Misturadores estáticos helicoidais, Quadro e Turbo: como a geometria altera a mistura

Os misturadores estáticos helicoidais, Quadro e Turbo utilizam elementos internos fixos para dividir e recombinar o fluxo dos dois componentes do adesivo. As principais diferenças estão nos percursos criados por esses elementos, no espaço necessário para uma mistura eficaz e na quantidade de material que resta depois da dosagem. Um bico mais curto pode ajudar a poupar adesivo, mas o nome do misturador, por si só, não determina a qualidade da mistura nem o custo total.

Este guia apresenta informações úteis para comparar três designs de mistura estática, identificar situações em que um menor volume retido é vantajoso e compreender um exemplo concreto. O ponto de partida é descrever o processo com o adesivo, incluindo a proporção necessária entre componentes, o comportamento do material e a qualidade da peça acabada.

Como os misturadores estáticos misturam dois componentes do adesivo

Um misturador estático é composto por elementos fixos que alteram o percurso do fluxo dos componentes. A presença dos elementos de mistura repete este processo inúmeras vezes. No entanto, é o sistema de dosagem que determina a quantidade de cada componente que atravessa os elementos. Assim, a mistura dos fluidos mantém-se separada do controlo da proporção.

Como funciona um misturador estático?

Um misturador estático utiliza elementos fixos para dividir e reposicionar o material em fluxo. Os elementos permitem misturar regiões progressivamente menores de cada componente do material. O elemento de mistura permanece imóvel. Os elementos internos utilizam a energia do fluxo do fluido para redistribuí-lo.

Imagine dois fluxos que entram lado a lado. Quando se juntam no mesmo tubo, formam uma grande interface entre si. A divisão e reorientação repetidas distribuem cada fluxo por toda a saída do misturador. Num misturador estático para líquidos, o contacto entre os componentes distribui-se por regiões mais pequenas. Em fluxo laminar, esta reorganização dos componentes é muito útil quando não há uma mistura turbulenta vigorosa. A University of Michigan ilustra este processo no seu exemplo de misturador estático.

“Energia de bombagem adicional necessária devido às perdas de pressão.”

A dosagem e a mistura são funções distintas. Numa formulação com proporção volumétrica de 2:1, o sistema de dosagem tem de fornecer essa proporção antes de o bico poder distribuir os componentes. Sem endurecedor, acrescentar elementos não substitui o endurecedor em falta. Esta distinção evita confundir um problema de mistura com um problema do cartucho ou do arranque.

Misturadores estáticos helicoidais: torções alternadas e divisão repetida

Os misturadores estáticos helicoidais utilizam elementos com forma helicoidal para conduzir o material através de uma série de elementos torcidos, normalmente com sentidos alternados. Cada mudança de orientação volta a dividir e redirecionar o material no fluxo. Esta ação repetida cria distribuições mais finas ao longo do comprimento de mistura, tornando fácil compreender o design helicoidal como uma sequência de etapas de mistura ligadas entre si.

A Nordson EFD descreve os seus elementos em espiral como torcidos em 180 graus, com as arestas de entrada e saída de elementos adjacentes perpendiculares entre si. O design dos elementos estáticos em espiral utiliza cada lâmina helicoidal para conduzir e redirecionar o fluido, enquanto a junção entre elementos altera as porções que se encontram e se separam.

O resumo de Bakker sobre um misturador estático Kenics descreve a divisão e o cisalhamento nas junções, bem como o alongamento e a dobragem nos elementos. A mistura com misturadores estáticos Kenics é uma referência útil para compreender o mecanismo, mas um misturador estático comercial para a dosagem de adesivos descartáveis pode diferir em tamanho e construção.

Compreender melhor a relação entre os elementos, o fluxo e a mistura com Kenics ajuda a perceber a importância da reorientação repetida. Na mistura laminar com misturadores em linha Kenics, é a disposição dos vários fluxos que cria novas relações entre as porções, e não um mecanismo de rotação rápida. O misturador Kenics ilustra este princípio. Para avaliar a sua utilidade, devem analisar-se as dimensões e as condições de funcionamento do bico para adesivo.

O número de elementos de mistura indicado na especificação de um bico descreve um tipo de misturador estático e as suas características de mistura. Mais elementos helicoidais proporcionam mais etapas de mistura, mas também podem alterar o comprimento, a perda de pressão e a quantidade de adesivo retida. A forma em espiral é uma característica comum; o número de referência completo da peça e o adesivo determinam se as etapas adicionais são vantajosas.

Misturadores estáticos Quadro: percursos compactos de fluxo quadrados

Os misturadores estáticos Quadro utilizam uma disposição compacta de elementos para dividir e reposicionar o material numa série de etapas. A principal vantagem possível é alcançar a distribuição necessária num conjunto mais curto. Isso pode reduzir a quantidade de adesivo retida no misturador descartado e facilitar o acesso quando o comprimento do bico é limitado.

Na descrição da tecnologia de mistura da medmix, os elementos Quadro comprimem e reorganizam os fluxos, enquanto os elementos helicoidais os redirecionam através de torções alternadas. Estas são formas de conseguir uma mistura eficaz num comprimento axial limitado. No entanto, uma carcaça exterior quadrada não caracteriza por completo o elemento no seu interior.

A análise da eficiência de mistura da Schöck também descreve uma limitação prática: as comparações favoráveis entre elementos Helix e Quadro para materiais fáceis de misturar podem mudar com proporções exigentes entre componentes e diferenças de viscosidade. A compacidade é vantajosa quando a configuração preferida produz adesivo com qualidade satisfatória ao débito estipulado. Não serve de base para comparar comprimentos sem relação entre si como se tivessem desempenho idêntico.

Misturadores estáticos Turbo: um nome de design, não uma garantia de turbulência

Os misturadores estáticos Turbo têm um design de elementos fixos. No design Turbo da Nordson EFD, elementos alternados combinam-se com inversores de fluxo intermitentes para redirecionar o material entre a parede e o centro. Esta redistribuição altera a posição do material no bico; o termo Turbo não define um regime de fluxo turbulento.

As características do fluxo dependem das propriedades do fluido, da velocidade e da geometria. Os adesivos bicomponentes viscosos podem misturar-se através da reorganização laminar sem formar um vórtice turbulento. Um rotor motorizado é um mecanismo distinto, abordado no nosso guia sobre mistura estática e dinâmica de adesivos bicomponentes.

Também é preciso ler atentamente os nomes das famílias de produtos. Por exemplo, na página Turbo da Nordson, são indicadas várias séries, juntamente com informação sobre OptiMixer. Um comparativo percentual para um determinado modelo não deve ser apresentado como garantia para toda a série. Devem comparar-se as configurações reais, as dimensões e os conjuntos de entrada dos três misturadores, sem presumir que “Turbo” indica rapidez ou qualidade de mistura.

Perda de pressão e qualidade da mistura: comparar configurações completas

Os misturadores estáticos, incluindo designs inovadores de mistura estática, devem ser comparados com o mesmo estado do material, a mesma proporção fornecida e o mesmo débito útil, utilizando uma medida de qualidade da mistura definida. Uma mistura melhor significa um resultado superior segundo essa medida, e não um nome de produto mais sonante. A perda de pressão no conjunto completo indica então a pressão necessária para alcançar esse resultado. A uniformidade da mistura e a pressão devem ser avaliadas em conjunto.

Uma perda de pressão baixa é adequada quando o sistema tem de fornecer um cordão ou uma dose especificados. No entanto, uma leitura de pressão baixa diz pouco sobre a distribuição. Uma cor uniforme do adesivo não prova que não existam estrias finas. Devem medir-se as propriedades de cura para determinar as características da junta curada. A comparação deve relacionar o fluxo com a mistura.

Imagine uma equipa a comparar um bico quadrado curto com um bico em espiral mais comprido. Poderia utilizar o mesmo cartucho, mas pontas de saída diferentes. As leituras de pressão resultantes descreveriam dois conjuntos completos, e não apenas os elementos internos. Manter iguais a saída e os pontos de medição permite isolar a questão da geometria da questão da ponta de dosagem.

Que papel desempenha a dinâmica de fluidos computacional na análise de elementos de mistura helicoidais?

As simulações de dinâmica de fluidos computacional (simulações CFD) do campo de fluxo e da disposição dos componentes num modelo de misturador definido preveem como os fluxos de material se movem no misturador e ajudam a compreender de que modo as alterações ao design podem afetar a pressão e a mistura. As comparações devem considerar a reologia, as condições de entrada, a geometria e a métrica de mistura, validando depois os resultados obtidos com medições.

A dinâmica de fluidos computacional permite compreender o comportamento interno de um sistema que não é captado por uma amostra recolhida na saída. A simulação numérica representa as condições do sistema: um modelo de tubagem com um diâmetro diferente ou um fluido diferente não representa o conjunto para adesivo. A investigação de Alberini e colegas sobre o Kenics KM esclarece a importância do design do misturador, da configuração de entrada e do método utilizado para avaliar a mistura.

Essas investigações foram realizadas com sistemas de fluidos pseudoplásticos, com diferentes reologias e condições de entrada. Os resultados foram comparados através de diferentes medidas de concentração e de estrias. Esta distinção importa ao avaliar os resultados face às medições, sobretudo no caso de um novo design de mistura estática.

Viscosidade, proporção e número de elementos: porque falham as classificações simples

A viscosidade de ambos os componentes e a respetiva proporção afetam a transformação dos fluxos num dispositivo de mistura estática. Por exemplo, um endurecedor pouco viscoso que entra numa resina mais viscosa nem sempre se distribui como dois fluidos com comportamentos semelhantes. O número de elementos de mistura, por si só, não descreve esta interação. Um número de elementos de mistura adequado para uma formulação não deve ser aplicado diretamente a outra.

Regner e colegas estudaram este comportamento numa análise numérica da proporção de viscosidades. Um modelo Lightnin Series 45 de 40 mm mostrou que o desempenho do misturador piorava com o aumento da diferença de viscosidade, enquanto se observou um comportamento diferente perto das condições em que os movimentos secundários se tornaram importantes. Os resultados mostram o comportamento do material e do campo de fluxo, e não um limite de viscosidade aplicável a outros bicos para adesivo.

O coeficiente de variação, ou CoV, representa a variação da concentração em relação à média. Descreve a distribuição da concentração num ponto de amostragem selecionado do processo. Um CoV inferior, medido com a mesma técnica, indica uma concentração mais uniforme nesse ponto; isso não significa necessariamente que os requisitos de resistência da junta colada sejam cumpridos. O espaçamento entre amostras e as dimensões das estrias restantes podem ter um papel importante no processo a jusante.

“É muito mais fiável comparar opções de misturadores com dados empíricos diretos.”

Imagine que uma linha de dosagem passa de uma formulação equilibrada para outra com um componente pouco viscoso em pequena quantidade. Manter o número de elementos anterior conserva um número de catálogo, mas não as condições de mistura anteriores. A comparação prática consiste em verificar se cada opção cumpre os mesmos requisitos de qualidade da aplicação ao débito necessário. Designs diferentes de misturadores estáticos podem exigir números diferentes de etapas de mistura.

Volume retido e custo do desperdício: exemplo de comparação

Utilizar um misturador com menor volume retido reduz o desperdício de adesivo a cada enchimento e descarte, como explica Joachim Schöck, da medmix, na sua análise do volume desperdiçado. A poupança por lote inclui o preço de compra de cada bico e o material expulso durante os arranques e recomeços. Primeiro, compare opções que cumpram os mesmos requisitos para a peça acabada; depois, calcule o desperdício e o custo dos bicos para a mesma quantidade aceite.

Exemplo: Suponha que duas configurações aprovadas produzem cada uma 1 000 peças aceites utilizando 20 bicos. Suponha que o adesivo custa $0,08/mL e que a purga total é de 100 mL para cada opção. O misturador A retém 6 mL e custa $0,60 por unidade; o misturador B retém 3 mL e custa $0,75 por unidade. Estes dados permitem estimar o custo do adesivo descartado e dos bicos para cada alternativa, excluindo mão de obra, eliminação de resíduos e peças rejeitadas.

O cálculo é: custo do lote = (número de bicos × volume retido + volume total de purga) × custo do adesivo por mL + número de bicos × preço por bico. O misturador B poupa $4,80 em adesivo retido, mas acrescenta $3,00 em compras de bicos, resultando numa poupança de $1,80 por lote.

O ponto de equilíbrio ocorre quando a poupança decorrente da menor retenção iguala o custo da purga adicional. Neste caso, a poupança líquida com a menor retenção é de $1,80 e o custo da purga adicional é de $0,08/mL. O ponto de equilíbrio é 1.80/0.08 = 22,5 mL de purga adicional em todo o lote. Se o misturador B necessitasse de 30 mL de purga adicional, o custo total seria $30,20, ou seja, $0,60 acima do custo do misturador A. Embora a menor retenção de material poupe adesivo no misturador, o custo da purga adicional elimina essa vantagem.

Por isso, a comparação do preço por unidade e a comparação do volume de adesivo retido podem produzir resultados diferentes. O valor útil para a compra é o custo da quantidade aceite, com limites de purga e número de substituições definidos.

A dosagem com paragens e arranques altera a comparação de desperdício

A dosagem com paragens e arranques acrescenta duas variáveis à comparação do volume retido. A primeira é a frequência de substituição dos misturadores. A segunda é o volume de material descartado a cada recomeço. Um bico utilizado continuamente durante um lote pode ter um custo diferente de um bico usado numa série de trabalhos curtos, separados por intervalos longos.

Uma conversa no Eng-Tips sobre trabalhos intermitentes com epóxi descreve a carga de material misturado no equipamento. Isso aplica-se mesmo quando o volume interno do bico é pequeno. O nosso guia sobre cartuchos de adesivo bicomponente aborda as etapas do processo; este artigo trata dos totais e das substituições daí resultantes.

O volume retido é diferente da distribuição dos tempos de residência. Nem todos os fluidos atravessam um misturador em linha à mesma velocidade. O estudo de Poumaëre e colegas sobre o tempo de residência analisa essa distribuição em diferentes geometrias de mistura em linha. Dividir o volume pelo caudal dá uma média nominal, não a idade de cada porção do material nem uma pausa máxima permitida universal.

A ISO 10364:2024 especifica métodos para determinar o tempo de vida útil da mistura de adesivos multicomponentes. Métodos diferentes não têm necessariamente de produzir os mesmos resultados. Para planear lotes, recomenda-se utilizar as condições de vida útil de trabalho do adesivo e o padrão real de paragens, em vez de converter o volume do bico num tempo de cura.

Da geometria à definição da aplicação

Na seleção de misturadores estáticos, a combinação do adesivo, do sistema de dosagem e do conjunto do bico deve ser considerada uma especificação candidata. A interface determina a ligação entre as peças; os elementos internos determinam o percurso de mistura. Separar estas duas decisões facilita a descrição da aplicação. Permite tratar de forma diferente alguns bicos quadrados e em espiral. É possível considerar várias configurações de mistura estática, mas um novo misturador estático continua a ter de cumprir o mesmo requisito.

A Ebestron fornece cartuchos duplos de 50 mL com proporções de 1:1, 2:1, 4:1 e 10:1. Os seus bicos de mistura por tipo de interface apresentam as opções de ligação disponíveis e a geometria interna. Os termos utilizados no guia de ligações para bicos misturadores estáticos explicam com mais detalhe a terminologia das ligações.

Numa análise da aplicação, verifique o tipo de adesivo e a base da proporção, a viscosidade de ambos os componentes à temperatura de funcionamento, o débito pretendido, a ligação ao cartucho ou ao sistema de dosagem e mistura, a pressão disponível, os requisitos da saída e as pausas previstas. O processo controlado de avaliação de tubos de mistura estática apresenta um método separado para registar os ensaios e fazer avançar uma opção candidata para produção.

Para consultar configurações disponíveis e informações de fornecimento, visite a página de soluções da Ebestron para misturadores estáticos helicoidais, Quadro e Turbo.

Perguntas frequentes

Texto de CYH.