INTRODUÇÃO Ao considerar a moldagem dos plásticos pelo processo de injeção deve-se levar em conta a grande quantidade de fatores que podem afetar os resultados finais tanto em termos de performance como econômicos. Têm-se escrito muitos livros e artigos sobre esse tema, e, portanto não é nossa intenção tratar de substituí-los, mas sim de atuar como guia de todos os fatores envolvidos e de sugerir as melhores alternativas de seleção de equipamentos, desenho de moldes e técnicas de processo para utilizar as resinas de Poliestireno Cristal e de Impacto, a fim d obter em cada caso a performance desejada ao mais baixo custo possível. Para facilitar a busca dos temas, este boletim foi dividido em quatro partes começando por tecnologia de moldagem, em seguida, desenho de moldes, problemas de moldagem e finalmente tensões residuais, adesivos e conversão de unidades. Em caso de necessidade de informações adicionais sobre temas mais específicos comuniquem-se com a Gerência de Desenvolvimento e Assistência Técnica. TÉCNICAS DE MOLDAGEM Manipulação e armazenamento do material As resinas de poliestireno são entregues geralmente em bolsas de 25 kg de capacidade. Durante os meses de inverno, quando a temperatura está abaixo de l0ºC, as embalagens devem ser armazenadas pelo menos 24 horas em lugar fechado a temperatura ambiente, antes de serem abertos para utilização, porque se são trazidas diretamente a um ambiente quente e com alta umidade relativa, esta pode condensar-se sobre os grânulos frios no momento de abrir as bolsas e causar peças com superfícies defeituosas na moldagem. Portanto, o poliestireno deve ser armazenado em ambiente temperado e seco. A resina de poliestireno pode apresentar-se em forma de grânulos finos e grânulos médios de aproximadamente 1,6 x 1,6 mm e 3,2 x 3,2 mm respectivamente (ver forma dos grânulos). A tendência mundial em um grande número de instalações de moldagem, é que o material seja carregado nos silos das injetoras por meio de transportadores pneumáticos. Pré–aquecimento e pré-triagem O poliestireno não é um material higroscópico e não requer pré-triagem para sua moldagem, a menos que, tal como indicamos no parágrafo anterior, se houvesse produzido condensação de umidade em seus grânulos. A experiência demonstra que quando o conteúdo de umidade dos poliestirenos excede 0,2%, as peças moldadas podem apresentar defeitos superficiais tais como manchas prateadas ou similares. Nesse caso, estas resinas devem ser previamente secas antes de moldá-las. Recomenda-se 1 a 2 horas a 80 – 88 ºC. A pré-triagem adiciona ao material o benefício do preaquecimento e reduz assim os requerimentos de temperatura das resistências do cilindro de injeção. Sem preaquecimento, o cilindro deve aquecer o grânulo dos 20 ºC até os 240 ºC (ou seja 220 º). Este valor se reduz se preaquecermos a 88 º pois a diferença seria somente de 152 º, com o qual o esforço de aquecimento do cilindro se reduzirá em 30%. Isso permite temperatura mais homogênea na mistura, reduz a possibilidade de INJEÇÃO PAGINA 5 zonas superaquecidas no cilindro e permite ciclos de moldagem mais rápidos. O preaquecimento é altamente vantajoso naqueles casos em que o peso da peça de injeção excede 70% da capacidade nominal da máquina. Por esta razão também é recomendável preaquecer os poliestirenos. Para a secagem do material, são tão eficientes os fornos a bandeira circulares como os silos pré-demarcadora. Estas últimas, têm a vantagem de reduzir a manipulação evitando contaminação e mantendo o material quente no silo. O uso de ar desunificado é aconselhável somente quando existem altas condições de umidade. Forma dos grânulos Os polímeros de moldagem se apresentam em forma de grânulos ou moídos. Os grânulos são de forma pequena e regular, geralmente cilíndricos, que se obtém cortando tiras extrudadas (pelletizas). O moído de forma irregular se obtém pela moagem de pedaços grossos de polímeros, agregados e peças, isso produz uma ampla distribuição de partículas de diferentes medidas. A densidade aparente dos materiais é o peso dividido pela unidade de volume e isso nos indica a quantidade de ar em um volume determinado de grânulos. A densidade aparente do poliestireno em grânulos é de 600-700 kg/m3, enquanto que no moído é de 500-600 kg/m3 . A moagem recuperada tem uma densidade mais baixa que os grânulos, ou seja, tem maior conteúdo de ar. Quando as máquinas são alimentadas volumetricamente, a menor densidade aparente requer maior volume de alimentação, porque precisa expulsar mais ar enquanto comprime o plástico injetado. Em se tratando de materiais de baixa densidade aparente, às vezes o pistão deve comprimir em vários golpes para poder acumular suficiente material para encher o molde. Esta operação se denomina “compactar”. Se o ar embolsado não é eliminado, ficará preso no material fundido, a medida que se produz a densificação frente a rosca e logo se deslocará ao molde onde provocará manchas prateadas, ampolas, bolhas, etc. Os grânulos pequenos oferecem uma maior área superficial por unidade de peso se comparados aos de tamanho regular. A superfície/peso é importante para a coloração a seco e para o uso de lubrificantes. Os grânulos pequenos oferecem uma relação superfície/peso que favorece a coloração a seco e a dispersão uniforme de lubrificantes em pó ou líquidos. Atualmente, o uso de pequenos grânulos está limitado porque tendem ao superaquecimento ou queima no cilindro de injeção. Por exemplo, a poeira que se produz na moagem pode aderir no espaço compreendido entre o pistão e paredes do forno nas máquinas de injeção a pistão convencionais e pode chegar a queimar-se na zona posterior quando o pistão chega ao final de sua trajetória. Para os polímeros de estireno a medida mínima de grânulos ou grãos moídos para máquinas a pistão é aproximadamente 1 mm x 1 mm. Quando se moldam grânulos ou grão moído fino se aconselha manter a temperatura da zona posterior a uns 15 a 25"C mais baixa que a zona centro e frente. Este procedimento não só reduz a possibilidade de superaquecimento mas também favorece o escape do ar aprisionado. Lubrificação Os lubrificantes externos aplicados sobre a superfície dos grânulos facilitam o deslizamento no silo e duto de alimentação da máquina injetora. Nas máquinas convencionais a pistão, se verifica uma perda de pressão quando se compacta e empurra através da parte posterior do cilindro os grânulos não fundidos. Esta queda de pressão pode chegar a 50 % da pressão aplicada pelo pistão. Com lubrificação externa os materiais deslizam melhor e se reduz significativamente a queda de pressão. Também se evitam manchas de degradação produzidas pelo excesso de fricção. Os poliestirenos podem ter distintos níveis de lubrificação interna/externa de acordo com o tipo de moldagem. Durante o processo de injeção, o lubrificante externo se incorpora ao material. Este se perde quando utilizamos a moagem. Portanto esta, ao ser moldada pode gerar aumento de temperatura por PAGINA 6 INJEÇÃO fricção provocando manchas negras nas peças. Nesses casos deve-se agregar lubrificante ao material recuperado antes de moldá-lo. A quantidade necessária é de 0,03 % com uma agitação prevista de 15 min. Este percentual equivale a 30 g por 100Kg de recuperado. Além disso, um excesso de lubrificante ou uma má homogeneização do mesmo pode produzir riscos ou manchas nas peças, especialmente nos poliestirenos cristais ou de cores translúcidas. Normalmente se usa o estearato de zinco ou ceras microcristalinas como lubrificantes externos. Temperatura de moldagem As resinas de poliestireno devem ser aquecidas pelo menos a 170 – 180 ºC para tornar-se moldáveis, acima desta temperatura diminui a viscosidade da massa necessitando menor pressão para conseguir o rendimento de injeção desejado. Acima de 280-290ºC de acordo com sua formulação específica, os polímeros a base de estireno começam a se decompor por despolimerização e oxidação e como última etapa se carbonizam. A decomposição dos estirênicos pode começar depois dos 20 a 30 minutos de permanência a 270 ºC. Os polímeros que contém butadieno são mais propensos à oxidação a altas temperaturas que o poliestireno cristal de alta resistência à deformação por calor. Intervalo de temperaturas de massa sugeridas para alguns graus de poliestireno Não no: Não no N 1921/N 1841 ......................180-22OºC Não no N 2560/N 2380 ......................190-23OºC Não nova SR 550/ RT 441M/ RC 600.....180-23OºC As temperaturas mencionadas são as de “massa” e não as dos pirômetros que controlam as resistências. Nas máquinas, no pistão, a temperatura normal de massa será usualmente entre 10 a 25 º mais baixa que a indicada nos instrumentos de controle. Nas máquinas a rosca será igual ou 10-15 ºC mais alta. Um pirômetro instalado perto do bico de injeção é um método conveniente para medir a temperatura real da massa fundida. Outro método, ainda que menos conveniente, é inserir a agulha de um pirômetro manual no material que está saindo ao realizar uma “purga” quando o cilindro está à temperatura operativa e depois que a máquina realizou entre 10 a 12 injetadas nessas condições. Para ciclos longos como requerem peças de elevada espessura, as temperaturas tenderão até as mínimas recomendadas e para peças finas com ciclos curtos as temperaturas estarão mais próximas dos valores máximos. Em geral todas as zonas do cilindro devem estar a uma mesma temperatura. Por exemplo, se temos 300 º na zona posterior e 200 º no meio e na frente, os grânulos se queimarão na zona posterior. Existe, no entanto, algumas exceções: 1. Manter a zona de trás a uma temperatura entre 15 – 25 º mais alta que o centro e à frente quando: a) O peso da peça injetada, incluindo o galho excede 75% da capacidade nominal da máquina. b) Em ciclos de moldagem menores que 30 segundos. 2. Manter a zona detrás a uma temperatura entre 15-25 º mais baixa que o centro e a frente quando: a) O peso da peça injetada, incluindo o galho é menor que 50 % da capacidade nominal da máquina. b) Em ciclos de moldagem que excedem os 60 segundos. c) Em moldagem de grânulos finos ou moídos. d) Se aparecem manchas prateadas ou defeito tipo mica nas peças moldadas. Geralmente deve-se deslocar a zona de máxima plastificação da massa até a frente quando existe uma exposição prolongada ao calor ou se estende o tempo de residência no cilindro, ou sempre que exista ar ou excesso de voláteis na massa do polímero. INJEÇÃO PAGINA 7 Temperatura do molde Uma alta temperatura na superfície do molde reduz tensões internas, produz superfícies mais brilhantes, minimiza as linhas de junção e de fluência do material. Lamentavelmente estas altas temperaturas também requerem extensos ciclos de moldagem que permitirão “solidificar” o plástico para poder expulsar a peça do molde suficientemente rígida para evitar deformações. As temperaturas mais baixas que permitem ciclos mais rápidos têm a desvantagem de causar tensões internas, peças com falta de brilho e linhas de junção muito marcadas. Os moldes frios podem produzir rupturas ao extrair a peça se esta foi moldada com os estirênicos menos dúcteis tais como Não nov HH-101. A temperatura máxima do molde para termoplástico amorfo é praticamente igual à sua temperatura ASTM de distorção ao calor (ASTM D.-638). Acima dessa temperatura a peça não manterá sua forma e dimensões ao ser extraída. A temperatura mínima da superfície do molde sugerida para poliestireno oscila entre 30 – 40 º; abaixo destes níveis teremos altas-tensões de moldagem (por orientação e choque térmico) e problemas de encurvamento e de pobre aspecto superficial. A temperatura ideal deve ser um meio termo entre estes dois extremos. Note-se que estas são temperaturas da superfície do molde e não dos canais de circulação de água. Em ciclos muito rápidos se necessita, às vezes, circular água refrigerada por esses canais para esfriá-los, mas ainda assim a temperatura da superfície da cavidade não pode estar abaixo de 22-25ºC. As temperaturas de superfície do molde recomendadas para diferentes graus de poliestireno são: Não no N 1921/ N1841 .....................................40-6OºC N 2560/ N 2380 .....................................50-75ºC SR 550/ RT 441M/ RC 600 ...................40-7OºC Para moldar peças de paredes finas (inferiores a 3 mm), a temperatura aconselhável é a dos intervalos mais baixos, para paredes mais grossas (acima de 3 mm) se requer temperaturas mais altas. Uma maneira muito efetiva de obter ciclos curtos sem sacrificar brilho é manter diferentes temperaturas em ambas faces do molde. A que vai moldar a superfície visível do objeto pode estar entre 10 – 30’C mais quente que a outra parte. O núcleo mais frio provoca uma maior velocidade de forja, enquanto que a cavidade mais quente conseguirá um melhor brilho. Este procedimento deve ser experimentado cuidadosamente por duas razões: 1) As áreas planas e delgadas são propensas a curvar-se, pelo que a superfície “mais quente” adotará esta forma. 2) A metade mais quente do molde se dilata mais que a outra mais fria de tal forma que pode causar problemas de descentralização entre as colunas guias do molde e suas buchas por diferença de dilatação do metal, provocando seu desgaste ou torções quando o molde se fecha. Se não se dispõe de um pirômetro para medir a temperatura da superfície do molde, pode ser feita uma estimativa mediante o tato. A mão pode ser mantida sobre um metal até 50 º. Acima desta temperatura não poderá manter-se por mais de uns poucos segundos. PRECAUÇÃO: deve-se assegurar que a porta de segurança esteja aberta e o motor da máquina desligado antes de colocar a mão sobre o molde. Pressão de injeção A pressão de injeção para moldar resina de poliestireno exercida pela frente do pistão deve ser de 400 a 1.400 kg/cm2 (39 – 130 N/mm2), dependendo do tipo e capacidade da máquina, temperatura de massa, diâmetro de abertura do bico de injeção, desenho do molde, tipo de plástico, lubrificação, etc. Se aconselha operar ao PAGINA 8 INJEÇÃO máximo possível a pressão de injeção e reduzir simultaneamente a temperatura do cilindro para conseguir ciclos mais curtos. Uma boa prática é ir aumentando a pressão gradualmente a medida que o ciclo vai se reduzindo antes de aumentar a temperatura do cilindro. Com temperaturas de massa muito altas, o excesso de pressão pode produzir rebarbas na peça ou bloquear o molde, de modo que não se possa abrir pela força hidráulica exercida no lado móvel. Com temperaturas excessivamente baixas o excesso de pressão pode: 1. Danificar o torpedo (difusor) nas máquinas a pistão convencionais. 2. Originar tensões internas na área de entrada das peças injetadas. Se a máquina permitir, é aconselhável usar uma primeira pressão de injeção muito alta enquanto são enchidas as cavidades e manter em seguida uma pressão de retenção mais baixa para evitar uma retração do material nas cavidades recém-preenchidas. Neste tipo de máquina deve-se sincronizar perfeitamente o momento de passar da pressão inicial alta até a mais baixa assim que as cavidades se preencham e isso ocorre quando o pistão detém seu avanço. Colchão de alimentação O colchão de alimentação é a quantidade de material retido entre a posição final do pistão e a de sua máxima posição possível de avanço durante uma injeção. Quando o colchão de alimentação chega a zero, o pistão alcançou o limite máximo de sua possibilidade de avanço e nesse ponto não transmite pressão ao material fundido no cilindro. Um elevado colchão de alimentação requer que o pistão empurre uma maior quantidade de material no cilindro para que o deslizamento seja realizado através do ponto de injeção, o que causa grande perda de pressão desde a frente do pistão até o ponto. Em geral, a alimentação deve ser ajustada a um colchão mínimo entre 3 a 5 mm. quando se moldam grãos moídos com tamanho de partícula não uniforme, um colchão mais alto (13 a 19 mm) ajuda a eliminar ar embolsado. Se o material conte excesso de umidade ou voláteis que aparecem em forma de manchas escuras nas peças moldadas, é útil aumentá-lo a 25 mm reduzindo simultaneamente a temperatura da parte posterior do cilindro em 15 ºC abaixo da zona central. Os alimentadores de carga por peso eliminam a necessidade de um ajuste do controle de alimentação volumétrica e asseguram um colchão uniforme e mínimo uma vez que a carga de alimentação foi ajustada para igualar o peso da peça injetada. Tempo de injeção É o intervalo entre o instante em que a rosca começa seu avanço até que a pressão da injetada para de agir. O temer que controla a trajetória de avanço da rosca inicia sua ação no momento que começa seu movimento para frente e termina imediatamente quando começa o retrocesso. Nas máquinas a pistão e na rosca direta pode-se observar que a velocidade do pistão diminui quando chega ao final da posição de avanço. Enquanto se realiza o enchimento das cavidades do molde, geralmente a velocidade inicial é de 25 mm por segundo ou mais, diminuindo a 1,6 mm por segundo enquanto são preenchidas, por conseguinte o resto da trajetória do pistão serve para compactar o material plástico nas cavidades. O período inicial de injeção a alta velocidade é o de “tempo de enchimento” ou “tempo de percurso ou trajetória de pistão”, tão logo este avança lentamente até o momento que as entradas de galho se solidifiquem. Se colocarmos o temer para que se detenha o pistão quando as cavidades forem preenchidas, a pressão de injeção deixa de agir imediatamente e o material tende a se retrair até que as entradas das mesmas se solidifiquem. Se o pistão começa a retroceder imediatamente após o enchimento, se cria uma pressão negativa ou sucção dentro do cilindro, o que provoca depressões (saliências nas INJEÇÃO PAGINA 9 peças), ou outras marcas superficiais. Por isso deve-se manter uma pressão positiva por um certo período uma vez que as cavidades se preencheram, até que as entradas de galho se esfriem. Recomenda-se ir reduzindo progressivamente o tempo de avanço da rosca até que apareçam marcas de saliências na superfície das peças. Chegando nesse ponto, deve-se incrementar em uma razão de 1 segundo a cada 3 ou 4 ciclos até que as marcas ou qualquer defeito por baixa pressão desapareçam. Com este procedimento se estabelece o tempo mínimo requerido para o esfriamento da entrada a uma determinada temperatura de massa do material e do molde. Mantendo este tempo, o ciclo total pode ser progressivamente reduzido até que deformações e encurvamentos comecem a surgir na extração. Ciclos de moldagem O ciclo de moldagem é o intervalo total entre o instante em que a matriz é fechada durante um ciclo e o instante correspondente ao fechamento do molde no ciclo seguinte enquanto a máquina opera de forma repetitiva. O termo “ciclo de máquina” se refere a parte do ciclo controlada e pré-fixada nos relógios (times) do painel de instrumentos. O ciclo de máquina começa quando o operador fecha a porta de segurança que ativa o mecanismo de fechamento do molde. As operações subsequentes de fechamento de molde, injeção, esfriamento e abertura de molde se efetuam automaticamente. O ciclo de máquina termina quando o temer de “molde fechado” chega a zero e a máquina se abre no limite preestabelecido de abertura de molde. Portanto, o ciclo total é a soma do ciclo de máquina e o tempo requerido pelo operário para abrir a porta de segurança, retirar a peça injetada e fechar a porta. O ciclo de máquina é a soma total de: tempo de injeção, tempo de esfriamento da peça injetada, tempo de abertura e fechamento do molde. As duas últimas operações são próprias da máquina e independentes da variável de ajuste do molde e das propriedades do polímero. O tempo de esfriamento é o mais extenso de todo o ciclo e depende da espessura das paredes da peça moldada; da temperatura do molde e das características de esfriamento do polímero. No geral, se buscam ciclos rápidos. O custo horário de uma máquina de injeção é uma constante, com o que ciclos mais rápidos produzirão peças de menor custo. No entanto, os ciclos muito rápidos podem causar maior quantidade de material defeituoso, reduzindo dessa forma a produção de peças boas por hora, e ainda que as peças defeituosas podem ser recuperadas no material se incrementam os custos. Além disso, os ciclos muito curtos impõem uma carga excessiva ao sistema hidráulico da máquina que finalmente, pode incrementar o tempo de paradas ou de manutenção. Em alguns casos se pode usar água refrigerada para acelerar os ciclos de moldagem. Isso não é possível sempre que a temperatura do molde não esteja abaixo da temperatura ambiente pois isso pode produzir peças tensionadas e quebradiças com acabamento superficial pobre. Além disso, nessas condições pode-se condensar umidade sobre as faces do molde provocando oxidação. Como já dissemos, o tempo de resfriamento para que o plástico solidifique está relacionado com a espessura das paredes, temperatura do molde e características do material. Para poliestirenos, os valores típicos de ciclos de máquina em relação a uma média de espessura de paredes é a seguinte: Espessura Ciclo de máquina (MM) (segundos) 0.5 10 1.0 15 1.52 22 2.00 28 2.54 35 3.00 45 3.55 65 4.00 85 Para paredes de espessura superior a 3,80 mm s ó é necessário esfriar a capa externa da peça para permitir sua expulsão. Isso dependerá da medida e PAGINA 10 INJEÇÃO quantidade de roscas de expulsão que o molde possua. Se a superfície de roscas é relativamente grande, praticamente não há perigo que a força exercida pelas roscas ejetores causem deformações a peça, o que poderia ocorrer se as roscas são poucos e de diâmetro pequeno. Algumas técnicas para conseguir ciclos mais rápidos estão a seguir: 1. Pré-selado o material por meio de um silo pré-selado com circulação de ar a 80 – 90°C. A entrada de material quente permite reduzir as temperaturas das zonas do cilindro produzindo uma abertura de molde mais rápida. 2. Ajustar a alimentação para obter o “colchão” mínimo. Isso reduz a perda de pressão no cilindro permitindo velocidades de injeção mais rápidas a temperaturas mais baixas. 3. Polir todas as cavidades para retirar qualquer imperfeição ou ângulos vivos. As cavidades devem ter a suficiente cônicas e ângulo de descarga para evitar dessa forma o uso de agentes desmoldantes. Sua aplicação requer vários segundos que somados são vários minutos de perda por hora. 4. Controlar a temperatura do molde de maneira que a placa da matriz que forma a superfície da peça que ficará à vista esteja entre 12 e 22 ºC mais quente que aquela que moldará a superfície interna. Ex.: cavidade externa 60 ºC. cavidade interna 40 ºC. 5. As peças que tem secções acima de 4,8 mm devem ser submersas em um banho de água quente imediatamente após de retiradas do molde. 6. Dispor de um sistema de formas (preferencialmente de madeira ou metal coberto por feltro) para evitar o encurvamento ou deformação das peças imediatamente depois de retiradas do molde. 7. Manter uma ficha de produção para cada molde e cada máquina colocando as variáveis de processamento. Isto facilitará o início e diminuirá as perdas de tempo em obter as condições ideais de operação. 8. Moer e alimentar a máquina com o material recuperado imediatamente após ser gerado. Contração de moldagem Entende-se por contração de moldagem a diferença de medida que existe entre a peça injetada quando alcança o equilíbrio à temperatura ambiente e a medida da cavidade na que foi moldada. A contração para poliestireno de uso geral e resistente à temperatura é de 0,3 % a 0,4 %. Para poliestireno de médio e alto impacto é de 0,4 a 0,5 %. A contração está relacionada com o desenho do molde (figura A) e as condições de moldagem (figura B). Qualquer fator que tende a aumentar a pressão efetiva dentro da cavidade reduzirá a contração. Para reduzir a contração se aconselha: 1. Incrementar a temperatura de massa do material. 2. Incrementar a pressão de injeção. 3. Reduzir o colchão de alimentação. 4. Reduzir a temperatura do molde. 5. Aumentar o tamanho da entrada da cavidade ou seu comprimento. 6. Aumentar o tamanho do bico de injeção. 7. Instalar entradas múltiplas. 8. Aumentar o tempo de avanço do pistão. 9. Aumentar a velocidade de injeção. 10. Aumentar o tempo de fechamento do molde. 11. Aumentar os escapes de gases da cavidade. Para aumentar a contração, empregar os procedimentos opostos aos detalhados. INJEÇÃO PAGINA 11 FIGURA A. FIGURA B. Tolerâncias dimensionais Como já foi dito, as condições de moldagem e desenho do molde afetam a contração do material. Ainda sob as melhores condições podem haver algumas pequenas variações na temperatura de massa do material, pressão de injeção, temperatura de molde, colchão de alimentação ou ciclo total de injeção. Por exemplo, os controles de temperatura do cilindro se apagam e acendem, a pressão de injeção tende a cair quando esquenta o óleo do sistema em seguida de uma prolongada operação, o colchão de alimentação varia de acordo com o tamanho de partículas do material e a temperatura do molde pode flutuar. Também se podem esperar pequenas variações da fluência de acordo com os diferentes lotes de polímeros utilizados. Por todas estas razões, toda moldagem por injeção requer certas tolerâncias dimensionais. Poliestirenos podem ser moldados dentro de limites de tolerância muito estreitos superando os conseguidos com muitos outros termoplásticos tais como poliamidas, acetatos, poliolefinas e celulósicos. As tolerâncias comerciais alcançadas com a maioria dos moldes são: ±0,05 mm para dimensões de até 25 mm e aproximadamente ±0,001 mm para cada mm adicional. Por exemplo; uma peça com uma dimensão de 300 mm terá uma tolerância de aproximadamente 0,325 mm. Mediante um cuidadoso controle das variáveis de moldagem podem ser obtidas tolerâncias mais precisas quando forem requeridas. Estas são ±0,025 mm para dimensões inferiores a 25 mm às quais se poderia agregar ±0,0005 mm para cada milímetro adicional. Por exemplo, as tolerâncias precisas para 300 mm deveriam ser ±0, 163 mm. Manter esta precisão certamente aumenta os custos na ordem de 10 a 20% mais que com as tolerâncias standards PAGINA 12 INJEÇÃO ROSCA PLASTIFICADORA NA MOLDAGEM POR INJEÇÃO Introdução Antes da introdução da rosca plastificador em 1955-1960, as máquinas de injeção contavam com um pistão para impulsionar o material no cilindro e em seguida dentro do molde. O material era impulsionado por etapas através do cilindro por sucessivos avanços do pistão, cada vez mais fluido a medida que avançava até o ponto de injeção. A pressão exercida pelo pistão para impulsionar o polímero fundido até o molde deveria ser transmitida através de uma massa, parte da qual continha uma certa quantidade de grânulos não fundidos ou semieletrificados. Esta grande queda de pressão inerente ao sistema limitava a capacidade de injeção de 1 a 1,5 kg. Com a demanda de máquinas de maior capacidade de injeção os fabricantes acrescentaram um sistema pré-amplificador separado, o qual era montado em cima do pistão obtendo uma máquina de duas etapas. No entanto, este sistema nem sempre fornecia a capacidade calorífica suficiente para fundir o material rápida e uniformemente. Por isso foi adotada a rosca rotativa para conseguir maior produtividade e aquecer o material de maneira uniforme. A rosca plastificadora (ou de plastificação) se refere ao uso de uma rosca extrusor com rotação intermitente no cilindro de injeção. Existem dois sistemas: a) máquina injetora de duas etapas . rosca pré-amplificadora + pistão b) máquina de rosca direta . rosca que atua como tal e como pistão A principal característica da rosca plastificadora em qualquer desses dois tipos de máquina é a capacidade de fundir ou plastificar o polímero de forma rápida e uniforme mantendo a composição e temperatura de massa homogênea. Uma rosca bem desenhada produz uma massa com temperatura e viscosidade uniforme, obtendo altos rendimentos com uma mínima degradação térmica. Alguma das vantagens que a rosca de injeção possibilita sobre as máquinas de pistão são: l. Os materiais de alta viscosidade são plastificados de maneira mais eficaz. 2. Maior uniformidade física e de temperatura da massa fundida que proporciona: a) melhor brilho e aparência superficial. b) menores requerimentos de pressões de injeção. c) menor encurvamento e melhor controle das tolerâncias dimensionais. d) redução de tensões por moldagem. 3. Melhor processamento de moagem e recuperado. 4. Melhor dispersão dos colorantes na coloração a seco. O mesmo sucede com o concentrado (Manchester), principalmente quando a relação L/D da rosca é superior a 1511. 5. Menor sensibilidade às variações de tamanho de partículas do material. 6. Na zona de alimentação não existe perda de pressão pela pré-impressão dos grânulos. 7. Mais rápida e eficiente limpeza do cilindro quando se alterna de um material para outro. 8. Maior facilidade para eliminar voláteis. 9. Redução de ciclos como resultado de injeções mais rápidas ou maior capacidade de plastificação. Mesmo com estas vantagens podem-se produzir peças altamente tensionadas internamente se a rosca é operado excedendo sua capacidade ou em ciclos muito curtos. Os mesmos princípios aplicados aos processos de moldagem em máquinas a pistão servem também para os equipamentos a rosca direta ou com pré-iniciação PAGINA 13 plastificador. As variáveis de moldagem fora das referentes à rosca são as mesmas que para máquinas a pistão e são reguladas pelos requerimentos do molde. DESENHO DA ROSCA Geometria geral da rosca A passagem, ângulo da rosca e comprimento das secções são adaptadas geralmente do desenho da rosca das extrusoras convencionais. O mais recomendável é o de passagem constante e diâmetro de raiz variável no qual a passagem da rosca é equivalente ao maior diâmetro. Este tipo de rosca se divide geralmente em três zonas distintas a partir do silo na seguinte ordem: alimentação – transição ou compressão e zona de calibração (ou dosificamento). A função da zona de alimentação, formada por vários filetes de profundidade uniforme, é a de levar à zona de transição os grânulos requeridos para manter a zona de dosificamento (ou descarga) da rosca compartilha cheia de polímero fundido. Compressão, mistura e fusão começam e se intensificam na zona de transição; onde se produz a plastificação e eliminação de ar preso. A profundidade dos filetes nesta secção diminui uniformemente desde o final da secção de alimentação até o início da zona de dosificamento. Esta última zona tem dois filetes praticamente rasos com profundidade uniforme. Sua função é completar a mistura e fusão do polímero até sua máxima homogeneidade física e de temperatura. O comprimento da zona de alimentação geralmente é de 8 a 10 vezes o diâmetro da rosca, enquanto a da zona de transição e a da zona de calibração de 4 a 6 vezes. Devido a grande diferença de comportamento reológico dos termoplásticos, não há nenhum tipo ou desenho de rosca que se comporte uniformemente bem com todos os materiais. Consequentemente cada fabricante, desenvolveu seu próprio modelo chamado de “uso geral” que é um compromisso entre as diversas possibilidades, para ser usado com uma ampla variedade de polímeros. A medida que avança o desenvolvimento tecnológico pode-se esperar melhorias no desenho das roscas que permitirão otimizar resultados. Relação de Compressão Refere-se a relação entre o volume (ou a capacidade) entre os dois primeiros filetes da zona de alimentação e os dois últimos filetes da zona de dosificamento. As relações mais comuns dos equipamentos atualmente no mercado são 1.5 – 4.5 a l; nas roscas de uso geral é de 2.5 – 3 a 1. A relação de compressão em si mesma pode ser menos importante para a performance da rosca que a de sua profundidade na zona de plastificação. Roscas que têm uma alta relação de compressão devem ser operadas a menor velocidade (EJ. 10 a 50 RPM), enquanto se a relação é menor que 3:1 podem ser operados a velocidades maiores (50 a 150 RPM) com poliestireno. A experiência demonstra que para poliestirenos e outros polímeros amorfos a relação de compressão preferida é da ordem de 2.5 a 1. Comprimento da rosca É expressado em termos da relação L/D, que é a relação entre a comprimento (L) da rosca e seu maior diâmetro (D). Em roscas comerciais a relação flutua de 12/1 a 24/1. As roscas diretos com relação maior de 20/1 apresentam maiores inconvenientes se desejamos obter uma rotação concêntrica adequada e, portanto estão expostos a um desgaste excessivo. No entanto, como uma relação L/D ampla favorece uma fusão mais PAGINA 14 INJEÇÃO uniforme, as relaciones 18/1 a 20/1 são as mais usadas. Quanto maior a relação L/D, obteremos melhor qualidade de fundido por: maior área de fricção, maior comprimento de mistura, menor variação de pressão. Na maioria das máquinas a rosca direta, a relação L/D efetiva diminui com a comprimento do golpe de injeção. No entanto, esta diminuição é somente de 2 a 3 unidades e por isso é menos significativa com roscas de alta relação L/D. A mais alta relação L/D a performance da rosca é menos sensível as variações de granulometria do material. Profundidade do filete (ou rosca) Geralmente quanto maior a profundidade do filete obteremos uma maior relação de produção a uma velocidade de rosca dada. Na prática se utilizam filetes pouco profundos para os materiais menos viscosos e filetes de maior profundidade para os de alta viscosidade. Não obstante, filetes muito profundos podem causar sobrecargas ao torque e deter a rosca. Os desenhos comerciais têm uma profundidade de 0. 15 a 0. 18 D na secção de alimentação e de 0.05 a 0.06 D na de plastificação. Devido a operação intermitente da rosca de injeção, a profundidade do filete é menos crítica nas convencionais que naqueles onde a rotação é contínua. Transporte do material (zona de carga) O transporte do material depende da diferença de fricção entre: l) Polímero cilindro (alta aderência) vs. 2) Polímero rosca (baixa aderência) Quanto maior diferença entre os coeficientes de fricção 1 e 2 obteremos maior fluxo de deslocamento. “A rosca deve estar mais polido que o cilindro” “A temperatura do material na zona do silo deve ser mantida o mais baixa possível”. Esta afirmação depende da relação capacidade de máquina vs. peso a ser injetado. Características do sistema impulsor de giro ou rotação da rosca A unidade de impulso da rosca deve fornecer um alto torque de saída com proteção contra sobrecarga do mesmo e contar com velocidade variável. O sistema impulsor da rosca de injeção difere do sistema impulsor do extrusor convencional em quanto se deve arrancar e deter muitas vezes por hora de acordo com os ciclos de moldagem preestabelecidos. Necessita-se velocidade variável de rosca para adaptá-lo aos diferentes materiais plásticos e à variedade de moldes que podem ser utilizados. Com sistema impulsor elétrico, a velocidade se ajusta trocando engrenagens. A velocidade da rosca é uma constante independente da carga, enquanto o torque varia de acordo com a carga aplicada. O sistema impulsor hidráulico usa bombas hidráulicas e redutores de engrenagens que dão o torque constante e a efetiva proteção contra sobrecarga. A velocidade da rosca pode ser modificada continuamente com um ajuste do variador, mas pode variar com a carga aplicada. Válvulas de retenção As máquinas de injeção a rosca direta ou com pré-amplificador geralmente têm uma válvula de retenção na extremidade frontal do mesmo para evitar o refluxo do material nos filetes durante a etapa em que a rosca funciona como um pistão de injeção. Requer-se válvula de retenção toda vez que: 1. A viscosidade do material fundido é baixa; INJEÇÃO PAGINA 15 2. A pressão de injeção é alta; 3. A relação L/D da rosca é baixa. Existem dois tipos de válvulas de retenção; as que tem um anel externo e as de boquilha interna. Ambos tipos podem causar, por acumulação de material em alguma zona estanca, degradação térmica e carbonização do material, com o que se geram rachaduras escuras. Devem ser revisadas e limpas periodicamente. As de anel externo devem ser substituídas após algum tempo de uso. O uso excessivo ou manejo inadequado podem ser causa da degradação ou das rachaduras negras nas válvulas com anel externo. Se as rachaduras negras persistem depois de uma cuidadosa limpeza da rosca e válvula e outras possíveis causas das manchas já foram investigadas, deve-se consultar o fabricante da máquina. Controle da temperatura do cilindro Os controles de temperatura do cilindro em toda máquina de injeção, na rosca, normalmente não indicam a temperatura real da massa que sai pelo bico. Geralmente é muito mais alta devido à fricção gerada entre a rosca em rotação e o material. As temperaturas das zonas central e frontal frequentemente podem aumentar mesmo com as resistências desconectadas. Isso pode ocorrer quando o tempo de rotação da rosca é superior a metade do tempo total do ciclo, ou se são usadas altas velocidades, ou mesmo se existe excessiva contrapressão. Qualquer um destes motivos pode gerar excessivo calor por fricção do polímero, de maneira que a temperatura real do material não é controlada pelos reguladores de temperaturas das zonas aquecidas. Se o excessivo aumento de temperatura por fricção se deve ao prolongado tempo de rotação da rosca durante o retrocesso, o problema pode ser minimizado por: 1. Incremento da velocidade RPM mais altas. 2. Incremento do ciclo de moldagem 3. Diminuição do contrapressão da rosca. 4. Aumento da temperatura na zona de alimentação. 5. Uso de um material de menor lubrificação externa. Os níveis de temperaturas das zonas dependem primariamente do tipo de polímero a processar. Tal como nas máquinas, no pistão, a temperatura real da massa é a que importa. Os materiais que tem relativamente alta viscosidade tais como os poliestirenos de alto impacto, requerem que a temperatura da zona de alimentação é razoavelmente alta, em particular se o material não foi preaquecido ou se o peso da injetada é muito próximo a capacidade máxima da máquina. Quando se molda poliestireno, as temperaturas das zonas central e frontal devem ser iguais à temperatura de massa que se deseja Se o peso da injetada excede 75 % da capacidade da máquina (ou se o material não foi preaquecido), a zona de alimentação deve estar a uma temperatura 12 a 25 ºC mais alta que a frontal e central. Se o peso da injetada está entre ou 50 e 75% da capacidade, todas as zonas devem estar em uma mesma temperatura. Se o peso da injetada é menor que 50% da capacidade, a zona de alimentação deve estar a uma temperatura de 15 a 25 ºC mais baixa que a frontal e central. Uma prática recomendável é que maior quantidade de calor seja produzida pela fricção da rosca mantendo as resistências o mais baixas possíveis para poder controlar convenientemente a temperatura do material. Nas máquinas convencionais, a temperatura adequada para o material fundido que sai pela boquilha deve estar entre 200 a 230 ºC para poliestirenos. A temperatura deve ser medida com pirômetro de agulha em uma injeção de purga depois que a máquina realizou vários ciclos de moldagem nestas condições tomando apropriadas medidas de segurança. É muito vantajoso instalar uma termopar na massa fundida perto do ponto de injeção que indique a temperatura da mesma de forma contínua. Pressão posterior da rosca (ou contrapressão) PAGINA 16 INJEÇÃO A pressão posterior é a que a rosca deve desenvolver na zona frontal para bombear (empurrar) a mistura fundida para frente. Pode ser ajustada por meio da válvula de alívio sobre a linha de descarga do cilindro hidráulico de injeção. Nas máquinas a rosca direta, a pressão posterior deve ser superada pela ação de bombeamento da rosca enquanto este gira para alimentar a carga para a próxima injeção. Nas máquinas de duas etapas, é a pressão que deve ser superada pela rotação da rosca (não direto) no cilindro PR´- plastificador para forçar o pistão de injeção a sua posição anterior e preparar-se para a próxima injeção. Incrementando a pressão posterior aumenta-se a temperatura de fusão do material e também o tempo de rotação da rosca. Uma pressão posterior mais alta intensifica o grau de cisalhamento proporcionando melhor uniformidade da massa, melhor coloração e melhor moldabilidade. No entanto, deve ser mantida ao mínimo com polímeros de baixa viscosidade tais como poliestirenos de uso geral para evitar refluxo de material nos filetes e redução do fluxo de bombeamento. Velocidade da rosca A capacidade de plastificação nas máquinas de injeção a rosca tem relação com a velocidade de rotação da rosca. Quanto maior velocidade, maior produção. O calor por fricção gerado pela rotação é aproximadamente proporcional ao quadrado da velocidade de rotação. Por isso existe uma relação direta entre velocidade da rosca e temperatura do material. A velocidade ideal é uma função do desenho da rosca (relação de compressão e relação de L/ D) assim como das propriedades reológicas do polímero envolvido. A temperatura de massa das resinas de maior vis cosida de é mais sensível as mudanças de velocidade da rosca. Um excesso de velocidade de rotação pode causar degradação, provocando manchas escuras, marcas ou peças fracas por excesso de tensões residuais. Não obstante, altas velocidades de rotação de rosca asseguram uma rápida recarga e uma mistura mais uniforme permitindo dessa forma ciclos mais rápidos, portanto, deve-se buscar um meio termo entre a qualidade requerida e a velocidade de operação. O ideal é ajustar a velocidade de rotação a um terço do tempo total do ciclo de moldagem e preferentemente parar a rotação da rosca antes que se abra o molde. Se a rosca se detém antes, o polímero fundido se manterá a alta temperatura por mais tempo e com isso estará mais propenso à degradação. Velocidade de injeção Os ciclos de injeção nos equipamentos a rosca são mais rápidos que os de pistão, pois não há perda de pressão para pré-compromisso o material não fundido na zona de alimentação, nem tem necessidade de uso de torpedo, que causa também uma perda de carga. Nas máquinas a pistão a queda de pressão da zona de alimentação pode chegar a ser 50% do total da pressão exercida pelo pistão. Consequentemente, em máquinas a rosca se requer uma pressão muito mais baixa para obter a mesma pressão de injeção no bico. Deve-se levar em consideração que uma alta pressão no bico é necessária para todo tipo de máquina se é preciso um elevado nível de velocidade. Os altos intervalos ou níveis de velocidade reduzem tensões internas e produzem ciclos mais curtos, sendo especia umente vantajosos para peças que possuem paredes de no mínimo 3 mm de espessura. No entanto, entradas ou boquilhas subdimensionadas impõem um limite à velocidade de injeção. Velocidades excessivamente altas podem ocasionar material queimado ou esfoliado na zona de colada. Analogamente, peças de maior espessura, tais como cabos de escovas ou tacos requerem injeções lentas para evitar marcas de fluência ou outros defeitos superficiais. O controle de velocidade como variável da injeção é mais crítico nos equipamentos com rosca. Pode ser reduzida baixando a temperatura de massa e assim esses equipamentos podem trabalhar com ciclos mais curtos para moldar peças de maior espessura porque a temperatura de massa mais INJEÇÃO PAGINA 17 baixa combinada com uma mistura mais uniforme permite um endurecimento mais rápido no molde. Recomenda-se usar alta pressão de injeção e um tempo de enchimento tão rápido quanto tolerado pelo desenho do molde, quando as cavidades se encherem baixar imediatamente a pressão (pressão residual), assim se minimizam as tensões internas. Exceto para paredes de espessura de mais de 6 mm onde o tempo completo de avanço da rosca não deve exceder 5 ou 6 segundos. Obviamente o tempo de enchimento depende da medida, quantidade e localização das entradas, tamanho dos escapes de gases, medida do bico e propriedades de fluência do polímero. Influência dos parâmetros de processo Caracterizamos diferentes parâmetros de processo, analisaremos a influência dos principais deles sobre o grau de orientação molecular que afeta diretamente as propriedades da peça. Temperatura de massa Um aumento da temperatura de massa gera uma diminuição na viscosidade, o que significa que o material é orientado durante a injeção e entra ao molde relaxado, assumindo uma configuração não orientada. Temperatura de molde A temperatura do molde influi sobre a resistência ao fluxo do polímero na cavidade. A curva mostra que um incremento na temperatura do molde reduz levemente a orientação à deformação (Sinister) e à tensão (Stress). PAGINA 18 INJEÇÃO Velocidade de injeção “A orientação à deformação e à tensão diminuem com o aumento da velocidade de injeção”. Este efeito aparece como paradoxo se o esforço de corte é diretamente proporcional à velocidade de injeção. Seguindo esta hipótese, com uma injeção rápida ocorre pouco esfriamento do fundido, além do que ao mesmo tempo que a entrada se esfria o nível de temperatura do polímero no molde será alto. Isso permite alcançar maior relaxamento. Esta teoria implica que a orientação nas peças moldadas será mais homogênea com uma injeção rápida. Esforço de corte = Velocidade de injeção (espessura cavidade)3 Conclusões · A orientação molecular depende das condições de moldagem. · O grau de orientação tem um efeito definido sobre as propriedades da peça: a) A resistência a tração a deformação e ruptura decrescem na direção transversal à orientação. b) O impacto ao dardo diminui com um aumento de orientação. c) Resistência ao Impacto Izos incrementa quando a proveta /peça é se rompe na direção transversal à orientação. d) O alongamento a ruptura diminui na direção transversal à orientação. · Os níveis de orientação à deformação e tensão decrescem com o incremento da temperatura de massa e velocidade de injeção. Orientação = 1 . 1 0 Temperatura velocidade de massa de injeção · Um aumento na pressão de injeção e temperatura de molde, gera uma diminuição muito pequena do nível de orientação. INJEÇÃO PAGINA 19 SEÇÃO II Desenho de Moldes INTRODUÇÃO PÁG. 20 CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE DESENHO PÁG. 21 FUNÇÕES DOS COMPONENTES DO MOLDE PÁG. 25 GENERALIDADES PÁG. 25 BUCHA DE GALHO PÁG. 25 CANAIS PÁG. 25 ENTRADAS PÁG. 28 CAVIDADES PÁG. 33 VENTILAÇÃO PÁG. 34 CANAIS DE ESFRIAMENTO PÁG. 35 MECANISMOS EXPULSORES PÁG. 36 PAGINA 20 INJEÇÃO INTRODUÇÃO O molde é o núcleo central do processo de moldagem por injeção, é a ferramenta que dá a forma desejada e a textura superficial ao plástico fundido e determina as condições do artigo final. o molde tem também influência sobre as tensões internas da peça moldada e consequentemente um efeito significativo sobre as propriedades e performance no uso final da mesma. O molde é um instrumento de precisão de alto custo, e deverá ser suficientemente resistente para suportar milhares e milhares de ciclos de moldagem com pressão muito alta. Cerca de 90 % do êxito de qualquer trabalho de moldagem depende da habilidade empregada em seu desenho e construção. É impossível obter peças moldadas satisfatórias com um molde mal construído. Um desenho apropriado e uma cuidadosa fabricação facilitam bastante uma produção de artigos plásticos econômicos e com a máxima performance que possa desempenhar o material. Desenho de uma peça O principal propósito do desenho é produzir uma peça funcional que cumpra com todos os requerimentos de uso como: temperaturas de trabalho, esforços mecânicos e resistência química. Espessura constante É um ponto básico na análise da construção de uma peça não somente por sua óbvia vantagem econômica, mas também pela uniformidade da contração. É o principal fator para prevenir partes deformadas. Costelas (Nervuras) É uma alternativa para aumentar a rigidez no lugar de aumentar a espessura de parede. Esse recurso fornece uma estrutura mais eficiente com menor quantidade de material e ciclos de moldagem mais curtos. Para minimizar as saliências na zona de localização das costelas se recomenda que estas tenham no máximo 50% da espessura da parede. Além disso, devem possuir um adequado ângulo de saída pelo lado para facilitar a expulsão (mínimo 1,5º) e uma intersecção arredondada de 0.04 R no mínimo. INJEÇÃO PAGINA 21 Insertos metálicos Utilizam-se para facilitar o ensamblado ou fixação a marcos ou bastidores. Para uma excelente resistência, seguem as sugestões. l) O diâmetro interno do orifício não deverá exceder 50% do diâmetro externo. 2) O diâmetro interno do orifício deverá medir entre 80 e 85% do diâmetro externo da rosca a ser inserido. CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE DESENHO O desenho do molde depende: A. do tamanho e da forma da peça que será moldada; B. do número de cavidades; C. do tamanho e capacidade da máquina de injeção no qual o qual será colocado. Estes fatores também estão relacionados entre si, mas o tamanho e peso do objeto que será moldado limitam o número de cavidades no molde e também determinam a capacidade requerida da máquina. No caso de uma peça grande, tais como, a grelha de um automóvel ou uma cadeira de uma só peça, se requerem dimensões apropriadas entre colunas para poder colocar o molde. PAGINA 22 INJEÇÃO Da mesma maneira também limita o número de cavidades que podem ser instaladas em um molde de cavidades múltiplas. A área total projetada de moldagem determina a força de fechamento requerida para manter o molde fechado durante a injeção. A área projetada pode ser definida como a sombra da peça injetada sustentada sob uma fonte de luz com a sombra caindo sobre uma superfície plana paralela a linha de partição do molde. Deve-se levar em conta que a área projetada inclui a zona de canais de galho (exceto no caso de galho quente). Para um verdadeiro fluido hidráulico tal como a água, a força de fechamento requerida para cada 6,45 cm2 de área projetada deve ser igual à unidade de pressão aplicada pelo pistão de injeção. No entanto, devido ao parcial endurecimento do material a medida que flui através do bico dos canais e dentro da cavidade, a pressão real exercida pelo material dentro da mesma é menor que a pressão aplicada ao pistão. Por isso uma pressão de pistão de 1.400 kg/cm2 requer uma força de fechamento de no máximo 900 kg/cm2 de área projetada. Para uma determinada pressão de pistão, a pressão real desenvolvida dentro das cavidades varia diretamente com a espessura da peça a injetar e in versa mente com a viscosidade do polímero fundido. Secções grossas requerem maior força de fechamento que as finas, porque o material fundido permanece semifluido por mais tempo durante o enchimento da cavidade. Analogamente, material a mais alta temperatura, molde mais quente, entradas mais amplas e maior velocidade de injeção requerem também uma força de fechamento maior. Como regra, uma boa moldagem necessita três toneladas de fechamento por 6,45 cm2 de área projetada. Com moldes de desenho adequado e condições de moldagem ajustadas podem-se conseguir peças satisfatórias as vezes com apenas uma tonelada de força de fechamento por 6,45 cm2 de área projetada. No entanto, não é aconselhável operar moldes nestas condições já que o índice de permissibilidade das condições de moldagem é muito limitado e podem não ser completamente preenchidas as cavidades de longo percurso. Também é importante não exceder a força de fechamento já que se o molde é pequeno e a máquina grande, aquele pode afundar entre os pratos da máquina. Se a superfície de contato do molde na linha de fechamento é insuficiente há risco de que o molde se afunde sob uma força de fechamento elevada demais (excedendo 10 toneladas por 6,45 cm2 de área projetada). Em casos menos extremos, o molde pode ser deformado ou riscado prematuramente por fadiga de materiais. Assim como a área projetada determina a força de fechamento requerida, o peso da peça moldada determina a capacidade de injeção da máquina na qual será operado o molde. O peso da injeção inclui o galho em sua totalidade exceto nos moldes de galho quente. As capacidades de injeção são geralmente indicadas em gramas de poliestireno que podem ser injetados de uma só vez. A unidade e medida de capacidade é o volume de material deslocado por uma injeção. Para uma máquina determinada, este deslocamento volumétrico é uma constante independente da densidade específica do plástico. Por exemplo; uma máquina com capacidade de 1,350 kg de poliestireno tem um deslocamento de pistão de 1.288 cm2, visto que 1 cm de poliestireno pesa l,05 gr. No entanto, esta mesma máquina pode injetar 1,783 kg de PVC rígido de uma vez, mas somente 1,180 kg de polietileno. É muito frequente que a máquina opere na sua capacidade máxima de injeção ou mesmo superior. O resultado é inevitavelmente uma qualidade insatisfatória, marcas, saliências, linhas de fluência, linhas de união, terminações opacas e produções erradas fora dos standards previstos. Se operamos com capacidade máxima em geral se necessita um ciclo de moldagem maior para permitir uma plastificação uniforme à temperatura de fusão requerida. Além disso, um uso prolongado da máquina na sua capacidade máxima impõe uma carga pesada ao forno e ao sistema hidráulico provocando desgaste prematuro por sobrecarga das resistências, bombas e válvulas. Quando se moldam plásticos de estireno deve-se certificar que o peso da peça a injetar não supere 75% da capacidade máxima da máquina. Por exemplo, para uma máquina de 1 kg o peso da peça não deverá ser maior que 750 gr. incluindo o galho. Para obter o máximo de qualidade nas INJEÇÃO PAGINA 23 peças moldadas, onde acabamento, brilho e tensões internas são críticas, o peso da peça não deverá ser superior a 50% da capacidade máxima da máquina. Se as circunstâncias obrigam a trabalhá ar em um nível de capacidade superior a 50 %, se sugere: A. Preaquecer o material de 2 a 3 ha. B. Colocar a temperatura da zona de alimentação de 10 a 20 ºC mais alta que as zonas de centro e frente. C. Estender o ciclo entre 5 a 10 % D. Em máquinas a rosca aumentar a pressão posterior da rosca de 14 kg/cm2 (200 psi) a 35 kg/cm2 (500 psi). E. Usar um tipo de material com maior fluidez ou maior nível de lubrificante externo. Cálculo da Força de Fechamento necessária para um Molde de Injeção As máquinas injetoras de materiais plásticos possuem uma prensa (unidade de fechamento) que além dos movimentos do molde, fornece a força de fechamento necessária durante o processo de injeção. Para encher um molde de injeção e obter acabamentos superficiais corretos, são necessárias pressões relativamente altas, da ordem de 180 a 1000 bar dentro do molde. Estas grandes diferenças entre a mínima e a máxima se devem principalmente à geometria da peça injetada e do material injetado. Por meio da tabela a seguir, pode-se determinar com suficiente aproximação a pressão que necessária na cavidade de um molde de injeção para obter peças de qualidade aceitável. Devido as altas viscosidades dos materiais plásticos que são injetados em temperaturas compatíveis com sua estabilidade térmica, se produzem quedas de pressão consideráveis durante o fluxo de material dentro do molde. Além do mais, como o molde geralmente está muito mais frio que o material plástico, este se esfria durante o fluxo e com isso aumenta a viscosidade e a perda de pressão. Vale lembrar que as peças injetadas de materiais plásticos enchem a cavidade desde a entrada, avançando pelo interior da peça até preenchê-la totalmente. Por conseguinte, quanto mais fina é a peça e quanto mais longo é o fluxo para preenchê-la maior será a pressão necessária. Isto é claramente descrito na tabela. Quanto menor é a espessura da peça e quanto maior é a relação trajeto de fluxo/ espessura de parede, maior é a pressão necessária para encher o molde. Com certeza também influi o material plástico que estamos injetando, já que os diversos materiais têm diferentes viscosidades à temperatura de transformação. A tabela de referência é suficientemente exata para determinar a pressão máxima na cavidade, levando em conta somente a espessura mínima de parede e a relação trajeto de fluxo/espessura de parede e material. Existem outros fatores que influem nesta pressão, como: temperatura do material e temperatura do molde; em ambos os casos quanto mais altas, menores serão as pressões necessárias para encher o molde. Vejamos um exemplo prático: Queremos injetar uma peça que tem uma espessura mínima média de 0,7 mm e um comprimento de fluxo (desde a entrada da cavidade até a parte mais distante) de 63 mm. Se dividimos 63 por 0,7 teremos uma relação de 90:1. Se consultarmos a tabela, obteremos o valor de 370 bar (0,7 mm e relação 100: l) este valor é válido para PE, PS, PP, mas se desejamos injetar PA (poliamida), teremos que multiplicar a pressão por aproximadamente 1,3 e obteremos uma pressão de 370 bar x 1,3= 481 bar. Com este valor poderemos determinar a força de fechamento necessária para poder injetar esta peça. Além disso, em todos os casos devemos determinar a superfície projetada da peça sobre a PAGINA 24 INJEÇÃO superfície de fechamento do molde, se este é plano, ou sobre um plano imaginário paralelo às placas portas moldes da máquina. A pressão dentro da cavidade do molde multiplicada por esta superfície nos dará a força que exerce a pressão de injeção no sentido do eixo da unidade de fechamento da máquina na direção oposta. Continuando com nosso exemplo: Tínhamos uma pressão no molde de 481 bar e se a superfície projetada da peça é de 215 cm2 teremos aproximadamente uma força de 101 toneladas ou 1030 KN (1 bar é aprox. igual a 1 kg/ cm2 e 1T é aprox. igual a 10 KN). Esta força deve ser resistida pela unidade de fechamento. Portanto, em nosso caso, a máquina que será utilizada deveria ter uma força de fechamento máxima de 120 T, para evitar que o molde se abra durante o processo de injeção. O valor da pressão dentro do mo de também nos informa sobre outro parâmetro que a máquina deve suprir. Se consideramos que a queda de pressão entre a bucha de galho e a cavidade (galho) não deveria superar os 500 bar, teríamos, em nosso caso que 481 bar no molde, mais 500 bar de queda de pressão no galho, resultariam em 981 bar. Sobre isso deve-se somar a queda de pressão no bico de injeção, o que nos informaria que necessitamos uma máquina capaz de desenvolver a máxima pressão hidráulica com a rosca, uma pressão de pelo menos 1100 bar sobre o material. Com a tabela e estes dois cálculos simplificados poderemos determinar as características fundamentais mínimas da máquina que deverá ser usada para injetar um determinado molde. Também o valor da pressão dentro do molde serve para dimensioná-lo, calculando as forças que esta pressão produz e verificando a resistência mecânica de suas peças. Assim podemos calcular pressões específicas de compressão de placas e paralelas, flexão de placas, força sobre novos laterais, paredes de cavidades, etc. É conveniente fazer estes cálculos antes de projetar o molde, e determinar a máquina com a qual se poderá injetar a peça, conhecendo a força de fechamento necessária e a pressão sobre o material. Com isso podemos determinar os seguintes dados: distância livre entre colunas, dimensões das placas portas moldes, altura máxima e mínima do molde, trajetória de abertura, trajetória de expulsão, lugar e dimensões dos expulsores, diâmetro do anel de centralização, raio da bucha de galho, comando de nonos se necessário, etc. Somente depois se poderá desenhar o molde e se poderão evitar inconvenientes posteriores na produção. PRESSÃO EM CAVIDADE DE ACORDO COM A ESPESSURA DE PAREDE E TRAJETO DE FLUXO (BAR) Espessura da parede (mm) Relação: Trajeto/Espessura da parede 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5 2,75 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 50:1 200 75:1 400 375 325 300 270 240 220 200 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 100:1 480 450 400 370 340 300 290 280 250 230 210 190 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 150:1 720 670 580 530 480 440 425 400 375 360 340 320 260 220 210 180 180 180 180 180 180 180 200:1 900 850 750 720 700 630 580 520 500 450 430 410 360 320 290 260 240 220 180 180 180 180 250:1 1050 1000 900 850 800 700 660 620 560 530 500 480 420 360 330 300 275 250 225 200 180 180 FATORES DE FLUXO DE ACORDO COM MATERIAIS: PE, PS, PP = 1 PA = 1,2; 1,4 ABS, SAN = 1,3; 1,4 PMMA, PPO = 1,5; 1, PC, PVC = 1,7; 2,0 INJEÇÃO PAGINA 25 FUNÇÕES DOS COMPONENTES DO MOLDE Tabela 1 Funções do molde e de seus componentes 1. Base do molde . Mantém a(s) cavidade(s) em posição correta com referência à boquilha 2. Pistões guias ou . Mantém alinhadas as metades das colunas do molde 3. Buchas de galho . Assegura e controla a entrada do material no interior do molde 4. Canais . Controlam a passagem do material fundido desde a bucha decorada à(s) cavidades 5. Entradas . Controlam o fluxo dentro das cavidades 6. Macho e fêmea . Controlam a medida, forma e textura 7. Canais de . Controlam a temperatura na refrigeração, superfície do molde esfriam o material para levá-lo ao estado sólido 8. Sistemas de . Formam os orifícios laterais, marcas, desenrosque, ângulos vivos, roscas e contrastadas planos giratórios e sistema de nonos 9. Escape de gases . Permite o escape do ar embolsado na (ventilação) cavidade 10. Mecanismo de . Expulsa a peça em estado sólido, da expulsão cavidade (pistões, placa de expulsão, etc.) 11. Mecanismo de . Os pistões retornam a sua posição pistões de inicial retração dos quando o molde se expulsão fecha para um novo ciclo Generalidades O cilindro de injeção converte os grânulos do material em massa fundida e o pistão leva esta massa através da boquilha sob forte pressão. Quando o material sai da boquilha, o molde é quem efetua todas as funções que se indicam na Tabela 1. Tem-se reafirmado a importância que tem o bom desenho do molde pelo fato que não podem se obter peças perfeitamente moldadas se tão SOMENTE UMA destas funções não se cumpre corretamente. Buchas de galho A parte posterior do Buchas (Fig. 2) tem uma depressão esférica onde encaixa a boquilha ou bico do cilindro. O canal da bucha é de desenho tronco cônico divergindo desde a boquilha a fim de permitir a passagem do material com mais facilidade. O gradiente standards deve ser de 2º30', a 4º. O galho se separa rapidamente quando o molde se abre. Este canal deve ser o mais curto possível, e nunca maior que 10 cm. Se pelo desenho do molde se necessita uma bucha de mais comprimento é conveniente encaixá-la o mais profundamente possível, instalando um ponto de aquecimento dentro do cilindro de injeção. A bucha deve estar bem polida e livre de todo tipo de rebarbas, sinais ou marcas de ferramentas. Nos moldes de uma só cavidade, entra o galho diretamente na mesma, neste caso, o diâmetro na altura da entrada deverá ser o dobro da espessura da peça a moldar. Um diâmetro insuficiente pode causar excessivo calor por fricção e/ou de laminação do material na área de entrada. Se o diâmetro é excessivo se requer um ciclo mais prolongado para permitir a galha direta, tempo suficiente de esfriamento para desmoldá-la. Em todas as galhas diretas se recomenda colocar uma “câmara de esfriamento” que refrigere a superfície do molde diretamente oposta à entrada do galho ou pequenas câmaras na zona circundante. O material injetado no molde bate contra esta superfície e produz um “ponto quente” na parede metálica da cavidade. Nos moldes de três placas e de galho quente, o galho principal é feita como se indica acima. Os canais secundários, que são mais pequenos trazem o material dos canais primários até as cavidades e são desenhados para convergir até as entradas como se mostra na fig. 9 e fig. 9 A. Canais Os canais nos moldes de várias cavidades devem ser o suficientemente grandes como para conduzir rapidamente o material fundido até as entradas sem sofrer um excessivo esfriamento pelo contato PAGINA 26 INJEÇÃO FIGURA 2 – Colada Direta com o molde frio. Os canais de seções pequenas requerem uma pressão de injeção mais alta e maior tempo para encher as cavidades. Os canais amplos permitem um melhor acabado das peças e minimizam linhas de união ou de fluência, marcas de fluxo ou tensões internas. No entanto, deve se evitar que sejam excessivamente amplos pelos seguintes motivos: 1. Se esfriam mais lentamente e prolongam o ciclo da moldagem. 2. O peso dos canais tira a capacidade da máquina, não somente no que diz respeito das quantidades a serem injetadas, mas também na capacidade de plastificação do cilindro. 3. Produzem maior quantidade de moenda, a qual deve ser reprocessada, incrementando o custo operativo e favorecendo as contaminações do material. 4. Nos moldes das placas que tem mais de 8 cavidades a área de projeção dos canais aumenta significativamente a área de projeção das cavidades reduzindo a força efetiva do fecho. Estas restrições não são aplicáveis aos moldes de galho quente ou moldes sem galho. Os canais circulares são os mais recomendáveis se comparados com qualquer outro formato porque apresentam uma superfície de contato mínima de material fundido com o molde frio. A camada do material em contato com o molde se esfria rapidamente. Os canais circulares requerem maquinar as metades do molde de tal forma que ambas partes estejam alinhadas quando o molde fecha. Este pequeno custo adicional daria maiores rendimentos e melhor moldagem (ver fig.3). INJEÇÃO PAGINA 27 FIGURA 3-Canais Tabela II Profundidade equivalente do diâmetro do canal Área de seção canal trapezoidal redondo (mm) (mm2) (mm) 3,18 7,94 2,79 3,97 12,39 3,51 4,76 17,81 4,22 5,56 24,26 4,93 6,35 31,68 5,61 7,14 40,13 6,32
