Como se fazem cápsulas para café?

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Como se fazem cápsulas para café? Equipa: 1M6_02 António Luís Pina Rocha Oliveira, nº 120504073 Bruno Filipe Videira Martins Ramos, nº 120504038 João Pedro Mouteira Guerreiro Romero Antelo, nº 120504119 Mário Jorge da Silva Gomes Pereira Correia, nº 120504134 Supervisor: Prof. Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte Monitor: Marieta de Sousa Rocha 2012/2013 22/Out./2012

Resumo O trabalho inicia-se com a apresentação do conteúdo de uma cápsula, o café. O café é uma bebida produzida a partir dos grãos torrados do fruto do cafeeiro. Por sua vez, os grãos de café libertam-se do fruto da árvore de café por via seca ou húmida, existindo assim dois tipos de grãos de café. Os principais países produtores de café são o Brasil, o Vietname e a Etiópia, sendo que esta última nação foi a pioneira na utilização de café. Posteriormente, dá-se a conhecer o longo caminho percorrido pelos apreciadores de café desde o consumo de folhas e frutos da árvore de café, até à criação da primeira máquina de café no século XVIII, passando pelo momento em que se iniciou a ingestão do café por meio de infusão. A utilização das cápsulas para café apenas foi iniciada no final do século XX, por Eric Favre. Esta ideia proveio do seu desejo de poder desfrutar do melhor café, encontrado na cidade de Roma, na sua própria casa. Os materiais utilizados para pôr em prática a ideia de Eric Favre foram o alumínio, o polipropileno e o papel de filtro. Estes materiais foram escolhidos uma vez que preservam as melhores qualidades dos diferentes tipos de café, conservam o sabor do mesmo e são reutilizáveis, o que é favorável para o ambiente. Os processos de fabrico destes três tipos de cápsulas são bastante distintos, o que também acontece com os respetivos processos de enchimento. Na produção de cápsulas de alumínio e de polipropilenos os processos utilizados são a moldagem por injeção e a termoformação, enquanto no caso das cápsulas de papel de filtro, o processo escolhido é a prensagem. Quanto aos processos de enchimento, no caso das cápsulas de alumínio e de polipropileno é utilizada uma máquina específica, a ATF23-CC, enquanto para as cápsulas de papel de filtro é utilizada a máquina CA1. I

Agradecimentos Gostaríamos de agradecer, em primeiro lugar, à Professora Teresa Duarte, nossa orientadora, e à Marieta Rocha, nossa monitora, pela incansável ajuda prestada ao longo das aulas de Projecto FEUP, onde se mostraram sempre disponíveis a tirar todas as dúvidas que surgissem e a responder a todas as perguntas colocadas. Por outro lado, gostaríamos também de agradecer à própria instituição de ensino, a FEUP, pela disponibilização de uma unidade curricular como Projecto FEUP, que nos fez abordar um tema nunca antes trabalhado por nenhum de nós e que permitiu também estreitar relações pessoais que futuramente nos ajudarão no nosso percurso académico. II

Índice 1- Introdução... 1 2- Tipos de café... 2 3- Principais produtores de café... 4 4- A evolução do modo de beber e preparar café... 5 5- História das cápsulas... 6 6- Materiais... 7 a. Alumínio... 7 b. Polipropileno... 8 c. Papel de Filtro... 8 7- Processos de fabrico das cápsulas de café... 9 a. Cápsulas de Alumínio ou Plástico... 9 i. Processos de Fabrico... 9 1. Moldagem por Injeção... 10 2. Termoformação... 11 ii. Processo de Enchimento... 12 b. Cápsulas de Papel de Filtro... 14 i. Processo de Fabrico... 14 1. Prensagem... 14 ii. Processo de Enchimento... 15 8- Conclusões... 16 9- Referências Bibliográficas... 17 III

Introdução Este relatório foi realizado pela equipa 1M6_02 na unidade curricular Projeto FEUP sobre o tema Como se fazem cápsulas de café?. Esta unidade curricular tem como principal objetivo a adaptação dos novos estudantes a uma nova realidade e ao início de uma das mais importantes etapas da sua vida, relacionada com a entrada num novo espaço educativo diferente dos vivenciados anteriormente. Este relatório é o primeiro realizado durante o percurso académico, por consequência pretende-se apreender novos instrumentos e estratégias para a realização de futuros relatórios. Este trabalho terá como base o conteúdo de uma cápsula de café, os materiais utilizados na sua constituição e os processos de fabrico destas cápsulas. A estrutura deste relatório mantém as bases de um relatório tradicional, apresentando um resumo, onde se descreve de forma compacta aquilo que foi tratado e trabalhado no decorrer deste trabalho, um índice e uma introdução. Para além disto, apresenta um desenvolvimento, isto é, o corpo principal do relatório, onde se aborda e desenvolve o tema do trabalho, Como se fazem cápsulas de café?. Ao longo do desenvolvimento aborda-se temas como o café, os diferentes tipos deste e os seus principais produtores. Para além disso, dá-se a conhecer os três tipos de cápsulas mais usuais, as de alumínio, polipropileno e papel de filtro, assim como os processos de fabrico destas. Por fim, apresenta uma conclusão acerca de todo o trabalho realizado e uma síntese bibliográfica. Com a realização deste relatório, pretende-se desenvolver novas técnicas de pesquisa e tratamento de informação e tomar conhecimento de alguns materiais que serão estudados ao longo do curso de Engenharia Mecânica. 1

Tipos de café A maioria das árvores de café cresce em áreas com climas subtropicais a cerca de 2000 metros acima do nível do mar. Cada árvore de café (fig.1) contém cerca de 4000 grãos de café, em que cada um deve ser recolhido à mão e não através de outros meios tecnológicos. A escolha dos grãos é feita de duas maneiras: através do processo de via seca e do processo de via húmida.[1] A via seca consiste em deixar os frutos ao sol a secar, enquanto a via húmida consiste em deixar os grãos saírem do fruto graças à imersão destes, sendo necessário deixar secar, de seguida, os grãos ao sol. [1] Fig.1 Árvore de café [A] Após a escolha dos melhores grãos, estes são enviados para serem posteriormente torrados, permanecendo verdes até essa fase. Neste mundo existem duas variedades diferentes de café: a Robusta e a Arábica (fig.2).[1] Fig.2 Diferentes tipos de café [B] 2

A variedade Robusta constitui cerca de 40 % da produção mundial de café. Graças à sua elevada resistência ao calor e às doenças, apresenta maior facilidade em crescer comparativamente com a variedade Arábica. É um tipo de café barato e que apresenta um forte sabor.[1] A variedade Arábica, contrariamente à Robusta, apresenta uma baixa resistência a pragas, doenças e condições meteorológicas, o que lhe confere um preço mais alto. Apresenta um sabor muito delicado e não tão forte quanto a variedade Robusta, constituindo cerca de 60% da produção mundial de café. [1] No entanto, existem em todo o mundo mais de 6 mil variantes de grãos de café destas duas qualidades, onde apenas 25 são consideradas principais. O mapa seguinte (fig.3) ilustra a distribuição da produção destas duas qualidades de café. A verde-escuro encontram-se os países produtores da qualidade Robusta, a amarelo os países produtores da qualidade Arábica e a verde-claro os produtores de ambas as qualidades. - Robusta - Os dois - Arábica Fig.3 Mapa da distribuição da produção dos diferentes tipos de café [C] 3

Principais produtores de café Em 2011, os principais produtores de café foram: 1. Brasil - 43.484 milhares de sacos 2. Vietname - 18.500 milhares de sacos 3. Etiópia - 9.804 milhares de sacos 4. Indonésia - 8.750 milhares de sacos 5. Colômbia - 8.500 milhares de sacos 6. India - 5.370 milhares de sacos 7. Perú - 5.000 milhares de sacos 8. México - 4.500 milhares de sacos 9. Honduras - 4.300 milhares de sacos 10. Guatemala - 3.450 milhares de sacos Fig.4 Saco de café [D] Cada um destes sacos (fig.4) corresponde a 70 kg de café. [2] Para além dos países acima referidos, houve outras nações que também contribuíram em grande escala na produção de café: África: Camarões, Costa do Marfim, Quénia, Tanzânia, Uganda; Ásia e Oceânia: Papua Nova Guiné, Tailândia; América Central: Costa Rica, El Salvador, Nicarágua; América do Sul: Equador. [3] Em todo o mundo, os países que mais consomem café (kg por pessoa) são: 1. Luxemburgo - 25.55 2. Finlândia - 12.62 3. Suíça- 9.15 4. Noruega - 8.99 5. Suécia - 8.28 O consumo português situa-se nos 4.17 kg por pessoa, o mesmo que o de Espanha e dos Estados Unidos. Os países que menos consomem são a Rússia, a Irlanda e a Polónia, com 1.58 kg por pessoa. [2] 4

A evolução do modo de beber e preparar café O café começou primeiramente a ser utilizado no século IX, na região da Etiópia. No entanto, a forma de o ingerir era completamente diferente daquilo a que estamos habituados atualmente, pois, em vez de ser bebido, comia-se as folhas e os frutos do cafeeiro. Passados alguns séculos, no século XVI, o café foi pela primeira vez torrado na Pérsia, numa altura em que o café já era ingerido por meio de infusões. No entanto, a utilização de açúcar nesta bebida apenas se começou a usar a partir de 1672 em Paris. A primeira cafeteira só surgiu nos finais do século XVIII, pelas mãos do farmacêutico francês François Antoine Descroizilles (fig.5). Esta cafeteira não passava de dois recipientes, um sobre o outro, separados por um filtro. Quanto à máquina de café expresso, o primeiro protótipo surgiu em 1822 (fig.6), sendo posteriormente alvo de desenvolvimentos por volta de 1855. No entanto, estas apenas começaram a assemelhar-se às atuais a partir da Segunda Guerra Mundial. [4] Fig.5 François Antoine Descroizilles [E] Fig.6 Primeira máquina de expresso [F] Quanto ao café extraído de uma cápsula, a Nespresso registou a patente deste dispositivo em 1976. [5] Apesar de aquando da sua apresentação não ter despertado grande curiosidade nos mercados globais, a partir de 1988, esta nova forma de preparar café ganhou fama e prestígio. 5

História das cápsulas Como sabemos, a invenção da cápsula de café revolucionou o mundo desta bebida, estimulando a popularidade crescente de umas das mais distintas bebidas: o expresso. O expresso surgiu em Itália no princípio do século XX, mas o café em forma de cápsula apareceu somente no final desse século. Esta invenção foi da autoria do, na altura, empregado da Nestlé Eric Favre (fig.7). Logo desde o princípio da sua carreira Favre foi aconselhado sobre a importância de criar algo que pudesse vender nos mercados globais. Com isto em mente, conseguiu um emprego no departamento de embalamento da Nestlé. Com a ambição de poder saborear o melhor café expresso no conforto de sua casa, Favre e a sua mulher partiram numa viagem por toda a Itália com o intuito de encontrar o café expresso perfeito. Depois de encontrar este café perfeito em Fig.7 Eric Favre [G] Roma, Favre pôs em ação esta sua ideia de poder preparar o melhor café expresso em sua casa. Assim começou por trabalhar na criação de uma célula de extracção onde todos os sabores estão concentrados. Deste modo, com base em todo o seu conhecimento no ramo da engenharia, Favre decidiu optar por uma meia esfera onde incorporou um filtro e uma membrana na base. Assim surgiu a primeira cápsula, cujo aspecto exterior evoluiu ao longo dos anos até àquele conhecido atualmente. Deste modo, Eric Favre desempenhou um papel preponderante na criação e comercialização da primeira cápsula Nespresso.[6] Após estabelecer a sua própria empresa, a Monodor S.A., Favre prosseguiu o seu trabalho com o objectivo de inovar e aperfeiçoar a sua invenção, que patenteou em 1976 [5]. No entanto, este novo sistema, na altura da sua apresentação ao mundo, não suscitou grande interesse no público em geral. Toda a fama e prestígio que hoje tem, apenas tiveram início em 1998, devido ao esforço de Jean-Paul Fig.8 Jean-Paul Gaillard [H] Gaillard (fig.8), um homem de negócios, criador da comunidade Le Club.[7] 6

Materiais Nos últimos anos, com o aparecimento da cápsula, o café enquanto bebida foi alvo de uma profunda mudança relativamente à forma de ser preparado. Estas cápsulas são constituídas por vários materiais, mas há três tipos de material que sobressaem devido à sua maior presença: o alumínio, o polipropileno e o papel de filtro. Alumínio O alumínio é um elemento químico que se apresenta à temperatura ambiente em estado sólido. No entanto, o alumínio usado numa cápsula de café não é puro, pois é utilizada uma liga de alumínio. Esta liga é uma liga 1xxx, que apresenta no mínimo 99% de alumínio, aos quais é adicionado 0.12% de cobre de forma a aumentar a resistência mecânica. O ferro e o silício constituem as principais impurezas desta liga. Este material é escolhido como constituinte para uma cápsula de café devido à sua leveza, condutividade térmica, resistência à corrosão e baixo ponto de fusão. Para além destes aspetos, esta liga de alumínio consegue facilmente conservar e proteger o café do ar e da luz, sendo ainda infinitamente reciclável. Assim, as cápsulas tornam-se passíveis de serem recicladas para serem futuramente reutilizadas noutros produtos. Cápsulas como as de Nespresso apresentam o alumínio como principal constituinte. [8] Designação da Liga Composição Química (%) Estado Resistência à Tração (MPa) Aplicações Alumínio 99,0 Al min.; 0,12 Cu Recozido Meio-endurecido 89 (méd) 124 (méd) Chapa fina para trabalho mecânico, varões Tabela 1 Características da liga de alumínio 1xxx [8] 7

Polipropileno O polipropileno é um plástico que apenas pode ser moldado através do seu aquecimento, sendo por isso considerado um termoplástico. Não apresenta um elevado custo, uma vez que é sintetizado a partir de matérias petroquímicas baratas. Este material é utilizado no fabrico de vários produtos, como a cápsula de café, pois apresenta uma boa resistência química ao calor e à humidade, assim como a vários solventes. Para além deste aspeto, a sua baixa densidade e boas dureza superficial e estabilidade dimensional levam a que este material seja um dos principais constituintes de uma cápsula de café.[8] Tal como o alumínio, este produto é facilmente reciclável, podendo ser depositado após a sua utilização num qualquer ecoponto. No entanto, comparativamente com o alumínio, este material apresentase mais sensível aos raios ultravioleta, o que conduz posteriormente a uma deterioração mais célere.[9] Já quanto ao polipropileno, marcas como a Delta Q apostam neste material como principal constituinte das suas cápsulas. Material Densidade g/cm 3 Resistência à tração (MPa) Resistência ao impacto (J/m) Resistência dielétrica (kv/mm) Polipropileno de uso geral 0,90 0,91 33-38 20-120 26 Tabela 2 Características do polipropileno [8] Papel de Filtro O papel de filtro é um dos elementos utilizados no fabrico de cápsulas de café. Este material apresenta uma espessura de aproximadamente 20 microns. Quanto às suas características, o papel de filtro tem de ser forte o suficiente para não rasgar aquando do processo de prensagem. Para além deste aspeto, este material apresenta uma boa resistência ao calor e a químicos e é completamente biodegradável. Tal como o alumínio e polipropileno, o papel de filtro é reciclável, podendo ser depositado num qualquer ecoponto.[10] 8

Processos de fabrico das cápsulas de café No que respeita aos processos de fabrico de cápsulas, é bom começar por esclarecer que existem três tipos principais das mesmas: cápsulas de alumínio (fig.9) ou plástico (fig.10) e cápsulas de papel de filtro (fig.11). Fig.9 Cápsula em alumínio [I] Fig.10 Cápsula em Plástico [J] Fig. 11 Cápsula de papel de filtro (coffee pods) [L] Cápsulas em Alumínio ou Plástico Estas cápsulas, tal como o nome indica, são feitas de alumínio ou plástico (mais precisamente polipropileno). Processos de Fabrico Quanto ao fabrico destes dois tipos de cápsulas, são usados dois processos distintos: o Moldagem por injeção o Termoformação 9

Moldagem por injeção (fig.12) Este processo é um dos mais utilizados para dar forma aos materiais termoplásticos, como o polipropileno, constituinte de uma cápsula de café. Nos equipamentos de moldagem por injeção mais recentes, é utilizado um parafuso móvel para fundir o polipropileno em vez de um êmbolo, anteriormente usado. Esta mudança deve-se ao facto do fundido resultante da moldagem com o parafuso ser mais homogéneo que o com o êmbolo. Neste processo, os granulados do polipropileno sustentam, através de uma abertura no cilindro de injeção, a superfície do parafuso móvel em rotação que empurra o polipropileno para o molde. Devido a esta rotação, os granulados entram em contacto com as paredes do cilindro, que se encontram aquecidas, provocando o seu amolecimento. Quando é atingida a quantidade suficiente de material fundido, o parafuso para o seu movimento de rotação e, através de um sistema de gitagem, injeta o polipropileno fundido para as cavidades de um molde fechado. O parafuso, após a injeção, mantém a pressão aplicada ao material para que este solidifique. O molde é rapidamente arrefecido com água, sendo, de seguida, finalmente aberto. A peça é ejetada por meio de ar ou molas, sendo o molde posteriormente fechado para um novo ciclo. [8] Fig.12 Moldagem por Injeção [M] 10

Termoformação (fig.13) Neste processo, uma folha de polipropileno ou de alumínio é aquecido até uma temperatura perto da de fusão, sendo de seguida forçada contra a superfície do molde através da aplicação de uma pressão. Esta pressão pode ser feita de duas maneiras distintas: pode ser utilizada uma pressão mecânica em moldes fechados, ou pode ser utilizado vácuo ou ar comprimido para impelir a folha contra um molde aberto. Em seguida, o material, em contacto com o molde arrefecido por meio da circulação de um fluido, arrefece, ficando com a forma que o molde lhe deu. Assim, posteriormente, abre-se o molde e extrai-se finalmente a peça. [8] Fig.13 Termoformação [N] 11

Processo de Enchimento Há várias formas de enchimento da cápsula de alumínio ou polipropileno. Uma das mais usuais é feita pela máquina ATF-23CC (fig. 15).[11] No entanto, para melhor explicar este processo, apresenta-se a seguinte imagem (fig.14) e respetiva legenda. Fig.14 Processo de enchimento pela máquina ATF 23CC [O] 1. Rolo de membrana de polipropileno com a espessura de aproximadamente 700 microns; 2. Módulo de aquecimento 1 aquecimento da membrana a 120 C; 3. Módulo de aquecimento 2 aquecimento da membrana a 240 C; 4. Moldes de extrusão 6 cápsulas são feitas através da formação de vácuo; 5. A cápsula é preenchida com o produto (café); 6. Rolo de uma camada (dupla ou tripla) de uma membrana de alumínio. 7. Módulo de selamento 8. Punching die prensa pneumo-mecânica usada para cortar as cápsulas; 9. Bobina Modulo de enrolamento do material que se desperdiçou;[11] Fig.15 Máquina ATF 23CC [P] 12

As cápsulas feitas por esta máquina apresentam três características principais quanto à sua constituição. A primeira característica destas cápsulas é o facto de serem compostas na sua grande parte por polipropileno. O corpo constituído por este material determina a quantidade de café que é possível armazenar dentro de cada cápsula. A cor do corpo da cápsula (fig. 16) depende do tipo de polipropileno usado, assim como a camada usada para estampar as cápsulas, como pode ser observado na seguinte figura: [11] Fig.16 Diferentes cores do corpo das cápsulas [Q] Para além desta característica, este produto permite que estas cápsulas conservem café, chá e bebidas instantâneas, sendo que o volume de cada bebida é determinado pela forma da cápsula escolhida. Por último, é de destacar a camada para selar as capsulas, uma vez que é feita de forma a preservar o melhor possível o aroma do café. Essa camada é essencialmente constituída por alumínio. Todos os produtos utilizados na formação das capsulas são feitos de aço inoxidável e por plásticos devidamente aprovados. O design das cápsulas (fig.17) depende das preferências pessoais dos consumidores. Assim, estes podem escolher entre as diversas formas, cores e tamanhos de acordo com o seu gosto. Nos dias de hoje, existem muitos modelos de cápsulas, uma vez que a imagem hoje em dia é um dos elementos mais valorizados. Na imagem seguinte podemos observar alguns do diferentes tipos de cápsula (fig.17). Quanto ao diâmetro das cápsulas, este varia entre os 40 e os 48 milímetros.[11] Fig. 17 Formas possíveis da cápsula [R] 13

Cápsulas em papel de filtro Tal como o nome indica, o principal material constituinte destas cápsulas é o papel de filtro. Processo de Fabrico Quanto ao processo de fabrico destas cápsulas, o processo utilizado é a prensagem. Prensagem (fig.18) A prensagem é o processo utilizado na produção de cápsulas de papel de filtro. Este processo consiste numa operação de conformação baseada na compactação do papel de filtro que está contido no interior de um molde flexível ou matriz rígida através da aplicação de elevadas pressões. Esta operação de prensagem está dividida em três fases: 1. Preenchimento da cavidade do molde 2. Compactação do papel de filtro 3. Extração da peça [12] Fig.18 Prensagem [S] 14

Processo de Enchimento O processo de enchimento de uma cápsula de papel de filtro, tal como as de alumínio e plástico, é feito numa máquina especializada, a CA1 (fig.19). Este processo (fig. 20) é composto por várias fases. Como se pode inferir, primeiramente existem rolos de papel de filtro que percorrem toda a linha, sendo posteriormente depositado sobre os mesmos. 1. Rolos de papel de filtro percorrem toda a linha. 2. É depositado café sobre o rolo. 3. Junta-se papel de filtro por cima. Uma prensa sela o papel de filtro através de vácuo, formando uma cápsula. 4. Esta cápsula continua sob o rolo sendo encaminhada para cima de um pedaço de papel. 5. Este pedaço é moldado, formando uma embalagem de papel, com várias cápsulas lá dentro. [13] 1 2 3 5 4 Fig.19 Máquina CA1 [T] Fig.20 Processo de fabrico de uma cápsula de papel de filtro [U] 15

Conclusões Os grãos de café provêm do fruto do cafeeiro, existindo duas espécies distintas (Arábica e Robusta). O café começou a ser utilizado na Etiópia, através do consumo das folhas e frutos do cafeteiro. Só no século XVIII foi utilizada a primeira máquina e, posteriormente, no século XX, foi criada a primeira cápsula para café. As cápsulas evoluíram do desejo de Eric Favre possuir o melhor café de Roma em sua casa até tornar-se algo utilizado massivamente em todo o mundo. Deixou de conservar e preservar não apenas o café romano como também grande parte dos melhores cafés mundiais. No entanto, são os materiais utilizados na constituição destas cápsulas, tais como o alumínio, o polipropileno e o papel de filtro, que não permitem que o café armazenado perca as suas qualidades. Estes três materiais constituintes de três diferentes cápsulas, produzidas por processos bem distintos, permitem a manutenção da qualidade do café face a fatores que podem comprometer o seu sabor, como o calor ou a humidade. Deste modo, concluímos que a cápsula de café revolucionou o mundo desta bebida, contribuindo para o aumento exponencial do seu consumo em todo o mundo. Com a realização deste relatório, foi possível aprofundar os conhecimentos sobre alguns materiais que serão estudados ao longo do mestrado integrado em Engenharia Mecânica. Para além deste aspeto, este trabalho permitiu a integração e o início de uma relação de amizade com alguns colegas da turma. Após terminar o relatório, há que salientar que a sua elaboração ocorreu de forma bastante positiva, uma vez que todos os elementos do grupo se empenharam ao máximo de forma a realizar o melhor trabalho possível. No entanto, surgiram algumas dificuldades, relacionadas principalmente com a contrariedade de não haver muita informação disponível quanto aos processos de fabrico das cápsulas de café. Para terminar, desenvolveram-se competências que até agora não se possuíam, desde pesquisar informação até selecioná-la de forma criteriosa, de modo a organizar corretamente o que foi selecionado e, assim, elaborar um relatório íntegro. 16

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