Modelo de rede para prever propriedades estruturais de papel - Ciência e Engenharia de Materiais

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segunda-feira, 17 de outubro de 2022

Modelo de rede para prever propriedades estruturais de papel

 


Resumo: As simulações em papel que resolvem toda a estrutura microscópica da fibra são tipicamente demoradas e requerem recursos extensos. O artigo apresenta modelos de papel tridimensionais, com uma nova técnica de ligação dinâmica usada e simulações mais extensas. O modelo foi usado para simular rigidez à tração, resistência à tração, e resistência à flexão.


Historicamente, a fabricação de papel existe há milênios. Embora o papel seja antigo, o material e o processo para processar ele nunca parou de evoluir. Muita coisa aconteceu ao longo dos anos, desde a utilização de prensas de madeira a máquinas industriais. Utilizando a experimentação e desenvolvimento nas pesquisas, chegaram-se a diferentes produtos de papel com uma ampla gama de aplicações. Com o avanço da tecnologia, as simulações estão se tornando uma abordagem realista. A simulação é mais atrativa, pois permite testar novas abordagens em máquinas de tamanho industrial cada vez mais avançadas, que são caras em termos de recursos, energia e tempo. 


A análise do papel é um desafio devido à sua heterogeneidade química. Essa complexidade surge da complexa estrutura fibrosa que o papel tem no nível microscópico. Essas fibras de papel individuais são conectadas através de travamento mecânico e das forças microscópicas, que formam o papel.


Mais recentemente, estudos apresentam técnicas como modelos contínuos para análise de papel cartão e modelos de elementos finitos, que têm sido usados para modelar embalagens de papelão. Os modelos contínuos são geralmente dependentes de parâmetros baseados na estrutura do papel, que são derivados experimentalmente ou analisando as estruturas de geometrias do papel simulado. Outra abordagem para os modelos contínuos é simular toda a microestrutura do papel modelando as fibras individuais.


O modelo de papel usado neste trabalho foi desenvolvido para ser simples e eficiente. Sendo modelos de rede linear e modelos de ligações como elementos de viga, que têm a mesma abordagem para simulações de força/resistência. O autor apresenta os vínculos que são modelados como múltiplos elementos de viga. Com isso, o trabalho do autor visou avaliar a utilidade de uma abordagem baseada em fibra simplificada e computacionalmente ampla.


O artigo mostrou que o modelo pôde produzir resultados representativos para resistência à flexão, rigidez à tração, e resistência à tração na máquina e na direção transversal usando o modelo de rede linear proposto. Os resultados experimentais validaram a precisão de modelos para uma variedade de folhas de baixa gramatura, onde a validação é reforçada pela comparação dos resultados simulados com as previsões usando modelos contínuos. 


Além disso, as simulações foram realizadas várias vezes pelo autor para diferentes modelos gerados para validar a estabilidade das abordagens. A natureza simplificada do modelo permite uma validação rápida de propriedades em macroescala em um computador comum. Esses recursos e tempos de simulação são acessíveis para um desenvolvedor de papel na indústria e pode atuar como uma ferramenta intermediária entre as empresas de fabricação de papel.


Por fim, o artigo de estudo propôs um modelo linear baseado em rede, que foi apresentado para simular o comportamento mecânico de diferentes tipos de papéis. O modelo em rede pode prever rigidez à tração, resistência à tração e resistência à flexão para a direção da máquina e transversal direção para os diferentes papéis de baixa gramatura. Além disso, os resultados apresentados pelos autores foram consistentes com a teoria apresentada ao longo do artigo, o que aumenta a chance de implementação em empresas papeleiras simplificando o processo, e diminuindo os problemas encontrados no início do texto como recursos de energia, tempo e dinheiro.




Referência:
M. Gortz, G. Kettil, A. Malqvist, M. Fredlund, K. Wester, F. Edelvik. "Network model for predicting structural properties of paper" Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2022. https://doi.org/10.1515/npprj-2021-0079.


Redação: Rafael Andrade Taveira - Engenharia de Materiais - UNILA