BR112021007772A2 - transdutor eletromecânico, e método de fabricação de transdutores eletromecânicos - Google Patents
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Abstract
TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE TRANSDUTORES ELETROMECÂNICOS. Transdutor eletromecânico (1, 21, 28) que possui uma estrutura de camada que compreende, nesta ordem: primeira camada (2) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada (3) que age como blindagem elétrica, segunda camada (6) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos, terceira camada (13, 22) que compreende um elemento funcional eletromecânico, quarta camada (15, 23) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos, e quinta camada (17, 24) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada (18) que age como blindagem elétrica. Além disso, é descrito um método de fabricação desse transdutor eletromecânico (1, 21, 28).
Description
[001] A presente invenção refere-se a um transdutor eletromecânico que possui estrutura em camadas.
[002] EP 2.372.802 A2 descreve um transdutor eletromecânico que compreende pelo menos uma camada de suporte inferior, um elemento funcional elétrico e/ou eletromecânico disposto sobre ela e uma camada superior que possui contatos elétricos conectados ao elemento funcional.
[003] Para que esse transdutor eletromecânico seja comercialmente viável, é necessário um processo de fabricação eficiente. A presente invenção é baseada, portanto, no objeto de especificar um transdutor eletromecânico que seja apropriado para produção em escala industrial e que opere de forma robusta e confiável. Além disso, deve ser especificado um método de fabricação associado.
[004] Para solucionar esse problema, é fornecido um transdutor eletromecânico com as características da reivindicação 1.
[005] O transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção possui estrutura em camadas que compreende, nesta ordem: - primeira camada que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada que age como blindagem elétrica; - segunda camada que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos;
- terceira camada que compreende um elemento funcional eletromecânico; - quarta camada que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; e - quinta camada que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada que age como blindagem elétrica.
[006] O transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção é caracterizado por poder ser fabricado de forma simples e barata em grandes quantidades, devido à sua estrutura em camadas. As camadas externas, ou seja, a primeira camada e a quinta camada, servem particularmente para blindar o elemento funcional eletromecânico, de forma que ele não possa ser prejudicado por influências externas, tais como campos eletromagnéticos. Outra vantagem é o fato de que o transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção pode ser fabricado de forma comparativamente fácil, devido à estrutura em camadas. Particularmente, diversos transdutores eletromecânicos podem ser fabricados por meio de sobreposição das camadas individuais em um único processo, por divisão subsequente da estrutura em camadas (painel), de forma a obter os transdutores individuais.
[007] No transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção, a segunda camada e a quarta camada servem de camadas adesivas que, desta forma, conectam as duas camadas adjacentes, ou seja, a primeira camada com a terceira camada e a terceira camada com a quinta camada, respectivamente. É essencial neste ponto que a segunda e a quarta camada sejam condutoras elétricas, pelo menos em alguns pontos. Desta forma, pode-se atingir conexão elétrica ao longo das diferentes camadas.
[008] Dentro do escopo da presente invenção, pode-se fazer com que a primeira camada e/ou a quinta camada possua(m) contato exposto sobre o lado externo. O contato pode servir para conexão de um elemento de conexão elétrica, tal como uma linha. Encontra-se também dentro do escopo da presente invenção a formação do contato na forma de plugue, soquete ou conjunto eletrônico. Caso o contato seja integrado no transdutor eletromecânico, a conexão elétrica é particularmente simples. O contato pode ser projetado, por exemplo, como em um cartão de memória, tal como um cartão SD, ou cartão SIM para telefones celulares.
[009] Com vantagens específicas, pode-se fazer com que, no transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção, cada camada possua pelo menos um ponto de contato elétrico ou laminação por meio da qual a camada é conectada de forma condutora de eletricidade a uma camada adjacente. Desta forma, sinais elétricos podem ser transmitidos perpendicularmente ao plano da camada a uma ou ambas as camadas externas de forma isolada ou múltipla (redundante).
[0010] Preferencialmente, no transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção, a segunda à quinta camada possuem pelo menos uma conexão condutora elétrica à primeira camada, direta ou indiretamente por meio de uma camada disposta entre elas. O contato preferencialmente disposto sobre a primeira camada pode, portanto, ser conectado eletricamente a cada camada individual, caso seja necessário para encaminhamento do sinal ou por outros motivos.
[0011] Uma estrutura particularmente robusta do transdutor eletromecânico resulta quando duas camadas adjacentes, preferencialmente todas as camadas adjacentes, forem unidas materialmente entre si. Isso significa que todas as camadas são firmemente unidas entre si, resultando em estrutura estável do transdutor eletromecânico.
[0012] Em realização adicional da presente invenção, pode-se fazer com que pelo menos duas camadas adjacentes, preferencialmente todas as camadas adjacentes, sejam unidas entre si por uma matriz de polímero, tal como uma matriz de resina, em forma de encaixe e travamento de material. Particularmente, a segunda e a quarta camada que servem de camadas adesivas podem também consistir de uma matriz de polímero ou ter uma matriz de resina. Alternativamente, elas podem compreender um filme adesivo, filme termoplástico ou adesivo líquido ou viscoso. Neste particular, pode-se idealizar que a união interfacial unirá uma superfície de polímero a outra superfície de polímero. Pode-se também fazer, entretanto, com que a junção unida materialmente una uma superfície metálica a outra superfície metálica ou que a junção unida materialmente una uma superfície de polímero a uma superfície metálica. Preferencialmente, pelo menos 20% da extensão do transdutor eletromecânico da interconexão são formados de polímeros, particularmente uma matriz de resina. Alternativamente, a união de material pode ser formada por uma matriz de resina ou adesivo com base em polímero. O adesivo pode ser ativado por adesivo e/ou curado por meio de aquecimento,
opcionalmente sob pressão.
[0013] Dentro do escopo da presente invenção, pode-se fazer com que o elemento funcional seja projetado como um dos sensores a seguir: sensor piezoelétrico, sensor capacitivo, sensor indutivo, sensor de condutividade, sensor resistivo, sensor piezorresistivo, sensor piroelétrico, sensor de posição, girômetro, sensor de Hall, magnetômetro, sensor de radar e sensor de proximidade. Cada um dos sensores acima pode ser utilizado para uma tarefa de medição específica. Os sensores mencionados podem ser utilizados, por exemplo, para detectar sons de estruturas, ou seja, vibrações de corpos ou forças, estiramentos ou dobras. Quantidades adicionais podem ser derivadas ou calculadas a partir dos valores medidos registrados pelos sensores. Vibrações sonoras de estruturas, por exemplo, podem ser também detectadas na forma de sinais de áudio.
[0014] O transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção pode compreender um circuito eletrônico com um ou mais dos componentes a seguir: amplificador de sinal, filtro, conversor A/D, controlador de processamento de sinais, memória de dados, módulo de transmissão de dados sem fios, módulo de transmissão de energia sem fios, ASIC (circuito integrado específico de aplicação), DSP (processador de sinais digitais) e FPGA (conjunto de portal programável de campo).
[0015] Encontra-se também dentro do escopo da presente invenção o fato de que o transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção possui diversas camadas idênticas ou diferentes empilhadas entre si. A ordem das camadas pode ser diferente. As camadas empilhadas podem, por exemplo, ser dispostas de forma simétrica. Pelo menos uma camada do transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção pode compreender um polímero reforçado por fibras. Esses polímeros reforçados por fibras possuem montagem particularmente fácil em estruturas em camadas. A camada adesiva do transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção pode ser isolante elétrico, pelo menos em seções. Compostos condutores elétricos podem ser formados, por exemplo, por polímeros condutores elétricos que possuem, por exemplo, fibras de carbono ou partículas de prata como componentes. A condutividade elétrica pode também estar presente apenas em alguns pontos, perpendiculares ao plano da camada, enquanto a camada adesiva encontra-se isolada no plano.
[0016] Dentro do escopo da presente invenção, é possível integrar uma ou mais camadas funcionais diretamente no transdutor eletromecânico. Essa camada pode incluir um componente eletrônico, sensor ou outro sensor, tal como sensor de temperatura, sensor de posição, sensor de torque, sensor de aceleração ou um ou mais dos circuitos eletrônicos mencionados acima. Esses sensores e circuitos podem ser conectados de forma fácil e barata de acordo com a presente invenção. É também possível integrar uma placa de circuito impresso totalmente equipada com componentes eletrônicos ao transdutor de acordo com a presente invenção.
[0017] No transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção, pelo menos uma camada pode ser termicamente curável, curada ou autoadesiva. Além disso, é possível que o transdutor eletromecânico possua diversas camadas que compreendem um elemento funcional eletromecânico.
Preferencialmente, pelo menos uma camada do transdutor eletromecânico compreende um polímero reforçado por fibras. Preferencialmente, a camada adesiva é isolante elétrica pelo menos em seções e/ou paralela a um plano definido pela camada adesiva.
[0018] Além disso, a presente invenção refere-se a um método de fabricação de transdutores eletromecânicos, que compreende as etapas a seguir: - fornecimento de primeira camada que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica padronizada e externamente isolada que age como blindagem elétrica; - fornecimento de segunda camada que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - fornecimento de terceira camada que compreende um elemento funcional eletromecânico; - fornecimento de quarta camada que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - fornecimento de quinta camada que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica padronizada e externamente isolada que age como blindagem elétrica; - empilhamento e alinhamento da primeira à quinta camada para formar uma área de painel; - pressionamento das camadas sob pressão; e - divisão da área de painel.
[0019] No processo de acordo com a presente invenção, pode-se fazer com que as camadas sejam prensadas entre si com adição de calor. Particularmente, as camadas podem ser prensadas entre si por alguns minutos ou alguns segundos, preferencialmente apenas por frações de segundo.
[0020] Dentro do escopo do processo, pode-se fazer com que pelo menos uma camada seja submetida a limpeza ou ativação de superfície antes da pressão. A ativação da superfície pode assumir a forma de tratamento de plasma.
[0021] No processo de acordo com a presente invenção, pode-se utilizar um adesivo de cura fria, adesivo de fusão a quente termoplástico ou adesivo estrutural de durômetro como camada adesiva.
[0022] Vantagens e detalhes adicionais da presente invenção são explicados abaixo por meio de exemplos com referência às figuras. As figuras são representações esquemáticas e exibem: - Fig. 1: vista em corte de primeira realização de um transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção; - Fig. 2: segunda realização de um transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção; e - Fig. 3: terceira realização de um transdutor eletromecânico de acordo com a presente invenção.
[0023] A Fig. 1 é uma vista em corte e exibe um transdutor eletromecânico 1 com estrutura em camadas. O transdutor eletromecânico 1 compreende primeira camada 2, que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada 3 que age como blindagem elétrica. A região plana 3 forma uma camada externa que é eletricamente isolada do lado externo do transdutor eletromecânico 1. Além disso, a primeira camada 2 compreende outra região plana 4 espaçada da região plana 3. As duas regiões planas 3, 4 são embutidas em uma matriz de polímero 5 e, portanto, são unidas materialmente entre si.
[0024] A primeira camada 2 é seguida por segunda camada 6, que serve de camada adesiva. A camada adesiva é condutora elétrica em diversos pontos 7. Em cada um desses pontos 7, existe contato elétrico transversal à camada adesiva, ou seja, de um lado da camada adesiva até o lado oposto. Da segunda camada 6 que serve de camada adesiva, um contato 8 estende-se perpendicularmente ao plano da camada até o lado externo 9 do transdutor eletromecânico 1. O contato 8 termina ali em um contato 10. Na Fig. 1, pode-se observar que contatos adicionais estão presentes sobre o lado externo 9. Diversos contatos 11 estendem-se até a área plana
3. Um contato 12 conecta o lado externo à área plana 4.
[0025] Na vista da Fig. 1, terceira camada 13 que compreende um elemento funcional eletromecânico está localizada abaixo da segunda camada 6, que serve de camada adesiva. Na realização exibida, o elemento funcional eletromecânico é projetado como sensor piezoelétrico 14. O sensor 14 faz uso do efeito piezoelétrico. Ao aplicar-se pressão mecânica, é gerada uma carga elétrica, que pode ser fornecida a um amplificador. Em seguida, o sinal fornecido pelo sensor piezoelétrico 14 pode ser processado e avaliado.
[0026] Abaixo da terceira camada 13, na vista da Fig. 1, existe uma quarta camada 15 que serve de camada adesiva e é construída da mesma forma que a camada 6 que serve de camada adesiva. A camada 15 que serve de camada adesiva é condutora elétrica em alguns pontos. Com este propósito, são fornecidos contatos em diversos pontos 16 que penetram na camada adesiva. A camada 15 que serve de camada adesiva conecta a terceira camada 13 e quinta camada 17. A quinta camada 17 é basicamente construída como a primeira camada 2. Ela compreende uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada 18 em um plano. Além disso, a quinta camada 17 compreende uma região plana adicional 19 que é espaçada da região plana 18 na direção da espessura. As duas regiões planas 18, 19 são – de forma análoga às regiões planas 3, 4 da primeira camada 2 – embutidas em uma matriz de polímero 20.
[0027] A partir do contato 10 sobre o lado externo 9, o contato 8 estende-se através da segunda camada 6, que serve de camada adesiva, e da quarta camada 15, que serve de camada adesiva, até a quinta camada 17, que é conectada ao contato 10 desta forma. Os diversos contatos servem para contato elétrico do transdutor eletromecânico 1 com componentes externos, tais como um amplificador ou circuito de avaliação.
[0028] O total de cinco camadas do transdutor eletromecânico 1 consiste de um polímero ou polímero reforçado por fibras, com regiões condutoras elétricas ou isolantes elétricas fornecidas na camada conforme o necessário. Cada camada possui pelo menos um contato condutor elétrico, pelo menos em alguns pontos, contato bidimensional ou laminação por meio da qual a camada correspondente é conectada a uma ou mais camadas adjacentes.
[0029] O transdutor eletromecânico descrito nesta realização pode ser facilmente fabricado em grandes quantidades utilizando-se um processo automatizado. Com este propósito, é produzido um painel que compreende uma série de transdutores eletromecânicos dispostos em linhas e colunas. Após o empilhamento das camadas individuais, realiza-se modelagem por compressão. O painel é cortado em seguida, criando os transdutores eletromecânicos individuais.
[0030] A Fig. 2 exibe segunda realização de transdutor eletromecânico 21, que é construído de forma similar ao transdutor de acordo com a primeira realização. É, portanto, omitida no presente a descrição detalhada de componentes correspondentes.
[0031] O transdutor eletromecânico 21 compreende a primeira camada 2 com a área plana 3, que é isolada da região condutora elétrica estruturada externa e age como blindagem elétrica. Esta é seguida pela segunda camada 6, que serve de camada adesiva. Terceira camada 22 compreende um elemento funcional eletromecânico projetado na forma de sensor 14. Quarta camada 23, que está localizada ao lado da terceira camada 22 oposta à camada 6 na vista da Fig. 2, serve de camada adesiva.
[0032] Quinta camada 24 forma um lado externo 25 oposto ao lado externo 9. A quinta camada 24 compreende uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada 26 que age como blindagem elétrica. Na Fig. 2, pode-se observar que o transdutor eletromecânico 21 é construído de forma simétrica. Consequentemente, dois sensores idênticos 14 estão presentes, cada um dos quais recebe uma camada adesiva sobre os dois lados. A quinta camada 24 reúne a camada adesiva do sensor inferior na Fig. 2. Uma camada intermediária 27 está localizada entre as duas camadas adesivas internas.
[0033] A Fig. 3 exibe outra realização de um transdutor eletromecânico 28 que possui construção similar ao transdutor eletromecânico exibido na Fig. 2 e também possui blindagem similar à realização exibida na Fig. 1.
[0034] Lista de sinais de referência: 1 transdutor eletromecânico 2 primeira camada 3 região plana 4 região plana 5 matriz de polímero 6 segunda camada 7 ponto 8 contato 9 exterior 10 contato 11 contato 12 contato 13 terceira camada 14 sensor 15 quarta camada 16 ponto 17 quinta camada 18 região plana 19 região plana 20 matriz de polímero 21 transdutor eletromecânico 22 terceira camada 23 quarta camada 24 quinta camada 25 lado externo
26 região 27 camada intermediária 28 transdutor eletromecânico
Claims (18)
1. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO (1, 21, 28), que possui estrutura em camadas que compreende, nesta ordem: - primeira camada (2) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada (3) que age como blindagem elétrica; - segunda camada (6) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - terceira camada (13, 22) que compreende um elemento funcional eletromecânico; - quarta camada (15, 23) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - quinta camada (17, 24) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada (18) que age como blindagem elétrica; caracterizado pela primeira camada (2) e/ou pela quinta camada (17, 24) possuir(írem) contato (8) exposto sobre o lado externo (9, 25).
2. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo contato (8) ser projetado na forma de plugue, soquete ou unidade eletrônica.
3. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por cada camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) possuir pelo menos um contato (10, 11, 12) que é condutor elétrico pelo menos em alguns pontos ou laminação por meio da qual a camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) é conectada de forma condutora elétrica a uma camada adjacente (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24).
4. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela segunda à quinta camada (6, 13, 15, 17, 22, 23, 24) possuírem pelo menos uma conexão condutora elétrica à primeira camada (2), diretamente ou por meio de uma camada disposta entre elas.
5. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por duas camadas adjacentes (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24), preferencialmente todas as camadas adjacentes (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24), serem unidas entre si em forma de travamento de material.
6. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por pelo menos duas camadas adjacentes (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24), preferencialmente todas as camadas (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24), serem unidas entre si por uma matriz de polímero (5) em forma de encaixe e/ou travamento de material.
7. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizado pela união de material ser formada sobre pelo menos 20% da superfície do transdutor eletromecânico (1, 21, 28) de polímeros, particularmente de uma matriz de resina.
8. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo elemento funcional ser projetado como um dos sensores a seguir: sensor piezoelétrico (14), sensor capacitivo, sensor indutivo, sensor de condutividade, sensor resistivo, sensor piezorresistivo, sensor piroelétrico, sensor de posição, girômetro, sensor de Hall, magnetômetro, sensor de radar, sensor de proximidade ou circuito eletrônico.
9. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo circuito eletrônico compreender um ou mais dos componentes a seguir: amplificador de sinal, filtro, conversor A/D, unidade de controle para processamento de sinais, memória de dados, módulo de transmissão de dados sem fios, módulo de transmissão de energia sem fios, ASIC (circuito integrado específico de aplicação), DSP (processador de sinais digitais) e FPGA (conjunto de portal programável de campo).
10. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por pelo menos uma camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) ser termicamente curável, curada ou autoadesiva.
11. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender uma série de camadas que compreendem um elemento funcional eletromecânico.
12. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por pelo menos uma camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) compreender um polímero reforçado por fibras.
13. TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela camada adesiva ser eletricamente isolante pelo menos em algumas seções e/ou paralela a um plano definido pela camada adesiva.
14. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE TRANSDUTORES ELETROMECÂNICOS (1, 21, 28), caracterizado por compreender as etapas a seguir: - fornecimento de primeira camada (2) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica estruturada e externamente isolada (3) que age como blindagem elétrica; - fornecimento de segunda camada (6) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - fornecimento de terceira camada (13, 22) que compreende um elemento funcional eletromecânico; - fornecimento de quarta camada (15, 23) que serve de camada adesiva, que é condutora elétrica pelo menos em alguns pontos; - fornecimento de quinta camada (17, 24) que possui, em pelo menos um plano, pelo menos uma região condutora elétrica padronizada e externamente isolada que age como blindagem elétrica (18); - empilhamento e alinhamento da primeira à quinta camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) para formar uma área de painel; - pressionamento das camadas (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) sob pressão; e - divisão da área de painel.
15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelas camadas (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) serem pressionadas em conjunto com aplicação de calor.
16. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelas camadas (2, 5,
13, 15, 17, 22, 23, 24) serem pressionadas em conjunto por alguns minutos ou alguns segundos, preferencialmente apenas por frações de segundo.
17. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado por pelo menos uma camada (2, 5, 13, 15, 17, 22, 23, 24) ser submetida a limpeza ou ativação da superfície, tal como tratamento de plasma antes da pressão.
18. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado por um adesivo de cura fria, adesivo de fusão a quente termoplástico ou adesivo estrutural de durômetro ser utilizado como camada adesiva.
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