DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
Vinícius Severo Leães
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRE AS PLACAS DE UM MOLDE DE INJEÇÃO NO EMPENAMENTO DE PEÇAS
INJETADAS
Apresentada em 20 / 02 / 2008 Perante a Banca Examinadora:
Dr. Carlos Maurício Sacchelli (CEFET – SC) Dr. Miguel Vaz Jr. (CCT/UDESC)
Dr. Renato Barbieri (CCT/UDESC)
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: VINÍCIUS SEVERO LEÃES – Engenheiro Mecânico Orientador: Prof. Dr. RICARDO PEDRO BOM
CCT/UDESC – JOINVILLE
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRE AS PLACAS DE UM MOLDE DE INJEÇÃO NO EMPENAMENTO DE PEÇAS
INJETADAS
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. RICARDO PEDRO BOM
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG
" AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA
ENTRE AS PLACAS DE UM MOLDE DE INJEÇÃO NO EMPENAMENTO DEPEÇAS INJETADAS " por
Vinícius Severo Leães
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
na área de concentração "Polímeros", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Banca Examinadora:
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: LEÃES, Vinícius Severo
DATA DEFESA: 20/02/2008 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 91 – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Polímeros
TÍTULO: Avaliação da influência da diferença de temperatura entre as placas de um molde de injeção no empenamento de peças injetadas
PALAVRAS - CHAVE: Polímeros, Empenamento, Tensão residual, Simulação. NÚMERO DE PÁGINAS: XXIII, 171 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM CADASTRO CAPES: 41002016001P9
ORIENTADOR: Dr. Ricardo Pedro Bom
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Ricardo Pedro Bom
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Ricardo Pedro Bom, pela orientação no desenvolvimento deste trabalho, sabendo cobrar e não medindo esforços em ajudar tornar o trabalho possível.
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho.
Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infra-estrutura oferecida.
À empresa Whirlpool S.A. Eletrodomésticos pela oportunidade concedida e ajuda na realização do trabalho.
A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho.
ÍNDICE
LISTA DE TABELAS... X
LISTA DE FIGURAS ... XII
SIMBOLOGIA ...XVIII
RESUMO ... XXII
ABSTRACT ...XXIII
INTRODUÇÃO ... 1
1 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 5
1.1 -MOLDAGEM POR INJEÇÃO... 5
1.1.1 - Fase de Preenchimento... 7
1.1.2 - Fase de Empacotamento... 10
1.1.3 - Fase de Resfriamento ... 10
1.2 -EMPENAMENTO... 12
1.2.1 - Fatores que afetam o empenamento ... 13
1.2.1.1 - Projeto da peça ... 13
1.2.1.1.1 - Uniformidade (espessura) da parede ... 13
1.2.1.1.2 - Rigidez/Nervuramento ... 14
1.2.1.2 - Molde... 15
1.2.1.2.1 - Material e acabamento do molde ... 15
1.2.1.2.2 - Localização do ponto de injeção ... 15
1.2.1.2.3 - Formato e quantidade do ponto de injeção/canal de injeção... 16
1.2.1.2.4 - Tamanho do canal de injeção ... 17
1.2.1.2.5 - Sistema de ejeção / posição dos extratores... 17
1.2.1.2.6 - Sistema de refrigeração ... 18
1.2.1.3 - Material ... 20
1.2.1.3.1 – Estrutura molecular ... 20
1.2.1.4 - Processamento ... 23
1.2.1.4.1 - Velocidade de injeção ... 23
1.2.1.4.2 - Pressão de injeção ... 24
1.2.1.4.3 - Temperatura de injeção ... 24
1.2.1.4.5 - Temperatura do molde e tempo de resfriamento... 25
1.2.1.4.6 - Temperatura de desmoldagem ... 25
1.2.1.5 - Condições ambientais e de serviço... 25
1.3 -ENGENHARIA ASSISTIDA POR COMPUTADOR... 26
1.3.1 - Moldagem por injeção... 26
1.3.2 - Simulação do empenamento ... 26
1.3.2.1 - Dados de encolhimento ... 27
1.4 -ESTADO DA ARTE... 27
1.4.1 - Estudos sobre empenamento e encolhimento... 28
1.4.2 - Análise de tensões residuais e desenvolvimento de modelos numéricos ... 32
1.5 -TESTES DE EMPENAMENTO, ENCOLHIMENTO E TENSÃO RESIDUAL... 43
1.5.1 - Medindo o encolhimento... 43
1.5.2 - Medindo o empenamento ... 45
1.5.3 - Medindo a tensão residual... 45
1.5.3.1 - Técnica de remoção de camadas (layer removal)... 45
1.5.3.2 - Técnica de perfuração (hole drilling) ... 47
1.5.3.3 - Técnica de ataque químico (chemical probe) ... 47
1.5.3.4 - Técnica de birefringência (birefringence) ... 48
1.5.3.5 - Técnica de raio-X ... 49
1.5.3.6 - Técnica de interferometria holográfica... 49
1.6 -MÉTODOS ESTATÍSTICOS... 50
1.6.1 - Cartas de controle... 50
1.6.1.1 - Tipos de carta de controle... 50
1.6.1.2 - Características importantes do sistema de medição ... 51
1.6.2 - DOE (Planejamento de experimentos)... 52
1.6.2.1 - Experimentos Fatoriais Completos... 54
1.6.2.2 - Experimentos Fatoriais Fracionados ... 59
1.6.2.3 - Análise de Rank (organização em ordem crescente)... 62
1.6.3 - Modelo de Regressão ... 63
1.6.4 - Teste t de Student ... 65
2 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL... 67
2.1 -INJETORA... 68
2.2 -MOLDE... 70
2.3 -SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO... 71
2.4.1 - Cavidade... 75
2.4.2 - Canais de refrigeração e Molde... 76
2.5 -MATERIAIS... 78
2.5.1 - PS (poliestireno)... 78
2.5.2 - PP (polipropileno) ... 80
2.6 -INJEÇÃO DOS CORPOS DE PROVA... 83
2.7 -MEDIÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA... 84
2.8 -MODELO PARA O APLICATIVO MOLDFLOW... 86
2.9 -OBTENÇÃO DO EMPENAMENTO NO APLICATIVO MOLDFLOW... 88
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 92
3.1 -EXPERIMENTO 1 ... 92
3.1.1 - Descrição dos fatores e níveis utilizados... 93
3.1.2 - Análise do experimento... 97
3.1.1 - Conclusões para o Experimento 1... 104
3.2 -EXPERIMENTO 2 ... 105
3.2.1 - Descrição dos fatores e níveis utilizados... 105
3.2.2 - Análise do experimento... 107
3.2.3 - Conclusões para o Experimento 2... 113
3.3 -EXPERIMENTO 3 ... 114
3.3.1 - Descrição dos fatores e níveis utilizados... 114
3.3.2 - Análise do experimento... 117
3.3.3 - Conclusões para o Experimento 3... 128
3.4 -EXPERIMENTO 4 ... 128
3.4.1 - Descrição dos fatores e níveis utilizados... 129
3.4.2 - Análise do experimento... 129
3.4.3 - Análise das tensões residuais e temperaturas ... 135
3.4.4 - Conclusões para o experimento 4 ... 151
3.5 -EXPERIMENTO 5 ... 151
3.5.1 - Descrição dos fatores e níveis utilizados... 152
3.5.2 - Análise do experimento... 152
3.5.3 - Conclusões para o experimento 5 ... 161
CONCLUSÃO ... 162
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Fatores e níveis considerados [HUANG; TAI, 2001] ... 28
Tabela 1.2 - Fatores e níveis considerados [LIAO et al., 2004] ... 28
Tabela 1.3 - Fatores e níveis considerados para o primeiro DOE [KRAMSCHUSTER et al., 2005] ... 30
Tabela 1.4 - Fatores e níveis considerados para o segundo DOE [KRAMSCHUSTER et al., 2005]... 30
Tabela 1.5 - Modelos de regressão linear para o processo convencional [KRAMSCHUSTER et al., 2005] ... 30
Tabela 1.6 - Modelos de regressão linear para o processo microcelular [KRAMSCHUSTER et al., 2005] ... 31
Tabela 1.7 - Fatores e níveis considerados [AKAY; OZDEN; TANSEY, 1996] ... 33
Tabela 1.8 – Tabela de constantes para cartas de controle [WHEELER; CHAMBERS, 1992]... 51
Tabela 1.9 – Número de unidades de medição de acordo com tamanho do subgrupo [WHEELER; LYDAY, 1989] ... 51
Tabela 1.10 - Matriz experimental (Fatorial completo de 3 fatores)... 54
Tabela 1.11 - Matriz experimental para um (fatorial completo de 2 fatores)... 57
Tabela 2.1 - Unidade de Injeção... 69
Tabela 2.2 – Unidade de fechamento ... 70
Tabela 2.3 - Dados dos canais de refrigeração e mangueiras... 78
Tabela 2.4 - Características gerais do poliestireno 158 K [MOLDFLOW MPI, 2004] ... 79
Tabela 2.5 - Condição de processamento recomendada para o poliestireno 158 K [MOLDFLOW MPI, 2004] ... 79
Tabela 2.6 - Propriedades mecânicas do poliestireno 158 K [MOLDFLOW MPI, 2004].. 80
Tabela 2.7 - Características gerais do poliestireno H 503 [MOLDFLOW MPI, 2004]. ... 81
Tabela 2.8 - Condição de processamento recomendada para o poliestireno H 503 [MOLDFLOW MPI, 2004] ... 81
Tabela 2.9 - Propriedades mecânicas do poliestireno H 503 [BRASKEM, 2006]... 81
Tabela 2.10 - Características gerais do poliestireno CP 442XP [BRASKEM, 2006] ... 82
Tabela 2.12 - Propriedades mecânicas do poliestireno CP 442XP [BRASKEM, 2006] .... 82
Tabela 2.13 - Características de malha e elementos... 87
Tabela 3.1 - Matriz experimental ... 95
Tabela 3.2 - Continuação da matriz experimental... 96
Tabela 3.3 - Variáveis mantidas constantes... 96
Tabela 3.4 - Matriz de confundimento ... 97
Tabela 3.5 - Resultados obtidos no aplicativo Moldflow... 97
Tabela 3.6 - Valores mantidos constantes ... 105
Tabela 3.7 - Matriz experimental ... 106
Tabela 3.8 - Resultados obtidos experimentalmente ... 107
Tabela 3.9 - Matriz experimental ... 116
Tabela 3.10 - Continuação da matriz experimental... 116
Tabela 3.11 - Matriz de confundimento ... 117
Tabela 3.12 - Resultados obtidos por simulação ... 117
Tabela 3.13 - Temperaturas medidas conforme Seção 2.6... 130
Tabela 3.14 - Dados coletados e intervalo de confiança ... 130
Tabela 3.15 – Temperaturas e empenamento medidos em simulação ... 131
Tabela 3.16 - Tensão residual ao longo da espessura (aplicativo Moldflow) ... 139
Tabela 3.17 - Tensão residual (em Pa) ao longo da espessura (Equação 3.6/parte 1)... 140
Tabela 3.18 - Tensão residual ao longo da espessura (Equação 3.6/parte 2) ... 141
Tabela 3.19 – Dados obtidos por meio do aplicativo CrackDim ... 148
Tabela 3.20 – Dados obtidos no aplicativo Moldflow... 149
Tabela 3.21 - Temperaturas medidas experimentalmente ... 153
Tabela 3.22 - Dados coletados experimentalmente e intervalo de confiança... 153
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Máquina injetora e seus componentes principais ... 6 Figura 1.2 - Processo de injeção (tempo x pressão no molde) [VEGT, 2002]... 7 Figura 1.3 - Fluxo tipo fonte (fountain flow) [HARPER, 1999] ... 8 Figura 1.4 - Distribuição de temperaturas ao longo da espessura do material fundido
durante a fase de preenchimento [FISCHER, 2002] ... 9 Figura 1.5 - Duas alternativas de projeto referente espessura da parede [DUPONT,2007] 14 Figura 1.6 - Duas alternativas de projeto referente a nervuramento [GE PLASTICS 1, 2007]... 14 Figura 1.7 - Posicionamento do ponto de injeção na peça [POPPE et al.,2007]... 15 Figura 1.8 - Influência de da posição do ponto de injeção e um furo deslocado no
empenamento [POPPE et al.,2007] ... 16 Figura 1.9 - Dimensionamento do canal de injeção [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004]... 17 Figura 1.10 - Efeito do desbalanceamento de temperatura no molde e correlação com as tensões [MOLDFLOW, 2001] apud [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004] ... 19 Figura 1.11 - Regra geral para posicionamento de canais [FISCHER, 2002]... 19 Figura 1.12 – Características de orientação molecular de polímeros amorfos e
semicristalinos [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004] ... 20 Figura 1.13 - Características de curvas pvT para polímeros amorfos e semicristalinos [IPIRANGA, 2003] ... 23 Figura 1.14 - Magnitude dos efeitos principais [LIAO et al., 2004] ... 29 Figura 1.15 - Efeitos do desbalanceamento de temperatura nas tensões residuais e
empenamento [AKAY; OZDEN; TANSEY, 1996] ... 32 Figura 1.16 - Curvatura em função da diferença de temperatura entre as placas do molde [AKAY; OZDEN; TANSEY, 1996] ... 33 Figura 1.17 - Efeito da diferença de temperatura no empenamento [AKAY; OZDEN; TANSEY, 1996] ... 34 Figura 1.18 – Desenvolvimento das tensões residuais [ZOETLIEF; DOUVEN; HOUSZ, 2004]... 36 Figura 1.19 – Corpo-de-prova com marcação para medições de encolhimento
Figura 1.20 – Sistema de medição por coordenadas para o encolhimento [MOLDFLOW,
2006]... 44
Figura 1.21 – Medição da deflexão [FISCHER, 2002] ... 45
Figura 1.22 – Medição do empenamento [AKAY; OZDEN; TANSEY, 1996]... 45
Figura 1.23 - Croqui para técnica de remoção de camadas [ZOETLIEF; DOUVEN; HOUSZ, 2004]. ... 46
Figura 1.24 – Técnica da birefringência [NPL, 2007]... 49
Figura 1.25 - Gráfico de pareto para um DOE de 8 rodadas ... 55
Figura 1.26 - Gráfico de probabilidade normal ... 56
Figura 1.27 - Gráfico de efeitos principais ... 58
Figura 1.28 – Gráfico de Interação para AB ... 59
Figura 1.29 - Matriz experimental de um fatorial fracionado (4 fatores em 8 rodadas) ... 61
Figura 1.30 - Ajuste dos pontos medidos por meio de uma reta dada por regressão linear 64 Figura 1.31 – Comparação de grupos utilizando o teste t de Student [JMP, 2003] ... 65
Figura 1.32 – Análise do gráfico de círculos superpostos [JMP, 2003]... 66
Figura 2.1 – Fluxograma do procedimento experimental... 68
Figura 2.2 - Injetora Battenfeld 250 PLUS ... 69
Figura 2.3 – Descrição das cavidades [BOM; LEÃES, 2007] ... 71
Figura 2.4 – Porta-molde de injeção (entreaberto) ... 71
Figura 2.5– Refrigeração do molde (placa móvel) ... 72
Figura 2.6 - Refrigeração do molde (placa fixa) ... 72
Figura 2.7– Sistema de refrigeração (Caixa d’água e bombas)... 73
Figura 2.8– Sistema de refrigeração (com controle de temperatura) ... 74
Figura 2.9 - Circuito de refrigeração do Porta-molde ... 74
Figura 2.10 – Descrição das partes do corpo-de-prova e sistema de alimentação [BOM; LEÃES, 2007] ... 75
Figura 2.11 – Análise dimensional do Corpo-de-prova (medidas em em mm – vista superior)... 75
Figura 2.12 – Análise dimensional do Corpo-de-prova (medidas em em mm - vista frontal) ... 76
Figura 2.14 – Análise dimensional dos canais de refrigeração e molde (medidas em em mm
- vista superior)... 77
Figura 2.15 - Mero do poliestireno [CANEVAROLO, 2002]... 78
Figura 2.16 - Mero do poliestireno [CANEVAROLO, 2002]... 80
Figura 2.17 - Estufa de secagem do material... 83
Figura 2.18 - Pontos de coleta de dados (temperatura) no molde ... 84
Figura 2.19 - Termômetro de contato da marca BEHA modelo 93403 ... 84
Figura 2.20 - Traçador de altura em processo de medição do empenamento (deflexão) .... 85
Figura 2.21 - Traçador de altura em processo de medição do empenamento (flecha) [BOM; LEÃES, 2007] ... 86
Figura 2.22 – Modelamento no Moldflow (descrição dos componentes) [BOM; LEÃES, 2007]... 87
Figura 2.23 – Modelamento do corpo-de-prova... 88
Figura 2.24 – Plano âncora para medição de empenamento no eixo z [BOM; LEÃES, 2007]... 89
Figura 2.25 – Medição de temperatura (topo do molde) [BOM; LEÃES, 2007]... 90
Figura 2.26 - Medição de temperatura (corpo-de-prova) ... 91
Figura 3.1 - Canais de refrigeração simétricos em relação ao corpo-de-prova ... 93
Figura 3.2 – Corpo-de-prova com a concavidade voltada para o lado fixo do molde... 98
Figura 3.3 – Rank (classificação) da variável de resposta empenamento ... 99
Figura 3.4 - Gráfico de probabilidade normal ... 100
Figura 3.5 - Gráfico de Pareto ... 101
Figura 3.6 - Gráfico de efeitos principais onde A- posição dos canais, B-Temperatura do fluido nos canais do lado fixo do molde, C-Temperatura do fluido nos canais do lado móvel do molde ... 102
Figura 3.7 - Gráfico de interações, onde: B- Temperatura do fluido nos canais do lado fixo do molde, C- Temperatura do fluido nos canais do lado móvel do molde... 103
Figura 3.8 - Superposição dos pontos medidos no aplicativo Moldflow com os pontos previstos pelo modelo... 104
Figura 3.9 - Carta de controle das amplitudes das medidas de deflexão... 108
Figura 3.11 - Gráfico de probabilidade normal sendo: A – Pressão/Tempo de
empacotamento e B – Diferença de temperatura (∆T) e A*B a interação entre esses fatores ... 110 Figura 3.12 - Gráfico de Pareto sendo: A – Pressão/Tempo de empacotamento e B –
Diferença de temperatura (∆T) e A*B a interação entre esses fatores ... 110 Figura 3.13 - Gráfico de efeitos principais sendo: A – Pressão/Tempo de empacotamento e B – Diferença de temperatura (∆T) ... 111 Figura 3.14 - Gráfico de interações sendo; A – Pressão/Tempo de empacotamento e B – Diferença de temperatura (∆T) ... 112 Figura 3.15 - Gráfico de variabilidade... 112 Figura 3.16 - Superposição dos pontos medidos experimentalmente com os pontos
previstos pelo modelo estatístico definido pela Equação 3.2 ... 113 Figura 3.17 – Rank (classificação) da variável de resposta Empenamento... 118 Figura 3.18 - Gráfico de probabilidade normal (empenamento) onde: B – Diferença de temperatura no sistema de refrigeração (∆T), F - Tempo de empacotamento, A*D interação entre A – Material e D - Temperatura de injeção ... 119 Figura 3.19 - Gráfico de Pareto sendo os fatores assinalados onde: B – Diferença de
temperatura no sistema de refrigeração (∆T) e F - Tempo de empacotamento... 120 Figura 3.20 - Gráfico de efeitos principais onde: B – Diferença de temperatura no sistema de refrigeração (∆T) e F - Tempo de empacotamento... 120 Figura 3.21 - Superposição dos pontos medidos no aplicativo Moldflow com os pontos previstos pelo modelo... 121 Figura 3.22 – Encolhimento volumétrico na ejeção ... 122 Figura 3.23 - Rank da variável de resposta encolhimento volumétrico ... 123 Figura 3.24 - Gráfico de probabilidade normal (encolhimento volumétrico) onde: A – Material, D - Temperatura de injeção, E - Pressão de empacotamento e F - Tempo de empacotamento... 124 Figura 3.25 - Gráfico de Pareto (encolhimento volumétrico) onde: A – Material, D -
Temperatura de injeção, E - Pressão de empacotamento e F - Tempo de empacotamento ... 124 Figura 3.26 - Gráfico de efeitos principais (encolhimento volumétrico) onde: A – Material, D - Temperatura de injeção, E - Pressão de empacotamento e F - Tempo de
Figura 3.27 - Superposição dos pontos medidos no aplicativo Moldflow com os pontos
previstos pelo modelo (encolhimento volumétrico) ... 126
Figura 3.28 - Gráfico de correlações sem ∆T entre placas... 127
Figura 3.29 - Gráfico de correlações com ∆T entre placas ... 127
Figura 3.30 - Comparação dos tratamentos [BOM; LEÃES, 2007]... 131
Figura 3.31 - Comparação entre temperaturas impostas no sistema de refrigeração com as temperaturas no topo do molde, obtidas experimentalmente e por simulação no aplicativo Moldflow [BOM; LEÃES, 2007]... 132
Figura 3.32 - Empenamento x diferença de temperatura entre as placas do molde [BOM; LEÃES, 2007] ... 133
Figura 3.33 - Equação ajustada pelos dados obtidos no Moldflow [BOM; LEÃES, 2007] ... 134
Figura 3.34 - Equação ajustada pelos dados obtidos experimentalmente [BOM; LEÃES, 2007]... 134
Figura 3.35 – Tensões residuais na primeira direção principal (peça sem ∆T)... 136
Figura 3.36 - Tensões residuais na primeira direção principal (peça com ∆T) ... 137
Figura 3.37 - Perfil de temperaturas ao longo da espessura normalizada com ∆T entre placas ... 138
Figura 3.38 - Superposição das curvas de tensão residual geradas pelo Moldflow e Equação 3.6 (∆T=1°C e T(ejeção)) ... 143
Figura 3.39 - Superposição das curvas de Tensão geradas pelo Moldflow e Equação (∆T=18°C) ... 144
Figura 3.40 - Superposição das curvas de Tensão geradas pelo Moldflow e Equação 3.6 (∆T=1°C e ∆T=18°C) ... 144
Figura 3.41 - Janela de entrada de dados do programa CrackDim [BOM; KALNIN, 2007b] ... 147
Figura 3.42 - Superposição das curvas obtidas pelos aplicativos CrackDim e Moldflow, mostrando o deslocamento do centro de resfriamento da peça com Temperatura de ejeção de 93,38 °C ... 150
Figura 3.43 - Comparação dos tratamentos ... 154
Figura 3.45 - Comparação das temperaturas obtidas experimentalmente e por simulação
(medidas na região do corpo-de-prova)... 157
Figura 3.46 - Empenamento x diferença de temperatura entre as placas do molde ... 158
Figura 3.47 - Equação ajustada pelos dados experimentais ... 159
SIMBOLOGIA
Tmol Temperatura do molde (°C)
T(y,t) Temperatura em qualquer posição e tempo (°C)
Tinj Temperatura de injeção (°C)
α Difusividade térmica (m2/s)
tr Tempo de resfriamento (s)
e Metade da espessura do corpo-de-prova (mm)
y Posição na espessura do corpo-de-prova (mm)
Re Número de Reynolds
d Diâmetro do canal de refrigeração (mm)
D Distância entre o canal de refrigeração e superfície do molde (mm)
Tg Temperatura de transição vítrea (°C)
Tm Temperatura de fusão (°C)
T Temperatura (°C)
p Pressão (Pa)
v Volume (m3)
η Inclinação da reta
∆T Diferença de temperatura entre as placas do molde de injeção (°C)
r Raio (m)
l Comprimento da peça (m)
σ Tensão (Pa)
ε Deformação
E Módulo de elasticidade (Pa)
υ Coeficiente de Poisson
Th Temperatura do fundido no final do preenchimento (°C)
t0,1,2,3,4,5 Tempo (s). O índice refere-se ao momento no processo de injeção
z/h Espessura normalizada da peça (mm/mm)
I Tensor unitário
β Coeficiente de expansão térmica (°C-1)
Tf Temperatura final da peça (°C)
Ts Temperatura de solidificação do material (°C)
ρ Densidade (kg/m3)
Cp Calor específico (J/Kg/°C)
z Posição ao longo da espessura (mm)
∆ Extensão virtual ao domínio do polímero
Bi Número de Biot
h Coeficiente de transferência de calor (W/m2/°C)
k Condutividade térmica (W/m/°C)
σe Componente elástico do tensor de Cauchy
σp Componente plástico do tensor de Cauchy
θi Tempos de relaxação (i=1 até m)
m Número de ordem da série
Β Tensor de deformação Finger
ηr Viscosidade de retardamento
ν Volume específico
D Tensor da taxa de deformação
L Gradiente de velocidade
Dpi Componente plástico do tensor da taxa de deformação
M Função memória
t
C Medida de deformação
H Espectro de relaxação contínuo
h1 Função damping (amortecimento)
κ coeficiente de compressibilidade isotérmica
ξ Tempo reduzido
ε Energia interna específica
G Módulo de cisalhamento
T
a Fator de mudança (princípio da superposição tempo-temperatura)
W Empenamento (mm)
F Força (N)
a Altura de deslocamento da peça em relação à superfície de apoio
Lp Projeção do comprimento do espécime (m)
φ Deflexão (m)
LSCR Limite superior de controle da carta R
LICR Limite inferior de controle da carta R
R Amplitude
R Amplitude média
X Medida individual
X Média aritmética do subgrupo amostral
X Média das médias aritméticas
A2, D3, D4, d2 Constantes usadas no cálculo de Cartas de controle
X
LC Limites de controle para a carta X
σ
ˆ
Estimativa da variação (Estimativa do desvio padrão)σˆ2 Estimativa da variância
Y Variável de resposta genérica (DOE)
X1,2...n Fator principal (DOE) X1,2...nX2,3...n Interação (DOE)
β0 Média dos resultados do experimento (DOE)
β1,2...n Coeficiente beta (efeitos / 2) relacionado ao efeito 1 a n (DOE)
N Ruído aleatório (erro estatístico) (DOE)
RESUMO
Atualmente, a ocorrência do empenamento está entre as principais preocupações na fase de projeto e na manufatura de componentes plásticos. O empenamento dificulta a obtenção das tolerâncias especificadas no projeto, resultando em perdas financeiras devido a problemas de manufatura e reclamações do consumidor. Usualmente a solução desses problemas depende do conhecimento prático do projetista ou técnico do processo de injeção. Algumas tentativas estão sendo feitas com intuito de aumentar o conhecimento sobre o fenômeno e aumentar a previsibilidade do empenamento por meio do entendimento das tensões residuais formadas no processo de injeção. Existem também estudos com foco no desenvolvimento de modelos empíricos construídos com auxílio de ferramentas estatísticas, como DOE e análise de regressão. O presente trabalho busca o identificar e quantificar os principais fatores que causam o empenamento por meio de experimentos práticos e simulações no aplicativo Moldflow. Foram realizados estudos práticos de injeção de corpos-de-prova com manipulação dos fatores de recalque e diferença de temperatura entre os lados do molde para o poliestireno e polipropileno. Os resultados foram comparados com a simulação executada no aplicativo Moldflow, que também foi usado para avaliar a influência de diversos outros fatores citados na literatura. Também foram feitas comparações entre os resultados de simulação com equações analíticas da literatura para tensões residuais e temperaturas no corpo-de-prova. De forma geral, o fator mais significativo para o empenamento é a diferença de temperatura entre os lados do molde, sendo que os fatores relacionados ao empacotamento também são muito importantes. Foi demonstrado que a relação entre o empenamento e diferença de temperatura entre os lados do molde é linear no Moldflow, mas tem comportamento de um polinômio de segunda ordem nos experimentos. A análise de tensões residuais mostra uma boa concordância da simulação com a equação analítica em termos de magnitude, indicando também a direção do empenamento. A análise de temperaturas também mostrou uma boa concordância entre a simulação e a equação analítica.
ABSTRACT
Nowadays, warpage is one of the main concerns at the design stage and manufacturing of plastic components. Warpage hinders the achievement of specified tolerances in the project, resulting in financial losses due to manufacturing problems and consumer complaints. Usually, solution of such problems relies on the knowledge of the designer or process technician. Some attempts are being made in order to gain knowledge of the phenomenon and increase the predictability of warpage through understanding of the residual stresses formed during the injection process. There are also studies focusing on the development of empirical models built with the aid of statistics tools, such as DOE and the regression analysis. This study looks forward to identify and quantify the main factors that cause warpage through practical experiments and Moldflow simulations. Experimentation using standard specimens manipulating some of the factors, such as packing and the temperature difference between the sides of the mold for both polystyrene and polypropylene materials, were performed. The results were compared to the simulation performed in Moldflow, which was also used to evaluate the influence of the various other factors mentioned in the literature. A comparison between the results of simulation with analytical equations found in literature for residual stresses and temperatures were also executed. Overall, the most significant factor for warpage was the temperature difference between the sides of the mold, but the packing related factors were also very important. It was shown that the relationship between warpage and the temperature difference between the sides of the mold is linear in Moldflow, but has a second order polynomial behavior in the practical experiments. The analysis of residual stress showed a good agreement between simulation and analytical equation in terms of magnitude, indicating also the direction of warpage. The analysis of temperature also showed good agreement between the simulation model and analytic equation.
INTRODUÇÃO
O empenamento de peças é um dos problemas mais comuns encontrados por aqueles que utilizam a moldagem por injeção, sendo que este é também um dos fenômenos mais difíceis de prever. Na indústria de linha branca (eletrodomésticos) isso não é diferente, sendo que a preocupação quanto ao empenamento vem desde o momento onde é traduzida a necessidade do consumidor sob forma de especificações de engenharia de produto até a conversão dessas especificações em termos de parâmetros de processo.
O empenamento é resultado de deformações que aparecem pela contração diferencial da peça, o que pode ocorrer devido a características do material como cristalinidade e adição de fibras. No que diz respeito ao molde, a distribuição de temperaturas, material do molde e configuração do canal de ataque são muito importantes para o empenamento. Outros fatores como geometria da peça e parâmetros de processamento também contribuem de forma efetiva para o empenamento. Atualmente durante o desenvolvimento de produto existe uma grande preocupação quanto à obtenção de uma peça de baixo custo aliado a excelentes propriedades mecânicas, estéticas e dimensionais, sendo que em muitos casos essas características não são atingidas devido ao empenamento da peça. A falha na identificação dos problemas derivados do empenamento causa perdas financeiras em termos de sucateamento de peças não-conforme, dificuldade de montagem dos componentes, reclamações do consumidor, necessidade de reprojeto de moldes e assim por diante.
Usualmente são utilizadas regras práticas para evitar problemas de empenamento, desde a construção do molde até o processamento da peça, entretanto, esse tipo de conhecimento obtido empiricamente não proporciona a total compreensão dos fenômenos que levam ao empenamento. A necessidade de uma abordagem científica, se faz necessária para um entendimento mais abrangente dos fatores e condições que levam ao empenamento, o que permitiria a previsibilidade da performance das peças injetadas desde o projeto até a manufatura, resultando em uma maior competitividade no mercado [FISCHER, 2002; POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004; DUPONT, 2007; GE PLASTICS 1, 2007; POPPE et al.,2007].
mas a descrição detalhada desse fenômeno continua um desafio a ser superado pois existem características que afetam empenamento que são extremamente complicadas de descrever matematicamente como: viscoelasticidade, cristalinidade, orientação molecular e anisotropias. No campo da simulação numérica também existem trabalhos visando uma maior precisão na previsão do empenamento por meio de índices de correção de encolhimento obtidos experimentalmente e que alimentam as informações do material a ser usado na simulação, como menciona Newmann [2001].
Muitos pesquisadores estão empenhados em melhorar a previsibilidade do fenômeno de empenamento e também em propor alternativas para eliminar o problema. Existem estudos correlacionando a tensão residual com o empenamento, onde é efetuada uma análise de previsão de encolhimento e empenamento usando simulação numérica tridimensional para o desenvolvimento de tensões residuais para PS (grade Styron 685D) e PEAD (grade Sclair 2908) devido a resfriamento não homogêneo [KAMAL; LAI-FOOK; HERNANDEZ-AGUILAR, 2002]. Outro estudo diz que tensões induzidas pelo fluxo causam anisotropia mecânica, térmica e das propriedades ópticas, enquanto as tensões induzidas por temperatura causam empenamento e trincas [ZOETLIEF; DOUVEN;
HOUSZ, 2004]. Liu [1996] e Gu, Li e Shen [2001] avaliaram modelos de simulação
numérica para a fase de transformação, otimizando e simplificando esses modelos.
Como verificado por Akay, Ozden e Tansey [1996], para polímeros de característica amorfa o fator preponderante no empenamento é a diferença de temperatura entre as placas do molde, além de evidenciar que a previsão feita por programas de simulação é razoável em valores menores de diferença de temperatura entre as placas. Modelos empíricos definidos experimentalmente a partir do uso de planejamento de experimentos fatoriais (DOE e Taguchi) foram utilizados por Liao et al.[2004] e Kramschuster et al. [2005] para mostrar a influência de diversos fatores importantes para o empenamento. As tensões residuais que causam empenamento foram descritas analiticamente por Zhang et al. [2002] através de um modelo algébrico aproximado.
• Obtenção de peças empenadas por meio da manipulação de parâmetros de processamento
• Medição do empenamento em um sistema de medição adequado
• Comparação de resultados experimentais e de simulação (MPI) de
empenamento para um polímero amorfo
• Comparação de resultados experimentais e de simulação (MPI) de
empenamento para um polímero semicristalino
• Análise estatística dos dados obtidos e avaliação dos efeitos por meio de DOE.
• Determinação do perfil de tensão residual na espessura da peça, obtido a partir de uma equação analítica aproximada e comparação com resultados de simulação (MPI) para um polímero amorfo
• Determinação do perfil de temperaturas na espessura da peça, obtido por meio de uma equação analítica e comparação com resultados de simulação (MPI) para um polímero amorfo
No Capítulo 1 são mostrados os fatores que afetam o empenamento de peças moldadas por injeção e o estado da arte em termos de entendimento e caracterização do empenamento. As características do processo de injeção, os aplicativos de simulação por computador que tratam o empenamento, os testes feitos para medir o empenamento, encolhimento e tensões residuais e um apanhado geral sobre as ferramentas estatísticas usadas para melhor interpretar os resultados obtidos nesse trabalho também são discutidos nesse capítulo.
No Capítulo 3 é realizada a apresentação e interpretação dos dados obtidos experimentalmente, obtidos por simulação (MPI) e por solução analítica das equações utilizadas.
CAPÍTULO 1
1 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O empenamento significativo pode fazer com que a peça fique fora da especificação ou que perca a sua função. As mais modernas técnicas de simulação por computador auxiliam na previsão do comportamento do empenamento, facilitando a antecipação do problema e a sua resolução, entretanto, a descrição detalhada desse fenômeno continua um desafio a ser superado. Atualmente, inúmeros trabalhos estão sendo feitos para compreender o empenamento e minimizar os efeitos causados por esse fenômeno. Nesse capítulo, serão mostradas as características do processo de injeção (focando nas variáveis que afetam o empenamento) e como os aplicativos de simulação por computador tratam o empenamento. Também serão apresentados os testes feitos para medir o empenamento, encolhimento e tensões residuais. Finalmente, um apanhado geral sobre as ferramentas estatísticas usadas para melhor interpretar os resultados obtidos nesse trabalho foi feito.
1.1 - Moldagem por injeção
A moldagem por injeção é uma das técnicas mais aplicadas para obtenção de peças a partir de termoplásticos e é amplamente discutida, sendo que os princípios básicos estão disponíveis com diversas publicações sobre o tema [BERINS, 1991; CHANDA; ROY, 2006; HARPER, 1999; VEGT, 2002].
O ciclo da moldagem por injeção pode ser resumido da seguinte forma: O material termoplástico (usualmente granulado) desce pelo funil, sendo gradativamente despejado em um cilindro onde começa a ser aquecido através das paredes por meio de resistências, quando então é transportado/compactado pelo movimento de rotação e avanço da rosca. Quando o material é suficientemente aquecido, passa por um ponto de injeção para dentro de uma cavidade no molde e, quando suficientemente resfriado, o molde abre-se e a peça é ejetada [VEGT, 2002].
usados canais, que muitas vezes são aquecidos (hot runners) para evitar o resfriamento do fundido antes do preenchimento da cavidade. A cavidade do molde é cercada por paredes espessas de metal, onde passam canais de refrigeração. Além disso, o molde conta com um mecanismo de ejeção para remover a peça após abertura [BERINS, 1991; CHANDA; ROY, 2006; HARPER, 1999; VEGT, 2002]. Na Figura 1.1 pode-se observar um esquema de uma máquina de injeção com rosca (parafuso recíproco).
Figura 1.1 - Máquina injetora e seus componentes principais
O processo de injeção é composto por fases distintas, como mostra a Figura 1.2, que serão descritas nas seções seguintes. Nessa figura é mostrado um histórico de pressões em particular ao longo do processo de injeção, sendo que a pressão cresce durante a injeção até um valor máximo, onde se mantém constante até o fim do empacotamento quando aparecem duas situações diferentes: “a”, com um decréscimo rápido de pressão (maior encolhimento) e “b” com maior pressão no final do processo (maior dificuldade na extração).
Ponto de injeção
Figura 1.2 - Processo de injeção (tempo x pressão no molde) [VEGT, 2002]
1.1.1 - Fase de Preenchimento
A primeira fase do processo de moldagem por injeção é a do preenchimento, que vai do primeiro momento em que o material entra no molde fechado e vai até a fase de empacotamento. Após deixar o canal de injeção, o polímero fundido entra na cavidade do molde, submetendo-se a dois processos simultâneos: fluxo e resfriamento (solidificação). O polímero, quando encontra a parede mais fria do molde forma uma camada sólida que não se move mais. Contudo, na parte central da peça ainda existe o fluxo de material.
A maior taxa de cisalhamento (gradiente de velocidade) ocorre nas vizinhanças da camada solidificada e devido à restrição causada por esta camada, a velocidade do fluxo nesta área é consideravelmente maior que na frente de fluxo, gerando um fluxo perpendicular à parede do molde denominado tipo fonte ( fountain flow ) como pode ser visto na Figura 1.3 [HARPER, 2002].
Tempo (s)
Pressão do molde
(Pa
Figura 1.3 - Fluxo tipo fonte (fountain flow) [HARPER, 1999]
A fase de preenchimento impõe um nível alto de tensões térmicas e mecânicas no polímero fundido. A pressão que age sobre o fundido, fazendo com que este se movimente através do sistema, causa fricção interna assim que o material flui através de restrições e cantos da peça. Essa fricção adiciona calor à massa fundida mas assim que o plástico flui para a cavidade do molde entrando em contato com as paredes mais frias, começa a perder calor imediatamente.
A espessura da parte solidificada do polímero contra a parede depende da velocidade de injeção e da temperatura da parede do molde. Quanto mais alta a velocidade e mais quente a parede do molde, mais fina a parede formada no fundido (camada solidificada) e mais calor de fricção é gerado. Há então um pico de temperatura próxima a parede devido ao calor de fricção que é maior do que a temperatura no núcleo do plástico fundido, como mostra a Figura 1.4 [FISCHER, 2002].
Camada solidificada Perfil de
Figura 1.4 - Distribuição de temperaturas ao longo da espessura do material fundido durante a fase de preenchimento [FISCHER, 2002]
Outro fenômeno interessante na fase de preenchimento é que as moléculas do polímero estão parcialmente orientadas e estiradas na direção do fluxo. Materiais amorfos encolhem um pouco menos quando são refrigerados rapidamente, entretanto, tempo e exposição ao calor após o processo de injeção irão ocasionar encolhimento adicional. No caso de materiais semicristalinos, a macromolécula é freqüentemente “empacotada” sobre si mesma em uma tentativa de formar cristais. O processo de cristalização tende a empacotar longas macromoléculas lado a lado, causando uma estrutura mais compacta perpendicular ao fluxo do que paralelamente ao fluxo, ocasionando um encolhimento perpendicular ao fluxo. As moléculas cristalinas resfriam-se até certo ponto, quando então começam a formar cristais. Como a formação de cristais inicia-se em diversos locais na peça mais ou menos simultaneamente, esses cristais não conseguem fundir-se em um único grande cristal com o formato final da peça. Quando os cristais começam a se avizinhar, o volume restante entre eles forma uma fase amorfa assim que a temperatura decresce [FISCHER, 2002].
superfícies mais quentes ou seções mais espessas tendem a permitir uma maior porcentagem de formações cristalinas que moldes frios ou seções finas [FISCHER, 2002].
1.1.2 - Fase de Empacotamento
Nesta fase é adicionado uma quantidade extra de polímero na cavidade já preenchida com intuito de compensar os efeitos de contração do material que ocorre durante seu resfriamento. Esse fluxo influencia a distribuição de tensões de cisalhamento, principalmente próximo à interface sólido/fundido, devido à menor temperatura e como conseqüência uma maior viscosidade do fundido. Se o tempo em que é aplicada pressão no empacotamento for curto demais, o fluxo pode retornar para os canais de injeção e para o cilindro o que pode gerar uma orientação adicional.
Por outro lado, se a pressão de empacotamento for aplicada por um tempo mais longo que o tempo de resfriamento do canal de injeção pode ocorrer desperdício, já que estaria sendo adicionada uma massa extra de material nos canais de alimentação e não na peça. O desequilíbrio das tensões internas entre as camadas resfriadas, a pressão de empacotamento e o efeito fonte da frente de fluxo interferem no surgimento de tensões residuais. Se a peça é submetido a altas pressões de empacotamento (overpacking) e as tensões internas não conseguem ser reduzidas por ação térmica, a peça começa a empenar até que as tensões internas se equilibrem, resultando em tensões sob tração nas camadas externas e de compressão na parte central [LOTTI, 2004].
1.1.3 - Fase de Resfriamento
Um tempo de resfriamento muito curto resulta uma peça com encolhimento excessivo ou empenamento. Se o tempo for muito longo pode resultar em tensões excessivas (in-mold stress) e quebra em casos extremos. A temperatura da peça recém-ejetada não é uniforme ao longo da espessura da parede, pois o núcleo da peça leva mais tempo para resfriar e sempre existe uma tensão residual devido essa diferença [LOTTI, 2004].
A Equação 1.1, mostrada por Agassant et al. [1996] como uma aproximação para determinar o tempo de resfriamento necessário para a solidificação ou ejeção de peças e também pode ser usada para determinar o perfil de temperaturas ao longo da espessura da peça em qualquer momento ao longo do tempo de resfriamento [BOM; KALNIN, 2007a].
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − = − −
∑
∞ = e y n e t n n T T t y T T r n n inj mol mol . 2 1 cos . 2 1 exp 2 1 ) 1 ( 2 ) , ( 2 2 2 0 π α π π (1.1)onde Tmolé a temperatura do molde, Tinj é a temperatura de injeção, T(y,t) é a temperatura
em qualquer posição e qualquer tempo , n é o número do termo da série, α é a difusividade térmica, tr é o tempo de resfriamento, e é a metade da espessura da peça e y é a posição na
espessura da peça. Essa equação não reproduz o pico de temperatura formado pelo atrito entre o fluxo e as camadas solidificadas junto à parede do molde, situação mostrada na Figura 1.4.
Enquanto a peça está sendo resfriada, materiais amorfos comportam-se de forma diferente de materiais semicristalinos. As moléculas amorfas formam elos de fricção de forma gradual com as moléculas adjacentes, e a massa se torna progressivamente mais viscosa até que atinja sua resistência e rigidez máximas. O encolhimento dos plásticos após a remoção do molde é mais complicado que uma simples contração térmica pelo fato que a maioria dos materiais não tem a longa estrutura de cadeias que os plásticos têm. Materiais amorfos mudam muito pouco além da relaxação de tensão gradual após terem sido resfriados até a temperatura ambiente.
ocorre dentro do molde, mas deve ser considerada. Alguns materiais semicristalinos como o nylon são higroscópicos e devem passar pelo processo de secagem antes da moldagem. Após a moldagem eles irão absorver umidade do meio até ficarem “saturados”. Isso muda o tamanho e características mecânicas da peça. Quanto mais rápido um polímero semicristalino resfria, menor a região cristalina e maior a região amorfa. Entretanto, mesmo após o material semicristalino resfriar até a temperatura ambiente, ele pode continuar a aumentar lentamente o percentual de cristalização e portanto continuar a encolher [FISCHER, 2002].
1.2 - Empenamento
O empenamento faz com que a peça se torça ou dobre fora de seu formato de projeto, alterando não somente a dimensão final mas também os contornos e ângulos da peça. Esse fenômeno é mais facilmente identificado em peças grandes e planas, sendo indesejável em qualquer tipo de peça, especialmente quando é necessário um fechamento ou montagem em uma contra peça [FISCHER, 2002].
O empenamento está relacionado ao fenômeno de encolhimento do material e é resultante quando encolhimento não uniforme ocorre na peça [BURKE; KAZMER, 1993; KIKUCHI; KOYAMA, 1996; KAMAL; LAI-FOOK; HERNANDEZ-AGUILAR, 2002]. As tensões relacionadas com essas deformações surgem devido a gradientes térmicos ao longo ou através da peça, diferentes níveis de encolhimento causado por orientação das macromoléculas ou fibras induzidas pelo fluxo e/ou por variação nos níveis de encolhimento volumétrico gerado por gradientes de pressão na peça. O comportamento do encolhimento é atribuído à variação das propriedades volumétricas com pressão e temperatura, ou seja, a variação pvT durante o processo de moldagem e pós-moldagem e também da refrigeração não uniforme na peça devido a um projeto deficiente do circuito de refrigeração [CHANG et al., 1998].
sem aplicação de nenhum carregamento externo, no produto final. Dependendo da situação a tensão residual pode ser prejudicial ou benéfica. Tensões residuais compressivas na superfície da peça podem prevenir a abertura de trincas aumentando a resistência à fadiga. Por outro lado, quando tensões devidas a carregamentos externos são adicionados à tensão residual, a deformação plástica irá se iniciar a um carregamento mais baixo que de uma peça com menor tensão residual. Uma distribuição assimétrica nas paredes do molde irá causar tensões residuais assimétricas, o que resulta em momentos. Se a peça não é suficientemente rígida irá empenar-se após ejeção. Em um caso geral de tensão residual em uma peça injetada, as fontes dessas tensões podem ser divididas da seguinte forma:
1. Tensão residual induzida pelo fluxo, gerada como resultado do cisalhamento.
2. Tensão de empacotamento, resultante das altas pressões impostas durante
empacotamento
3. Tensões térmicas, formadas durante solidificação e resfriamento [ZHANG et al., 2002].
1.2.1 - Fatores que afetam o empenamento
A bibliografia analisada menciona diversos fatores que são potenciais causadores do empenamento. Esses fatores foram previamente estudados sob o ponto de vista prático (guias de projeto, regras para processamento, cuidados na escolha do material) ou de forma empírica. Outros autores buscaram a relação matemática do fenômeno, ligando o empenamento a propriedades do material ou o comportamento desse material quando submetido a situações de contorno específicas.
1.2.1.1 - Projeto da peça
1.2.1.1.1 - Uniformidade (espessura) da parede
Figura 1.5 - Duas alternativas de projeto referente espessura da parede [DUPONT,2007]
1.2.1.1.2 - Rigidez/Nervuramento
Incorporar nervuras na peça ajuda a aumentar rigidez, mas pode levar a empenamento. A adição de nervuras faz com que os contornos da cavidade mudem abruptamente, interrompendo o fluxo normal do material. As nervuras podem também criar variações significativas de espessura [FISCHER, 2002]. A Figura 1.6 mostra uma sugestão de como otimizar o encontro de uma parede com uma nervura por meio da utilização de um furo.
Figura 1.6 - Duas alternativas de projeto referente a nervuramento [GE PLASTICS 1, 2007]
a)
b) melhor
a)
1.2.1.2 - Molde
1.2.1.2.1 - Material e acabamento do molde
Ferramentas de alta qualidade são construídas para atingir tolerâncias mais estreitas e limitar a deformação causada pela pressão exercida na cavidade e forças de fechamento. Um bom projeto do molde e uma escolha correta no material de construção desse molde ajudam a dissipar melhor o calor minimizando o empenamento. Por exemplo, o uso de cobre, berílio ou ligas de alumínio em regiões específicas do molde ajudam a remover mais rapidamente o calor dessas regiões críticas. Materiais mais duros tem geralmente uma condutividade menor que materiais menos duros, entretanto, técnicas de refrigeração mais sofisticadas podem ser empregadas para contornar o alto custo de materiais mais nobres [FISCHER, 2002].
1.2.1.2.2 - Localização do ponto de injeção
A localização do ponto de injeção afeta a orientação das macromoléculas, o que é de suma importância quando estão sendo moldados materiais semicristalinos [FISCHER, 2002]. A Figura 1.7 mostra a colocação do ponto de injeção na lateral e na extremidade da peça., sendo que na extremidade há uma orientação mais uniforme, minimizando o encolhimento diferencial [FISCHER, 2002; POPPE et al.,2007].
A localização do ponto de injeção pode ser influenciada pela aparência final desejada para a peça. Certas superfícies podem ser esteticamente importantes e uma marca de ponto de injeção nessas superfícies é proibitivo. Pontos de injeção centralizados equalizam o comprimento do fluxo, colocados simetricamente minimizam empenamento e colocados nas regiões mais espessas minimizam rechupes [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004].
Na Figura 1.8 é demonstrada uma peça longa com um furo deslocado para um dos lados. Quando o material flui para dentro da cavidade, a orientação das fibras será paralela ao longo do eixo em um dos lados, mas o fluxo será perturbado no lado oposto onde está o furo, causando uma distribuição aleatória de fibras naquela região, sendo que é mais provável a peça encolher no lado do furo, empenando naquela direção.
Figura 1.8 - Influência de da posição do ponto de injeção e um furo deslocado no empenamento [POPPE et al.,2007]
1.2.1.2.3 - Formato e quantidade do ponto de injeção/canal de injeção
Pontos de injeção múltiplos podem ser usados para minimizar a distância de fluxo até o final da peça, ajudam a controlar orientações de fibra e aumentam a desordem do fluxo.
Contudo muitos pontos de injeção do mesmo lado da peça podem causar empenamento porquê tem-se menor encolhimento em regiões mais próximas do ponto de injeção, além do fato de que aumentam a quantidade de linhas de solda (weld lines), o que pode ser minimizado fazendo uma abertura seqüencial dos pontos de injeção [FISCHER, 2002].
1.2.1.2.4 - Tamanho do canal de injeção
A Figura 1.9 mostra as dimensões principais do ponto de injeção. É recomendada a espessura do ponto de injeção em 2/3 da espessura da peça para materiais amorfos sendo que a área de seção transversal determina quando o ponto de injeção solidifica [POSCH; GRANATA; COLZANI; 2004].
Figura 1.9 - Dimensionamento do canal de injeção [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004]
1.2.1.2.5 - Sistema de ejeção / posição dos extratores
gruda ou tranca enquanto ejetada, existe um potencial de que a peça fique empenada ou aumente as tensões residuais [FISCHER, 2002].
1.2.1.2.6 - Sistema de refrigeração
As funções primárias do molde são de dar forma, conter e resfriar o plástico fundido. É importante notar que mesmo quando temos temperaturas de fluido refrigerante idênticas tanto na placa móvel quanto na placa fixa ainda podem existir diferenças na capacidade de resfriamento. Insertos e cantos internos das peças requerem mais refrigeração que partes planas ou externas da peça. Regiões espessas também exigem mais refrigeração devido a maior quantidade de massa.
Figura 1.10 - Efeito do desbalanceamento de temperatura no molde e correlação com as tensões [MOLDFLOW, 2001] apud [POSCH; GRANATA; COLZANI, 2004]
Quando a peça tem rigidez suficiente para evitar ondulações/empenamento, irá manter sua forma, entretanto, terá muita tensão residual. Isso é importante porque níveis elevados de tensões internas podem baixar a resistência e levar à quebra por tensões externas, redução na resistência ao impacto e empenamento, caso expostas a altas temperaturas durante processos de montagem ou uso. Por outro lado, se a peça não apresentar rigidez elevada, as tensões internas aparecem imediatamente sob forma de empenamento. O tamanho e localização dos canais é extremamente importante, já que é o que capacita uma remoção de calor rápida e uniforme durante o estágio de solidificação do material [FISCHER, 2002]. A Figura 1.11 mostra uma regra geral de projeto quando a simulação por computador não está disponível, sendo que as relações dimensionais mostradas são alteradas de acordo com cada material de molde citado na figura..
1.2.1.3 - Material
Na busca de materiais para uma aplicação em particular com tolerâncias específicas é importante considerar as tendências de encolhimento desse material. Materiais amorfos e semicristalinos tem características de encolhimento particulares, sendo que ambos podem ser alterados por aditivos como carga, concentrado de cor e reforçadores de fibra.
1.2.1.3.1 – Estrutura molecular
É importante a distinção dos polímeros quanto a sua estrutura molecular (existem os polímeros amorfos e semicristalinos). Em um polímero amorfo, as moléculas estão orientadas aleatoriamente e estão entrelaçadas. Os polímeros amorfos são, geralmente, transparentes. Nos polímeros semicristalinos, as moléculas exibem um empacotamento regular e ordenado em determinadas regiões, sendo que essas características podem ser visualizadas na Figura 1.12.
Polímeros amorfos geralmente produzam peças com encolhimento isotrópico. Esse encolhimento isotrópico é definido como a característica de ter igual encolhimento tanto na direção do fluxo como transversal ao fluxo. Resinas amorfas exibem uma larga faixa de amolecimento quando aquecidos acima de sua Tg (temperatura de transição vítrea), que é o valor médio da faixa de temperatura que durante o aquecimento de um material polimérico permite que as cadeias da fase amorfa adquiram mobilidade, sendo que a viscosidade do polímero decresce gradualmente até que o ponto ideal de processamento seja atingido [CANEVAROLO, 2002].
Essas condições de processo têm um papel importante no encolhimento resultante de uma resina amorfa. Quanto mais quente a peça estiver no momento da ejeção, mais longo o tempo de resfriamento sem a restrição da cavidade. Esse encolhimento livre é geralmente maior que o encolhimento restrito porquê o molde tende a solidificar a peça dentro de um volume restrito, entretanto, isso pode causar tensões residuais sendo que se a peça for submetida a um aquecimento acima da Tg haverá um alívio de tensões, gerando encolhimento e possivelmente empenamento. O tempo de empacotamento deve ser suficientemente grande para permitir que o canal de injeção se solidifique. Quando esse tempo é muito curto a pressão cai e o encolhimento aumenta.
A pressão de empacotamento é usada para comprimir o fundido na cavidade durante a solidificação. Uma pressão de empacotamento constante é usada para manter um volume constante na cavidade. Assim que a resina é resfriada, o volume específico decresce a uma pressão constante e uma quantidade extra de material fundido pode adicionada na cavidade antes da solidificação do canal de injeção. Esse excesso de material pode minimizar os efeitos de empenamento mas pode ocasionar sobre-empacotamento (overpacking) que gera tensões residuais internas. Peças injetadas com materiais semicristalinos geralmente mostram encolhimento anisotrópico, que quer dizer que o encolhimento na direção do fluxo é diferente do encolhimento transversal ao fluxo [FISCHER, 2002].
Diferente dos materiais amorfos, os materiais semicristalinos apresentam Tm
o polímero está em um estado borrachoso, enquanto que acima a estrutura cristalina está dissolvida e o polímero flui normalmente [CANEVAROLO, 2002].
Na fase de resfriamento a nucleação se inicia e a estrutura cristalina cresce radialmente de cada ponto de nucleação. A estrutura resultante é esférica em torno desse ponto e é referida como esferulita. Dentro da esferulita aparecem lamelas de cristais separadas por uma fase amorfa. Uma cristalização secundária ocorre a medida que segmentos moleculares disponíveis são adicionados nos cristais estabelecidos. Essa segunda é responsável por encolhimento adicional. O grau absoluto de cristalização é dependente da taxa de cristalização e da taxa de resfriamento. Em moldagem por injeção, muitos polímeros semicristalinos não atingem seu máximo potencial de cristalização devido ao rápido resfriamento do fundido na cavidade. Devido ao alto grau de empacotamento das cadeias de macromoléculas, a densidade de um sólido semicristalino é proporcional ao grau de cristalinidade. Mecanicamente, um polímero semicristalino tem elevada rigidez, pois os cristais desempenham um papel de “trava” na estrutura do polímero. A cristalização é também um processo que reduz o volume do material, sendo que esse tipo de polímero irá exibir um encolhimento muito mais alto do que seria previsto sem a cristalização [FISCHER, 2002].
A contração de peças plásticas moldadas por injeção pode chegar a 20 % do volume, quando considerada a temperatura de processamento e temperatura ambiente. A cristalização dos polímeros é dificultada por ramificações, sendo que quanto menor o grau de ramificação das macromoléculas (maior empacotamento), maiores a densidade e a rigidez. Quando os materiais semicristalinos são resfriados abaixo de sua temperatura de fusão, as moléculas organizam-se mais ordenadamente, formando cristais. Já a microestrutura dos materiais amorfos não muda com a mudança da fase fundida para a fase sólida. Esta diferença de comportamento leva os materiais cristalinos e semicristalinos a uma maior variação do volume específico entre as fases.
ordenado das cadeias poliméricas no retículo cristalino. Observa-se também que, tanto para polímeros amorfos como para polímeros cristalinos, o aumento da pressão de injeção (indo da curva superior em direção à inferior) acarreta menor variação no volume específico, devendo reduzir a contração [IPIRANGA, 2003].
Figura 1.13 - Características de curvas pvT para polímeros amorfos e semicristalinos [IPIRANGA, 2003]
1.2.1.4 - Processamento
Variáveis de processo tem um papel significativo no encolhimento e empenamento da peça. Os efeitos causados pela manipulação desses fatores também se manifestam sob formas de interações, sejam uns com os outros ou com material e condições do molde. Além disso, alguns fatores não apresentam comportamento linear, ou seja, existe um ponto ótimo a se atingir e não basta simplesmente minimizar ou maximizar o valor daquela variável.
1.2.1.4.1 - Velocidade de injeção
o empacotamento da cavidade porquê o material resfria durante a fase de preenchimento e o canal de injeção irá solidificar-se muito rápido depois que o molde for preenchido, levando ao encolhimento da peça. Por outro lado, se a cavidade for preenchida muito depressa, a queda de pressão no canal de injeção se torna excessiva e a pressão requerida para preencher a cavidade sobe. O encolhimento tende a aumentar porquê a temperatura do plástico na cavidade tende a aumentar acima do que seria para uma velocidade de injeção ótima. Essa velocidade ideal depende da geometria e localização do canal de injeção, temperatura do molde e temperatura de injeção [FISCHER, 2002].
1.2.1.4.2 - Pressão de injeção
A pressão de injeção deve ser suficientemente alta para preencher a cavidade. Altas pressões tendem a minimizar o encolhimento. A pressão de injeção máxima está limitada a capacidade de fechamento do molde. Normalmente existe variação de pressão na cavidade, desde o canal de injeção até o último ponto a preencher. Se a diferença de pressão for muito grande, pode ocorrer o encolhimento não-uniforme gerando empenamento ou tensões residuais [FISCHER, 2002].
1.2.1.4.3 - Temperatura de injeção
Tanto valores muito baixos quanto altos podem ocasionar empenamento. Quando a temperatura de injeção é muito baixa, o polímero mal preenche a cavidade antes que o canal de injeção se solidifique. O gradiente de pressões do canal de injeção até o final da cavidade é alto, a pressão no fim do preenchimento é baixa e por isso o encolhimento é alto. Quando a temperatura for muito alta, um encolhimento maior é esperado devido a mudança de temperatura. O núcleo do fundido está quente quando o canal de injeção congela (a menos que o canal de injeção tenha a mesma espessura da peça) [FISCHER, 2002].
1.2.1.4.4 - Tempo de empacotamento e pressão de empacotamento
inversamente proporcional ao encolhimento. Dessa forma quanto mais alta a pressão e maior o tempo, melhor em relação a encolhimento. Quanto maior o canal de injeção e mais quente o molde, um maior tempo de empacotamento pode ser utilizado. Maiores temperatura de molde dão mais tempo para cristalização, o que causa mais encolhimento dentro do molde, por outro lado, aumenta a estabilidade ao longo prazo [FISCHER, 2002].
1.2.1.4.5 - Temperatura do molde e tempo de resfriamento
A temperatura do molde afeta a taxa de resfriamento. Quanto mais rápido uma peça é resfriada, menor o tempo que as moléculas individuais têm para se reorganizarem e o encolhimento é menor. Plásticos semicristalinos requerem um certo tempo para rearranjar suas moléculas em uma estrutura cristalina (quanto mais tempo disponível, maior e mais numerosas são as estruturas e mais o material encolhe). Plásticos amorfos relaxam tensões residuais internas quando refrigerados lentamente, sendo que isso resulta em uma maior densidade e encolhimento da peça, por outro lado, peças resfriadas muito rapidamente podem apresentar encolhimento de longo prazo e empenamento quando expostos ao calor [FISCHER, 2002].
1.2.1.4.6 - Temperatura de desmoldagem
A temperatura de desmoldagem ou temperatura de ejeção é a temperatura que deve ser atingida na região mais quente da peça (usualmente o centro da parede mais espessa) antes da peça ser ejetada do molde sem risco de distorção devido à falta de rigidez . Se o pino ejetor deixar marcas distorcidas na peça é um indício de que provavelmente está sendo desmoldada muito cedo, ou não existe um número suficiente de ejetores [FISCHER, 2002].
1.2.1.5 - Condições ambientais e de serviço
montagem e condições de uso da peça. O efeito de encolhimento e empenamento após o processamento deve-se basicamente a tensões residuais aliviadas ao longo da vida do produto [FISCHER, 2002].
1.3 - Engenharia assistida por computador
O termo computer-aided Engineering (CAE) descreve o uso de computadores para análise de um projeto em particular. Freqüentemente esse projeto é um novo produto, mas no contexto de plásticos pode ser um novo projeto de sistema de refrigeração para um molde ou mesmo o molde em si. Existem muitos tipos de análise disponíveis hoje em dia, como: análise estrutural para determinação de deflexões e tensões em um projeto sujeito à aplicação de forças, análise térmica em que a distribuição de temperaturas é calculada, análise de fluxo em que o fluxo de um material específico passando por uma região determinada pode ser calculado e análise mecânica onde o movimento de um sistema mecânico é determinado [HARPER, 1999].
1.3.1 - Moldagem por injeção
Moldagem por injeção parece ser um processo simples. Um molde é criado para dar forma a um componente feito de um material plástico fundido injetado que, quando suficientemente resfriado, é ejetado. Apesar da aparente simplicidade existem fatores que complicam significativamente o processo, como: natureza da moldagem por injeção (em particular a física do processo), propriedades do material, geometria complexa do molde e otimização e estabilidade do processo [HARPER, 1999].
1.3.2 - Simulação do empenamento
A Moldflow introduziu a previsão de empenamento e encolhimento no aplicativo em 1990. Desde lá, foram incorporados diversos detalhes que aumentam o poder do aplicativo na previsibilidade do processo de injeção.
Os métodos de tensão residual são mais intimamente ligados à física do processo, mas requerem uma caracterização mais detalhada do material para terem um resultado satisfatório. A idéia é prever a tensão residual enquanto a peça ainda está no molde. Independente do método usado, a previsão do empenamento requer uma previsão acurada do preenchimento, empacotamento e resfriamento. Resultados da simulação de empenamento incluem a peça deformada, deflexões em x, y e z, tensões residuais e deformações. A peça deformada e sua distribuição de tensões podem ser usadas subseqüentemente para análises estruturais [HARPER, 1999].
1.3.2.1 - Dados de encolhimento
O programa MPI (Moldflow Plastics Insight) permite o uso de 3 tipos de dados de encolhimento e modelos:
1. Modelo de tensão residual (dados de propriedades mecânicas requerido)
2. Modelo de deformação residual (Dados de encolhimento Moldflow requerido)
3. Modelo de tensão residual no molde corrigido (CRIMS) (Dados de
encolhimento Moldflow requerido).
A Moldflow recomenda o uso do modelo CRIMS para atingir os melhores resultados de simulação. A técnica CRIMS usa a tensão residual no molde prevista dos modelos teóricos corrigindo-a com base em dados de medições. O resultado é a tensão residual anisotrópica para materiais amorfos e semicristalinos. O método CRIMS combina o modelo teórico , um modelo para desenvolvimento da morfologia e a correção dos erros devido ao uso dos dados de material obtidos em laboratório em vez de obtidos no molde de injeção [HARPER, 1999; THOMAS, 2002]. Esse método será discutido na Seção 1.5.1.
1.4 - Estado da arte
