Repensando o Hardware para Espresso: Uma Placa de Dispersão Melhor, Impressa em 3D

Na fabricação de máquinas de café expresso profissionais, um dos maiores desafios é encontrar materiais que resistam ao uso intensivo, ao calor constante e ao contato com água quente e vapor sem se degradar. Durante anos, os fabricantes recorreram a componentes usinados em metal, como o latão ou o aço inoxidável; no entanto, o uso de metais apresenta problemas de incrustação de calcário, especialmente com águas duras, e de corrosão a longo prazo, que afetam negativamente a qualidade e o sabor do café, além de aumentar a manutenção e o desgaste da máquina.

Imagem 1: Máquina de café expresso profissional. Fonte: electroluxprofessional.com.

Alternativamente, explorou-se o uso de plásticos para reduzir o problema da incrustação de calcário e da corrosão; contudo, a necessidade de suportar altas pressões e temperaturas durante ciclos prolongados de trabalho limita bastante o catálogo de plásticos compatíveis, restringindo-se a alguns poucos plásticos técnicos, como PEEK ou PPSU.

Um dos componentes que apresenta maiores desafios é a placa de dispersão das cafeteiras. Este componente é responsável por distribuir a água quente de forma uniforme sobre o café moído, o que implica em ciclos contínuos de trabalho a alta pressão e temperatura, tornando-o um dos componentes de maior desgaste. Além disso, este elemento está em contato direto com a água e o café, de modo que o uso de um material inadequado, ou a acumulação de calcário ou óxidos, pode afetar negativamente a qualidade, o sabor e o aroma do café.

A importância do material

Tradicionalmente, os materiais mais utilizados na fabricação de placas de dispersão têm sido metais, principalmente latão, aço inoxidável e alumínio anodizado.

Dentre estes, o material que melhor se adapta é o aço inoxidável 316L ou 304, pois são resistentes à corrosão, fáceis de limpar e não afetam o sabor nem o aroma do café. No entanto, o seu custo é elevado, pelo que é reservado a equipamentos de gama alta.

Outro material comum é o latão, pois o seu custo de usinagem é mais baixo do que o do aço e resiste bem ao calor. No entanto, é propenso à corrosão e à incrustação de calcário, e pode liberar partículas de óxido metálico que afetam o sabor e a qualidade do café.

Atualmente, muitos fabricantes de gama média e baixa optaram por usar alumínio anodizado na fabricação de placas de dispersão devido ao seu baixo custo e boa resistência. No entanto, assim como o latão, pode liberar partículas metálicas que afetam o sabor e a qualidade do café.

Imagem 2: Placas de dispersão fabricadas em latão e aço inoxidável. Fonte: shadesofcoffee.co.uk.

Na busca por alternativas econômicas, resistentes e que não afetem o sabor nem a qualidade do café, alguns fabricantes exploraram o uso de plásticos técnicos como alternativa aos metais na produção de placas de dispersão. O principal problema encontrado nesse enfoque é que os plásticos injetados mais econômicos e adequados para contato alimentar, como os copoliésteres, o policarbonato ou o PVDF, suportam muito poucos ciclos de trabalho antes de se deformarem devido à temperatura e à pressão, enquanto os plásticos técnicos, como o PEEK ou PPSU usinados, muitas vezes superam o custo do aço usinado.

PEN-HF e impressão 3D: uma solução simples, econômica e eficaz

Em comparação com os enfoques tradicionais, um renomado fabricante de máquinas de expresso explorou uma alternativa inovadora na fabricação de placas de dispersão plásticas, com o objetivo de obter um produto resistente, durável e que não afete o sabor nem a qualidade do café, mantendo ao mesmo tempo um baixo custo de fabricação para torná-lo acessível a todos os tipos de máquinas.

Para isso, subcontratou um service bureau para a produção de placas de dispersão por impressão 3D FFF utilizando PEN-HF, um material desenvolvido pelo fabricante FLXR Engineering.

Imagem 3: Placa de dispersão impressa em 3D com PEN-HF. Fonte: FLXR Engineering.

O naftalato de polietileno (PEN) é um poliéster semelhante ao PET em composição, mas com propriedades físicas, mecânicas e térmicas que o aproximam de outros materiais mais técnicos, como as poliamidas, o PPSU ou até mesmo o PEEK. O PEN pode suportar temperaturas de trabalho próximas a 170 ºC, apresenta maior resistência à tração e rigidez que outros poliésteres, atingindo módulos elásticos superiores a 2 GPa, oferece melhor barreira contra a permeação de gases e vapor de água e mantém excelente resistência química e compatibilidade para uso alimentar.

Colocando o material à prova

Para avaliar as novas placas de dispersão fabricadas em PEN, foi realizado um ensaio em condições reais, através de uma sucessão de 120 extrações de 30s com água a uma temperatura entre 91ºC e 96ºC e a uma pressão de 9 bares. Além disso, foi realizado o mesmo estudo com placas de dispersão impressas em 3D em PETG, PCTG, PC, PEEK e PVDF, além de placas usinadas em PPSU.

Apenas três materiais suportaram os 120 ciclos sem deformação: o PPSU, o PEEK e o PEN-HF. Outros poliésteres, como o PETG ou o PCTG, suportaram apenas 1 e 5 ciclos respectivamente, enquanto o PC resistiu a apenas 5 ciclos.

Imagem 4: Número de ciclos concluídos com sucesso antes de sofrer deformação. Fonte: FLXR Engineering.

Além disso, as peças impressas em PEN-HF não eram apenas uma alternativa funcional às placas de dispersão de PEEK ou PPSU, mas também mais competitivas em custo, reduzindo o custo entre 33% e 45% em relação ao PPSU.

Tabela 1: Comparação de custo de fabricação. Fonte: Filament2Print.com.

Vantagens além do custo

O novo processo de fabricação por impressão 3D em PEN-HF não apenas permite obter placas de dispersão duráveis, econômicas, inertes e resistentes à corrosão, mas também implica uma menor pegada de carbono, uma cadeia de fornecimento mais flexível e maior capacidade de otimização e personalização.

O PEN-HF apresenta-se como uma alternativa econômica, eficiente e mais fácil de imprimir do que outros materiais técnicos mais comuns, porém mais caros e complexos de processar. Não requer o uso de impressoras 3D industriais ou de alta temperatura, cumpre as normas europeias e FDA para aplicações em contato com alimentos e oferece resistência mecânica, térmica e química superior a qualquer outro material na sua faixa de preço.