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I': & y s 'z.i I A R A Q A - - - ta* rrqmwiwi. - .-;? - . t - - , r ! I .- -.:- 0 .::. 17- *. - L' :- h'." a , * - ' h Este livro é uma obra simples e objeti- va, que enfoca com profundidade as técni- cas para a moldagem por injeção de terrno- plásticos. Cada capítulo foi planejado para consti- tuir uma unidade expositiva completa e ri- gorosamente fiel à fórmuia pedagógica ado- tada pelo autor. Assim, ele começa por conceituar os * materiais plásticos e as maquinas. A seguir discute o projeto do produto e em seguida o projeto do molde. Nos últimos capítulos ele trata dos problemas mais comuns na moldagem, das técnicas para obtenção de ciclos mais rápidos e dos problemas e solu- ções decorrentes da contaminação das pe- ças plásticas. E um livro texto para as escolas técni- cas e de engenhsuria e é uma leitura reco- mendada para projetistas de peças plásticas e de moldes, e também para os profissio- nais envolvidos com a injeção de peças e que estão interessados em se reciclar e atua- lizar e seus conhecimentos. Jiilio Harada MOLDES PARAJNJEÇAO DETERMOPLASTICOS iiw?li EU,TaRA befl CopyrighP.9004 by Axrliber Editora Ltda. Composjção eletrônjca: S h Imagem de capa: A r t ~ - m o U e p d r o n i ~ d d ~ j ~ b n r n d o p b en9w.u Polimdd Itiduí&/S/A, E r t d a das Cam, 3.883, Adina Alwarcn~ci, 09840-009,Jüo Bmardo do Gzmp, fP Te). 55 1 1 4358-7300, mm,polimoM rom, pmduto~p~drnold.iom.br &ordenação editorial: Eqap Ediforiol Dados Internacionxis de Catalogagãn na Publicação (CTP) (Câmara Brasileira do Livro. SP, Brasil) - Handa, ]ilin Moldu pern injeçio & rumopldsucos: projetos e p&clpi<s bhsicos / Jiilio Harada. -- Sin Pauio: Artliber Edimrp. 2004. 1. Plásciccs - Modcin~m por injcçáo 2 Tcrrnoplisuccls I. Tída Í d c c s para ca&go sisrcrn6oco: 1. Moldes pars inieçáo: Termoptiscicos: Temdogia 668.423 2 Terrnoplísticos: M d d s pn injqáo: Tccnologia 66ô.423 Todos os direitos desta edição reservados i A i c t i b e r Editora Ltda. Av. Diógencs Ribeiro de L i m ~ 3.294 05083-010 - S90 Pado - SP - Brasil Td: (1 1) 3832-5223 Fw.: (1 I) 3832-5489 inf@rhber.com.br www.artiiber.com.br Obra selecionada - convênio Ardibu - ABPol ADPol Associação Bcasile'm de Polimeros Caixa Postd 490 13560-970 - São Carlos - SP a b p o l ~ a v . c o m . b r / w.abpol.com.br Dedico este trabalho à rninha esposa Fátima Regina e aos meus filhos Hugo Hajime e Mayumi Marcela. In memorian: Edsoii C, Medialdéa Podemos ser leigos no que diz respeito à plásticos, mas temos pleno conhecimento da força de vontade e perseverança do homem que escreveu este livro. Por isso, nos orgulhamos! Mayumi, Hugo e Fátima Harada ................................................................................... Prefácio 1 ................................................................................... Prefácio 2 ............................................................................ Nota do Autor ........................................................... 1 . Introdu~ão à injeção 2 . Materiais plásticos .................................................................. 2.1 . Características .................................................................... 2.2 . Classif cação ................................................................. 2.3 - Componentes 2.4 -Contração ....................................................................... 3 . Máquinas de injeção 3.1 . Seleção ............................................................................ .................................................................... 3.2 - Constituição 3.3 - Capacidade da máquina injetora ..................................... .................................................... 3.3.1 - Capacidade de injeção ............................................ 3.3.2 - Capacidade de plastificação ....................................................... 3.3.3 - Forga de fechamento ......................................................... 3.3.4 - Pressão da injeção 4 . Dados técnicos para injeção 4.1 . Secagem .......................................................................... 4.1.1 - Secagem eficiente para obtenção de peças .................................................................... de qualidade .................................................. 4.1.2 - Secagem com ar quente ...................................................... 4.1.3 - Secagem com ar seco 4.1.4 - Escolha da capacidade para o aquecimento do funil ...... ............................................. 4.1.5 - Cálculo do volume do funil ............................. 4.1.6 - Tempo de secagem/tempo de espera 4.1.7 - Controle de umidade .................................................... ................................................... 4.1.8 - Economia e eficiência ................................................. 4.2 - Geometria dos materiais ............................ ............ 4.3 - Lubrificação .. ... ... .................................................. 4.4 - Temperatura de injeção 4.5 -Temperaturadomolde ................................................. 4.6 - Pressão de injeção/recalque ........................................... ....................................................... 4.7 - Tempo de injeção ............................................................. 4.8 - Ciclos de injeção ............................................ 4.9 - Tolerância de dimensionais 5 . Plastificação do polímero ...................................................................... 5.1 . Introdução .............................................................. 5.2 - Projeto de rosca ................................................ 5.2.1 - Geometria geral da rosca 5.2.2 - Razão de compressão ..................................................... .................................................... 5.2.3 - Comprimento da rosca .................................................... 5.2.4 - Profundidade do canal ....................................................... 53 - Válvulas de retenção ............................... 5.4 - Controle da temperatura do cilinclro ....................................... 5.5 - Velociciade de rotação da rosca 5.6 - Velocidade de injeção ..................................................... ....................... ................................. 5.7 - Conu-apressão .... ............................................................... 5.8 - Descompressão ............................ 5.9 - Rico de injeção ..... ........................... 6 . Projeto de produtos ...................................................................... 6.1 . Xntrodução .............. 6.2 . Características técnicas e aparência do produto 6.3 . Desenho de produto e desenho de molde ...................... 6.3.1 -Contração ....................................................................... ............................... 6.4 - Normas para o desenho do produto ....................................................... 5 - Estudo experimental 6.6 - Reduqão de custo sem comprometer ................................................... a qualidade do produto .............................................................. 6.7 - Projeto de peças .......................................................... 6.8 - Postiços /i ... e insertos . .- ... .............................................. G.9 - , ~ & s f ~ é h d ; i l ~ , ~(iodútg j 7 . Projeto de moldes 71 . Lnuodu~ào ...................................................................... 72 - Considerações básicas ...................................... .. ............ 72.1 - Força de fechamento ....................................................... 72.2 - Pressão de injeção ........................................................ 7.2.3 - Capacidade da máquina ................................................. 72.4 - Fluxo do materia 1 no molde ........................................... 72.5 - Contraçâo ....................................................................... 7.3 - Componentes do molde .............................................. 74 - Bucha de injeção ........................................................... 74.1 - Características da bucha ................................................. 74.2 - Dimensões ...................................................................... ........................................................................ 7.5 - Cavidades 75.1 - Introdução ...................................................................... 75.2 - Materiais para cavidades ................................................. .................................................................... 75.3 - Obstruções 75.4 - Conicidade ............................. .. ................................... 7.5.5 - Resistência das cavidades ................................................ 75.6 - Deflexão das cavidades cilíndricas .................................. 5 7 - Outras considerações possíveis para o cálculo da resistência das cavidades ............................. 15.8 - Dimensionamento do tamanho e do material para base de molde .............................. ..... 75.9 - Dimensionamento dos calços ......................................... 75.10 -Alinhamento das duas metades de um molde ................ 7.5.11 - Disposição das cavidades ........................................... 75.12 - Escolha do número de cavidades ................................... 7.6 - Coluna-guia e bucha-guia ............................................... 77 - Pinos de extração ............................................................ 77.1 - Pinos de retrocesso do mecanismo extrator ou pino de retomo .................. ... ................... 78 - Saídas de gases ............................................................... 79 - Classificação dos moldes ................................................. 710 - Sistema de alimentação das cavidades ............................ 710.1 - Canais de distribuição ................................................... 710.2 - Sistema de alimentação indireta ..................................... 710.2.1 - Entradas .......................................................................... . Sistema de alimentação direta ........................... .. .......... - Sistema de extração ....................................................... ........................ - Sistema de extração por placa impulsora - Sistema de extração por pinos ........................................ . Sistema de extração por camisa ...................................... . Sistema de extração por lâminas .................................... ......................... . Sistema de extração por açào retardada . Sistema de extraçao por placa estracora .......................... . Sistema de extração por tirantes .................................. ......................... . Sistema de extração por ar comprimido ........................ . Sistema de extração por núcleo rotativo ............................................................ . Tipos de molde . Molde de injeção de duas placas ................................. . Molde de injeção de três placas ...................................... .............................. . Molde de injeção com partes móveis - ' / /R'e~fiianí~nts'do~hdde~ .,. < ... ..................................................... .*~tnaí$dé . reftigeía $0 . .-C: ................................................. . Métodos de refrigeração .................................................. . . . Resfriáinento com água;; ................................................. . Cálculo do resfriamenío com aguar ................................. . Refrigeração a ar ................... .. .................................. . Materiais para construção de moldes .............................. . Seleção de aços, de tratamentos térmicos e de tratamentos de superfície ............................. . Aços indicados ................................................................ . Tratamentos térmicos indicados ...................................... Conclusão . ....................................................................... . Aplicação de revestimentos depositados via PVD .......... . Requisitos básicos necessários para o tratamento superficial um molde .................................. . Problemas frequentemente encontrados em moldes ...... . Exemplos de aplicação de revestimentos ........................ Conclusões . ...................................................................... . Diretrizes básicas para projeto de moldes para injeção de plásticos ............................... . O início do projeto .......................................................... . O projetista e a ferramentaria .................. ........ ................ 716.3 . Lista para elaboração de projeto de um molde para injeção de termoplásticos .............. 216 8 . Orientação (peças tensionadas) ...................................................................... 8.1 . Introdução 221 ............................................................. 8.2 . Tensões internas 222 9 -Análise da influência da orientação molecular .................................................... 9. 1 . Orientação rnolecular 225 ........................................................... 9-2 - Tensões internas 232 10 -Efeito das condições de processo ........................................ 10.1 . Temperatura da massa plástica .................................................... 10.2 . Temperatura do molde 10.3 - Efeitos oriundos do desbalanceamento ................................................... do processo de injeção 10.3.1 - Empenamento ................................................................ 10.3.1.1 - Orientação diferencial .................. .. .............................. ................................................ 10.3.1.2 - Cristalinidade diferencial .................................... 10.3.1.3 - Resfriamento diferencial ........ .. ........................................... 10.3.1.4 - Chupagem e vazios internos ............................ 10.3.1.5 - Linha de emenda fraca ........................ .................................................... 10.3.1.6 - Sobre empacotamento 11 -Análise de preenchimento da(s) cavidade(s) do molde 11.1 . Fase de preenchimento da cavidade do molde ............... 247 ................................ 11.2 . Tempo de enchimento da cavidade 252 ..................................................... 11.3 . Fase de pressurização 254 11.4 . Fase de compensação ........ .. ...................................... 254 .......................................... 11.5 - Tempo e pressão de recalque 256 ......................................... 11.6 - Dimensionamento dos canais 257 11.7 . Canais de distribuição posicionando linhas ..................................................................... de emenda 259 11.8 - Canais de distribuição balanceando o fluxo .................... 260 ......... 11.9 - Canais de distribuição balanceados artificialmente 261 .......... 11.10 - Canais de distribuição naturalmente balanceados 262 11.11 - Determinação das entradas de injeção ........................... 262 ........................ . Entradas de injeção balanceando o fluxo 264 . Fluxo reverso ................................................................... 265 . Entradas de injeção evitando fluxo reverso ..................... 266 . Hesitação no fluxo .......................................................... 268 . Entradas de injeção evitando hesitação do fluxo ............ 268 . Fluxo multidirecional ....................................................... 269 . Entradas de injeção proporcionando fluxo unidirecional ....................................................... 270 . Fluxos com velocidades diferentes .................................. 270 . Fluxo instável .................................................................. 272 ........................................... . Guias e defletores de fluxo 272 12 . Problemas de moldagem 12.1 . Introdução .................................................................... 275 12.2 . Problemas de injeç2o ...................................................... 277 12.2.1 . Injeções incompletas .................................................... 277 12.2.2 . Superfície opaca, sem brilho ......................................... 277 12.2.3 . Manchas de queimado ............................................... . 278 12.2.4 - Chupado ou bolhas ........................................................ 278 12.2.5 - Marcas de junção ........................................................... 279 12.2.6 - Aderência no bico ou na cavidade ................... .. ........ 279 12.2.7 - Marcas oblíquas, linhas prateadas, Mica .......................... 280 12.2.8 - Rebarba na peça .......................................................... 281 12.2.9 - Manchas pretas ou degradação da cor ............................ 281 12.2.10 - Deformação ou contração excessivas ............................ 282 13 . Algumas técnicas para obtenqão de cicios mais rápidos 14 . Condições principais do material plástico durante um ciclo na moldagem por injeção 4.1 . Fase do ciclo I ................................................................. 285 14.2 . Fase do ciclo I1 ................................................................ 286 14.3 -FasedocicloIII ............................................................... 287 14.4 - Fase do ciclo IV ............................................................... 287 14.5 - Fase do ciclo V ............................................................... 288 14.6 - Fase do ciclo Vi ............................................................... 288 14.7 - Fase do ciclo VI1 .............................................................. 289 15 . Rechupes: como evitá-los 15.1 . Introdução ...................................................................... 291 15.2 . Fatores que infiuem no projeto do molde ....................... 292 15.3 . Condisões de moldagem ................................................ 296 16 . Contaminação e m peças plásticas. problemas e soluções 16.1 . Contaminação na indiístria transformadora de plásticos ............................................ 299 16.2 . Identificação do problema e a origem ............................ 299 6 . Matéria-prima .............................................................. 300 16.4 - Mgquina injetora e molde ...................... .. ................. 301 16.4.1 -Manutençãodamáquina .................... ... ........................ 301 16.5 - Depósito de materia-prima . . . . . . .. ...... ... ................... 302 16.6 - Estufa ............................................................................. 302 16.7 - Limpeza da fábrica e do ambiente ............................... 303 16.8 - Siscerna de circ~~laçào de ar ............................................. 303 16.9 - Moinhos e depósitos de material moído e regranulado ......................... ... ............................ 303 Referências Bibliogrrncas ......................... .. ....................... 305 A constante evolução da tecnolc~ga de injeção de terrnoplásricos no Brasil, especialmente nos últimos dez anos, tem exigido pesados investimentos da indústria de transformac;ão muitas vezes em cen5rios ecnnômicos incertos e com retornos nem sempre viáveis. O ciclo clc: renovação do parque de máquinas e de moldes para injeção de plásticos tem sido intenso, atingindo iim ritmo de cinco anos atualrnen te, ~iltrapassando significativamente longos períodos de dez a quinze anos que eram necessários à sua evolução durante os anos de 1950 a 1980. Esse desentrolvimento significa maior demanda por inves- timento nesses produtos e tambem na capacitaç,Jq trtiinarnento e atua- lizaqão da mão-de-obra. Yesse contexto, a tecnologia de projeto e construção de moldes de injeçào de termoplásticos ganha destaque pelos avanços conceituais e pelos ganhos de efiçiencia e produtividade. Este livro, editado com o apoio da ABPd - Associac;ão Brasileira de Polírneros, tem o mesito de mostrar de forma didatica e envciknte a dinimica dos conceitos tecnol6gicos utilizados no desenvolvimento dos moldcs de injeçaq empregando ilustrações e exemplos de grande visibilidade. Oferece leitura agradável mesmo quando toca em assun- tos mais complexos e técnicos, e certamente será de grande vãlia em cursos de treinamento e em programas de capacitação de recursos humanos na indiístria do plástico. Julio Harada, com a paciência com que um ourives lapida uma gema preciosa, ciediçou mais de vinte anos de sua profícua vida profis- sional na concepção, reali7aç3o e meticulosa revisão deste projeto, qiie merece a mais honrosa recomendação da ABPol. 13omingos Jcfelice Prrsidm& ABPoI- Associagão Brasileira 1- ~olímemx Esta é mais lima puhliças;ào e~ecutada com esmero e precisão por urn profissional do mais alto gabarito. considerado pela indústria brasileira dos terrnopllásticos há mais de tnnta anos Trabalhos como este abrem novos horizontes para a l-iusca de informações consolrdadas em moldes para transformaçfio de termo- plásticos. É um livro que serve também para transmitir e perpetuar o conhecimento e know-how adquiricios de forma prática neste vasto mercado, não s6 brasileiro como rni~ndial. Pub1icay;hes neste: formato e conteijdo sào muito escassas em noso ambiente de tmbalho. ?leste livro encontramos explicações simples e concisas sobre temas bastante complexos. permitindo assim a fácil assimilação para qualquer Iejtor, independenternence de siia formaçãci acadêmica ou prática. Para profissionais já ~nseridos neste ramo, como txansfor- rnadores, fabricantes de moldes, produtores de resinas ou usuários finais, esta publicação serve como unia excelente fonte de consultas para problemas do cotodiano. N OTA AUTOR O mercado de transformação de plástico no Brasil tem crescido nas últimas décadas de forma constante e promissora diferentemente do que ocorreu na área do ensino técnico regular que não conseguiu acompanhar o seu ritmo. O fato da expansão do parque industrial de plásticos ser muito mais veloz do que o ensino possa prover aos profissionais capacitados em razão da ausência de literatura técnica especifica, principalmente em português, e a necessidade da formação de fontes de consultas, in- centivaram a elaboração deste trabalho. Esta obra foi desenvolvida para a consulta de estudantes, técnicos, engenheiros e especialistas em transformação de plásticos, com o pro- pósito de cobrir a lacuna existente na orientaçâo da solução de proble- mas do dia-a-dia em injeção de peças plásticas. Este trabalho não tem a mínima pretensão de esgotar um assunto, que se caracterim pela sua amplihlde e complexidade, nem colocar em dúvida qualquer teoria acadêmica ou prática de cada profissional, e sim de acrescentar a experiência de longos anos de trabalho no setor: Um fato bastante importante é esclarecer que os textos e figuras foram baseados nos livros citados na bibliografia e catálogos de fabricantes. Embora tenham sido tomadas medidas para se obter segurança na projeção dos dados técnicos, coeficientes, e parâmetros aqui mencio- nados, aconselho o leitor se baseie nos dados de seu fornecedor para diagnosticar a decisão final. Há muito a fazer e se alguém não tomar a iniciativa, nada será rea- lizado em prol do desenvolvimento técnico brasileiro. Não queremos inventar a roda, apenas movimentá-la. 0 s meus agradecimentos às empresas que colaboraram para a pre- paração desta obra, perrnihdo o uso de mformaçòes técnicas de seus catálogos, bem como fotos de seus produtos: BASF, Battenfeld, Brasimet, Delkron, Monsanto, Romi e Wittmann. E também aos engenheiros Daniel A. Yuhara, Fernando M. Felicetti, Ney Kaiser, Paulo A. Santos, Paulo K. Vencovsky e Shun Yoshida, pela cessão de seus artigos, que foram adaptados para este livro. Júlio Hamda São Paulo, fevereiro de 2004 Na diicada de 1940, a utilizaçao de peças injetadas de material pIás- tico restringk-se a produtos de, no mrixirno, alguns poucos gramas, Com u crescimento do mercado devido h alta aplicabilidade desses pro- dutos, os pedidos aos transformadores paw.rarn a se concentrar em peças maiores e mais complexas. Atualmente, tanos moldes com áreas projeradas de ate 9 m2e pecas pesando até 20 kg. Yos ultimos 25 anos, as aplicações desse tipo de pro- dcrto passaram de objetos mais simples, como brinquedos, por exern- pio, para componentes complexos prcjprios da indijscrkd deiroeletr8- nim, automobilistica, tmnsporre (caixas c pdetes, etc) . Para acompanhar essa cwuluçào do mercado, ocorreu um rápido progresso dos equipamentos, que cvoluirm das primeiras máquinas a pistão, com capacidade máxjrna de 200 g, até atingir o formato de modernas máquinas com rosca e pré-plastificador, com capacidade para mais de 30 kg Os mo1 des, por sua vez, tamlgm .w sofisti a r a m tornando-se total- mente automáticos, com canais quentes, hses e componentes padro- ni~ados. Atualmente, a sua constniçào utiliza ligas de ago e programas çornputacionais qiie permitem dirnensionar tanto o moldç quanto os seus çomponen tes. O futuro da injçc;ão C um desafio para toda a indústria. Um cres- cimento contínuo, bem como o sucesso de novas aplicações, requer a combinação de esforços envolvendo tanto transformadores e projetis- tas quanto Fabricantes de máquinas e macénas-primas. Os materiais plásticos são compostos de resinas naturais ou sinté- ticas que, atravks de pressão e calor, podem fluir e adquirir uma forma determinada. A definição oficial de "materiais plásticos'~ &vuigada pela SPE - Society of Plastics Engineers (Sociedade dos Engenheiros do Plástico), dos EUA, é a seguinte: Um grande e variado grupo de materiais, que consiste ou contém como ingrediente essencial uma substância de alto peso molecu- lar, que é sólido no estado final, e que em algum estágio de sua manufatura é suficientemente mole para ser moldado em várias formas, muito usualmente através da aplicação (sejam separadas ou juntas) de calor e pressão. 2.1 - Características A maioria dos materiais plásticos é de natureza orgânica, tendo como principal componente o Carbono adicionado aos elementos Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogenio e Cloro. Como simples exemplos, damos a fórmula química dos polímeros mais consumidos e a base da matéria-prima do polimero, que são os monorneros: 20 MOLDES PARA INJEÇAO DE TERMOPLÁSTICOS Polimero Monômero Polietileno CH2 = CH2 Polipropileno CHZ = CH I CH3 Poliestireno CH2 = CH I Poli (clorato de vinila) CH2 = CH "PVC" I C I Unidade repetidora i I - C H 2 - C H 2 . - CHq - C H - l i CH3 I - CHZ - CH - I I I 2.2 - Classificação Os materiais plásticos se classificam em dois grandes grupos: ter- moplásticos e termoestáveis. Os termoplásticos têm como característica atingir o estágio de amolecimento ao serem aquecidos, podendo então ser moldados. Esta troca de estado não altera sua estrutura química, o que permite que, uma vez resfriado, ele possa ser novamente aquecido e reaproveitado. Exemplos de materiais termoplásticos: Polietileno de Baixa Densi- &de, Polietileno de Alta Densidade, Polipropileno, Poliestireno de uso geral, Poliestireno Alto Impacto, Policloreto de Vida, Poliamida (Nái- lon) e outros. Aquecido Amolecido Esfriado Endurecido Os temoestáveis possuem essa mesma propriedade de amolece- rem ao serem aquecidos, sendo posteriormente moldados. No entanto, esse processo leva a uma transforma~ão química em sua estrutura, o que não permite sua reversão ao estado original, impedindo, portanto, a sua reutilização. Exemplos de materiais terrnoestáveis: Fenol-Formaldeido, Uréia- Forrnaldeído, Poliésteq Melarnina-Formaldeido e outros. Aquecido Amolecido Esfriado Estado irreversível Materiais plásticos 21 Tabela de características físicas e de transformação dos termoplásticos e termoestáveis mais conhecidos Nome genérico Nota: As variações n o peso específico alteram-se de acordo com o tipo da carga incorporada ao material 2.3 - Componentes Resina: l? o componente básico do material plástico e que lhe con- fere as principais características. propriedades. nome e sua classificação. Carga: É um componente inerte e fibroso que é adicionado à resina a fim de reduzir o custo de sua fabricacào e melhorar as proprie- dades físicas, térmicas, quírnícas e elétricas do material. Nos materiais terrnoestáveis, sâo utilizados geralmente com massa, pó de madeira, mica, celdose, algodão, papel, asfalto, grafita ou pó de pedra, conforme O caso. Plastificantes: Sâo líquidos que fervem a temperaturas elevadas, entre 94°C e 205%. Sua k~ncão é melhorar ou facilitar o fluxo do mate- rial amolecido, Lubrificantes: São produtos usados com a finalidade de facilitar a saída da5 peças dos moldes. Os lubrificantes mais comuns s5o: óleo de rícino, lanolina, óleo mineral, parafina, grafita e outros. Corantes: Também chamados de pigmentos, são materiais que conferem ao produto a cor desejada. Estabilizadores: Sâo elementos que impedem a deterioração dos materiais quando expostos 3 ação das intempéries e dos raios ultra- violeta. Propriedades principais e comuns à maioria dos materiais plústicos: a Baixo peso especifico. Baim condutibilidade elétrica e térmica. 8 Resistência mecânica aceitlivel, em geral menor que a dos metais, 2 exceção dos plásticos de engenharia que já se igua- lam em resistência aos metais. Boa apresentação e acabamento. FaciIidade de moldagem. Materiais plásticos 23 2.4 - Contração Entende-se por contração ou encolhimento, a diferença entre as dimensões da peça injetada, após alcançar o equilíbrio térmico em temperatura ambiente, e o tamanho da cavidade em que a peça foi inje- tada. Essa propriedade é característica dos materiais plásticos que, ao serem esfriados, se contraem, resultando num produto final menor que o molde original. Assim, o tamanho do molde a ser confeccionado a partir das dimensões do projeto deve levar em consideração a contra- ção do material. Para a maioria dos plásticos deve-se levar em consideração, para reduzir as contrações, as seguintes recomendações: 1. Diminuir a temperatura do material; 2. Aumentar a pressão da injeção; 3. Reduzir o limite da carga a ser injetada; 4. Reduzir a temperatura do molde; 5. Aumentar o tamanho da entrada da cavidade; 6. Aumentar o tamanho do bico; 7 Colocar entradas múltiplas; 8. Aumentar o tempo de avanço; 9. Aumentar a velocidade de injeção; 10. Aumentar o tempo de molde fechado; 11. Aumentar a saída de ar da cavidade. Um procedimento contrário irá aumentar a contração. Os materiais plásticos, em sua variedade, têm diferentes valores de contração, dependendo do seu fabricante. Geralmente, é especificada uma faixa de valores de contração por material, valores esses que podem variar de acordo com o projeto do molde ou com as condições de moldagem na máquina injetora. Qualquer fator que aumente a pres- são dentro da cavidade do molde reduzirá a contração. A contração da peça acabada é volumétrica, ou seja, resultando em uma diminuição em todas as dimensões do produto de acordo com o coeficiente de contração do material plástico. 24 MOLDES PARA INJEÇÁO DE TERMOPLASTICOS Tabela de contração de materiais termoplásticos mais utilizados Os fatores que influenciam diretamente na contração de uma peça moldada relacionam-se com: Área da entrada ou ponto de injeção (maior área, menor contração) Molde Espessura da parede do produto (maior espessura, maior contração) Temperatura do molde (maior temperatura, maior contração) Ciclo de moldagem (ciclo maior, Máquina injetora menor contração) Pressão de injeção (maior pressão, menor contração) -====I Cristaliniciade (maior densidade, maior contração) Material plástico Temperatura (maior temperatura, maior contração) 3.1 - Seleçáo Para acompanhar o enorme crescimento do processo de injeção foram desenvolvidos diversos tipos e tamanhos de máquinas de inje- ção, com uma ampla variedade de equipamentos: Unidade de injeção 1. Máquina a pistão (convencional) a. Cilindro de injeção horizontal. b. Cilindro de injeção vertical. Foto 1 Máquina injetora de ciiindro de injeção horizontal. Cortesia: Indusuias Romi S.A. F:-- Foto 2 Máquina injetora de cilindro de injeção vertical. Cortesia: Battenfeld S.A. 2. Máquina com rosca-pistão a. Acionamento hidráulico para rotação da rosca. b. Acionamento elétrico para rotação da rosca. c. Pré-plastificador de rosca, acionamento hidráulico com injeção a pistão. Unidade de fechamento do molde 1. Cilindro hidráulico, fechamento horizontal. 2. Fechamento com articulação a. Horizontal. b. Vertical. A seleção que especifica o tipo de equipamento de injeção a ser utilizado é determinada pelo trabalho que se deseja realizar. Cada tipo de unidade injetora e de fechamento tem as suas vantagens e desvan- tagens e, portanto, seus defensores e críticos. Nos últimos anos, tem se Máquinas de injeção 2- tornado frequente o uso de máquinas com rosca, em razão do aumento de capacidade e versatilidade dessas máquinas quando comparadas às convencionais (a pistão). Quanto à unidade de fechamento, a de tipo articulado possui van- tagem sobre o hidrdulico por permitir ciclos mais rápidos. No entanto, o fechamento articulado está geralmente Iimitado a uma força máxima de 500 toneladas, sendo utilizado nas unidades de menor capacidade e com moldes automáticos. Para obter-se uma boa versatilidade e qualidade, independente- mente do tipo de máquina, os equipamentos devem apresentar as seguintes características: I . Cilindro de znjeção: deve possuir pelo menos ttês zonas de aque- cimento, controladas individualmente, preferencialmente do tipo proporcional, ou controles de temperaturas de 'voltagem dupla. A temperatura no bico deverá ser controlada separadamente, por pirômetro ou reostato individual. 2 P m ã o de »Ije@o: deve ser variável e atingir até 1 400 kg/cm2 pelo menos, de preferência em dois estágios (pressão de injeção para encher o molde e recalque para evitar retomo do material ao cilin- dro), cada um controlado por um timer. 3 Eloczdade de injeção: deve ser variável e controlada, atingindo no máximo cerca de 150 crdminuto. 4. Aiimentação ajustável: deve ser preasa para permitir um controle do peso e da quantidade de material injetado. 5 Timers: devem ser precisos, alcançando até 0,l segundo, a fim de medir o tempo de injeção, tempo de fechamento do molde, etc. 3.2 - Constituição As máquinas de injeção atualmente utilizadas nas indústrias de transformação possuem as seguintes partes (Figura 1): Fig. 1 Nomenclatura A - Base B - Conjunto injetor C - Placa estacionária OLI fixa D - Placa móvel E - Conjunto de fechamento F - Motor e sistema hidráulico Base é uma estrutura de forma retangular - fundida ou de canto- neiras soldadas - que, apoiada no piso, sustenta as demais partes da máquina e contém os componentes do sistema hidráulico, como o motor elétrico e o reservatório de óleo hidráulico. Conjunto injetori é uma estrutura fundida formada pelos compo- nentes responsáveis pela injeção (Figura 2) O conjunto pode deslocar-se no sentido de Apara B ou vice-versa, a fim de conectar ou afastar o bico de injeção em relação à bucha de injeção do molde. O conjunto de injeção pode ser: 1. por êmbolo; 2. por plastificador; 3. por pré-plastificador. Máquinas de injeção 29 Elementos O conjunto de injeção por êmbolo (Figuras 3 e 4) é formado por um êmbolo simples, acionado pelo sistema hidráulico, que empurra o mate- rial plástico através de um cilindro previamente aquecido por elementos de aquecimento, onde se realizará a plastificação do material. O torpedo (Figura 3) tem a função de homogeneizar a plastificação do material. A Figura 3 mostra o êmbolo estacionado e o material plástico sendo alimentado no cilindro de injeção aquecido, enquanto na Figura 4 vemos o êmbolo acionado levando o material através do cilindro aquecido. Elemento Fig. 3 A injeção por rosca plastificadora é feita por uma rosca sem fim com duas funções: plastificar e homogeneizar o material, através de um movimento rotativo, e injetá-lo, posteriormente, através de um movi- mento retilíneo (Figura 5). I Y h ' Tremonha Fig. 5 A A injeção por pré-plastifimdor consiste na plastificaçâo do mate- rial em uma câmara auxiliar colocada acima do cilindro (Figura 6). Fig. 6 1 Placa estacionária oufixa (Figura 7): tem sua estrutura fundida e serve de apoio à parte do molde que leva a bucha de injeção. Suporta as colunas da máquina, nas quais são efetuados os movimentos da placa móvel. Possui furos, ou ranhuras, que permitem a fixação do molde, e uma perfuração central onde se aloja o anel de centragem do molde, garantindo o alinhamento da bucha de injeção do molde com o bico de injeção da máquina. Máquinas de injeção 33 - Furo de centragem Furos para fixar o molde 000- 0 00 ?H, oi+pp Aloiamento I V \ ' da coluna Fig. 7 / I Placa móvel: tem sua estrutura fundida e serve de suporte para a parte do molde onde se situa o sistema de extração. Seu deslocamento e regulagem são efetuados através das colunas da máquina (Figura 8). Furo para sistema de extração Conjunto de fechamento (Figura 9): é um sistema que serve para o deslocamento da placa móvel, possibilitando a abertura e o fechamento do molde. Na sua estrutura, encontram-se localizados o sistema hidráu- lico que aciona o seu deslocamento, e parte da máquina injetara, onde estão posicionadas as colunas da máquina, além do sistema extrator e o sistema de fechamento (hidráulico ou hidráulico-mecânico). A Figura 10 mostra em detalhe um conjunto de fechamento. - móvel Circuito hidráulico: formado pelo motor e pelo sistema hidráulico, que fazem parte da unidade de acionamento de todos os movimentos da máquina injetora. A Figura 11 mostra de forma esquemática a unidade de aciona- mento do circuito hidráulico. Componentes do sistema hidráulico e Êmbolo de fechamento Êmbolo de injeção Carne e Válvula de inversão de quatro vias para o êmbolo de fecha- mento (acionada por válvula auxiliar ou por solenóide) a Válvula acionada por carne Máquinas de injeção 33 a Válvula de inversão de quatro vias para o êmbolo de injeção (acionada por válvula auxiliar ou solenóide) Válvula de retenção a Válvula de bola a Unidade formada por bomba a válvula de combinação, para o controle automático do volume e regulagem da pressão a Motor a Válvula redutora de pressão para o ajuste, independente da pressão de injeção. Reservatório de óleo hidráulico. 3.3 - Capacidade da máquina injetora - Antes de iniciar o projeto do molde é necessário determinar a capacidade desejada da máquina injetora, de forma a estabelecer o tipo adequado de máquina injetora a ser empregada. Quando esta já estiver estabelecida, as informações necessárias quanto aos dados de projeto para a montagem, área da placa, distância entre as colunas, etc., podem ser obtidas no catálogo do fabricante. Basicamente, devem ser consideradas: 1. A capacidade de injeção, . 2. A capacidade de plastificação, 3. A força de fechamento, 4. A pressão de injeção. 3.3.1 - Capacidade de injeção As máquinas injetoras são normalmente especificadas pelo peso máximo de material que pode ser moldado a cada injeção. Atualmente, o peso é dado em gramas de poliestireno. Se o material a ser usado difere daquele para o qual a máquina está especificada, deve ser efetuada a cor- reção para qualquer diferença entre o seu peso, o fator volumétrico do material da especificação, e o que vai ser utilizado. Assim, para se deter- minar a capacidade de injeção de uma máquina com especificação baseada no material A em relação ao material B, deve-se utilizar a fórmula: 34 MOLDES PARA INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS Capacidade de injeção (gramas) de material B = [ cap$~r ] [ Peso espec%co de E 3 [Fator volurn&rico PS ] (g) do PS Peso específico do PS Fator volumétrico B A máquina injetora assim selecionada deve ser capaz de injetar material suficiente para completar o peso estimado da moldagem a cada injeção, incluindo os canais de injeção e de distribuição. Isto com- preenderia o peso de toda a moldagem: no caso dos moldes com múl- tiplas cavidades. Propriedade dos materiais termoplásticos com relação à capacidade da máquina injetora Material Fator Peso volurnetrico especdco 1 Acetato de Celulose 2,4 1 1,24 - 1,34 1 0,3 - 042 1 Acetato- Butirato de Celulose Poliamicia (Náilon) PVC - N a d o 1 Poliestireno 1,9 - 2,15 1 1,04 - 1,06 I O, 32 PVC - Flexível Metilmetacrilato 2 - 2,l 2,3 1 Acrilonitrila - Estireno 1,9 - 2,15 I 1,1 0,33 2,3 1,8 - 2 Acrilonitrila - Butadieno Estireno (ABS) 1 Polietiieno Baixa ~ e n s i d a d e 1,84 - 2,4 1 O,91 - 0,94 1 055 l,09 - 1,14 1,35 - 1,45 1 Polietileno Alta Densidade 1 1,725 - 1,9 0,94 - 0,965 1 955 1 0,4 0,2 - 0,28 1,16 - 1,35 1,17 - 1,2 1,8 - 2 0:3 - 0,5 935 1 - 1,l Polipropileno Pol icarbonato Poliacetal 0,35 - 0,4 1,92 - 1,96 1,75 1,8 - 2 0,9 - 0,91 1,2 44 0,46 930 Ol 35 Máquinas d e injeção 35 3.3.2 - Capacidade de plastificaçáo A capacidade de plastificação é expressa pela quantidade de qui- logramas de material que a máquina injetora pode elevar por hora à temperatura de moldagem. O poliestireno é frequentemente utilizado como material padrão no qual se baseia a capacidade de plastificação, mas o valor adequado dependerá do material a ser moldado. A capaci- dade de plastificação é uma função do potencial de aquecimento da máquina. Dessa forma, a quantidade de material que pode ser levado à condição de moldagem em um determinado tempo depende da tem- peratura de moldagem necessária e do calor específico do material. A capacidade de plastificação de uma máquina para qualquer material B pode ser determinada, aproximadamente, a partir da espe- cificação da máquina baseada no poliestireno, utilizando-se a seguinte fórmula: Capacidade de plastificação com o material B = Capacidade d e Calor específico PS l x l Temperatura moldagem PS plastificação com Calor específico B Temperatura moldagem B Se o conteúdo total de calor por quilograma do material plastifi- cado for conhecido e for igual a Q, a capacidade de plastificação pode ser determinada por: d e plastificação d e plastificaçâo com o material B É necessário que a máquina injetora selecionada seja capaz de plastificar materihuficiente para manter o ciclo de moldagem espe- rado. Isto pode ser determinado por: Capacidade plastificaçào / = r capacik I > - - 3 & ] . [ NQ de rnolciagens L kgíh I nmaagem Kg por hora L ' L E conveniente selecionar uma máquina com capacidade de plasti- ficação maior do que a necessária. para dar margem a uma eventual melhora no ciclo de mold~yem e assegurar que o material plástico esteja numa condiçào de nlac-ie;acào uniforme. Para se alcancar e5Cêr.C~ máama. geralmente considera-se que uma máquina de iniecào n?o cpere acima de 80% de sua capacidade nominal no que diz respeito :m.ro ao peso de injeção quanto à capaci- dade de plas~caçào. 3.3.3 - Forca de fechamento A tonelagem de fechamento da máquina injetora controla a área máxima projetada de moldagem que pode ser produzida. A máquina injetora exerce no interior da cavidade do molde uma forca que tende a abri-lo. Essa força é proporcional à área projetada da moldagem e dos canais de distribuição e a pressão de injeção que deve ser resistida pela força de fechamento. Apenas uma proporção da pres- são produzida pelo cilindro de injeção é transmitida à cavidade, pois ocorrem várias perdas de pressão no cilindro de aquecimento, assim como no bico, e nos canais de injeção e de distribuição e no ponto de injeção. A pressão atuante na cavidade, a ser compensada pela força de fechamento. Desta forma, apenas uma fração da pressão de injeção é considerada usualmente entre a metade e dois terços. Assim: Força de 1/2 a 2/3 da pressão moldagens (cm2) necessária (t) da injeção (kg/cm2) I 3.3.4 - Pressão de injeção A proporção exata da pressão de injeção a ser adotada depende Máquinas de injeção 37 da espessura de seção da moldagem e da facilidade de fluxo do mate- rial usado. As seções delgadas requerem uma alta pressão de injeção para enchimento, necessitando, portanto, de maior força de fecha- mento. Os materiais de fluxo relativamente fácil, tais como o polietileno de alto índice de fluidez, e o poliestireno, enchem com mais facilidade, requerendo menor pressão de injeção e menos força de fechamento. A pressão de injeção pode ser calculada da seguinte forma: -.-A - - - - Pressão de Pressão manométrica da [ injeção ] = [ linha hidráulica de injeção (kg/cm2> (kg/cm2> Onde: di = Diâmetro do cilindro hidráulico de injeção (cm). d = Diâmetro da haste do cilindro de injeção ou da rosca (cm). P Como já descrito, a pressão de injeção necessária depende da espessura da seção, do comprimento e tamanho dos canais, dos pontos de injeção e do material empregado. Os requisitos de pressão para vários materiais são dados nos catálogos dos fabricantes. A influência dos canais e pontos de injeção será considerada mais adiante neste livro. A maioria das máquinas injetoras modernas é capaz de fornecer pressões de injeção suficientes para quase todas as necessidades nor- mais, geralmente enquadrando-se na faixa de 1 400 kg/cm2 ou abaixo desta medida. E bastante frequente, na prática, o fornecimento, quando necessário, de uma máquina com cilindro especial de alta pressão de injeção. Isto é feito pela redução do diâmetro do pistão de injeção (rosca) e mantendo o diâmetro do cilindro de aquecimento, aumen- tando, assim, a pressão específica, ainda que ocorra uma redução da capacidade de injeção. No caso da injeção direta por rosca ou com pré-plastificador, são usadas pressões de injeção um pouco mais baixas, dependendo do tipo de máquina empregada e do cilindro de injeção. As perdas de pres- são no cilindro são menores nestes dois tipos de máquinas e podem 38 MOLDES PARA INJEÇÃO DE TER~LIOPLÁSTICOS ser usadas pressões mais baixas no bico de injeção para encher a cavi- dade. As pressões máximas de injeçao podem ser obtidas nas especi- ficações do fabricante da máquina iniecora para fins de fechamento, e deve-se tomar um valor entre 2 3 a 1 3 para o cálculo da força de fecha- mento (Figura 12). Potenciórnetro linear de posição da rosca 1 Transdutor hidráulico Base do funil r e f r i q e r a d a l I rde I I Bico não-retorno de aquecimento EmboloA I I I pressão Rosca plastificadora hidráulico Motor hidraulico Fig. 12 1 Corte esquemático de uma máquina injetora horizontal. Cortesia: Indústrias Romi S.A. 2 4 DADOS TÉCNICOS PARA INJEÇAO (69) Em condições ideais de armazenagem, o material deve apresentar baixo grau de umidade. No entanto, se o ambiente da estocagem e o local de trabalho apresentarem-se úmidos, poderá haver condensação na super- fície dos grânulos do material a ser moldado. Esta presença de umidade poderá resultar em "mica': manchas, escamas ou bolhas nas peças molda- das. Nestes casos, a secagem prévia é o procedimento recomendado. A secagem do polímero tem ainda a vantagem de pré-aquecer o material, fornecendo uma temperatura de plastificação mais uniforme, reduzindo as possibilidades de pontos de superaquecimento no cilin- dro e permitindo ciclos de moldagem mais rápidos. Consideremos um exemplo: sem o pré-aquecimento, o cilindro deverá esquentar os grãos de 20°C até 200°C, ou seja, um diferencial de 180°C. Se neste caso fosse feito um pré-aquecimento a 70°C, este diferencial seria de apenas 130°C, com consequente redução do calor necessário no cilindro. O pré-aquecimento é especialmente vantajoso naqueles casos em que o peso do material a ser injetado ultrapasse 70% da capacidade teó- rica da máquina. A secagem poderá ser feita através de estufas de bandeja, secado- res de ar circulante, funis secadores, centrais de secagem ou desumidi- ficadores. No caso da moldagem por injeção, a estufagem poderá ser feita entre 2 a 4 horas, a uma temperatura de 60% a 180°C, dependendo do material. Temperaturas muito mais altas que estas poderão causar a sin- terização dos grânulos, com o consequente "empedramento" destes. 40 MOI.DES PARA I N J E C À O DE TERMOPLÁSTICOS Para se obter uma melhor eficiência na secagem, recomenda-se ainda que a espessura da camada de material sobre a bandeja não ultrapasse 2 cm quando se utilizar secagem em estufa e, periodicamente, durante a estufagem, esta camada deverá ser remexida. 4.1 . I . - Secagem eficiente para obtenção de peças de qualidade (*) Granulados plásticos siio submetidos a diversas temperaturas durante a siia armazenagem e transformação. A absorção capilar de água por condensa~ão da umidade do ar na superfície do granulado ocorre com freqüência. Além disso, quando em contato com o ar ambiente, dependendo da estação e h s condições climáticas, pode ocorrer absorção da umidade. A transformação da maioria das matérias-primas plásticas neces- sita de um valor limite de umidade contida no granulado. A necessidade de uma pré-secagem depende, em primeiro lugar, do grau higroscópico da matéria-prima com relação à água. E por isso é importante conhe- cer o p u de umidade no recebimento dos materiais, tipo de embala- gem e tempo de estocagem. A poliamida, por exemplo, na maioria das vezes é fornecida em sacos com uma barreira de alumínio, o que peimite a utilização direta- mente a partir da embalagem. A maioria dos transformadores de polia- midas faz a pré-secagem para neutralizar variacões decorrentes da umi- dade natural (umidade contida no fornecimento, tempo de estocagem) e não natural (embalagens danificadas ou já abertas). No entanto, o PET e PBT são muito mais críticos em relação 2 água e sempre tedo que ser pré-secados, caso contrário, poderá ocorrer perdas consideráveis na resistência ao impacto da peça. Além do mais, deve se dar atenção especial à velocidade com a qual estes materiais absorvem umidade após a secagem, fazendo o manuseio correto das embalagens, man- tendo a permanência adequada nas instalações de alimentação e do tempo de permanência no funil de alimentaçâo. * Este texto foi adaptado pelo autor a partir do original escrito por Dieter Rath, da empresa Wittmann Dados técnicos para injeção 41 Em condições climáticas desfavoráveis o P l 3 pode absorver em 10 minutos tamanha quantidade de umidade, podendo superar o limite permitido de 0,02%. Atenção especial deve ser dada ainda à secagem cios materiais moídos e dos granulados saturados, como, por exemplo, materiais que ficaram depositados em recipientes abertos. Nestes casos, os tempos de secagem normais não serão suficientes. Uma poliamida saturada pode demandar tempo de secagem igual ou superior a 12 horas, sendo que a mudança da cor (amarelagem) é pra- ticamente inevitável. Por isso, os seguintes fundamentos precisam ser respeitados: Canais granulados e moídos devem ser guardados em recipien- tes fechados. - Embalagens abertas devem ser fechadas. - O funil deve estar sempre tampado. Pelo fato de o nível de umidade ser muito elevado no granulado, verificam-se as seguintes desvantagens na produção: Variações das características mecânicas. Alterações do brilho na superfície. Oscilações das propriedades isolantes (artigos eletroeletrôni- cos). Contrações do material. &trias. Inclusões de ar: Rechupe. Diferenças de viscosidade. Problemas de desmoldagem e preenchimento. Diferenças de cor. Geralmente, distinguem-se dois tipos de processos de secagem; Secagem com ar e ambiente quente, Secagem com ar submetido à prévia secagem e aquecimento. Fara granulados de plásticos, distinguem-se dois tipos de conteúdo de umidade: A umidade higroscópica, Umidade de superfície. 4.1.2 - Secagem com ar quente Materiais plásticos como polietileno? polipropileno e poliestireno na forma pura, sem aditivos, somente admitem umidade na superfície. Em caso de armazenagem inadequada pode ocorrer condensação da umidade na superfície de granulados. Para secar estes granulados, geralmente, são utilizados os chamados secadores de ar quente (estu- fagem), que são equipamentos com capacidade de aquecer o ar ambiente aspirado até uma temperatura de secagem específica para o granulado, que, em seguida, sopram este volume relativamente elevado de ar através do granulado. A umidade aderida ao granulado evapora através de aquecimento. A seguir, depois do silo de secagem, o ar car- regado de umidade é liberado no ambiente. Baixos custos de investimentos são a principal vantagem dos seca- dores de ar quente que têm como desvantagens os elevados custos de energia e a dependência da umidade do ar ambiente. Essas razões não garantem uma qualidade de secagem constante. 4.1.3 - Secagem com ar seco Materiais plásticos como ABS, PA, PC, PMMA ou PET (eventual- mente reforçados com fibras de vidro), têm comportamento higroscó- pico. Se, por um lado, a sua composição química é responsável pela atração molecular interna de água, por outro lado, a constihiição mecâ- nica do granulado, com uma estrutura de tipo capilar, pode contribuir para a absorção de água. Dependendo do tipo de material plástico e das condições do ambiente, poderão ser armazenadas elevadas quan- tidades de água. Devido a estas características, um secador de ar quente não é sufi- ciente para uma qualidade constante de secagem. Estes tipos de mate- riais plásticos devem sempre ser submetidos à secagem através de um secador de ar seco. Contrariamente à secagem com ar quente, no secador com ar seco, o ar do processo é mantido em um circuito fechado. No retorno do ar encontra-se um meio de secagem (peneira molecular), que retira a umi- Dados técnicos para injeção 43 dade do ar. Assim, no acesso ao silo de material seco encontra-se sem- pre à disposição um constante ar pré-seco. Ambos os sistemas de secagem são geralmente utilizados para uma retirada contínua ou quase contínua de granulado. De acordo com o fluxo de material necessário, deve-se elaborar um projeto com a dis- posição do secador e o volume do silo de material seco. Secadores de lotes de cargas necessitam de outro tipo de disposição. Para o projeto de uma instalação de secagem são necessárias as seguintes informações: - Tipo de material plástico. - Fluxo de granulado em kg/h. - Temperatura de secagem. - Tempo de secagedtempo de espera. - Umidade de entrada. - Umidade de saída. 4.1.4 - Escolha da capacidade para o aquecimento do funil Para a instalação de diversos funis, deve ser aplicada a seguinte fór- mula (também válida para um só funil), para cada funil. E a capacidade resultante deve ser arredondada para cima até o próximo patamar de aquecimento. Como calor próprio do secador podemos admitir 40°C. Onde: P = Capacidade de aquecimento em kW V = Quantidade de ar em (m3/h). AT = Incremento de temperatura (OC) Como fórmula geral, pode se considerar, nos casos de instalações com diversos fins, aproximadamente, 1,5 kW por 100 L de volume do funil. Excluem-se os materiais tais como PE, PEEK, Py PPS, PS, PSU. Neste caso, deve se instalar uma capacidade de aquecimento maior. 44 MOLDES PARA INJEÇÃO DE T E R M O P 4.1.5 - Cálculo do volume do funil O volume do funil pode ser calculado usando a seguinte fórmula: Onde: V = Volume do funil M = Volume do material processado P = Peso específico do material granulado (peso aparente) T = Tempo de permanência 4.1.6 -Tempo de secagemltempo de espera Para granulados higroscópicos, a observação do tempo de espera é um fator essencial. Para isto, os dados e diagramas de secagem e as recomendações do fabricante do granulado devem ser conhecidas a fim de poder se determinar o volume do silo de material seco. Além da observação da temperatura e do ponto de orvalho, o tempo de espera não deve ser inferior nem superior ao recomendado. Por tempos de espera excessivamente longos podem, por exemplo, ocorrer aumentos de viscosidade em PAI além de descolorações. Tabela de valores de orientação Dados técnicos para injeção 45 I Plástico Poliamida 6 Poliamida 6-10 Poliainida 6-3-T Poliamida 6-6 Poliainida 6-6 35% Fibici de vidro Policetona Poli (tereftalato de biitileno) Policarbonato Policiclohexanodirn eulrereftalato + Giicol (Coa) poli(eter-eter-ceiona) Polietileno Polietdeno alta densidade (linear) yoli(éter-imida) Polietileno baixa densidade Polietileno linear de baixa densidade Polietileiio linear de média densidade Polieterssulfona Polietersul fona com 30% fibra de vidro Poli (etileno tereftalato) Poli (etileno tereftalato) amorfo Poli (etdeno terdtalato) glicol 1 Poli (metacrilato de metila) Poli (óxido de metileno) Pol ipropileno Polipropileno Pol inroni leno Polipropileno poliftalarnida poliftalamida Poli (6xido de feruleno) I'oli (sulfeto de fenileno) Poli (sulfeto de Fenileno) 40% fibra de vidro 1 Poliestireno Temp' Temp. VoL de ar S í m b i o 1 sec. 1 z;. 1 pcl (*I Perm- [h] ím'/kg) I I , I PEEK 1 150 1 4 1 0.79 2.52 PEEK GF3O 150 4 0,89 2 PE 90 3 0.57 2, l j PE-HD 90 3 0,58 2,15 PEI 150 35 0,76 1,4 PE-LD 80 3 0,55 2,15 PE-LLD 90 3 0>55 2,15 PES 150 3: 5 0,82 153 PES GF30 I50 35 0,82 1,46 PET 1 125 1 3 1 0,84 1 1,72 PET-A 1 170 1 6 1 0,841 1 2,13 PETG 1 65 1 4 1 0,76 1 1,36 PP M4O 1 90 1 3 1 0,73 1 1.57 PPA 1 80 1 15 I 0.69 1 1.58 I I , PPA GF33 80 1 I5 1 0.89 1 1.24 PPO 100 2 054 1 ,G1 PPS 150 3 0,80 163 PPS GF40 I 150 3 0,99 1.38 PS 80 3 0,63 1,47 PSU GF20 150 2,5 0,74 2,5 PSI J 150 3 0,84 2,38 Plástico - Polisulfona 20% fibra de vidro Poli(tetrafluoro-etileno) Poliuretano elastomero Poli (cloreto de vinila) Poli (cloreto de vinila) Poli (cloreto de vinila) Copolímero de estkeno-acrilonicrila Copolímero de estireno Símbolo PSU mod PTFE PUR PVC PVC-P SAN SB TPE-E TPE-U espec. Vol. de ar [m3/kgl (*) Válida para granulado d e plástico com tamanho de grào entre 3 e 5 mm e uma temperatura de enchimento d e +20°C Ponto de orvalho climáticas Umidade Ponto de Água gím3 relativa (%) orvaiho ?C) 1 de ar Verão quente Primavera/ outono +25 Primavera/ OLI tono Um fluxo de ar não pode absorver qualquer quantidade de água em forma de vapor a uma determinada temperatura. Assim que o ponto de saturação for atingido, o vapor de água é excluído como con- densado. Forma-se o orvalho, o que originou a designação da "tempe- ratura de ponto de orvalho': De forma contrária à indicação da "umi- -1 5 Inverno Inverno Valor mínimo 14 Verão normal 1 +25 + 10 19 80 80 O -10 +40 +20,5 60 +15,5 + 10 67 70 80 50 0,65 9>75 +4,5 -25 -17,5 -30 3,9 1 ,O3 0,3300 Dados técnicos para injeção 47 dade relativa do ar': o ponto de orvalho é independente da tempera- tura do gás. A absor~ão de água pelo a- aumenta com a queda do ponto de orvalho. Nos secadores de ar seco, os pontos de orvalho usuais encon- tram-se entre -30% Tp e -60°C Tp. Energeticarnente, o ponto de orvalho considerado ótimo está em -30°C. Cada ponto de orvalho mais baixo não aprimora os resultados da secagem, entretanto, aumenta desnecessariamente o consumo de energia resultante da necessidade mais elevada de energia na regene- ração. 4.1.7 - Controle de umidade A umidade do granulado pode ser medida através de aparelhos comuns por meio do método manométrico ou método Karl-Fischer Para evitar erros, a amostra deve ser retirada na parte inferior do funil e acondicionada em seguida em um recipiente fechado. Recornen- damos sacos plásticos soldados com acabamento de alumínio e PE ou recipientes de vidro a vácuo, normalmente usados em laboratórios. 4.1.8 - Economia e eficiência Pelo balanço de energia, o secador de ar seco apresenta claras van- tagens. Através do retorno de ar em circuito fechado, as perdas de calor podem ser entre cerca de 40 a 60% inferiores às ocorridas no secador simples de ar quente, que libera a energia restante diretamente no ambiente. 4.2 - Geometria dos materiais Normalmente, os materiais plásticos são colocados nas máquinas em forma de grãos ou aparas (moído). Os grãos são pequenos, geral- mente cúbicos ou cilíndricos, obtidos pelo corte de tiras extrudadas. As aparas são partículas de formas irregulares, produzidas pela moagem de peças, refugos ou canais e bicos, com ampla variação no tamanho das partículas obtidas. A densidade bruta dos materiais (peso por unidade de volume), fornece um índice de quantidade de ar num volume determinado de grãos. A densidade bruta do poliestireno em grãos é de, aproximada- mente, 600 a 700 kg/m3, enquanto a densidade bruta do poliestireno em aparas é de 400 a 600 kg/m3, ou seja' possui mais aE A redução da densidade bruta requer maior volume de alimenta- ção quando se injeta material virgem uma vez que a existência de ar junto ao material não permite que seja atingido o volume necessário no cilindro para iniciar a injeção. Se o ar não for eliminado, entrará junto com o material no molde, provocando o aparecimento de marcas tipo "mica'; manchas prateadas, linhas pretas e bolhas. Obs. Densidade bruta = Densidade aparente #Densidade absoluta dos materiais O excesso de pó no polímero, pros-eniente da moagem, poderá causar queima do material no cilindro prol-ocando, conseqüentemente, manchas escuras na peça ou mudança de COE Seste caso, é aconselhá- vel manter as zonas traseiras do cilindro com temperaturas de 15°C a 25°C mais baixas do que no centro e no fm Este procedimento não só diminui a tendência de queima como também permite a eliminação de ar preso. Volume máximo de injeção Vi (Cm ) Deslocamento m8xirno da rosca Ia - ' OU curso maximo de injeção d max (mm) Demonstração para cálculo do volume de injeção em urna máquina injetora. Cortesia: Indústrias Romi S.A. Dados técnicos para injeção 45) 4.3 - Lu brificaçáo Os lubrificantes externos, homogeneizados juntamente com o material, ganham melhor fluidez em funis ou tubos de transporte, por facilitar o deslizarnento dos grãos e evitar manchas escuras nas peças injetadas causadas pela queima do pó por atrito. Por outro lado, nas máquinas a pistão convencionais ocorre uma perda de pressão na parte traseira do cilindro, para a compactação e a movimentação dos grânulos que ainda não se fundiram. Essa perda de carga pode chegar até cerca de 50% da pressão aplicada pelo pistão. A lubrificação externa atuará aqui facilitando o deslizamento dos grânu- los,' o que reduz significativamente a perda de carga. Durante o processo de moldagem, o lubrificante extemo é misturado ao material de tal forma, que as aparas resultantes não estarão mais lubri- ficadas, e poderão apresentar escoamento mais difícil ou provocar linhas escuras na peça. Neste caso, o transformador poderá acrescentar lubrifi- cante extemo adicionando-se 0,05% de lubrificante em pó, e tarnboreando por cerca de quinze minutos. Esta porcentagem equivale a 50 g de lubri- ficante por 100 kg de material. Excesso de lubrificante ou pouco tempo de mistura podem causar linhas ou manchas esbranquiçadas nos artigos moldados, especialmente no caso de termoplásticos transparentes. 4.4 -Temperatura de injeção À medida que a temperatura aumenta, a viscosidade do material fundido diminui e, portanto, menos pressão é necessária para atingir a velocidade de injeção desejada. Copolímeros contendo borracha são mais propensos à oxidação a temperaturas elevadas. O ajuste mais conveniente da temperatura nas diversas zonas do cilindro deve ser determinado com base na prática para cada tipo de moldagem. Além do tipo de matéria-prima que está sendo injetada, deve-se levar em consideração as condições ideais de moldagem da máquina utilizada, do projeto do molde e das dimensões, além do for- mato e da espessura de peça moldada. Com base em uma série de observações práticas, pode-se elabo- rar uma Tabela de valores típicos para as temperaturas de injeção. 4.5 -Temperatura do molde Moldes com temperaturas altas reduzem tensões internas, origi- nam superfícies mais brilhantes e rninimizam linhas de junção e mar- cas do fluxo do material. Infelizmente, altas temperaturas requerem cidos maiores para que o plhtico solidifique e possa ser retirado do 111olde. Temperdluras baixas permitem ciclos mais rápidos, mas têni a séria desvantagem de causar tensões internas: superfícies pouco bri- lhantes, além de salientar as linhas de junçâo. A quebra da peça na extração é uma característica em moldes frios. A temperatura mínima recomendada para o molde é de cerca de 200C; temperaturas menores deste patamar podem causar tensões e peças deformadas e sem brilho, dependendo do tipo de material a ser injetado. A temperatura máxima para termoplásticos amorfos é de cerca de 700C. Acima disso, a peça injetada não irá conservar sua forma e suas dimensões quando ejetada do molde. A temperah~ra ideal para o molde é um ajuste entre esses valores mínimo e máximo. Observe que estas são temperaturas do molde e não da água cir- cuiante dos seus canais. Em ciclos rápidos, 21s vezes é necessário fazer circular água fria para remover rapidamente o calor. 4.6 - Pressão de injeção/recalque Na moldagem do material, a pressão de injeção exercida pela rosca ou pistão deve estar entre 400 e 1 400 kg/cm2! dependendo dos seguin- tes fatores: tipo de material e de máquina, das temperaturas de plasti- ficação, do tamanho do orifício do bico, do desenho do molde, do tama- nho da entrada, da lubrificação dos grãos, etc. Para se obter ciclos mais rápidos é preferível trabalhar simultaneamente com altas pressões e temperaturas reduzidas no cilindro. Uma boa prática neste caso é aumentar gradualmente a pressão, 2 medida que o ciclu e reduzidu (au invés de aumentar a temperatura). Em temperaturas muito altas, um excesso de pressão pode provocar rebarba na peça ou "trancar" o molde de tal maneira que impeca a sua abertura pela força hidráulica aplicada no lado móvel. Em temperaturas excessivamente baixas po- Dados técnicos para injeção 51 dem ocorrer danos no torpedo (em máquinas a pistão), ou tensões internas nas entradas das cavidades. Para evitar isso, é recomendável usar uma pressão de injeção alta para encher as cavidades, e uma pressão de recalque menor, evitando que o material retorne aos canais. O momento de passar da pressão de injeção à pressão de recalque é quando a rosca ou o pistão interrompe o avanço. 4.7 -Tempo de injeção É o intervalo de tempo entre o instante em que a rosca avança e o momento em que a pressão de injeção pára de atuar. É possível perce- ber que, durante a injeção, a velocidade inicial diminui drasticamente à medida em que chega na posição pré-determinanda na regulagem da máquina. Geralmente, a velocidade inicial é de cerca de 3 crn/s, caindo para 0,l cm/s quando as cavidades estiverem cheias, sendo que, posterior- mente, a rosca ou o pistão agem no sentido de "empacotar" o material nas cavidades. O período inicial da injeção, correspondente ao avanço da rosca em alta velocidade, chama-se "tempo de enchimento" ou "avanço da rosca!! Este avango será gradualmente mais lento até que a entrada da cavidade esfrie e fique sólida. Se o timer indicar a parada do pistão quando as cavidades estive- rem cheias (por exemplo, no fim do "tempo de enchimento"), a pres- são de injeção cessará imediatamente de atuar e o material começará a sair das cavidades até que a entrada solidifique. Se a rosca se retrai imediatamente após o tempo de enchimento, tende-se a criar uma pressão negativa ou sucção, provocando uma superfície "chupada" ou rugosa da peça. Portanto, é necessário manter uma pressão positiva (pressão de recalque), por um certo período de tempo após as cavidades terem sido completadas, a fim de que as entradas se solidifiquem. Recomenda-se que se reduza progressivamente o tempo de avanço da rosca até que apareçam partes chupadas na peça. Uma vez atingido esse ponto, o tempo de avanço da rosca deverá ser aumentado em 1 s a cada três ou quatro ciclos até que os defeitos desapareçam. Este procedimento estabelece o tempo mínimo requerido para que as entradas solidifiquem a uma certa temperatura do material e do molde. Mantendo este tempo de avanço, o ciclo total pode ser prcgressiva- mente reduzido até que deformações comecem a ocorrer na extração. 4.8 - Ciclos de injeção O cicio de injeção é o intervalo total de tempo entre o instante em que o molde se fecha durante um ciclo e o período correspondente em que ele se encerra no ciclo seguinte. O ciclo total é a soma do tempo do ciclo da máquina mais o tempo que o operador leva para abrir a porta, retirar a peça, e fechar a porta (em moldes não automáticos). O termo "ciclo da máquina" refere-se à parte do ciclo total que é contro- lado pelo timer do painel. O ciclo da máquina começa quando o ope- rador fecha a porta que ativa o fechamento do molde. As operações que se seguem (fechamento do molde, injeção, reshiamento e abertura do molde), ocorrem automaticamente. O ciclo da máquina termina quando o timer de "molde fechado'' chega a zero e o molde se abre ate o limite previamente imposto. O ciclo da máquina é a soma do tempo para injeção do tempo para resfnar a peça injetada (até atingir o estado sólido), e do tempo de abertura e fechamento do molde. Estas duas últimas fases são carac- terísticas da máquina, e são, portanto, independentes dos controles usuais das variáveis de injeção e do tipo de material usado. O tempo de resfriamento 6 o mais longo e depende da espessura da peça injetada, da temperatura do molde e das características do termoplástico. Normalmente, deseja-se obter ciclos de injeção curtos. O custo operacional por hora de uma máquina injetora é constante e, portanto, os ciclos mais rápidos darão peças de menor custo. Contudo, ciclos excessivamente curtos podem causar maior quantidade de peças defei- tuosas. Em muitos casos, usa-se água a baixa temperatura para resfriar os moldes, a fim de obter ciclos mais rápidos. Embora esta seja uma prá- tica corrente, deve-se tomar cuidado para que a temperatura do molde Dados técnicos para injeção 53 não seja excessivamente baixa - o que causaria peças tensionadas, que- bradiças e superfície sem brilho. Ciclo básico de uma maquina injetora Injeção Fechamento (preenchimento) Controle do colcháo I Resfriamento Fig. 14 1 4.9 -Tolerâncias dimensionais Como já foi descrito, as condições de moldagem e projeto do mol- de afetam as contrações do material. Mesmo nas melhores condições, haverá pequenas variações na temperatura do material, na pressão de injeção, na temperatura do molde, na quantidade de material a ser inje- tado e no ciclo total da máquina, como, por exemplo, ligamento e des- ligamento dos tirners de temperaturas do cilindro além de tendência de queda da pressão de injeção. Além disso, depois de aquecido o óleo, a carga a ser injetada varia de acordo com o tamanho das partículas e a temperatura do molde é variável. Por estas razões, todas as peças injetadas precisarão de uma tole- rância dimensional. O poliestireno pode ser injetado com tolerâncias bem próximas, superando a de outros termoplásticos, como poliami- das, acetais, poliolefinas e celulósicos. As tolerâncias comerciais obtidas pela maioria dos moldes são de, aproximadamente, 0,005 cm para dimensões até 2,5 cm e, aproximada- mente, 0,0025 cm para cada. 2,5 cm adicionais. Por exemplo, uma peça com dimensão de 32 cm terá uma tolerância perto de 0,032 cm, no caso do poliestireno. Mantendo-se um controle cuidadoso sobre as diferentes variáveis, tolerâncias menores podem ser obtidas. 5.1 - Introdução Até o advento da plastificação por intermédio da rosca, entre os anos de 1955 a 1960, as máquinas injetoras empregavam pistões para forçar o material aquecido do cilindro para o molde. Na máquina a pis- tão original, o material plástico era empurrado em etapas através do cilindro por sucessivos avanços do pistão, ficando cada vez mais fluido à medida que avançava em direção ao bico. A pressão exercida pelo pistão, para forçar o material através do bico e daí para o molde, devia ser transmitida através de uma massa compacta e não completamente fundida. A queda de pressão provo- cada por este sistema limitava praticamente sua capacidade de 1 a 1,5 kg de material. Com a crescente demanda de máquinas capazes de injetar grandes quantidades de plástico de uma só vez, foi adicionado um pré-plastifica- dor, montado acima do pistão, obtendo-se, assim, uma máquina de dois estágios (Figura 6). Porém, este método nem sempre oferecia suficiente capacidade calorífica para plastificar o material rápida e uniformemente. O sistema da rosca rotativa foi então adotado a fim de se aumentar a produção e obter-se um aquecimento mais uniforme. (Figura 5) Existem dois sistemas de plastificação do material com rosca: A. Máquina de dois estágios 1. Plastificação; 2. Pistão. B. Combinação de rosca-pistão em um estágio 1.Plastificação e pistão. A principal característica da rosca plastificadora, em qualquer tipo de máquina, é a sua capacidade de plastificar o polímero de forma rápida e uniforme, mantendo homogeneizadas a composição e a tem- peratura da massa. IJma rosca bem projetada deverá produzir uma massa com viscosidade e temperaturas uniformes, obtendo-se altas produ~ões com um mínimo de degradaçáo térmica. Os equipamentos com roscas oferecem algumas vantagens quan- do comparados com as máquinas a pistão a seguir enumeradas: 1. Materiais de alta viscosidade são mais facilmente plastificados; 2. A maior uniformidade da massa pliistica provoca: a. melhor aparência e brilho superficial; b. menores pressões de injeção; c. menor distorção e melhor controle das tolerâncias dimensionais; d, redução das tensões internas. 3. Melhor aproveitamento do material moído. 4. Melhor dispersão da COE 5. Avariação da granulome~a do material afeta menos o processarnento 6. Na zona de alimentagão não existe perda de pressão por compres- são dos grãos. 7. Limpeza mais rápida do cilindro. 8. Remoção mais eficiente dos voláteis. 9. Redução do cicio devido a injeções mais rápidas e/ou maior capa- cidade de plastificação. Os mesmos princípios utilizados na injeção de peças por máqui- nas a pistão, ou com pré-plastificador e pistão, se adaptam ao equipa- mento de injeçâo a rosca. 5.2 - Projeto da rosca 5.2.1 - Geometria geral da rosca As características do projeto, como ângulos, passos e comprimen- tos das zonas, são adaptações de exciusoras convencionais. O modelo Plastificação do polímero 57 mais comum 6 o de passo constante, no qual o passo da rosca é equi- valente ao maior diâmetro. Neste tipo de rosca, os projetos atuais, em geral, distinguem três zonas distintas na seguinte ordem: alimentaçâo, compressão e plastificação (ou dosagem). A função da seção de alimentação, constituída de vários filetes de profundidade uniforme, é fornecer à seção de compressão a quanti- dade suficiente de grãos de tal forma que toda a rosca esteja comple- tamente cheia de plástico fundido até o final. Na seção de compressão, inicia-se e intensifica-se a compressão, fusão e hornogeneização do material. A profundidade do filete diminui nesta seção (desde a seção de alimentação até a de plastificação). A seção de plastificação é constituída tipicamente de diversos file- tes em quantidades relativamente rasas. Sua função é completar a fusão e a mistura do polímero de tal forma que uma homogeneidade máxima (térmica e física) seja obtida. Na prática, frequentemente, são encontradas seções de alimenta- ção com comprimentos entre 8 a 10 diâmetros e seções de transigão e de plastificação de 4 a 6 diâmetros, respectivamente. Devido 5s grandes diferenças no comportamento reológico dos diferentes termoplásticos, niio existe nenhum desenho de rosca que funcione igualmente bem para todos os materiais. 5.2.2 - Razão de compressão A razão de compressão é a relação entre os volumes de um canal na seção de alimentação e de um canal na secão de plastificaçâo. As razões de compressâo mais frequentemente encontradas nos equipa- mentos comerciais variam de 1,5: 1 a 4,5:1. Geralmente, as roscx com alta razão de compressão são operadas com velocidades menores que as roscas com baixa razão de compressão. 5.2.3 - Comprimento da rosca O comprimento da rosca é expresso, geralmente, em termos da relação L/D, sendo L o comprimento efetivo da rosca e il o seu maior diâmetro. Na maior parte das roscas comerciais, este valor varia entre 12/l e 24/1. 5.2.4 - Profundidade do canal Em geral, quanto maior for a profundidade do canal, mais escala ganhará a produção, desde que a velocidade da rosca seja constante. Uma prática comum no projeto é usar uma profundidade menor para materiais de alta viscosidade. Partes de uma rosca Fig. 15 Roscas de alto rendimento com misturador Rosca plastificadora Cortesia: Indústrias Rorni S.A. Fig.
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