Moldagem por Extrusão
Sumário 1) Introdução
2) Equipamento 3) Processo
Polímero fundido
Polímeros cristalinos:
Existe uma alteração descontínua no volume específico à Tm. Polímeros amorfos:
Sem alteração descontinua na Tm.
Existe, no entanto, uma aumento da inclinação na Tg Polímeros semi-cristalinos:
Comportamento intermédio entre os dois anteriores.
amorfos
Liquido A Volume
específco
Reação ao calor
•Amolece ao longo de uma gama de temperaturas
As diversas estruturas dos polímeros
Linear
característico TP Linear ramificada
pode ocorrer em TP
Fracamente entrelaçada Elastomero
Fortemente entrelaçada Termofixos
Polímero fundido
Características dos polímeros
Índice de fluidez (IF), também conhecido por índice de fusão:
Define-se como sendo a quantidade em gramas de polímero, que flui durante dez minutos através de um orifício calibrado (diâ.=2.09 mm x L=8.0 mm), em condições de força e de temperatura definidas (2.160 Kg e 190ºC).
Quanto mais viscoso for o material no estado fundido,
Características dos polímeros
DensidadeEsta grandeza está relacionada com a estrutura dos polímeros e condiciona as propriedades das peças moldadas.
Indicação da taxa de cristalinidade, que influencia a dureza, a fragilidade, a elasticidade, a resistência ao choque e a resistência à fissuração, entre outros.
Quando a densidade aumenta, a dureza e a rigidez também aumentam. No entanto, a resistência ao impacto diminui.
Densidade e outras propriedades térmicas
* 60
1,05 PS
* 120
0,96 0,00034
0,5 HDPE
* 180
0,92 0,00034
0,5 LDPE
* 80
1,2 0,00012
0,48 Borracha
natural
* 100
2,2 0,00020
0,25 Teflon
* 100
1,16 Nylon
**
60 1,3
0,00016 0,4
Res. Fenólicas Polímeros
NA 2,66
Sílica
ND 9,0
3,8 0,029
0,18 Alumina
* 1,8-9,0
2,5 Vidros
Cerâmicas
1083 17
8,97 0,40
0,092 Cobre
660 24
2,70 0,22
0,21 Alumínio
* 12
7,87 0,072
0,11 Aço
Metais
Ponto de Fusão (oC) Coef. Expansão térmica,
α(oC-1x 10-6) ρ
(g/cm3) Cond.
Térmica (J/s mmoC) Calor
específico (Cal/g oC) Material
Propriedades para processamento de Polímeros fundidos Para conformar um polímero termoplástico ele deve ser aquecido de forma a amolecer até atingir uma consistência líquida.
Nesta forma, ele á chamado de polímero fundido.
Propriedades importante dos polímeros fundidos:
Viscosidade Viscoelasticidade
Viscosidade de Polímeros fundidos
Viscosidade (Def.): Propriedade do fluido que relaciona tensão de cisalhamento sofrida durante o escoamento do fluido à taxa de cisalhamento.
De forma geral: resistência ao escoamento caracterítico de um fluido.
Seria a medida do atrito interno que aumenta quando gradientes de velocidade são impostos ao fluido – quanto mais viscoso for o fluido, maior será o atrito interno e maior será a resistência o escoamento.
Viscosidade de Polímeros fundidos
A visocisdade pode ser melhor definida usando a figura abaixo
A força F pode ser reduzida a uma tensão, dividindo-a pela área A:
A tensão de cisalhamento está relaicionada a uma taxa de cisalhamento, definida como a variação na velocidade dv em relação a distância dy
F
A
=F τ
dy
=dv γ&
Viscosidade de Polímeros fundidos
A viscosidade decorrente do cisalhamento é a propriedade do fluido que define a relação entre F/A e dv/dy; que é,
ou
onde η = uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de viscosidade, Pa-s
Para Fluido Newtoniano (exemplos: óleo, água), a viscosidade é constante à uma dada Temperatura
Para fluido não-Newtoniano, ela varia dy
dv A
F =η
γ η
τ = &
Viscosidade de Polímeros fundidos
Maioria dos processos de conformação de polímeros envolve escoamento através de canais pequenos ou matrizes
Taxas de escoamento são geralmente altas, levando a altas taxas de cisalhamento e altas tensões de cisalhamento, portanto pressões significativas são necessárias para realizar o processo
Viscosidade e Taxa de Cisalhamento
⋅•
=η γ τ
Pseudo plástico
Viscosidade de um polímero fundido diminui com a taxa de cisalhamento, assim o fluido torna-se menos viscoso com altas taxas de Fluido Newtoniano
Viscosidade é uma constante a uma dada temperatura, ela não muda com a taxa de cisalhamento
(1)
Viscosidade e Temperatura
A Viscosidade decresce com a temperatura, assim o fluido torna-se menos viscoso a altas temperaturas
Figura: Viscosidade como função da temperatura para polímeros selecionados a taxas de cisalhamento de 103s-1.
Obs.: essa taxa de cisalhamento equivale àquelas encontradas em operações de moldagem por injeção e extrusão em alta velocidade.
Viscoelasticidade
Definição: é a propriedade de um material que determina a deformação que ele sofre quando submetido a combinações de tensão e temperatura ao longo do tempo. Propriedade pertencente ao polímero sólido e ao fundido.
(a) Resposta perfeitamente elástica do material à tensão aplicada ao longo do tempo e (b) reposta de um material viscoelastico sob a mesma condição. O material em (b) sofre uma deformação que é função do tempo e da temperatura.
Um modelo simples de viscoelasticidade (pode ser aproximado através da lei de Hooke:
σ= E (ε).
No caso de um sólido viscoelástico, a relação entre tensão e deformação é dependente do tempo e será expressa assim:
σ(t)= f(t)ε.
A função tempo pode ser conceitualizada como o módulo de elasticidade que depende do tempo.
Poderia-se escrever E(t) e se referi como o módulo de viscoelasticidade.
Viscoelasticidade
Módulo de viscoelasticidade como função da temperatura para polímero termoplástico.
Tg Tm
Comportamento Elástico
Módulo de viscoelasticidae
Temperatura
Comportamento Viscoelástico
Comportamento Borrachoso Escoamento viscoso
Viscoelasticidade
Exemplo: expansão na matriz durante a extrusão, na qual o polímero quente expande quando passa pela abertura da matriz. Esse efeito seria uma manifestação de memória de forma do polímero. Para minizar esse efeito aumenta-se o comprimento da estricção na matriz
Escoamento do polímero
Matriz
Extrudado
Moldagem por Extrusão
Definição geral:Extrusão: é a produção contínua de um artigo semi- acabado, tubos ou filmes/folhas a partir de material polimérico (resina plástica)
Moldagem por Extrusão
Definição Espec.:Processo de compressão no qual o material é forçado a escoar através do orifício de uma matriz para formar uma peça contínua e longa cuja a forma da seção transversal é determinada pela forma do orifício
Amplamente usado para termoplásticos e elastomeros para produção em massa de itens tais como tubos, canos, mangueiras, formas estruturais, filmes e folhas, fibras contínuas e encapamento de fios elétricos
Realizado como processo contínuo; o extrudado é cortado em comprimentos pré determinados
Moldagem por Extrusão
Sistema de extrusãoé composto por
Extrusora,
Molde/matriz,
Equipamento de calibração/resfriamento Puxador
equipamento de corte.
Extrusão e Molde
Extrusora
É a unidade mestre de um sistema de extrusão o qual deve suprir um fundido homogêneo ao molde na quantidade, temperatura e pressão necessária.
Extrusão e Molde
Partes da Extrusora (FIGURA)
Base da máquina,
Acionamento (motor, caixa de engrenagens, eixos de transmissão)
Unidade de plastificação (rosca(s), cilindro, sistema de controle de temperatura);
Unidade de controle (lógica de controle, equipamentos de controle, suprimento de energia)
Cilindro da extrusora
Diâmetro interno na faixa de 25 a 150 mm (1.0 a 6.0 pol.)
Razão L/Dgeralmente em torno de 10 e 30: razão mais alta para termoplásticos, mais baixa para elastomeros.
Alimentação feita por gravidade para o interior da rosca cuja rotação transporta o material através do cilindro
Aquecedores elétricos fundem a massa polimérica; misturam e trabalho mecânico adiciona calor o qual mantem o fundido
Extrusão e Molde
Extrusão e Molde
Atualmente, 4 tipos de extrusoras são aplicados para a maioria das peças extrudadas:
•Extrusoras monoroscas com zona de alimentação e rosca com três zonas;
•Extrusoras monoroscas com zona de alimentação ranhurada e rosca com seções de mistura e possivelmente de cisalhamento;
Extrusão e Molde
Detalhes da rosca da extrusora
Extrusão e Molde
Detalhes da rosca da extrusora no interior do cilindro
ROSCA CILINDRO
Passo p
Direção do escoamento do fundido
Canal Filete
Extrusão e Molde
Detalhes da rosca da extrusora
Roscas: canal ranhurado
Curva de Pressão e comportamento da passagem através/contrapressão da matriz para uma extrusora com zona de alimentação ranhurada
Extrusoras monoroscas com zona de alimentação ranhurada e rosca com seções de mistura e possivelmente de cisalhamento
Extrusão e Molde
Dois tipos:
Co-rotativas:
Maior cisalhamento
Forças de arraste similar às encontradas nas extrusoras com monorosca
Extrusão e Molde
Contra-rotativas: Mais utilizadas para extrusão de PVC rígido na forma de perfis ou tubos.
Material é transportado desde início em câmara fechada (em forma de C) sem contato com a câmara vizinha.
Forças de arraste não são necessárias para o transporte, por isso há mínima perda de calor dissipado por indução
Extrusão e Molde
Extrusão e Molde
Parafusos
As mudanças observadas na geometria ao longo do comprimento servem para satisfazer as múltiplas exigências: alimentação, transporte, plastificação dosagem e homogeneização. (Figura com as roscas com três zonas)
Extrusão e Molde Parafusos
Zona de alimentação: recebe os pelletsdo funil (por gravidade) e os transporta Zona de compressão: comprime o material transportado da zona de alimentação e o plastifica
Zona de dosagem: aqui ocorre a homogeneização do fundido e a elevação da temperatura até o ponto desejado. Em extrusoras convencionais, a pressão é desenvolvida nessa seção da rosca ao mesmo tempo. Ela também determina a saída (“output”) em tais sistemas de extrusão.
Classificação dos Parafusos
Pode-se classificar as roscas através da razão de compressão, a qual é definido como razão entre a profundidade do canal na zona de dosagem (h2) em relação ao da profundidade da zona de alimentação (h1).
Para garantir o preenchimento da rosca, a razão de compressão deve corresponder a pelo menos a razão entre a densidade do substrato na zona de alimentação em relação a densidade do fundido na zona de dosagem.
A rosca de dois estágios (liberação de gases): zona de descompressão para liberação de gases e retenção da resina
Extrusão e Molde
Extrusão e Molde
Fundido pode aderir à parede do cilindro
Extrusão e Molde
Extrusão e Molde
A variação de pressão ao longo do comprimento da rosca é diretamente dependente, dentre outras coisas, da contrapressão na matriz assim como da geometria da rosca (Figura)
Na zona de dosagem, o escoamento de arraste e a contrapressão de escoamento são sobrepostas (Figura). Devido a resistência da matriz, este conceito de extrusora apresenta uma contra pressão de escoamento oposta ao escoamento de arraste e assim com o aumento da profundidade do canal, uma maior influência da pressão de escoamento sobre a redução da saída total.
Roscas rasas tem menor dependência da contrapressão
Extrusão
Aplicações Específicas das Roscas
A rosca com zona de compressão + curta (+rápida), onde a profundidade do canal na zona de alimentação decresce (canal mais profundo) para a região mais rasa, (razão da zona de dosagem passando por essa região curta de compressão) tem sido usada com sucesso para termoplásticos cristalinos.
Zona de compressão mais
curta
Extrusão
Aplicações Específicas das Roscas
PVC - rosca com seção constante onde o diâmetro da alma da rosca aumenta uniformemente ao longo de todo comprimento.
Extrusão
Aplicações Específicas das Roscas
Aspectos sobre as extrusoras e roscas a serem considerados tecnicamente satisfatórios :
- Fusão homogênea tanto em termos de temperatura quanto de composição
- Operação dentro de limites térmicos, mecânicos e químicos que não provoquem a degradação do material - Diâmetro - D-19 mm (Laboratórios) até 300 mm (especial)
- Comprimento - 6D transporte de material previamente fundido até 25D para processamento de elastomeros - Pode-se encontrar com até 30D no mercado.
Polímero extrudado “recupera" sua forma inicial em uma seção transversal maior do extrudador, tenta retornar a ela após deixar o orifício da matriz
Figura Expansão na matriz (“die swell”), uma manifestação de viscoelasticidade no polímero fundido, como mostrado aqui na
saída da matriz de extrsão.
Extrusão- Expansão na matriz
Extrusão _ exemplos de Matrizes
Figure 13.8 (a) Side view cross-section of an extrusion die for solid regular shapes, such as round stock; (b) front view of die, with profile of extrudate. Die swell is evident in both views.
Extrusão _ exemplos de Matrizes
Figure 13.10 Side view cross-section of extrusion die for shaping hollow cross-sections such as tubes and pipes; Section A-A is a front view cross-section showing how the mandrel is held in place; Section B-B shows the tubular cross-section just prior to exiting the die; die swell causes an enlargement of the diameter.
Extrusão _ exemplos de Matrizes
Figure 13.11 Side view cross-section of die for coating of electrical wire by extrusion.
Moldagem por sopro
Processo de moldagem no qual o ar pressurizado é usado para inflar plástico no estado fundido mno interior de uma cavidade
Importante na fabricação de peças ocas de plástico com paredes finas, tais como garrafas
Os produtos fabricados por esse processo recebem aplicação em larga escala
O processo Moldagem por sopro O processo ocorre em duas etapas:
1)Fabricalção do extrudado, denominado de parison
2) Inflar o parison a té adquirir sua forma final A formação do parison pode se dar tanto através da
extrusão como da moldagem por injeção
Figure 13.30 Moldagem por sopro com extrusão: (1) extrusão do parison;
(2) parison é “pinçado” por um molde bipartido e hermeticamente fechado com um bico de ar acoplado; (3) o tubo então infla o ar e expande o polimero até que ele se conforme com a cavidade do molde; e (4) molde é aberto e a peça solidificada é removida.
Moldagem por sopro com Extrusão
Materiais e produtos moldados por sopro
A moldagem por sopro se limita aos termoplásticosMateriais: HDPE, polipropileno (PP), polivinilcloridrico (PVC), e polietileno teraftalato
Produtos: recipientes descartáveis para bebidas e outros liquidos consumíveis, grandes recipiente (bombonas) para líquidos ou pós (55 galões), Tanques para armazenagem (2000 galões), tanques de gasolina, brinquedo, e cascos para pequenas embarcações
Moldagem por sopro com Injeção
Figura 13.32 Moldagem por sopro com Injeção: (1)peça é injetada no interior da cavidade de um molde; (2) a peça é retirada e transferido para o molde onde será soprada; (3) a peça recebe sopro com ar quente para amolecer o polímero e expandir até se conformar com a parede do molde; e (4) O molde é aberto e a peça pronta é removida
Extrusão - Aplicações
Produção de Filmes com sopro – “saquinho plástico”
Filme: extrusion co-blow
Extrusão - Aplicações
Produção de Filmes com sopro – “Garrafas”
Filme: blow
Extrusão - Aplicações
Extrusão - Aplicações
Máquina de Extrusão com moldagem com sopro
Extrusão - Aplicações
Molde para Extrusão com moldagem com sopro
Extrusão
Calandragem
Extrusão – Análise do processo
Extrusora monorosca
Taxa de escoamento volumétrica (Qx):
Qx = Qd – Qb - QL
Desprezando o escoamento por vazamento QL, temos Qx = Qd– Qb
(MODELO - Figura)
Legenda D diâmetro ϕângulo de hélice h profundidade do canal n rotação do parafuso W largura do canal e largura do filete δfolga radial
Qdvolume do escoamento de arraste (d –drag flow) Qbcontra-pressão de escoamento (b –back pressure) QLpressão de vazamento
π. D . tgϕ e
Qd
Qb
QL
D h
δ
Direção do transporte
W = πD senϕ ϕ
n
Extrusão – Análise do processo
Extrusora monorosca
Taxa de escoamento volumétrica (Qx):
Qx= Qd– Qb- QL
Desprezando o escoamento por vazamento GL, temos Qx= Qd– Qb (MODELO - Figura)
Essas quantidades dependem da geometria da rosca, assim volume relativo a taxa de escoamento por arraste (Qd) será:
Qd=Kd. h . n
Kd= 0,5. π2.D2. senϕ. cos ϕ Portanto
Qd= 0,5. π2.D2. h . n. senϕ. cosϕ i.e.,
Qd~ h ; ϕ; D2 (Parâmetros de Projeto)
Obs.:Esta expressão é derivada do modelo das duas placas planas paralelas. Nesse caso a superfície rotativa da rosca corresponde à placa móvel no modelo.
Extrusão – Análise do processo
Volume da taxa de Contra-Pressão por Escoamento Qb= Kb(p . h3) . (η. L)-1
Kb= (1/12) . π.D . sen2ϕportanto
Qb= (1/12) (p . h3) . (η. L)-1. π.D . sen2ϕ onde,
D diâmetro do Cilindro ( 25 – 200 mm) tem relação direta com comprimento do cilindro:
L/D varia de fator de 5 - 30 p pressão
n velocidade da rosca (rotação) ηviscosidade
L comprimento da rosca i.e.,
Qb~ (p . h3. D) . (η.L)-1 (Parâmetros de processo)
Representação gráfica da sobreposição da pressão de escoamento e da pressão de arraste é mostrada na FIGURA para uma extrusora com monorosca com zona de alimentação e rosca com três estágios (extrusora convencional) assim como para extrusora com zona de alimentação ranhurada (extrusora com transporte melhorado).
Extrusão
Extrusora convencional Volume do escoamento por arraste (Qd)
Qd = 0,5. π2.D2. h . n. senϕ. cosϕ
Volume Contra-Pressão de Escoamento (Qb)
Qb = (1/12) (p . h3) . (η. L)-1. π.D . sen2ϕ Taxa de escoamento Volumétrica Qx Qx = Qd - Qb
π. D . tgϕ e
Qs
Qp
QL
D h
δ
Direção do transporte
W = πD senϕ ϕ
Extrusão
Se a contra pressão for zero, de maneira que o escoamento do fundido esteja sem restrição na extrusora, então o escoamento igualaria ao escoamento de arraste Qd (Equação).
Dado os parâmetros de projeto e de processo, esta é máxima capacidade de escoamento possível da extrusora, assim:
Qmax= 0,5. π2.D2. h . n. senϕ. cosϕ
Por outro lado, se a contra pressão for tão elevada de forma que o escoamento seja zero, então a contra pressão igualaria ao escoamento de arraste:
Qx = Gd – qb= 0, de forma que Qd = Qb
Usando a expressão para Gd e Gb, pode-se encontrar pmax
pmax= 6 . π. D. n. h-2. L . η. cotϕ
Os valores de Gmax e de pmaxsão os pontos sobre os eixos no diagrama conhecidos como Característica da extrusora
Extrusão
Qmax
pmax
Escoamento do fundido, Q
Pressão Ponto de operação Característica da Extrusora
Característica da matriz
Extrusão
Com a matriz posta na extrusora e o processo em andamento os valores de Q e de p estarão em algum lugar entre os dois extremos, determinados pelas características da matriz.
A taxa de escoamento através da matriz depende do tamanho e da forma da abertura e da pressão aplicada para forçar o fundido através dela. Ela pode ser expressa por
Qx = Ks.p
G – taxa de escoamento m3/s, pressão Pa, Ksfator de formada matriz (m5/Ns). Para uma forma circular da abertura para um dado comprimento de canal, o fator de forma pode ser calculado:
Ks = π.Dm4. (128 . η. Lm)-1
Onde Dmé o diâmetro de abertura da matriz (m), ηé a viscosidade do fundido (N-s/m2), e Lm= é o comprimento da abertura(m).
Obs.: Para outras formas que não da circular, o fator forma é menor do que para seção circular de mesma área de seção transversal, significando que maior será a pressão necessária para se conseguir uma taxa de escoamento.
A Relação entre Qx e p é denominada de Característica da matriz.
Extrusão
Exemplo1 : Uma extrusora com cilindro com diâmetro D = 75 mm. O parafuso rotaciona a n = 1 rev/s. A profundidade do canal h = 6.0 mm e o ângulo de hélice ϕ= 20º . A pressão p = 7.0 x 106Pa, o comprimento do cilindro é L =1.9 m, e a viscosidade do Polímero fundido é assumida como η=100 Pas. Determine o volume da taxa de escoamento (Gx) do plástico no cilindro.
Exemplo2. Considerando a mesma extrusora do exemplo anterior, na qual D= 75 mm, L= 1.9 m, N
= 1 rev/s, h = 6mm e ϕ= 20º . O fundido plástico possui uma viscosidade η=100 Pas.
Determine:
a) Gmax e pmax;
b) O fator de forma Ks para uma abertura circular da matriz na qual Dm = 6.5 mm e Lm = 20 mm;
c) Os valores de Gx e p no ponto de operação
