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MATRIZES MATRIZES Profa. Rachel Nasser Profa. Rachel Nasser Curso Técnico em Polímeros Curso Técnico em Polímeros CAMPUS DUQUE DE CAXIAS

Matrizes 3

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Page 1: Matrizes 3

MATRIZESMATRIZES

Profa. Rachel NasserProfa. Rachel NasserCurso Técnico em PolímerosCurso Técnico em Polímeros

CAMPUS DUQUE DE CAXIAS

Page 2: Matrizes 3

MatrizesMatrizes Instaladas ao final da extrusora com a função de Instaladas ao final da extrusora com a função de conformarconformar

e produzir e produzir gradiente de pressãogradiente de pressão. . BidimensionaisBidimensionais: com variações geométricas no sentido : com variações geométricas no sentido

transversal ao fluxo (x e y)transversal ao fluxo (x e y) A função da matriz é distribuir o polímero fundido através A função da matriz é distribuir o polímero fundido através

de canais, no formato desejado garantindo uniformidade de de canais, no formato desejado garantindo uniformidade de dimensões, homogeneidade de temperatura e balanço do dimensões, homogeneidade de temperatura e balanço do fluxo volumétrico.fluxo volumétrico.

Page 3: Matrizes 3

PARTES DA MATRIZPARTES DA MATRIZ– DistribuidorDistribuidor: canais para a distribuição homogênea do fluxo. : canais para a distribuição homogênea do fluxo.

Desnecessários no caso de perfis simétricos (dimensões x e Desnecessários no caso de perfis simétricos (dimensões x e y próximas) e menores que o diâmetro da rosca. Filmes y próximas) e menores que o diâmetro da rosca. Filmes planos têm distribuidor.planos têm distribuidor.

– Canais de convergênciaCanais de convergência: convergir o fluxo de fundido para o : convergir o fluxo de fundido para o paralelo da matriz e lábios. Se não houver distribuidor ficam paralelo da matriz e lábios. Se não houver distribuidor ficam logo após a rosca.logo após a rosca.

– Paralelo e lábios:Paralelo e lábios: os paralelos controlam o inchamento do os paralelos controlam o inchamento do extrudado, estabilizam o fluxo, homogeneizam ou diferenciam extrudado, estabilizam o fluxo, homogeneizam ou diferenciam temperatura, os lábios podem ter dispositivos para regular a temperatura, os lábios podem ter dispositivos para regular a espessura do produto final, ser lubrificados, arredondados.espessura do produto final, ser lubrificados, arredondados.

Page 4: Matrizes 3

REQUISITOS PARA A MATRIZREQUISITOS PARA A MATRIZ

Criar queda de pressão (Criar queda de pressão (ΔΔP) P) Inclinações suavesInclinações suaves Não podem existir pontos mortosNão podem existir pontos mortos Produzir baixas tensõesProduzir baixas tensões Minimizar emendas ou linhas de soldasMinimizar emendas ou linhas de soldas

Page 5: Matrizes 3

Irregularidades dimensionais do Irregularidades dimensionais do extrudadoextrudado

Page 6: Matrizes 3

Distribuição de fluxoDistribuição de fluxo É necessário que o fluxo se distribua uniformemente É necessário que o fluxo se distribua uniformemente

pela matriz.pela matriz. Uma matriz com diferentes espessuras ao longo da Uma matriz com diferentes espessuras ao longo da

direção x, exige um balanceamento adequado da direção x, exige um balanceamento adequado da geometria dos canais. O polímero tem preferência por geometria dos canais. O polímero tem preferência por escoar pela região mais espessa H.escoar pela região mais espessa H.

Vm Vm αα h h22 Q Q αα h h33

A equação da lei das potências mostra que quanto A equação da lei das potências mostra que quanto maior o afinamento do fluido por cisalhamento, maior maior o afinamento do fluido por cisalhamento, maior a tendência do material fluir pelas regiões mais a tendência do material fluir pelas regiões mais espessas da matriz.espessas da matriz.

Page 7: Matrizes 3

Matriz de perfil assimétricoMatriz de perfil assimétrico

É necessário o balanceamento do fluxo para que a vazão fique uniforme em cada uma das diferentes partes

Page 8: Matrizes 3

Principais tipos de matrizesPrincipais tipos de matrizes

Planas (flat dies): chapas, filmes planos e Planas (flat dies): chapas, filmes planos e fitas, entre outros.fitas, entre outros.

Anelares (annular dies): para a fabricação Anelares (annular dies): para a fabricação de filmes tubulares e tubos.de filmes tubulares e tubos.

Perfis (profile dies): gaxetas, rodapés, Perfis (profile dies): gaxetas, rodapés, batentes, molduras e forros.batentes, molduras e forros.

Para recobrimento: fios, cabos e perfis de Para recobrimento: fios, cabos e perfis de aço.aço.

Page 9: Matrizes 3

Matrizes planasMatrizes planas

Devido a elevada viscosidade dos Devido a elevada viscosidade dos polímeros são necessárias elevadas polímeros são necessárias elevadas pressões para que fluam pela matriz pressões para que fluam pela matriz estreita. Essas pressões tendem a separar estreita. Essas pressões tendem a separar as placas (superior e inferior).as placas (superior e inferior).

As placas devem ter espessuras suficientes As placas devem ter espessuras suficientes para impedir o seu empenamento, o que para impedir o seu empenamento, o que alteraria a espessura do produto.alteraria a espessura do produto.

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Matrizes PlanasMatrizes Planas

As matrizes planas sofrem elevadas pressões sobre as placas de montagem do seu corpo Os parafusos que unem as placas devem resistir

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Matriz planaMatriz plana

@ Construídas em aço ferramenta com geometria interna  específica para cada polímero. @ As matrizes planas de extrusão  (flat-die) são indicadas para laminar PVC, Polietileno Tereftalato (PET), polipropileno  (PP), Poliestireno (PS) , Polietileno (PEAD e PEBD) e ABS. @ Fabricadas nas larguras de 250mm a 3500mm e espessura de chapa de 0,20mm  a 40mm. @ Matrizes planas com opção também com duas ou três camadas ou cores. Com barra de restrição interna ou sem barra interna.

Page 12: Matrizes 3

Seções das Matrizes planasSeções das Matrizes planas Canal de Alimentação (distribuição):Canal de Alimentação (distribuição): canal canal

profundo, ocupa o sentido transversal, tem como profundo, ocupa o sentido transversal, tem como função distribuir o material ao longo da largura da função distribuir o material ao longo da largura da matriz a partir da entrada (portal circular).matriz a partir da entrada (portal circular).

Estrangulador ou restritor:Estrangulador ou restritor: afunilamento do afunilamento do material, tem espessura pequena, promover o material, tem espessura pequena, promover o fluxo uniforme, distribuição homogênea na fluxo uniforme, distribuição homogênea na largura, os diferentes tipos de matriz plana são em largura, os diferentes tipos de matriz plana são em função do formato do estrangulador.função do formato do estrangulador.

Page 13: Matrizes 3

Câmera de relaxação:Câmera de relaxação: são seções mais espessas são seções mais espessas que a anterior e se localizam após o restritor, que a anterior e se localizam após o restritor, ocorre redução na velocidade de fluxo e na tensão ocorre redução na velocidade de fluxo e na tensão de cisalhamento. Relaxar as tensões do de cisalhamento. Relaxar as tensões do estrangulador.estrangulador.

Lábios:Lábios: seção final da matriz, tem a função de seção final da matriz, tem a função de ajustar a espessura do filme, ideal que sejam ajustar a espessura do filme, ideal que sejam ajustáveis, corrige pequenos defeitos de ajustáveis, corrige pequenos defeitos de espessura.espessura.

Seções das Matrizes planasSeções das Matrizes planas

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Seções das Matrizes planasSeções das Matrizes planas

Deve espalhar o polímero fundido e gerar uma espessura uniforme. Para tal é necessário existir:- Canal apropriado para a massa fluir,- Ajuste dos lábios,- Controle fino de temperatura do corpo da matriz.

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Tipos de matrizes planasTipos de matrizes planas Em forma de TEm forma de T: largamente utilizada na indústria : largamente utilizada na indústria

para recobrimentos, ideal para polímeros de para recobrimentos, ideal para polímeros de baixa viscosidade e alto índice de fluidez.baixa viscosidade e alto índice de fluidez.

Possui uma seção de alimentação com Possui uma seção de alimentação com formato circular e largaformato circular e larga

Sem câmera de relaxação

Page 16: Matrizes 3

Tipos de matrizes planasTipos de matrizes planas Em forma de cabide:Em forma de cabide: distribuidor com formato de distribuidor com formato de

gota e redução gradativa dos centros para a gota e redução gradativa dos centros para a borda.borda.

Tem a tendência de formar filmes mais Tem a tendência de formar filmes mais espessos no centro, necessitando de lábios com espessos no centro, necessitando de lábios com ajuste modular.ajuste modular.

Podem apresentar a placa superior lisa.Podem apresentar a placa superior lisa.

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Formatos das câmerasFormatos das câmeras

(a)Preferida para coextrusão(b) e (f) Para filmes de PP e PS(c) e (d) Ideais porém com alto custo de ferramental(e) Preferida para filmes monocamadas

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Dimensões das seçõesDimensões das seções

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Dimensões das SeçõesDimensões das Seções

O dimensionamento dos canais está O dimensionamento dos canais está relacionado com:relacionado com:– Tipo do polímeroTipo do polímero– Tamanho do produto finalTamanho do produto final– Produtividade desejadaProdutividade desejada

São utilizados programas de computador São utilizados programas de computador para auxiliar no projeto das matrizes, para para auxiliar no projeto das matrizes, para que o fluxo seja uniforme compensando os que o fluxo seja uniforme compensando os diferentes caminhos a percorrer.diferentes caminhos a percorrer.

Page 20: Matrizes 3

Controle de espessuraControle de espessura

Mesmo quando bem projetada a matriz, podem Mesmo quando bem projetada a matriz, podem ocorrer variações de espessura por pequenas ocorrer variações de espessura por pequenas variações de temperatura ou grade de polímero.variações de temperatura ou grade de polímero.

É necessário um ajuste fino da espessura através É necessário um ajuste fino da espessura através da regulagem dos lábios (principalmente para da regulagem dos lábios (principalmente para matrizes maiores que 30 cm de largura).matrizes maiores que 30 cm de largura).

Em certos tipos de matriz pode-se regular a Em certos tipos de matriz pode-se regular a espessura na região de estrangulamento, espessura na região de estrangulamento, controlando a preferência do fluxo.controlando a preferência do fluxo.

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Regulagem dimensional (espessura Regulagem dimensional (espessura e largura)e largura)

Distanciadores:Distanciadores: controla a controla a borda do filme ou chapa. borda do filme ou chapa. Regulam a largura do filme e Regulam a largura do filme e geram bordas arredondadas e geram bordas arredondadas e isentas de ondulações. Nunca isentas de ondulações. Nunca deve exceder 25% da largura deve exceder 25% da largura da matriz. São reguláveis e da matriz. São reguláveis e podem ser eliminados quando podem ser eliminados quando necessário. Por ex., para necessário. Por ex., para polímeros termicamente polímeros termicamente degradáveis não é desejado degradáveis não é desejado devido ao maior cisalhamento devido ao maior cisalhamento na região podendo causar na região podendo causar degradação.degradação.

Page 22: Matrizes 3

Puxadores: Puxadores: após o produto emergir da após o produto emergir da matriz plana é puxado, promove matriz plana é puxado, promove estiramento, minimiza efeitos de die-swell e estiramento, minimiza efeitos de die-swell e promove orientação (aumento da promove orientação (aumento da resistência mecânica e resistência a resistência mecânica e resistência a permeabilidade).permeabilidade).

Regulagem dimensional (espessura Regulagem dimensional (espessura e largura)e largura)

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Matrizes para filmes tubulares ou Matrizes para filmes tubulares ou anelaresanelares

Simetria radialSimetria radial Exige um Exige um “mandril”“mandril” interno interno O fluxo sai da extrusora na forma de tarugo O fluxo sai da extrusora na forma de tarugo

e deve ser moldado na forma anelare deve ser moldado na forma anelar O diferencial entre os tipos de matrizes O diferencial entre os tipos de matrizes

anelares está na forma de adaptação do anelares está na forma de adaptação do mandrilmandril

Page 24: Matrizes 3

Tipos de matrizes anelaresTipos de matrizes anelares Mandril fixado por cruzetasMandril fixado por cruzetas (a) Corpo da matriz

(b) Mandril(c) Cruzeta tipos pernas de

aranha – hastes 3 a 12 (8)(d) Cruzetas tipo placas

perfuradas – anulam a linha de solda (alto cisalhamento ao passar pelos furos, após recuperação elástica)

(e) Lábios – reguladores ou estabilizadores de espessura.

(f) Corte B-B mostra a cruzeta convencional (1)(2) Haste desenhada para gerar alto cisalhamento permitindo ao polímero sofrer alta deformação (D) em seguida relaxamento (R) – ameniza linha de solda.

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Tipos de CruzetasTipos de Cruzetas-Podem variar em função do tamanho da matriz ou tipo de polímero-As dimensões das cruzetas devem variar em função das pressões exercidas dentro da matriz-Ocorre desgaste devido a elevadas taxas de fricção.

(a) Cruzeta em oito hastes – spider legs(b) Cruzeta convencional – comumente utilizada em matrizes pequenas (Ø < 50 mm) (c) Cruzeta com hastes tangenciando o mandril com o intuito de espalhar melhor a

linha de solda(d) Suporte da cruzeta com placa perfurada(e) Mandril fixado por placa com furos estrategicamente dimensionados

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Tipos de matrizes anelaresTipos de matrizes anelares Mandril fixado por cilindro perfuradoMandril fixado por cilindro perfurado

(a) Corpo(b) Mandril(c) Cilindro perfurado fixado na base da matriz(d) Lábios reguladores de espessura(e) Sistema centralizador

A mudança de fluxo leva a maior homogeinização da linha de solda e efeitos de relaxação devido aos furos (Ø 2 a 5 mm)O fluxo muda duas vezes de direção criando zonas de baixa velocidade

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Tipos de matrizes anelaresTipos de matrizes anelares

Mandril fixado diretamente na base do corpoMandril fixado diretamente na base do corpo

(a) Corpo(b) Mandril fixado no corpo(c) Alimentação lateral – o fluido abraça ou

envolve o mandril de forma ascendente, criando uma junção do lado oposto

(d) Lábios reguladores de espessura(e) Região da linha de solda

É possível controlar o fluxo pelo ângulo α dos canais e minimizar a linha de solda

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Tipos de matrizes anelaresTipos de matrizes anelares Matrizes espiraladasMatrizes espiraladas

(a) Envolvendo o mandril(b) Alimentação lateral

- Ocorrência de linha de solda- Aumentar o paralelo da matriz ou seja, o comprimento da mesma após passar pela cruzeta.

CANAIS ESPIRAIS- Aumentam o caminho do fundido até a saída da matriz e induz fluxo multidirecional- Podem ser em números variados e contornar parcial ou totalmente o mandril.

Page 29: Matrizes 3

Requisitos para o bom funcionamento da Requisitos para o bom funcionamento da matriz com espiraismatriz com espirais

Espessura final do perfil regulável na saída Espessura final do perfil regulável na saída da matrizda matriz

Existência de lábios após o mandril, para Existência de lábios após o mandril, para corrigir flutuações na vazão causada pelos corrigir flutuações na vazão causada pelos canais espiraladoscanais espiralados

Cálculo dimensional dos canais, mandril e Cálculo dimensional dos canais, mandril e corpo da matriz para garantir fluxo uniforme.corpo da matriz para garantir fluxo uniforme.

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O controle de temperatura é feito individualmente para cada região.Tudo é dimensionado através de cálculos: taxa de fluxo, temperatura, queda de pressão...

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Matriz para perfisMatriz para perfis

Têm formato específico com espessura Têm formato específico com espessura maior que 1000 maior que 1000 µm, ou seja, não é filmeµm, ou seja, não é filme

Podem ser simétricos ou assimétricosPodem ser simétricos ou assimétricos Ex.: chapas, tubos, gaxetas, tarugos, Ex.: chapas, tubos, gaxetas, tarugos,

canudos, cintas.canudos, cintas. Matrizes para perfis assimétricos são Matrizes para perfis assimétricos são

chamadas de chamadas de “matrizes para perfis”“matrizes para perfis”, são as , são as mais elaboradas.mais elaboradas.

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Matrizes para perfisMatrizes para perfis

-As matrizes para perfis são divididas em áreas com dimensões x e y diferentes-O problema mais crítico é o balanço do fluxo entre as diferentes regiões-O polímero fundido tende a fluir pela região mais espessa-A espessura z é regulada de forma a balancear o fluxo

“O projeto de matrizes assimétricas não segue um regra única, vai da experiência do projetista em um jogo de tentativa e erro. A utilização de programas de computador que auxiliam o projeto das matrizes tem reduzido as dificuldades.”

Page 33: Matrizes 3

Alterar a relação dos paralelos (L) entre as Alterar a relação dos paralelos (L) entre as diferentes regiões para modificar a diferença de diferentes regiões para modificar a diferença de pressão (pressão (ΔΔPz)Pz)

Diferenciando a geometria logo antes da saída do Diferenciando a geometria logo antes da saída do material (lábios) em cada região assimétrica. material (lábios) em cada região assimétrica. Pode aparecer fluxo transversal prejudicando Pode aparecer fluxo transversal prejudicando propriedades.propriedades.

Para que o fluxo assuma velocidade média igual Para que o fluxo assuma velocidade média igual em todas as regiões, a relação vazão/área deve em todas as regiões, a relação vazão/área deve ser igual.ser igual.

Matrizes para perfisMatrizes para perfis

Page 34: Matrizes 3

Cálculo da vazão (Q) – Perfis complexosCálculo da vazão (Q) – Perfis complexos

Para simplificar a equação de cálculo de vazão Para simplificar a equação de cálculo de vazão para figuras com formatos muito complexos.para figuras com formatos muito complexos.

O fator F é obtido através de tabelas ou gráficos, em livros e manuais.

Page 35: Matrizes 3

Cálculo da vazão (Q) – Perfis complexosCálculo da vazão (Q) – Perfis complexos

Após calcular a vazão para cada uma das diferentes formas ou divisões, basta igualar as vazões pelas diferentes áreas ocupadas.

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Cálculo da vazão (Q) – Perfis complexosCálculo da vazão (Q) – Perfis complexos ExemplosExemplos

- Deve-se encontrar LA, LB, LC e LD (LC = LD)- Basta dimensionar um dos valores de L para que os demais sejam fornecidos.

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Page 40: Matrizes 3

Efeito do IE sobre o dimensionamento Efeito do IE sobre o dimensionamento da matrizda matriz

O grau de IE varia também com as variáveis do processo T, ΔP, Q, coeficiente de atrito, tipo de polímero

Page 41: Matrizes 3

COEXTRUSÃOCOEXTRUSÃO

Para produtos que necessitam de Para produtos que necessitam de propriedades de vedação (barreira) à propriedades de vedação (barreira) à umidade, COumidade, CO22, ou a O, ou a O22, boa resistência ao , boa resistência ao impacto e à tração e bom aspecto visualimpacto e à tração e bom aspecto visual

São filmes com São filmes com mais de uma camada mais de uma camada de de polímeros distintos ou não. polímeros distintos ou não.

Empregado principalmente no ramo de Empregado principalmente no ramo de embalagens.embalagens.

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COEXTRUSÃOCOEXTRUSÃO

As camadas podem ser classificadas em:As camadas podem ser classificadas em:

– camadas de acabamentocamadas de acabamento: geralmente externas, devem proporcionar : geralmente externas, devem proporcionar caraterísticas como brilho, transparência, capacidade de impressão ou caraterísticas como brilho, transparência, capacidade de impressão ou capacidade de soldagem;capacidade de soldagem;

– camadas de estruturacamadas de estrutura: devem possuir boas propriedades mecânicas, como : devem possuir boas propriedades mecânicas, como resistência ao impacto, resistência à tração, além de características resistência ao impacto, resistência à tração, além de características especiais, como, por exemplo, capacidade de encolhimento (filmes especiais, como, por exemplo, capacidade de encolhimento (filmes encolhíveis);encolhíveis);

– camadas de barreiracamadas de barreira: diminuem a permeabilidade do filme à umidade, : diminuem a permeabilidade do filme à umidade, oxigênio, gás carbônico e outros gases (EVOH, PA, PET e PVDC).oxigênio, gás carbônico e outros gases (EVOH, PA, PET e PVDC).

– camadas de adesãocamadas de adesão: como nem todos os materiais usados em camadas : como nem todos os materiais usados em camadas estruturais são compatíveis alguns materiais usados em camadas de função, estruturais são compatíveis alguns materiais usados em camadas de função, utiliza-se entre os dois uma camada de material com excelente adesão com utiliza-se entre os dois uma camada de material com excelente adesão com ambos; ambos;

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Matriz para extrusão multicamadaMatriz para extrusão multicamada

Matrizes planasMatrizes planas– Diferentes canais levam os diferentes polímeros até os Diferentes canais levam os diferentes polímeros até os

lábios da matriz.lábios da matriz.– É sempre nos paralelos dos lábios que ocorre a junção É sempre nos paralelos dos lábios que ocorre a junção

final de todas as camadas.final de todas as camadas.– A mistura dos polímeros pode ocorrer por elevada A mistura dos polímeros pode ocorrer por elevada

temperatura ou junção antecipada.temperatura ou junção antecipada.– O comprimento dos paralelos depende da viscosidade e O comprimento dos paralelos depende da viscosidade e

temperatura de chegada de cada polímero. Deve ser o temperatura de chegada de cada polímero. Deve ser o suficiente para garantir boa adesão.suficiente para garantir boa adesão.

– As quedas de pressões ao longo dos canais devem ser As quedas de pressões ao longo dos canais devem ser as mesmas para que possa ocorrer a junção do fluxo as mesmas para que possa ocorrer a junção do fluxo sem preferência para o fluxo de uma das linhas.sem preferência para o fluxo de uma das linhas.

– As matrizes planas para coextrusão têm distribuição, As matrizes planas para coextrusão têm distribuição, restritor, relaxador e lábios. Os lábios são comuns para restritor, relaxador e lábios. Os lábios são comuns para todas as camadas.todas as camadas.

Page 44: Matrizes 3

Matrizes anelaresMatrizes anelares– Os mandris são ocos e colocados um dentro Os mandris são ocos e colocados um dentro

do outro de forma a produzir canais individuais.do outro de forma a produzir canais individuais.– Os mandris podem ser espiralados ou não.Os mandris podem ser espiralados ou não.– Aqui a junção também ocorre nos lábios. Os Aqui a junção também ocorre nos lábios. Os

paralelos dos lábios devem ter o comprimento paralelos dos lábios devem ter o comprimento suficiente para tal.suficiente para tal.

Matriz para extrusão multicamadaMatriz para extrusão multicamada