Moldes para Injeção de Termoplásticos

UTILIZAçãO DA TéCNICA DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS PARA OTIMIZAçãO DE UM PROCESSO DE INJEçãO

INTRODUçãO (PARTE I)

Devido ao constante crescimento das indústrias, a preocupação com a qualidade passou a ser um fator crucial para se manter no mercado e almejar um crescimento sustentável. Para isso, as empresas estão buscando cada vez mais certificações de qualidade para se firmarem nesse mercado. Porém, manter a qualidade do produto ao longo de sua vida pode ser uma tarefa árdua se o desenvolvimento não for feito de uma forma robusta. Algumas empresas do Brasil adotam técnicas de planejamento de experimentos no início do desenvolvimento do produto. Muitas vezes essa parte do processo, que deveria ser a primeira, passa a ser levada em consideração, geralmente, quando o produto apresenta grandes índices de rejeição (não qualidade) seja internamente (dentro da empresa) ou externa (clientes ou consumidores finais).

Com isso, esse trabalho procura demonstrar através do uso de técnicas estatísticas (planejamento de experimentos) como é possível desenvolver um processo de injeção de termoplástico de uma forma robusta, para garantir a qualidade do produto e o sucesso da empresa. Essa técnica possibilitará reduzir os defeitos de fabricação e assegurar a qualidade do produto durante todas as etapas de produção até o cliente final.

METODOLOGIA (PARTE I)

"Os plásticos de engenharia são materiais sintéticos produzidos a partir de matérias químicas básicas denominadas monmeros". (HARADA, 2004, p. 19). Os plásticos constituem um grande grupo de materiais e consistem, basicamente, de combinações que ocorrem entre Carbono (C), Hidrogênio (H), Oxigênio (O) e Nitrogênio (N), além de vários outros elementos.

A definição oficial de "materiais plásticos", divulgada 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 molecular, 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. (HARADA, 2004, p. 19).

Em seu estado final, os plásticos são sólidos. Entretanto, em determinado estágio de sua fabricação, encontram-se próximos de uma condição líquida podendo, assim, ser moldados de várias maneiras e formas. Em geral, essa moldagem é executada através da aplicação isolada ou simultânea de calor e pressão.

a) Polímero: Substância constituída de moléculas caracterizadas pela repetição múltipla de uma espécie de átomos ou mais espécies de átomos ou grupo de átomos (unidades constitucionais) ligados uns aos outros em quantidades suficientes para fornecer um conjunto de propriedades que não variam acentuadamente com a adição ou a remoção de uma ou algumas unidades constitucionais.

b) Monmero: Composto constituído de moléculas, cada uma das quais capaz de dar origem a uma ou mais unidades constitucionais.

c) Termoplásticos: O aquecimento permite que as moléculas deslizem livres umas sobre as outras durante o processo de moldagem. Através de um resfriamento, as forças se tornam outra vez intensas, para congelar as moléculas entre si, comparando-se á moldagem de uma cera de vela reprocessável.

d) Plásticos Industriais: Definem-se como sendo plásticos industriais os apropriados para aplicações técnicas como peças, engrenagens e membros estruturais. Estes materiais constituem atualmente o grupo de materiais não-metálicos mais importantes de utilização na indústria. Os plásticos industriais foram e são desenvolvidos para substituir os materiais tradicionais (metal, madeira, cerâmica, borracha, papel, etc.). Apresentam vantagens tanto em relação ao baixo custo, motivado pelo seu baixo peso específico e ganho na usinagem, como pelas inúmeras vantagens técnicas.

e) Resinas Plásticas: São substâncias constituídas de grandes cadeias de moléculas, formando, deste modo, moléculas gigantes (macromoléculas). Para a obtenção destas macromoléculas são feitas reações químicas que podem ser de três tipos: Reação de Polimerização, Reação de Copolimerização e Reação de Policondensação.

Os principais grupos plásticos:

Em comparação com os metais, nenhum plástico apresenta tão elevada resistência ao calor ou a tração. Porém, todas as suas propriedades encontram-se tão bem equilibradas que seu emprego em todos os campos de atividades é quase inevitável. Entre muitas famílias de termoplásticos podemos citar como as mais importantes:

a) A Acrílica: materiais caracterizados pela transparência e brilho, com elevada resistência ao impacto e as intempéries; bom desempenho em aplicações elétricas e pequenas restrições quanto ao contato com agentes químicos ou em exposição prolongada á luz ultravioleta.

b) Os Policarbonatos: material de aspecto semelhante aos acrílicos, porém com maior resistência ao impacto, exposição à luz ultravioleta e as variações do clima.

c) As Poliolefinas: representada pelos polietilenos e polipropilenos, são os plásticos mais baratos e populares, oferecidos em uma ampla variedade de composições destinadas desde aplicações em embalagens até aplicações médico-cirúrgicas por serem, principalmente, de excelente resistência química e atoxidade.

d) O Polivinil: representado pelo cloreto de polivinil (PVC), possui características como a facilidade de processamento, boa resistência química e desempenho mecânico razoável são propriedades inerentes a esse material.

e) As Poliamidas: materiais com excepcional resistência ao desgaste, alta tenacidade, baixo coeficiente de atrito aliado a uma boa resistência química e aceitável estabilidade dimensional. Seu principal representante é o nylon em suas várias formulações e aplicações.

f) Os Poliacetais: plásticos técnicos rígidos de grande capacidade mecânica, estabilidade dimensional, boa resistência química e a abrasão, baixo coeficiente de atrito e com possibilidade de emprego de molas, devido á elasticidade apresentada, quando em lâminas finas. Sua maior restrição está na temperatura de trabalho contínuo, que não deve exceder 85C.

Nesse estudo será trabalhado com o material chamado ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno) com 20% de fibra de vidro. A seguir serão descritas algumas características desse tipo de material.

Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS)

As resinas ABS são compostos semelhantes à borracha rígida, contendo butadieno em suspensão, sob a forma de partículas esparsas em uma fase contínua de copolímero estireno acrilonitrila. Estes termoplásticos amorfos de custo médio são duros, rígidos e tenazes, mesmo a baixas temperaturas. São encontrados em vários tipos e apresentam diferentes níveis de resistência a impactos, ao calor, retardamentos de chama e de capacidade para galvanização.

A maioria das resinas ABS varia de translúcida a opaca, mas elas também podem ser produzidas em tipos transparentes, podendo ser pigmentadas, para produzir praticamente todas as cores. Podem ser encontradas em tipos adequados para moldagem por injeção, extrusão, por sopro, expansível e para conformações a quente. Alguns tipos de ABS são compostos com outros tipos de resinas com a finalidade de atingir propriedades especiais.

Propriedades

Os plásticos ABS oferecem um bom equilíbrio entre a resistência à tração, ao impacto, abrasão, dureza superficial, rigidez, resistência ao calor, propriedades em baixa temperatura, resistência química e características elétricas. Esse material cede, praticamente, quando submetido a um grande esforço, de modo que o problema de alongamento raramente adquire importância significativa em seus projetos.

Principais Características (conforme dados do fornecedor BASF):

  • Densidade: 1,20g/cm;
  • Alto Brilho;
  • Excelente Resistência ao Impacto;
  • Boa Resistência Química;
  • Boa Resistência a Temperatura: 95C a 110C;
  • Possui Boa Estabilidade Dimensional.

Processamento por Injeção (recomendado pelo fornecedor BASF):

  • Temperatura para Injeção: 220C a 260C;
  • Temperatura do Molde: 40C a 80C;
  • Contração na Moldagem por Injeção: 0,15% a 0,20%;
  • Temperatura de Secagem (Estufagem): 70C a 85C de 2 a 4 horas.

DESENVOLVIMENTO (PARTE I)

Um dos processos mais versáteis e modernos no campo da transformação e processamento de polímeros é, sem dúvida, o da moldagem por injeção.

O processo de moldagem por injeção consiste em transportar o plástico sob ação de calor e pressão da injetora para o molde. Portanto podemos considerar que a injetora é uma amplificadora de pressão, capaz de transportar o material plástico sob ação de pressão e calor para o molde. Este processo é feito através de um funil da injetora, que recebe o material plástico em forma de grãos, e por gravidade estes grãos vão para o cilindro de injeção, que por sua vez contém uma rosca plastificadora.

Já no cilindro de injeção o material é plastificado, ou seja, por ação de calor das resistências e atrito com o movimento da rosca, o material é amolecido até o ponto de poder fluir.

Assim sendo, o sistema hidráulico ou elétrico (pois já existem injetoras totalmente elétricas) da injetora fornece pressão ou energia suficiente para transportar e manter o material no molde. Este mesmo sistema hidráulico ou elétrico proporciona pressões para o movimento de abertura, extração e fechamento do molde. A Figura 6 mostra um sistema de injeção.

[Fonte: www.engel.com, (Acesso em: 25 de abril de 2008)].

Desta forma, basicamente, o processo de injeção é composto de injetora, material plástico e molde. Mas ainda deverão existir os periféricos, como: sistema de refrigeração, alimentadores, secadores de material plástico entre outros.

A seqüência do ciclo de injeção para uma máquina de moldagem por injeção pode ser definida nas seguintes etapas:

1) Fechamento do Molde: o ciclo de injeção inicia-se com o fechamento das duas metades do molde. Um perfil de velocidade e força deverá proteger o molde contra avarias. Em moldes com fundo oco, os machos entram juntamente com o fechamento do molde. Após o molde estar fechado, a máquina forma uma alta força de fechamento.

2) Encosto do Bico de Injeção: a unidade de injeção aproxima o bico injetor na bucha do canal de injeção do molde formando uma força de encosto ajustável.

3) Injeção e Pressão de Recalque: a rosca do cilindro de injeção injeta o material, com um perfil de velocidade e pressão ajustável. A massa fundida que se encontrava na antecâmara da rosca, sob alta pressão, é direcionada para o fundo oco do molde (cavidade). Um bloqueio de corrente de retorno de fechamento mecânico evita que a massa fundida volte para a rosca. O tempo de endurecimento inicia-se com a entrada da massa fundida no molde. Para que não haja incidências ou espaços ocos, a máquina comuta para pressão de recalque, após o enchimento da cavidade para compactar bem o produto. A rosca empurra o volume perdido com a refrigeração até que o canal de injeção tempere (ponto de selamento). Para o ciclo da pressão de recalque pode ser ajustado um tempo de pressão de recalque e um perfil de pressão. Em seguida, inicia-se um tempo ajustável de refrigeração adicional.

4) Dosagem: O granulado cai no funil de material dentro da área de alimentação da rosca. A rosca conduz o material em direção ao bico através do cilindro aquecido externamente. As forças de cisalhamento da rosca e a parede interna quente devido ao acúmulo do material dissolvido provocam um movimento axial da rosca para trás. Uma pressão contrária ajustável (contrapressão) cuida para que não haja uma plastificação boa e homogênea. Ao alcançar o volume de massa fundida necessário para o enchimento do molde (curso de dosagem) o movimento giratório pára. Para alívio de massa fundida comprimida na antecâmara da rosca, a máquina retorna com a rosca de volta (alívio de compressão).

5) Recuo do Bico de Injeção (opcional): necessário para que o canal de injeção seja interrompido ou, a bucha fria do canal de injeção não esquente demais ou, o bico aquecido não esfrie demais. Em muitos casos é colocado bico valvulado para que não vaze massa fundida para fora do bico quando recuado.

6) Desmoldar: com o fim do tempo de refrigeração o molde se abre com um perfil de velocidade ajustado. Com isso a peça moldada é desmoldada da outra metade do molde. O extrator, após alcançar a posição de início, extrai a peça com auxílio de pinos extratores. Após decorrer um tempo de pausa, o ciclo está finalizado e a máquina está pronta para um novo ciclo.

Nesse estudo será utilizada uma injetora horizontal da marca SANDRETTO SéRIE SB UNO 790/220, ano de fabricação 2002, com as seguintes características técnicas:

  • Diâmetro do Parafuso Injetor: 55 mm;
  • Volume Teórico de Injeção: 546 cm;
  • Relação Comprimento e Diâmetro do Parafuso (L/D): 21;
  • Velocidade de Injeção: 243 cm/s;
  • Capacidade de Plastificação: 36,7 g/s;
  • Pressão Sobre o Material: 1445 bar.

O trabalho focou na regulagem de máquina como sendo fator crucial. Com isso, para aplicação da técnica de planejamento de experimentos, foram definidos 5 fatores críticos do processo que poderiam interferir na cota em estudo conforme descrito a seguir:

1) Tempo de Resfriamento: é o tempo em que a máquina permanece parada com o produto dentro do molde. O produto recebe a refrigeração através do sistema de água gelada (aproximadamente 7C), normal (aproximadamente 25C) ou com água aquecida através de termoreguladores de temperatura. A maneira de controle desse parâmetro é através da regulagem no painel da máquina. No processo atual é utilizado um tempo de resfriamento de 15 segundos. A proposta de análise ficou dentro da faixa de 10 segundos a 20 segundos. Isso porque abaixo do valor mínimo o produto sofre deformações excessivas e acima do valor máximo a empresa estaria perdendo com relação à produtividade.

2) Pressão de Recalque: é a pressão que atua ao final do processo de injeção devido ser responsável pelo preenchimento final da(s) cavidade(s) do molde. A maneira de controle desse parâmetro é através da regulagem no painel da máquina. No processo atual é utilizada uma pressão de 125bar. A proposta de análise ficou dentro da faixa de 50bar a 125bar. Isso porque abaixo do valor mínimo o produto acaba falhando e acima do valor máximo o produto apresenta rebarbas em suas linhas de fechamento.

3) Temperatura do Molde (Lado Fixo): é a temperatura na qual o molde deve estar para que o processo de injeção não provoque falhas de injeção devido a temperatura do molde estar baixa ou, a temperatura do molde estar acima provocando rebarbas no produto visto que esse fator facilita a fluidez do material dentro do molde. No processo atual é utilizada água a uma temperatura de 70C. A proposta de análise ficou dentro da faixa de 25C a 80C. Isso porque abaixo do valor mínimo o produto acaba saindo com afloramento de fibra ou até não conseguindo completar de forma uniforme. Acima do valor máximo o produto apresenta rebarbas em suas linhas de fechamento. Também porque não se dispunha de equipamentos termoreguladores que chegasse a temperaturas acima desse valor máximo.

4) Temperatura do Molde (Lado Móvel): é a temperatura na qual o molde deve estar para que o processo de injeção não provoque falhas de injeção devido a temperatura do molde estar baixa ou, a temperatura do molde estar acima provocando rebarbas no produto visto que esse fator facilita a fluidez do material dentro do molde. No processo atual é utilizada água a uma temperatura de 25C. A proposta de análise ficou dentro da faixa de 25C a 80C. Isso porque abaixo do valor mínimo o produto acaba saindo com afloramento de fibra ou até não conseguindo completar de forma uniforme. Acima do valor máximo o produto apresenta rebarbas em suas linhas de fechamento. Também porque não se dispunha de equipamentos termoreguladores que chegasse a temperaturas acima desse valor máximo.

5) Temperatura da Massa: é a temperatura na qual o material sai do cilindro de injeção e preenche o molde. Esse fator é importante devido a estar relacionado com a fluidez do material. No processo atual é utilizada uma temperatura de 245C no cilindro de injeção. A proposta de análise ficou dentro da faixa de 220C a 260C. Isso porque abaixo do valor mínimo não era possível injetar devido a resfriar o bico de injeção impossibilitando a injeção. E acima do valor máximo, o produto apresenta rebarbas em suas linhas de fechamento. Também pode haver degradação do material conforme dados retirados da folha de dados (data sheet) do fornecedor da matéria-prima.

Pode-se concluir com relação essa primeira parte do trabalho que as variáveis citadas influenciam diretamente no processo de injeção. Através da técnica de planejamento de experimentos pode-se precisar com um grande grau de confiabilidade as variáveis que mais influenciam. Não podemos deixar de comentar também que o processo de injeção possui outros fatores que podem influenciar, mas, os mesmos, serão considerados, através da experiência da equipe de trabalho constante (sem interferência).

Por isso, a utilização da técnica de planejamento de experimentos é fundamental para que se possa definir, com certo grau de confiabilidade, os reais fatores as serem trabalhados para otimização de recursos financeiros e do processo em si de injeção.

REFERêNCIAS BIBLIOGRáFICAS (PARTE I)

ABS. Terluran (ABS). Disponível em: <http://www.basf.com.br>. Acesso em: 25 abr. 2008.

HARADA, Júlio. Moldes para Injeção de Termoplásticos - Projetos e Princípios Básicos. São Paulo: Artliber, 2004. 308 p.

INJETORAS. INJETORAS HORIZONTAIS. Disponível em: <http://www.engel.com>. Acesso em: 25 abr. 2008.

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