REENGENHARIA: PROJETO DE UMA EXTRUSORA DE PET A PARTIR DE COMPONENTES USADOS

P.E.C.S. Magalhães (1), L. Germanio (1), E. Souza Jr. (1), R.M.M. Ferraz (1), F.B. Carmo (1), A.F. Ávila (1)

(1) Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, Pampulha, Belo Horizonte-MG, CEP 31270-901

Palavras-chave: extrusora, projeto, peças usadas

Resumo

Uma das principais preocupações da indústria de plástico atualmente é o tempo necessário à sua degradação no meio-ambiente, que chega a ser muito maior que o necessário para os metais. Baseando-se nisso, a reciclagem tem se tornado cada vez mais importante, tendo sido desenvolvidos vários processos para reaproveitar os diversos tipos de plásticos usados atualmente. No entanto, para ser reciclado e remanufaturado, o plástico deve ser posto em condições adequadas, sendo muito usual a sua transformação em pelotas, que serão posteriormente conformados ou laminados, conforme o produto final desejado.

Na obtenção dessas pelotas, é de crucial importância a utilização de uma extrusora de plásticos. Nesse dispositivo, o plástico já triturado é transportado por um parafuso através de um tubo metálico envolvido por um conjunto de resistências elétricas. O calor gerado pelas resistências torna o plástico pastoso. Na saída do tubo, tem-se uma massa coalescida, pronta para uma nova aplicação.

Para se acionar o parafuso, pode-se lançar mão de um sistema eletro-mecânico: um motor elétrico aciona um redutor de velocidade, que por sua vez aciona o parafuso condutor. Com isso, tem-se um sistema simples de preparo do plástico para reciclagem.

Por outro lado, "reciclando-se" componentes mecânicos através de um projeto eficiente, pode-se conceber e montar extrusoras de baixo custo, para serem utilizadas em pequenas empresas e associações de reciclagem em grandes centros urbanos. Esse reaproveitamento implica em benefícios ecológicos, econômicos e sociais.

Adotando essa filosofia, propôs-se o projeto de uma extrusora para plásticos tipo PET (poli-etileno-teraftalato) a partir de peças já usadas.

O ponto de partida no projeto foi o motor elétrico recondicionado a ser usado: 1/3 cv e 1725 rpm. Como o objetivo é o acionamento do parafuso com aproximadamente 60 rpm, buscou-se então um conjunto de engrenagens para atender a essa relação de redução. Como é interessante que o peso e o tamanho da extrusora sejam reduzidos, optou-se num primeiro instante por engrenagens de caixas de transmissão de automóveis de passeio. As vantagens de tais engrenagens estão na relação de transmissão elevada em um pequeno espaço (quando se associa várias engrenagens), o baixo ruído e seu baixo custo de obtenção em ferros-velhos. Além disso, utilizando engrenagens automotivas, consegue-se fabricar várias unidades da extrusora, uma vez que elas são facilmente disponíveis nas mesmas dimensões. No entanto, as desvantagens são o uso de perfis e dimensões especiais (não padronizados), a presença de esforços axiais que podem provocar flambagem dos eixos, a necessidade de mancais de encosto e a necessidade de maior precisão na montagem.

Utilizando-se três pares de engrenagens com relações de transmissão de 21/47, 11/43 e 11/41, consegue-se uma relação de transmissão total de 1:32,6, resultando em 53 rpm na saída do redutor. Essas engrenagens foram medidas (nº de dentes, diâmetros primitivos, adendo e dedendo, ângulo de pressão, ângulo de hélice, espessura) e sua dureza foi estimada. A partir desses parâmetros, calculou-se o módulo de cada par de engrenagens. Tendo em mãos todos os parâmetros das engrenagens, elas foram avaliadas quanto a esforços estáticos, fadiga e fadiga superficial. Foi usada a metodologia sugerida por Spotts [1], considerando-se que, no projeto original das engrenagens, elas foram dimensionadas para vida infinita (107 ciclos).

Com as dimensões das engrenagens, partiu-se para um anteprojeto da extrusora, analisando-se possíveis disposições do redutor, de modo a minimizar o espaço ocupado pelo conjunto, posição dos eixos de entrada e de saída, posição do motor, suporte do conjunto, dimensões da carcaça do redutor, tipo e fixação dos mancais. Ainda no anteprojeto, foi feita a seleção preliminar dos materiais a serem empregados e das formas de fixação. De posse da configuração básica e da potência de entrada, dimensionou-se os eixos. Um aspecto a ser destacado no dimensionamento é o cálculo da interferência necessária à montagem, uma vez que as engrenagens não possuíam rasgos de chaveta. Com base no torque transmitido, calculou-se a pressão de interferência devido ao atrito e as temperaturas necessárias no aquecimento para montagem com interferência.

Com as dimensões dos eixos, pode-se avaliar as dimensões dos mancais e da carcaça, concluindo o projeto do redutor. Os mancais foram feitos com buchas de nylon e sem lubrificação, de modo a simplificar a construção e a manutenção. Avaliou-se qual seria a espessura mínima para os mancais suportarem os esforços, sem se considerar, entretanto, o desgaste superficial devido ao atrito.

Em seguida, procedeu-se ao cálculo do parafuso de transporte. Para esse cálculo, foram necessários valores para os esforços atuantes devido ao fluxo do plástico coalescido. Não encontrando um modelo que descrevesse adequadamente o fenômeno, partiu-se para uma abordagem de mecânica dos fluidos: calculou-se a vazão de plástico, tomando-se por base as dimensões do canal do parafuso, adotadas como iguais às do parafuso da extrusora utilizada no Laboratório de Mecânica de Compósitos do DEMEC/UFMG. Com a vazão e a potência disponível, calculou-se a força axial no parafuso, avaliando-se o comprimento do parafuso quanto à flambagem.

Definidas as características da extrusora, seu projeto pode ser dado como concluído. Determinou-se os processos de fabricação e montagem a serem empregados e suas sequências, foram confeccionados os desenhos detalhados, feitas estimativas de custos e executada a construção e teste do protótipo.

Referências:

[1] SPOTTS, M.F. & SHOUP, T.E. Design of machine elements. Upper Saddle River, Estados Unidos: Prentice Hall, 7ª ed., 1998. 830p.

[2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NB-86 Norma Brasileira de Tolerâncias e Ajustes. Rio de Janeiro, RJ: ABNT, 1961. 10p.

[3] SHIGLEY, J.E. Mechanical Engineering Design. Nova Iorque: McGraw-Hill, 1986.700p.

[4] HALL JR., A.S., HOLOWENKO, A.R. & LAUGHLIN, H.G. Elementos orgânicos de máquinas. São Paulo, SP: McGraw Hill, 5ª ed., 1977. 589p.

[5] JUVINALL, R.C. & MARSHEK, K.M. Fundamentals of machine component design. Nova Iorque, Estados Unidos: John Willey & Sons, 2ª ed., 1991. 804p.

[6] PROVENZA, F. Projetista de máquinas - Protec. São Paulo: Protec, 1982. 436p.

[7] NASH, W. A. Resistência dos materiais. São Paulo: McGraw-Hill, 3ª ed., 1990. 521p.