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 degradarem. Durante anos, os fabricantes recorreram a componentes usinados em metal como latão ou aço inoxidável. No entanto, o uso de metais apresenta problemas como o acúmulo de calcário, especialmente com o uso de águas duras, e a corrosão a longo prazo, o que afeta negativamente a qualidade e o sabor do café, além de aumentar a manutenção e o desgaste da máquina.

Imagem 1: Cafeteira expresso profissional. Fonte: electroluxprofessional.com.

Como alternativa, explorou-se o uso de plásticos para reduzir o problema de acúmulo de calcário e corrosão. No entanto, a necessidade de suportar altas pressões e temperaturas durante ciclos prolongados de trabalho limita muito o catálogo de plásticos compatíveis, reduzindo-se a alguns plásticos técnicos como o PEEK ou o PPSU.

Um dos componentes que apresenta maiores desafios é a placa de dispersão das cafeteiras. Este componente é responsável por distribuir uniformemente a água quente sobre o café moído, o que implica ciclos contínuos de trabalho sob alta pressão e temperatura, sendo assim um dos componentes mais sujeitos ao 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 o acúmulo 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 são metais, principalmente latão, aço inoxidável e alumínio anodizado.

Dentre esses, 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 ou o aroma do café. No entanto, seu custo elevado os torna exclusivos para equipamentos de alto padrão.

Outro material comum é o latão, devido ao seu custo de usinagem mais baixo que o do aço e à boa resistência ao calor. No entanto, é propenso à corrosão e ao acúmulo de calcário, podendo liberar partículas de óxido metálico que afetam o sabor e a qualidade do café.

Atualmente, muitos fabricantes de médio e baixo padrão 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 têm explorado o uso de plásticos técnicos como alternativa aos metais na produção de placas de dispersão. O principal problema encontrado nessa abordagem é que os plásticos injetados mais econômicos adequados para contato com alimentos, como os copoliésteres, o policarbonato ou o PVDF, suportam poucos ciclos de trabalho antes de se deformarem devido à temperatura e à pressão, enquanto os plásticos técnicos como o PEEK ou PPSU usinados superam em muitos casos o custo do aço usinado.

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

Em contraste com abordagens tradicionais, um fabricante renomado de máquinas 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 um baixo custo de fabricação para torná-lo acessível a todos os tipos de máquinas.

Para isso, terceirizou 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 mais próximas de materiais técnicos como as poliamidas, o PPSU ou mesmo o PEEK. O PEN pode suportar temperaturas de trabalho próximas de 170 ºC, apresenta resistência à tração e rigidez superiores a outros poliésteres, com módulo elástico acima de 2 GPa, oferece melhor barreira à permeação de gases e vapor de água, e mantém excelente resistência química e compatibilidade com uso alimentar.

Colocando o material à prova

Para avaliar as novas placas de dispersão fabricadas em PEN, foi realizado um teste em condições reais, com uma sequência de 120 extrações de 30s com água a temperaturas entre 91 ºC e 96 ºC e pressão de 9 bares. O mesmo teste foi realizado com placas de dispersão impressas em 3D com PETg, PCTG, PC, PEEK e PVDF, além de placas usinadas em PPSU.

Apenas três materiais suportaram os 120 ciclos sem deformação: PPSU, PEEK e PEN-HF. Outros poliésteres como PETg e PCTG suportaram apenas 1 e 5 ciclos, respectivamente, enquanto o PC resistiu apenas a 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 apenas representavam uma alternativa funcional às placas de dispersão de PEEK ou PPSU, mas também ofereciam um custo mais competitivo, 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 com PEN-HF não apenas permite obter placas de dispersão duráveis, econômicas, inertes e resistentes à corrosão, mas também resulta em menor pegada de carbono, cadeia de suprimentos mais flexível e maior capacidade de otimização e personalização.

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