CASO 7: desenvolvimento e fabrico de um molde para caracterização mecânica de materiais (ensaios

O desenvolvimento dos sectores da indústria automóvel e da indústria aeronáutica/aeroespacial tem sido acompanhado po desenvolvimentos na área dos materiais, nomeadamente: materiais com boas propriedades mecânicas; baixo custo; facilidade de processamento; baixa densidade; reciclagem. Deste modo. Foi projectado e fabricado um molde de injecção de canais frios para o fabrico de provetes.

i) Desenvolvimento e fabrico de molde de injecção

Foi projectado e fabricado um molde de injecção convencional ou de canais frios para fabrico de provetes. Neste projecto foram consideradas as características da máquina de injecção, nomeadamente a força de fecho, a distância entre colunas, a abertura do molde e a capacidade de injecção. Foi, também, tido em atenção a disposição das cavidades, de modo a obter canais de distribuição curtos, uma força de impulsão equilibrada e um molde mais compacto. No dimensionamento dos canais foram considerados os seguintes aspectos: o material plástico deve entrar rapidamente dentro de cada cavidade pelo percurso mais curto e com o mínimo de perdas de calor e de pressão; o material deve entrar nas cavidades ao mesmo tempo, à mesma pressão e temperatura; a secção transversal dos canais deverá ser suficiente, de modo a garantir um bom enchimento. Canais muito longos aumentam o tempo de refrigeração e, consequentemente, o ciclo de moldação. O desenho de conjunto do molde deve representar, de um modo claro, o seu funcionamento, a interacção dos vários componentes, as dimensões dos mesmos, bem como a relação com a máquina de injecção onde vai trabalhar. Este desenho deve ter pelo menos duas plantas e dois cortes, uma legenda e uma lista de materiais (Figura 2.30). O molde foi desenhado em Pro Engineer. A estrutura em aço de construção foi fornecida com guias e casquilhos e furação para anel de centragem. A mesma é constituída por um conjunto de chapas montadas umas sobre as outras, rigidamente ligadas por meio de parafusos e cavilhas. A estrutura deve ser suficientemente resistente de modo a suportar os esforços originados pela pressão de injecção e força de fecho da máquina de injecção. A chapa da cavidade foi fornecida galgada e rectificada com arestas quebradas. Nesta placa foram realizadas as seguintes furações laterais: execução por mandriladora de furações para olhais e furação para barra de transporte e execução por mandriladora de furação para sistema de refrigeração. As furações verticais foram as seguintes: furações para a fixação à chapa de aperto, furo para injector (∅ 12,0 H7) feito numa pontedora Hauser. A chapa da bucha foi fornecida galgada e rectificada com as arestas quebradas. Nesta placa foram realizadas operações de fresagem, numa fresadora convencional, para abertura dos canais de alimentação e abertura da cavidade para o postiço. As cavidades e os ataques do postiço foram obtidos pelo processo de electroerosão. Os eléctrodos para obter a cavidade foram efectuados por electroerosão por fio. Foram efectuadas as seguintes furações laterais na chapa da bucha: execução por mandriladora de furações para olhais e furação para a barra de transporte; no postiço moldante, foram executados por mandriladora a furação para o sistema de refrigeração. As furações verticais no postiço foram as seguintes: furação para os extractores e furação de folga para os extractores e mandrilar furos de extractores para ∅ 4,0 H7 (9x); Na chupa da bucha furou-se e mandrilou-se os pernos de retorno para ∅ 10,0 H7 (4x).

O sistema de extracção depende do tipo de molde e deve permitir uma extracção firme e suave das peças. Este é constituído pelos seguintes elementos extractores: extractores, chapas dos extractores (posicionam os extractores e promovem o seu accionamento), botões de encosto, guias e casquilhos e pernos de retorno (promovem o recuo das chapas extractoras, garantindo que estas estão na posição correcta antes do início da injecção no ciclo seguinte). O número e o tipo de extractores foram seleccionados tendo em atenção o formato das peças e o tipo de material. Nas chapas extractoras foram executados furos para os extractores, furos para suportes e furos para os casquilhos das guias de extracção.

Os acessórios constituem um vasto conjunto de componentes, com várias furações que fazem parte do molde. Alguns destes componentes são de aplicação geral em construção mecânica, ao passo que outros são constituídos por elementos específicos de projecto de molde, tais como: guias, casquilhos, anel de centragem, injector, extractores, termopares, etc. A utilização de acessórios normalizados apresenta vantagens, nomeadamente na substituição, em caso de necessidade, a melhor qualidade e preço e uma melhor capacidade de resposta dos fabricantes.

Figura 2.30 Desenho de conjunto com duas plantas (extracção e injecção) e dois cortes (longitudinal e transversal) do molde.

ii) PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Uma máquina de injecção é basicamente constituída por quatro sistemas funcionais: o sistema de plasticização, o molde, o sistema de fecho e o sistema de potência. A obtenção de peças injectadas de boa qualidade envolve um trabalho de análise de um conjunto de variáveis associadas a máquina: a velocidade e pressão de injecção, o perfil de temperaturas no cilindro, a temperatura do molde e os tempos de pressurização e arrefecimento. A máquina de injecção utilizada é da marca EURO IN J Série D 80. As características da máquina são apresentadas na Tabela 2.10. Nos ensaios de moldação realizados na máquina de injecção foram considerados os valores obtidos nas análises de Moldflow Insight. O primeiro ensaio foi elaborado com polipropileno (PP) e o segundo foi com Politereftalato de etileno (PET).

Tabela 2.10 Características da máquina de injecção utilizada nos ensaios. EURO IN J Série D 80 Sistema de injecção Diâmetro do fuso [mm] Relação L/D Volume injecção [cm3] Peso injecção [g] Pressão [bar] 36 20 183 164 1722 Sistema de fecho

Força fecho max. [ton] Max curso abertura [mm] Esps. Molde min. [mm] Esps. Molde max. [mm] Abertura max.[mm]

Espaço entre colunas [mm] Diâmetro de colunas [mm] Max. Força extractor [ton] Max. Curso extractor [mm]

80 320 130 400 720 360x360 60 2.74 90

Figura 2.31 Representação a 3D da bucha e da cavidade do molde. Máquina de injecção EURO IN J Série D 80.

A obtenção de peças injectadas de boa qualidade envolve um trabalho de análise de um conjunto de variáveis associadas à máquina: a velocidade e pressão de injecção, o perfil de temperaturas no cilindro, a temperatura do molde e os tempos de pressurização e arrefecimento. A máquina de injecção utilizada é da marca EURO IN J Série D 80 (Figura 2.31). Os parâmetros utilizados no processamento destes materiais são apresentados na tabela 2.11.

Tabela 2.11 Parâmetros utilizados na máquina de injecção. PP PET Parâmetros de Processamento 225 225 Temperaturas Injecção [º C] 37 37 Molde [º C] 60 60 Injecção Pressão [bar] 105 210 Velocidade [%] 60 60 Carga [mm] 58 58 Pressurização Pressão [bar] 80 170 Velocidade [%] 40 40

Força de fecho [ton] 1,9 3,8

Material total a injectar [g] Tempo de ciclo de moldação [s]

71,3 114,53

35 35

Nas análises de Moldflow efectuadas começou por criar-se um modelo de CAD o qual foi posteriormente exportado em formato IGES. Foi gerada uma malha de elementos finitos do tipo Dual Domain (Figura 2.32). Foram realizadas as análises de simulação em Moldflow Insight onde foram analisados os parâmetros de processamento por injecção. Foi realizada uma primeira análise de injecção em condições isotérmicas de um fluído newtoniano que permitiu analisar a velocidade e o avanço do fuso. Em seguida, foi realizada uma optimização das condições do processo (Process Conditions

Optimization), obtendo-se um conjunto de valores indicativos para a selecção da máquina e condições de

processamento. No caso da disposição das peças não ser simétrica, pode-se optimizar o posicionamento do ponto de injecção de forma a balancear o enchimento das peças. Posteriormente foi realizada uma análise de forma a obter as condições de enchimento, condições de refrigeração e pressão de compactação do material. Os resultados obtidos permitiram optimizar a ferramenta de moldação, no que se refere à localização dos escapes de gases, temperaturas da frente do material fundido, velocidade de avanço do material, linhas de soldadura, eficiência dos canais de refrigeração, temperatura na interface metal/plástico, tempos e pressões de injecção, pressão de compactação, tempo de arrefecimento, taxas e tensões de corte.

Figura 2.32. Análise Moldflow Insight para o PET. Pormenor do tipo de malha utilizada; Gráfico da pressão no ponto de injecção; Gráfico da temperatura da frente do material fundido.

Pode-se observar a partir da Figura 2.32 que a pressão máxima (pressão de injecção) é de 20 MPa, diminuindo até um valor próximo dos 16 MPa (pressão de pressurização ou de compactação). Este estudo permite a previsão da distribuição da pressão máxima da injecção. É importante a uniformidade de pressões para impedir empenos e distorções nas peças injectadas. Esta análise permite também estimar o instante para proceder à abertura do molde e extracção da moldação. A temperatura da frente do material fundido (Figura 2.32) pode auxiliar na previsão da qualidade final da peça. É importante que esta temperatura seja o mais uniforme possível de forma a evitar empenos na peça a processar. Durante toda a fase de enchimento, o gradiente de temperatura do material da peça não ultrapassou os 3 °C, como se pode observar na figura acima, o que minimiza o risco do aparecimento de linhas de soldadura.

iii) CONCLUSÕES

A partir da análise em Moldflow Insight (Tabela 2.11) foi possível retirar as seguintes conclusões: o avanço do material é efectuado de uma forma balanceada; a pressão aumenta gradualmente, não existindo nenhuma variação brusca no final do enchimento; a distribuição de temperaturas ao longo da peça não apresenta variações significativas; a força de fecho aumenta gradualmente desde o inicio até ao fim da injecção; a força de fecho requerida encontra-se dentro dos parâmetros da máquina de injecção; as fugas de ar estão localizadas nos extremos das peças. Consequentemente, estas devem ser localizadas no plano da junta nos extremos das peças, evitando, deste modo, a degradação do material e o aparecimento de zonas de enchimento incompleto. O sistema de refrigeração está dimensionado de forma a permitir uma boa transferência de calor.

Tabela 2.11 Resultados da análise no Moldflow Insight.

Parâmetros de processamento Material

Generic PP Nippon Unipet 543C (PET)

Tempo de injecção[s] 6,04 5,02

Tempo de ciclo de moldação [s] 34,48 35,01

Pressão max. injecção [MPa] 10,43 20,01

Temperatura de processamento [º C] 225 225

Temperatura do molde [º C] 37 37