiência de produção e satisfação do consumidor.