injeçao de termoplastico

Moldagem por injeção é um processo de alta produção com materiais

termoplásticos. As fibras picadas e a resina são misturadas numa câmara de aquecimento, onde a resina é amolece. A massa amolecida é então injetada na cavidade do molde, que é mantida a uma temperatura inferior á de amolecimento. A peça então é solidificada. (BLASS, 1988, p. 136)

      

Para Blass (1988), o processo de injeção é uma adaptação da

conformação sofrida pelos metais leves, já que o material plástico fica sob pressão e é forçado a passar por uma cavidade menor. No caso da injeção, a resina entra no canhão de injetora na forma sólida, e sai no formato da peça após passar pelo estado seu estado fundido.

Os avanços tecnológicos se sucedem de forma surpreendente. Porém, os princípios básicos desse método de fabricação devem ser entendidos e sedimentados por todo aquele que deseja acompanhar essa avançada tecnologia. Existem diversas técnicas envolvendo o processo de injeção: a injeção convencional propriamente dita; a injeção a gás; a injeção com água; a microinjeção e nanoinjeção; a injeção por câmara quente, que será terá maior destaque no decorrer deste trabalho; entre outras. (MANRICH, 2005).

Basicamente, o processo de injeção se sucede da seguinte forma: o material é amolecido pelo calor gerado por resistências elétricas e atrito e, sob alta pressão especifica, é injetado numa cavidade relativamente fria do molde onde o material plástico se solidifica dando forma ao produto

Ciclo de injeção.

 A injeção é um processo intermitente, seguindo um ciclo conhecido como "ciclo de injeção".

Esse ciclo pode possuir eventos que acontecem ao mesmo tempo e eventos que só ocorrem após terminar o antecedente. Podemos dizer que existe um ciclo com ocorrências sequenciais da rosca recíproca e um ciclo com eventos sequenciais do molde. No entanto, os ciclos da rosca e do molde são interdependentes. (MANRICH, 2005).

ciclo da rosca recíproca.

Homogeneização: A rosca da injetora atua como um parafuso sem-fim com movimento constante transportando e fundindo o material plástico (geralmente em forma de grãos). Enquanto a rosca gira, ela se locomove para trás, realizando a dosagem do material fundido que aguarda, o desbloqueio do bico injetor. (MANRICH, 2005).

Dosagem: Mesmo com a quantidade necessária homogeneizada pronta para ser injetada, pode haver um tempo de espera (para acabar o ciclo do molde). Quando o molde está com sua cavidade vazia e novamente fechado, a rosca atua como um pistão, movimentando-se para frente e empurrando somente o material fundido para dentro da cavidade do molde. A rosca recebe o nome de “rosca recíproca” pelo fato de atuar ora como rosca sem-fim, ora como pistão. (MANRICH, 2005).

Recalque: Após a injeção do material para dentro do molde, a rosca continua exercendo pressão sobre o material. Analisando o tempo em função da pressão de recalque, pode-se observar que as peças produzidas sob alta pressão de recalque em curto tempo apresentaram menor nível de tensão do que as produzidas com pressões baixas e

tempo longo. (HARADA, 2004).

Retorno: Após o recalque o ciclo recomeça. A rosca gira em direção ao funil realizando novamente os passos acima descritos.

ciclo do molde.

Preenchimento: Com o molde fechado, o polímero entra na cavidade através de canais iniciando o processo de resfriamento do fundido. Após a cavidade ser totalmente preenchida, a pressão de recalque atua sobre o molde. (MANRICH, 2005).

Resfriamento: Após a pressão de recalque terminar seu trabalho, o molde se mantém fechado para finalizar o resfriamento da peça. O resfriamento é o momento que demanda maior tempo dentro dum ciclo de injeção. (MANRICH, 2005).

Ejeção: Quando o moldado atinge a temperatura necessária o molde se abre e a peça é ejetada. (MANRICH, 2005).

Parâmetros de injeção.Resfriamento

O polímero entra quente na cavidade e deve estar em temperatura segura no momento da extração para que não haja danificações no produto final. 
Como podemos observar na “figura 1”, o resfriamento toma a maior parte do tempo do ciclo de injeção. Na injeção convencional (canal frio) o material resfriado nos canais de alimentação, geralmente, leva mais tempo que a própria peça para ser resfriado e solidificado, pois sua massa é relevante, principalmente em moldes de múltiplas cavidades. Portanto, um bom dimensionamento dos canais pode trazer grandes benefícios.

Para Harada (2004), na confecção da refrigeração no projeto do molde são considerados alguns aspectos da peça, resina e máquina, tais como: peso da peça, ciclo de moldagem, número de cavidades, força de fechamento, pressão de injeção, capacidade da injetora, abertura do molde, alimentação, entre outros. A fim de definir qual a melhor maneira de distribuição de cavidades e tipo de entrada a ser utilizada.

Resfriamento diferencial.

É quando há um resfriamento não uniforme da peça, resultando em não conformidades na peça como encolhimento diferencial e empenamento. Um dos grandes problemas que podemos citar é pelo fato de que a temperatura do fundido na entrada do bico de injeção é muito maior que as demais partes do molde, ocorrendo assim um resfriamento diferencial da peça.

Segundo Manrich (2005) esse diferencial dá-se pelo diferencial de densidades e significativamente, a habilidade das diferentes áreas do molde em remover calor irá variar devido a diferentes espessuras do metal e distâncias das faces da cavidade até os canais de refrigeração.

Temperatura do molde.

Para se obter peças com superfícies mais lisas e brilhantes, além de mínima marca de emenda e de fluxo de material o molde deve ser submetido a altas temperaturas. Porém, nessas condições o comportamento do plástico resulta em ciclos maiores para que ele possa ser retirado do molde. O contrário ocorre quando o molde não está aquecido o suficiente, inclusive resulta na quebra na peça no momento da extração, pois o resfriamento repentino da massa plástica gera tensões na peça. (HARADA, 2004)

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 desejada. (HARADA, 2004)

O ajuste da temperatura é muito especifica de cada processo, variando conforme dimensões do injetado, espessura da parede e resina.

Pressão de recalque.

Esse parâmetro depende do tipo de resina, da máquina, temperatura de plastificação, dimensões do molde, tamanho do gate, entre outros.

Harada (2004) sugere que a obtenção de ciclos mais rápidos, a combinação altas pressões e temperaturas reduzidas no cilindro, sendo as variações gradativas.Pressões de recalque muito altas podem ser responsáveis por rebarbas nas peças, enquanto se elas forem abaixo do necessário causam danos no bico de injeção e falhas na peça moldada. 
A pressão de injeção deve ser alta para o preenchimento da cavidade e reduzida no momento do recalque, evitando que o material volte para o canal. (HARADA, 2004).

Contrapressão.

Contrapressão é a força exercida pelo material retido na zona de dosagem empurrando a rosca para trás. A rosca deve exercer força equivalente. Um controle eficiente da contrapressão melhora as qualidades de homogeneização e plastificação do material plástico. (HARADA, 2004).

Velocidade de injeção.

Velocidade de injeção é a velocidade com que a massa é enviada para dentro do molde durante a fase de preenchimento a especificação e a regulagem da velocidade de injeção é feita tendo como base o movimento do pistão da injetora, cujo diâmetro não varia. (MANRICH, 2005)

Segundo Harada (2004), altas velocidades favorecem a redução de tensões internas e a obtenção de ciclos mais curtos, mas uma velocidade muito alta pode causar esguichamento, queima ou delaminação na entrada da cavidade. Se for diminuída a velocidade de injeção, há um aumento a troca de calor causando congelamento em seções finas do molde.

Entradas ou bicos mal dimensionados (muito pequenos, por exemplo),impõem um limite no ritmo da injeção podendo causar estrangulamento excessivo e até mesmo queima e degradação do material injetado. Peças de espessuras maiores exigem uma injeção mais lenta para evitar marcas de fluxo e outros defeitos superficiais Essa velocidade de injeção menor pode ser obtida diminuindo-se a temperatura do material. Uma temperatura mais baixa combinada com uma melhor homogeneização permite um resfriamento mais rápido da peça no molde. Portanto, as máquinas de rosca criam ciclos menores quando injetam peças de paredes grossas.

(HARADA, 2004).

Força de fechamento.

A área projetada total da peça determina a força de fechamento necessária para manter o molde fechado durante a injeção. O fechamento de uma injetora deve ser sempre superior à máxima pressão de processo.

Tempo de recalque.

Segundo MANRICH (2005), quando há um aumento no tempo de recalque, mais massa é injetada para dentro do molde, gerando um moldado menos contraído. Depois de um determinado tempo, o efeito do tempo de compensação deixa de existir, pois a massa nos canais de injeção se congela.

Na Figura 2 é mostrado o efeito do tempo de recalque sobre a contração de uma peça.

   

        

É possível observar que em um determinado ponto da cavidade, a pressão cai de forma diferenciada. Isso é resultado do envio de mais massa para os tempos de aplicação de recalque maiores. Esses diferentes tempos no recalque impõem diferentes propriedades ao produto final.

A orientação molecular é sensível a todas as variáveis do processo

Pressão de injeção

De acordo com Manrich (2005), a pressão de injeção na fase de preenchimento depende fundamentalmente da viscosidade (v) do material e da geometria por onde flui a massa fundida onde esta varia de maneira ampla conforme o tipo de molde ou de máquina.

Em geral, deve-se procurar o uso do mínimo de pressão, para a obtenção de artigos moldados, livres de defeitos internos e superficiais. Um excesso de pressão provoca, em geral, escape de material pelas juntas e desgaste prematuro do molde. (FATOR, APOSTILA, 2002).

Se o valor utilizado na pressão for menor que o adequado, o material a ser injetado não atingirá todos os pontos do molde, ou em caso de valores superiores ao correto, pode haver rebarba no produto.

A pressão de injeção pode ser dada pela seguinte fórmula:

 



Onde:

Ph = pressão hidráulica da linha (kgf/cm²);

D = diâmetro do cilindro hidráulico (cm);

d = diâmetro do cilindro de injeção (cm).

O nível de pressão requerido para encher o molde vem determinado pela interação entre a viscosidade do fundido e a geometria do molde. A primeira é determinada por parâmetros do polímero, tais como peso molecular e sua distribuição, e por variáveis do processo, como temperatura e velocidade de injeção. A segunda depende do comprimento de fluxo na cavidade, espessura, dimensões das entradas e canais de alimentação, entre outros.

Também é de suma importância a velocidade com que essa pressão pode ser aplicada. Nas câmaras quentes, dependendo do modelo, têm-se válvulas de controle de pressão para regular a velocidade do êmbolo de injeção.

Tempo de injeção.

Harada (2004) diz que o 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 perceber que, durante 
a injeção, a velocidade inicial diminui drasticamente à medida que chega na posição pré-determinada na regulagem da máquina.

Geralmente, a velocidade inicial é de cerca de 3 cm/s, caindo para 0,l cm/s quando as cavidades estiverem cheias, sendo que, posteriormente, 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 avanço será gradualmente mais lento até que 
a entrada da cavidade esfrie e fique sólida.

Descompressão.

Descompressão é utilizada para evitar que o material dosado e plastificado para o próximo ciclo fique sob pressão, vazando pelo bico injetor da máquina, ou seja, fazendo um pequeno recuo da rosca. (HARADA, 2004

Contrapressão.

 Segundo Harada (2004), contrapressão é a força que a rosca deve

vencer para retroceder para alimentar o material plástico no próximo ciclo quando está dosando o material. Só há contrapressão quando existir material no funil alimentador da máquina que é o responsável pela função de empurrar o êmbolo do cilindro hidráulico para trás. O controle da contrapressão melhora as qualidades de homogeneização e plastificação do material plástico

Contração.

Conforme Manrich (2005), contração é a diferença entre as dimensões da peça injetada, após alcançar o equilíbrio térmico em temperatura ambiente, e da cavidade do molde.

Essa propriedade é característica dos materiais plásticos, pois ao serem resfriados e extraídos eles resultam num produto final menor que o molde. Assim, o projeto do molde deve considerar também o quanto material irá contrair após o resfriamento da peça.

Temperatura do molde.

Segundo Manrich (2005), ao se aumentar a temperatura do molde,

ocorre diminuição da taxa ou velocidade de injeção. Isso sem que o polímero se torne muito frio, fazendo com que o mesmo sua capacidade de escoar.

A temperatura do molde também é utilizada largamente para controlar a cinética de cristalização, no caso dos polímeros semicristalinos. O encolhimento, como já mencionado, também altera com a alteração da temperatura do molde.

Efeitos dos parâmetros no processo de injeção irregulares.

Muitos são os defeitos revelados no produto final decorrentes de  parâmetros de injeção desregulados ou inadequados.

Veremos aqui algumas das principais falhas vistas do dia-a-dia fabril.

Empenamento.

Segundo (MANRICH, 2005), o empenamento resulta das tensões residuais desiguais do moldado, sendo que o problema se acentua quando são altas o suficiente para deformar ou distorcer a peça acima dos limites permissíveis. É conseqüência de diversas ocorrências, podendo ser causado por contração diferencial, isto é, se uma parte do moldado encolher mais do que outra.

O empenamento também ocorre se, mesmo as peças tendo espessuras uniformes, o projeto dos canais de refrigeração for inadequado, causando resfriamento antecipado em uma das partes do moldado. Muitas vezes a geometria da peça não permite um resfriamento uniforme. É o caso de peças com determinadas reentrâncias, onde fica difícil colocar fluido circulante naquela região.

Em (a) ocorre um resfriamento diferencial causando empenamento. O encurvamento se dá na direção da região menos resfriada, pois é onde encolhe por último, repuxando a primeira região escolhida. Em (b) o mesmo ocorre com cantoneiras, onde o encolhimento diferencial, proveniente de resfriamento diferencial, gera empenamento.
Em (c) orientação maior em um sentido do fluxo do que em outro, gera tensões localizadas.

Em (d) encolhimento menor na região do ponto de injeção devido ao maior empacotamento do que na região mais distante, final do fluxo. Isso gera encolhimento diferencial, que gera tensões no sentido longitudinal e resulta em empenamento da peça.

Chupagem e vazios internos.

Ambos os defeitos são caracterizados pela falta de material na cavidade. Isso ocorre em produtos que apresentem variação local de espessura da parede, onde a contração final da região central puxará a superfície da peça para dentro ou formará vazios internos, caso a superfície já esteja suficientemente sólida.

Sobre empacotamento.

No processo de injeção, o material fundido irá sempre preencher a parte mais fácil do molde e então continuará a empacotar esta área até que todas as outras estejam preenchidas. Segundo Harada (2005), o mecanismo pelo qual gere tantas tensões internas no material fundido pode ser explicado considerando-se uma combinação de efeitos. No instante em que o molde está cheio, há inevitavelmente uma zona tradicional de material altamente orientado logo abaixo da superfície solidificada. Durante o sobre empacotamento, o polímero continuará a fluir a uma velocidade cada vez menor. A espessura da camada superficial sólida irá, portanto, aumentar constantemente, enquanto o fluxo ainda está ocorrendo e,então, conforme cada nova camada de material sólido é formada, haverá a combinação simultânea de fluxo e resfriamento, que resultará num aumento da orientação molecular retida. Enquanto isso, outras áreas de menor empacotamento terão menores níveis de orientação e contração, estabelecendo-se um gradiente na peça que levará a uma situação global de tensões, resultando usualmente em empenamento.

Tensões internas.

Segundo Harada (2005), a causa das tensões internas presentes nas peças plásticas é resultado da combinação de fluxo e resfriamento simultâneos do polímero no preenchimento da(s) cavidade(s), o que ocorre durante a fase de recalque ou compensação.

É interessante citar que, mesmo se o fluxo for na direção contrária, ou seja, saindo da cavidade, haverá formação de tensões internas.

Esse fluxo de retorno ocorre quando se retira a pressão de recalque antes que a entrada de injeção esteja sólida. O material flui então da cavidade de volta para os canais de injeção. Assim, a situação ideal de moldagem é preencher o molde, elevar a pressão até o nível desejado, manter esta pressão o mínimo tempo possível para reduzir as marcas de chupagem a um nível aceitável, e ter então a entrada de injeção solidificada para evitar fluxo de polímero entrando ou saindo da cavidada.

Sistema de alimentação.

     

As cavidades recebem o polímero que sai do canhão da injetora e, passando pelos canais de injeção e distribuição, preenche a cavidade. Esses canais devem ser muito bem dimensionados para que o polímero percorra seu caminho sem ser danificado (degradação por cisalhamento) e com a maior facilidade possível.

O polímero passa pelo canal de injeção, que pode estar ligado  diretamente à cavidade (injeção direta, existindo somente a bucha ou canal de injeção) ou ramificar-se num sistema de alimentadores e distribuidores. A entrada do polímero na cavidade é feita no(s) ponto(s) de injeção ou de ataque. (MANRICH, p. 371, 2005)

Canais muito finos sugerem altas pressões de injeção e demoram mais para preencher a cavidade; canais maiores permitem melhor acabamento no moldado e reduzem linhas de emenda e tensões internas. Porém, canais excessivamente grandes levam aos seguintes problemas: Maior demora na solidificação, levando ao aumento no ciclo; peso do canal maior e capacidade útil da maquina reduzida; moldes de duas placas com, por exemplo, oito cavidades, a área projetada aumenta significativamente, reduzindo a força de fechamento efetiva; canais largos produzem rebarbas. As desvantagens descritas anteriormente não se aplicam a moldes com câmara quente.

Os canais de forma circular são os mais recomendados por oferecer menor superfície de contado entre molde e polímero. Em moldes convencionais, a camada de plástico em contato com o molde solidifica-se rapidamente e o material continua a fluir apenas pelo núcleo com maior dificuldade.

Ponto de injeção.

O ponto de injeção é um orifício que liga os galhos de distribuição à cavidade do molde. Quanto mais fino for essa entrada, menor será o vestígio deixado na peça acabada. (MANRICH, 2005)

O cisalhamento é maior no ponto de injeção. O polímero fundido pode perder mais calor para o molde do que o gerado por atrito, e no ponto de injeção o cisalhamento cresce significativamente fazendo com que a viscosidade do material seja bastante elevada. (MANRICH, 2005)

O tipo e a localização do ponto de injeção são determinados pelo tamanho, forma, tipo de polímero. HARADA (2004) diz que a entrada de material deve ser localizada preferivelmente na seção mais espessa da peça, para evitar “chupados” no produto.

Quando os canais são muito longos, há a necessidade de aumentar a pressão de injeção e/ou o diâmetro dos canais, pois o material pode congelar no percurso causando entupimento ou falha no preenchimento da peça. Este problema já não acontece em moldes com canais quentes, pois o calor gerado pelas resistências impede que o material se solidifique nas paredes do canal.

O balanceamento dos canais deve ser preciso para que não haja problemas como sobre-empacotamento, falha na injeção e excesso de pressão de injeção necessária.

Principais tipos de entrada.

Submarino

Pode ser lateral ou central. Evita jato direto na peça quando posto de forma lateral e reduz o cisalhamento quando injetado na superfície da peça

Capilar ou restrita

Entrada ótima para materiais de difícil degradação (PP, PS, PE, etc.).Galho e peça se separam facilmente, pois a entrada é mínima. (MANRICH,2005)

Leque

O material entra na peça ao longo de uma fresta larga e fina. Indicadopara peças com grande área e parede fina.

fote:MANRICH, S. Processamento de termoplásticos