Apostila de Moldes CEFET-RS

Apostila de Moldes CEFET-RS

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CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia MOLDES PARA INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

1. INTRODUÇÃO

Os moldes de injeção são hoje os mais largamente usados no processamento de polímeros.

Os primeiros moldes foram concebidos, ainda no século XIX, quando os irmãos Hyatt, nos Estados Unidos patentearam a primeira máquina de injeção para um material celulósico.

Um molde de injeção pode ser entendido como um conjunto de sistemas funcionais que permitem que um espaço em que a peça vai ser moldada, definido pela cavidade, sejam preenchidas com o plástico fundido em condições controladas, pelos outros sistemas que garantem a qualidade dimensional e estrutural das peças produzidas. Estes sistemas funcionais são:

A estrutura que assegura a solidez estrutural do molde; O guiamento que mantém o perfeito alinhamento da cavidade com a bucha; A alimentação (bucha, canais de alimentação e pontos de injeção), que permite o percurso do fundido, desde o bico da injetora até à cavidade;

O controle de temperatura que assegura que nas superfícies moldantes a temperatura seja tão uniforme quanto possível e que o resfriamento se faça de forma rápida e eficiente;

A extração que faz com que as peças sejam retiradas do molde. Para além destes sistemas, os moldes de injeção mais elaborados, podem ser dotados de sistemas especiais que assegurem os movimentos, a monitoração de temperatura e pressão, a extração controlada com robôs ou o controle independente da temperatura no sistema de alimentação (moldes de canais quentes). A figura mostra exemplos de moldes de injeção.

Moldes de injeção 1

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Por sua vez o molde é o sistema funcional da máquina de injeção diretamente associado a um produto. Dependendo das peças a produzir, podem ser mais ou menos complicados. Os moldes utilizados podem ser agrupados em três tipos principais: -Moldes convencionais ou de duas placas;

-Moldes de três placas;

-Moldes de canais quentes. Os moldes dos dois últimos tipos são muito usados na produção de peças para embalagens, por permitirem obter uma peça já separada do sistema de alimentação.

Nos moldes convencionais e nos de três placas é necessário fazer-se a reciclagem do material do sistema de alimentação, mas, nos de canais quentes, tal operação é desnecessária devido ao sistema de alimentação permanecer sempre dentro do molde.

No sistema de alimentação são importantes: o tipo e a localização dos pontos de injeção, que são as entradas do material fundido na cavidade; o aspecto final das peças e a própria maneira como se faz a extração desta zona do sistema de alimentação.

Em peças de grandes dimensões, como caixas ou tabuleiros, é freqüente fazer-se a injeção direta, fazendo da bucha a ligação do bico da injetora à cavidade. Também nas peças de grandes dimensões é freqüente o enchimento da cavidade através de vários pontos de injeção.

Os alimentadores devem ter preferencialmente seção circular, com diâmetro da ordem de 9 m para os alimentadores principais e, 6 e 7,5 m para os secundários.

O resfriamento é assegurado, normalmente por água circulante em canais (linhas de água) distribuídos regularmente na bucha e na cavidade e acompanhando tanto quanto possível a sua forma. Para o caso de materiais de engenharia, moldados a temperaturas mais elevadas, como o policarbonato, o fluido de resfriamento, funcionando acima de 100º C, é um óleo. Para que o controle de temperatura do molde seja eficiente este fluido deve ser mantido a uma temperatura constante, usando-se, para o efeito termo-reguladores (para as temperaturas acima de 40 – 50º C) ou refrigeradores para temperaturas abaixo da ambiente.

Durante a injeção, o ar existente dentro da cavidade é deslocado pelo material plastificado.

Se este ar não sair da cavidade durante a injeção, a sua compressão provocará a necessidade de maior pressão de injeção, tempo de injeção mais longo e, mesmo, carbonização do polímero por excessivo aquecimento. Por isso, os moldes deverão dispor de canais na superfície de partição para o escape do ar, geralmente colocados nas últimas zonas a serem preenchidas.

Hoje, os moldes de injeção de termoplásticos são construídos em variados tipos de materiais desde os aços de alta liga usados em moldes para séries muito longas e mais exigentes, até aços ao carbono para peças menos críticas e séries muito curtas. Para além disso, para séries protótipo ou para séries muito curtas são usadas ligas de alumínio ou, mais recentemente, materiais não metálicos nas zonas moldantes, dando origem ao que se designa por moldes híbridos (isto é, com materiais metálicos e não metálicos). Também se começam a utilizar moldes em que as buchas e cavidades são obtidas, quase diretamente, por recurso a técnicas de prototipagem rápida que fazem a sinterização de partículas metálicas.

2. MOLDAGEM POR INJEÇÃO

O processo de moldagem por injeção foi patenteado em 1872 pelos irmãos Hyatt. Ao longo do século X teve uma grande evolução, cujos principais marcos foram a máquina hidráulica (anos 40), a máquina de parafuso alternativo (1951) e a máquina elétrica (1988).

Inicialmente desenvolvido para a transformação de resinas termoendurecíveis, como uréiaformaldeído (comercialmente conhecido como Baquelite), o processo teve um enorme desenvolvi-

CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia mento com o advento dos materiais termoplásticos que se verificou após a Segunda Guerra Mundial.

Atualmente, a moldagem por injeção é um dos principais processos de transformação de materiais de base polimérica, com enorme importância nos grandes mercados consumidores, como, embalagens, construção civil, automóvel e material elétrico e eletrônico.

O grande sucesso desta tecnologia deve-se ao efeito combinado de uma série de vantagens comparativas, entre as quais se salientam: a elevada produção, a grande reprodutibilidade e precisão dimensional, a grande flexibilidade em termos de geometria e dimensões das moldagens (a gama de produção vai desde a micromoldagens, inferiores a 1mg, até peças com mais de 100 kg).

Podem ser moldados por injeção termoplásticos, termofixos e elastômeros vulcanizados (borrachas e silicones). A moldagem por injeção também pode ser utilizada para a fabricação de peças cerâmicas ou metálicas, a partir de compostos que utilizam um material polimérico como vetor.

A moldagem por injeção de termoplásticos obedece às etapas típicas de transformação destes materiais, envolvendo, sequencialmente, as etapas seguintes: aquecimento do material até este adquirir uma viscosidade suficientemente baixa; conformação sobre pressão; e resfriamento com conseqüente recuperação da rigidez.

Esta rotina é exercida sobre compostos a moldar, com características específicas, sendo de realçar:

Baixa difusividade térmica: os plásticos são intrinsecamente maus condutores de calor, dificultando as trocas térmicas necessárias à sua transformação. Por isso, em moldagem por injeção deve-se minimizar a espessura das peças a moldar.

Comportamento reológico: os termoplásticos, quando no estado fundido, apresentam-se sob a forma de fluidos de elevada viscosidade e com comportamento viscoelástico. A sua viscosidade é função da taxa de deformação imposta pelo material, podendo ser relativamente baixa para velocidades de deformação elevadas. Por isso, o preenchimento de cavidades tende a ser efetuado com velocidades de injeção elevadas.

Elevada dependência térmica da densidade: o modo de organização das cadeias moleculares constituintes de um sistema polimérico é altamente dependente da temperatura. De fato, um aumento da temperatura provoca o crescimento do volume livre intermolecular e a conseqüente expansão do material. Do ponto de vista prático, este efeito traduz-se em valores elevados do coeficiente de dilatação linear (cerca de 5 a 6 vezes superiores ao do aço para termoplásticos não reforçados) e na existência do fenômeno da contração, associado ao resfriamento de peças injetadas

O equipamento a utilizar e as estratégias a seguir para otimizar o processo deverão considerar a qualidade do produto final.

Em termos conceituais, o processo de moldagem por injeção de termoplásticos desenvolvese da seguinte forma: 1.O material plástico a transformar, originalmente no estado sólido e normalmente sob a forma de grãos, é carregado no funil da máquina de injetar e alimentado para o interior do cilindro de plastificação onde é aquecido a fim de tornar-se fluido e homogeneizado; 2.O aquecimento do material é garantido pelo calor transmitido através das paredes do cilindro por resistências elétricas e pelo calor gerado por efeito de dissipação viscosa, em resultado do esforço mecânico da rotação do parafuso; 3.O fundido resultante é forçado a fluir para o interior de um molde, o qual irá preencher a respectiva cavidade e resfriar devido às trocas de calor com as superfícies moldantes;

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4.O processo conclui-se com a extração da moldagem, que ocorre após o período de resfriamento.

No caso da moldagem de termofixos ou de borrachas vulcanizadas o molde está a uma temperatura mais elevada que a do cilindro, para garantir a reticulação do material após a injeção.

O processo utiliza dois equipamentos essenciais: a injetora e o molde. Contudo, a moldagem de qualidade pode exigir um conjunto adicional de equipamentos: dispositivos para transporte e alimentação de matéria-prima, robô/manipulador para manuseamento de moldagens ou sistemas de alimentação, esteira transportadora, moinho granular (para reciclagem integrada de desperdícios) e dispositivos para controle da temperatura do molde.

3. O CICLO DE MOLDAGEM

A moldagem por injeção é um processo cíclico. O conjunto de operações necessário à produção de uma moldagem designa-se por ciclo de moldagem.

A otimização deste ciclo é fundamental para assegurar a competitividade econômica do processo, dado o elevado investimento em capital, requerido para a instalação deste tipo de equipamento (injetora, molde e equipamentos auxiliares).

Ciclo de moldagem

Na atividade industrial o objetivo é produzir peças, conforme as respectivas especificações, no mais curto intervalo de tempo possível. Para o efeito, condições de processamento tais como pressão de injeção, temperaturas do fundido e do molde, velocidade de injeção e contrapressão, ne-

CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia cessitam ser ajustadas tendo em conta as propriedades do material (o seu comportamento reológico e térmico), a geometria da moldagem e as especificações do produto final.

As fases do ciclo de moldagem são praticamente independentes do tipo de máquina. Contudo a sua duração pode ser muito diversa, variando de tempos inferiores a 1 segundo para peças muito finas, a dezenas de minutos para moldagens muito espessas.

Poderá desenvolver-se segundo os regimes seguintes: -Manual: a seqüência de operações é definida e acionada pelo operador (utiliza-se durante as fases de ajuste do processo).

-Semi-automático: a seqüência de operações do ciclo desenvolve-se de uma forma automática, mas o início de um novo ciclo necessita da confirmação do operador (utiliza-se quando o processo requer a intervenção do operador, por exemplo, para ajudar a retirar uma peça ou para colocar insertos).

-Automático: O processo desenvolve-se integralmente segundo uma seqüência pré-definida e sem a intervenção do operador. A maximização da produtividade e da repetibilidade só é conseguida em ciclo automático, até porque muitas das funções do controle dos equipamentos mais modernos só estão ativas neste tipo de funcionamento.

FASE 1 – Fechamento

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