Aplicação de ligas de alumínio em moldes para injeção de termoplásticos

A produção mundial de materiais plásticos continuará crescendo de forma significativa nos próximos anos [1,2]. De acordo com a Plastics Europe, a produção atingiu os valores de 335 milhões de toneladas (MT) e 348 MT em 2016 e 2017, respectivamente, e é esperado atingir a impressionante marca de 400 MT em 2020 como pode ser visto na figura 1 abaixo.


Figura 1- Evolução da produção mundial de resinas plásticas

O aumento no volume global de materiais plásticos tem sido impulsado pelo uso em inúmeras aplicações, com destaque para embalagens que em 2015 representou aproximadamente 36% do volume mundial, seguido de construção civil (16%), têxteis (14,5%), utilidades domésticas (10,3%), transportes/automotivo (6,6%), produtos eletrônicos (4,4%) e outros (11,4%).

Levando-se em consideração somente o processo de injeção na produção de produtos plásticos, a Grand View Research Inc. (GVR), uma importante empresa de pesquisa de mercado americana, elaborou um relatório detalhado sobre previsão do mercado mundial de produtos injetados para o período de 2017 à 2025 em função das resinas Polipropileno (PP), Poliestireno (PS), Polietileno Alta Densidade (PEAD) e Acrilo-Butadieno-Estireno (ABS) e nas aplicações mais relevantes como embalagens, produtos eletrônicos, utilidades domésticas, automobilística, construção civil, equipamentos médicos.

Segundo a GVR, o mercado de plásticos injetados deverá crescer a uma taxa anual de 6% no período 2017-2025, atingindo a relevante cifra de US$ 496,22 bilhões, isto é, cerca de US$ 500 bilhões em 2025, ante a um valor de US$ 284 bilhões alcançado em 2016.

Em termos do volume produzido em milhões de toneladas, o relatório da GVR estima que 180 MT de materiais plásticos serão injetados em 2025, ante a um volume de 130 MT em 2016. Comparado esse volume de materiais injetados com o volume total de resinas produzindo de 335 MT para o mesmo ano, conclui-se que quase 40% do volume total de matéria prima plástica produzida em 2016 foi transformada em produtos plásticos através do processo de injeção, confirmando a sua já estabelecida relevância entre os diversos métodos de processamento e transformação de materiais poliméricos.

Em relação ao tipo da resina usada em injetados, o relatório da GVR informa ainda que o PP representará a maior parcela com aproximadamente 36%, seguido de perto do ABS com cerca de 28%%, PEAD com algo em torno de 15%, PS com 8%, e o restante outras resinas como a Poliamida (PA), o Poliuretano (PUR), o Polietileno Tereftalato (PET) e Poliésteres. Em termos dos setores de aplicação dos produtos injetados, a indústria de embalagens continuará sendo o maior mercado, seguido pela indústria automobilística, construção civil, utilidades domésticas, produtos eletrônicos e equipamentos médicos.

A popularidade do processo de injeção na produção de produtos plásticos se deve as suas inúmeras vantagens tais como:

(a) Um processo de alta produtividade, facilmente robotizado e automatizado, reduzindo-se assim o custo de mão-de-obra;

(b) Extensa gama de resinas plásticas injetadas sem ou com cargas minerais para aumento de resistência mecânica ou busca de propriedades específicas necessárias na peça injetada;

(c) Capacidade de produção de peças tridimensionais, com formatos simples ou bastante complexos, com elevada qualidade, precisão dimensional e reprodutibilidade;

(d) Múltiplos acabamentos superficiais e texturização possíveis.

Como principais desvantagens pode-se citar:

(a) Investimentos elevados com máquinas de injeção (principalmente as mais modernas, com inúmeros novos recursos tecnológicos de automação e controle) e sua capacidade em termos pressão total de injeção;

(b) Um investimento inicial elevado relativo aos custos de usinagem e dos materiais utilizados no ferramental do molde, que para ser amortizado, dependerá de volumes mínimos de peças injetadas.

O tradicional aço similar à norma AISI P20 com aproximadamente 0,4% de Carbono (C) - 1,5% de Manganês (Mn) - 1,9% de Cromo (Cr) - 0,2% de Molibdênio (Mo), composição química nominal dos elementos principais, na condição pré-beneficiado (temperado e revenido , e tipicamente com dureza de 28-32 HRC ) ainda é o material mais utilizado em todo o mundo para moldes de injeção de termoplásticos em geral (polietileno, polipropileno, policarbonatos, poliestireno, ABS, entre outros). Isso se deve principalmente aos fatores de seu baixo custo, fácil disponibilidade no mercado, facilidade na usinagem, vida útil com boas condições de uso após algumas centenas de milhares ou milhões de injeções.

Porém, mais recentemente e por conta de um marketing cada vez mais agressivo, as empresas têm sido forçadas a lançar novos produtos e com novos designs em frequências cada vez maiores, ou seja, novos produtos lançados em espaços de tempo cada vez mais curtos para assim manter seus produtos sempre atrativos ao mercado.

Por outro lado, isso implica que os moldes sejam projetados, usinados e construídos em tempos cada vez menores e, muito mais importante ainda, que os produtos sejam injetados com alguma redução no ciclo de injeção, o que é basicamente comandado pela etapa de resfriamento que via de regra representa de 50 à 80% do tempo do ciclo total de injeção. Em resumo, moldes projetados com materiais de superior usinabilidade e condutividade térmica e que resultarão também em ganhos de produtividade e diminuição do custo final da peça injetada, conforme esquematicamente demonstrado na figura 2 abaixo.


Figura 2 - Tendência do mercado de produtos de materiais plásticos injetados, consequências na fabricação dos moldes e no processo de injeção e possibilidade de ganhos de produtividade e diminuição de custo da peça injetada

Dentro do processo de injeção e na busca da diminuição do custo final de uma peça injetada, existem inúmeras variáveis que têm limitada flexibilidade para alterações ou mudanças desde seu projeto, durante a usinagem/fabricação do molde bem como no próprio processo de injeção. Por exemplo:

Recursos próprios em termos de equipamentos & centros de usinagem;

Recursos próprios em termos de tipos e capacidades (50, 100, 500 MT, etc.) de injetoras;

Tipo de resina plástica a ser injetada (com ou sem carga mineral);

Tipos e recursos de softwares para simulação numérica do processo de injeção;

Dimensões do molde e do produto injetado;

Design, complexidade, tolerâncias e acabamento da parte injetada;

Número de cavidades do molde;

Volume de peças a ser produzido;

Outras variáveis.

Por outro lado, uma variável adicional bastante flexível para escolha e mudança é o tipo de material utilizado no molde que, quando comparado com o tradicional aço AISI P20, possibilite apresentar:

Custo específico similar ($/volume);

Usinabilidade superior para diminuir o tempo de usinagem e consequentemente o custo final do molde;

Condutividade superior para diminuir o tempo de resfriamento e consequentemente reduzir o ciclo de injeção atual.

Os pré-requisitos acima são facilmente encontrados com as ligas de alumínio que há muito tempo têm sido utilizadas na indústria de transformação de materiais poliméricos, principalmente nos processos de injeção sob baixa pressão como sopro e termoformagem, mas, no caso de moldes de injeção sob pressão, seu uso é ainda muito pequeno. Porém, em alguns países como Alemanha, França, Itália, Reino Unido, EUA e Japão, as ligas de alumínio de resistência mais elevada, como as ligas Alumínio-Zinco-Magnésio (Al-Zn-Mg) com Cobre (Cu) da família 7 XXX, têm sido utilizadas há mais de 20 anos em moldes de injeção no lugar do aço AISI P20 (e outros aços) e seu uso tem crescido de forma expressiva, impulsionado principalmente pelas OEMs do setor automotivo e suas cadeias produtivas.

Um exemplo a ser destacado é a Honda que desde 2007 impôs que cada veículo produzido nos EUA deva incluir partes plásticas injetadas em ferramentais híbridos onde ligas especiais de alumínio e não somente aços (como o AISI P20 e muitos outros) sejam utilizados. Desde então, vários carros da Honda americana foram produzidos atendendo esse requisito e outras OEMS como GM, Nissan e Tesla estão seguindo a mesma tendência.

No Brasil, a utilização de ligas de alumínio para moldes de injeção pode ser considerada como irrisória e basicamente utilizadas para prototipagem e em cavidades de processos de baixa pressão como sopro e termoformagem. Muitos produtos plásticos que anteriormente eram projetados e injetados em moldes com o aço AISI P20 objetivando vida útil de mais de 1.000.000 de ciclos, hoje deveriam ser projetados para atender uma vida útil e volumes de produção bem menores, em faixas inferiores a 500.000 ou mesmo 250.0000 ciclos.

Apesar disso, pouca atenção tem sido dada a esse fato tanto pelos projetistas e fabricantes de moldes bem como pelos próprios usuários finais dos moldes e com isso atualmente muitos moldes são desnecessariamente projetados e fabricados com o aço AISI P20.

A causa primária para isso é o mito de que as ligas de alumínio não teriam a resistência mecânica necessária para resistir ao desgaste nem tampouco as pressões de injeção. Esses e outros mitos e limitações ainda persistem, mesmo em países mais desenvolvidos, mas os exemplos da Honda nos EUA e outras OEMs têm demonstrado o contrário. Há atualmente uma clara tendência de aumento no uso de ligas de alumínio para moldes de injeção e aumento do número de ferramentarias e fabricantes de moldes que tem se especializado no projeto e construção de moldes confeccionado com ligas alumínio nos EUA e outros países.

Neste artigo são revistas a metalurgia física, as composições químicas típicas, propriedades físicas e mecânicas de ligas de alumínio trabalhadas em Al-Zn-Mg com Cu endurecíveis por precipitação da família 7XXX para moldes de injeção e suas vantagens na melhoria de produtividade e diminuição do custo final das peças injetadas quando comparado com moldes confeccionados com o tradicional aço AISI P20.

1. Ligas trabalhadas de alumínio de alta resistência: metalurgia, composições típicas, propriedades físicas, mecânicas e usinabilidade

Os principais elementos de liga, mecanismo de endurecimento, limite de resistência (LR) e sistema de classificação (utilizado em praticamente todas as normas internacionais) para ligas de alumínio trabalhadas mecanicamente podem ser vistos tabela 1 [13]. Como pode ser observado, as ligas trabalhadas de Al com Zn, Mg e Cu, da série/família 7XXX, tratáveis termicamente, são as que apresentam as maiores propriedades mecânicas após tratamento térmico de envelhecimento e deveriam ser consideradas prioritariamente em moldes de injeção.

Várias combinações de composições das ligas Al-Zn-Mg com Cu da série 7XXX são usadas na indústria principalmente para aplicações estruturais. Além de Zn, Mg e Cu outros elementos como Cromo (Cr), Manganês (Mn), Titânio (Ti) e Zircônio (Zr) (<1%) estão presentes para melhorar outras propriedades como refino de grão durante solidificação, temperabilidade e soldabilidade enquanto que os elementos Ferro (Fe) e Silício (Si) estão presentes como impurezas em quantidades ainda menores (<< 1%).


Tabela 1 - Elementos de liga, mecanismo de endurecimento, limite de resistência (LR) e sistema de classificação para ligas de alumínio trabalhadas mecanicamente

O mecanismo básico de endurecimento das ligas de Al endurecíeis por precipitação já foi bastante estudado e consiste na interação das Zonas de Gunier-Preston (ZGP) e precipitados com as discordâncias, elevando significativamente os limites de escoamento e resistência dessas ligas, quando comparados com o estado solubilizado ou supersaturado

Como a densidade, tamanho, dispersão e espaçamento entre as ZGP e precipitados são todos afetados pelo processo de solubilização (temperatura e tempo), velocidade de resfriamento e número de envelhecimentos, temos que o grau de endurecimento e propriedades mecânicas poderão variar significativamente.

Na prática, o estabelecimento dos ciclos de solubilização e envelhecimento são obtidos sem muita dificuldade e praticamente já foram otimizados pelos fabricantes das ligas 7XXX para atender sua aplicação final, principalmente para aplicações aeronáuticas e estruturais. No caso de aplicação em moldes de injeção, além da sanidade interna, a variável de maior dificuldade será a taxa crítica de esfriamento que varia com a espessura da placa e tipo de liga.

Quanto mais espessa a placa, menor será a velocidade de resfriamento no núcleo e maior a diferença de propriedades entre superfície e núcleo das placas. Quanto maior a velocidade de resfriamento maior a densidade de lacunas em excesso retidas e que vão contribuir na difusão atômica e assistir a precipitação das ZGP e fases intermediárias durante o envelhecimento. Assim, no projeto de liga tem que levar em consideração o meio, forma e eficiência do resfriamento industrial bem como a adição especial de elementos de liga que garantam a menor heterogeneidade de propriedades mecânicas ao longo da espessura da placa.

Na tabela 2 são comparadas propriedades mecânicas de algumas das ligas da família 7 XXX. Como pode ser observado, vários tratamentos de têmpera (T6, T651, T73, T736, etc.) são utilizados. O ciclo T6 consiste do uso de uma única temperatura de envelhecimento, normalmente entre 120°C e 150°C por 20-30 horas. Com esse ciclo obtém-se os picos de resistência mecânica, porém com menor tenacidade e corrosão sob tensão, principalmente na direção da espessura.

O ciclo T651 consiste em uma deformação permanente por estiramento entre 1-3% após a têmpera com o objetivo de aliviar as tensões de têmpera e corrigir distorções geométricas oriundas do resfriamento rápida. O ciclo T73 consiste em um duplo envelhecimento com intuito de melhorar a resistência à corrosão sob tensão. O T736, analogamente ao T651, consiste em deformação por estiramento entre 1-3%.

Tabela 2 - Propriedades mecânicas de ligas de alumínio 7 XXX [16]

A tabela 2 revela valores de LR de 505 à 650 MPa e LE0,2% de 435 à 570 MPa, alongamento entre 10-14% e a dureza entre 142-165HB para essas ligas de alumínio da família 7XXX. Usando como comparação a liga tradicional 7075 T651 (LR = 570 MPa e LE = 505 MPa e que representa aproximadamente a média das faixas acima) com os valores médios típicos dos aços carbono 1045 (estado recozido, sem tratamento térmico) e dos aços pré-beneficiados AISI P20 (tipicamente pré-tratados com dureza de 28-32 HRC) e ambos usados em larga escala em moldes de injeção, obtém-se a figura 3.

Como se observa, embora haja ainda uma diferença substancial nos valores de LR entre a liga 7075 T651 e os aços AISI P20, a sua variação é muito menor em relação ao LE0,2% e este último, quando comparado com o tradicional AISI 1045, já é na realidade superior.

Considerando-se que em projetos de moldes de injeção sob pressão o LE é a propriedade mais relevante pois indicará a resistência a uma deformação plástica, logo a liga 7075 T651 é superior ao aço 1045 e já está bem próxima do tradicional aço AISI P20 com 30 HRC de dureza. Considerando-se ainda que durante o processo de injeção de termoplásticos os valores de pressões máximas de injeção normalmente ficam dentro da faixa 1.000-1.400 bar (ou 100-140 MPa) e eventualmente 1.600 bar (160 MPa), logo a liga de alumínio 7075 T651 e outras ligas trabalhadas de Al-Zn-Mg-Cu da família 7XXX endurecidas por precipitação, atenderão com folga a solicitação mecânica dentro dos moldes durante o processo injeção de termoplásticos conforme pode ser também visto na figura 3 abaixo.


Figura 3 - Comparação entre LR e LE0,2% da liga trabalhada de alumínio 7075 T651 (~ 160HB) e os aços AISI 1045 no estado recozido (~ 180HB) e aço AISI P20 beneficiado (~ 300HB/~ 30 HRC) e a faixa típica das pressões máximas de injeção de materiais termoplásticos

Embora os dados acima indiquem a viabilidade do uso das ligas trabalhadas de Al-Zn-Mg-Cu da família 7XXX para moldes de injeção, os valores se referem à temperatura ambiente. Durante o processo de injeção, o material termoplástico é fundido à temperaturas de 150°C até 300°C, dependo do tipo da resina plástica.

Muito embora o calor seja rapidamente dissipado pelas paredes do molde, que por sua vez é refrigerado à água, é importante considerar o efeito da temperatura nas propriedades físicas e mecânicas das ligas de alumínio. Para avaliar o efeito da temperatura e tempo nas propriedades mecânicas dessas ligas, pode-se, a priori, utilizar da análise das curvas obtidas de ensaios de tração à quente. A figura 4 compilada de mostra os valores de LE0,2% em ensaio de tração da liga 7075 T651 e outras ligas após 10.000 horas de exposição à várias temperaturas.


Figura 4 - Efeito da temperatura após 10.000 horas de exposição no LE0,2% de ligas de alumínio trabalhadas das famílias 2XXX, 5XXX, 6XXX e 7XXX

Como pode ser observado acima, considerando-se uma pressão máxima de injeção de 1.400 bar (≈ 140 MPa), mesmo após 10.000 horas de exposição à temperaturas típicas presentes nos moldes (50-75°C), a liga 7075 T651 apresentou uma perda irrisória se comparado com as outras ligas e atingiu uma valor de LE ~475 MPa, ainda muito superior à pressão de injeção máxima considerada de 140 MPa.

Nessas mesmas condições de tempo de exposição de 10.000 horas, somente quando a temperatura atingir um valor de 150°C há uma queda acentuada no LE. Na prática, conforme pode ser visto na figura 4, a temperatura de 120°C é normalmente considerada como o valor limite de temperatura em moldes de alumínio da família 7XXX embora, como comentado anteriormente, a temperatura de moldes bem projetados e controlados, mesmo em aço AISI P20, raramente ultrapassa os 75°C.

Como ressalvas poderíamos citar a injeção de resinas mais técnicas como o Polisulfeto de Fenileno (PPS), Polieterimida (PEI), Polisulfona (PSU) ou Poliésteres (PAA), que requerem moldes regulados e operando, via de regra, à temperaturas mais altas (tipicamente 130-160°C) [17].

Assim podemos concluir que as ligas de alumínio trabalhadas da família 7XXX apresentam resistência mecânica e estabilidade microestrutural adequadas para aguentar as temperaturas típicas encontradas nos moldes de injeção de materiais termoplásticos.


Propriedades físicas

Podem ser observadas na tabela 4 algumas das propriedades físicas para a liga 7075 T6 para aplicação em moldes plásticos assim como a de outros materiais como os aços AISI 1045, AISI P20 e a liga de Cu-Be.

Tabela 4 - Propriedades física da liga 7057 T6 [13]

É importante realçar que a liga de alumínio 7075 T6 apresenta a menor densidade dos materiais comparados e uma condutividade térmica 4,5 vezes superior ao AISI P20. A condutividade térmica caracteriza a facilidade do material em transferir ou extrair o calor. No entanto, ela não dá nenhuma informação quanto ao tempo da transferência de calor pela área de contato. Essa informação, que é essencial para o projeto do molde, pode ser obtida pelos dados da difusividade térmica (calculada pela divisão da condutividade térmica pelo produto do calor específico e densidade) e representa a velocidade de evacuação do calor pelas paredes do molde, informação fundamental para diminuir os pontos quentes, contribuindo para uma distribuição mais homogênea de temperatura assim como para diminuir o ciclo total de injeção.

Quando comparado com o AISI P20 e conforme evidenciado na tabela 4 acima, a liga 7075 T6 apresenta uma difusividade térmica quase 8 vezes maior que a do aço AISI P20, similarmente à liga de Cobre Berílio (Cu-Be). Mas, como toda liga de Cu apresenta densidade muito maior que a do alumínio, acaba gerando um custo específico ($/volume) bem mais elevado inviabilizando seu uso em cavidades completas ou insertos maciços. Essa é a razão porque as ligas de Cu são normalmente empregadas somente em áreas localizadas (pequenos insertos) para melhoria pontual de extração de calor e para minimizar porosidades na peça injetada.

Usinabilidade

Há muito tempo se sabe que as taxas de remoção de cavacos em ligas de alumínio Al-Zn-Mg-Cu endurecíveis por precipitação e da família 7075 são superiores as dos aços. Tipicamente com essas ligas pode-se usar velocidades de corte superiores a 10x as de usinagem de aços em operações de torneamento e fresamento, 5x ou mais em operações de furação e, em média, 4x maiores para corte via eletro-erosão por penetração ou fio. Em operações de polimento a nível espelhado são, em média, velocidades 4x superiores as com aços.

Em média são obtidos entre 40-60% de redução no tempo de usinagem e com isso reduz-se dramaticamente os custos relativos a usinagem e o lead-time da fabricação do molde. Na tabela 5 podem ser vistos os parâmetros típicos de usinagem utilizados com ligas de alumínio.



Tabela 5 - Parâmetros típicos de usinagem com ligas de alumínio 7075 T6

Na próxima edição avançaremos com as considerações sobre os aspectos relevantes de projeto de moldes para injeção de plásticos confeccionados com ligas de alumínio da família 7 XXX e diferenças básicas em relação a moldes em aços AISI P20 bem como relativamente aos ganhos típicos com o uso destas ligas de alumínio em substituição de aços AISI P20. Serão apresentados também alguns exemplos de aplicação com os respectivos resultados e as considerações finais.

2. Aspectos relevantes de projeto de moldes para injeção de plásticos confeccionados com ligas de alumínio da família 7 XXX e diferenças básicas em relação a moldes em aços AISI P20

O uso de ligas de alumínio para moldes de injeção foi bastante impulsionado pelos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento da divisão aeroespacial, automotivo e industrial da Alcan na Suíça (hoje Constellium) no final dos anos 90 e começo dos anos 2000. Em 2009 publicaram o livro “Molds in aluminium alloys for plastic processing - Positioning in the plastic industry and consequences on the mold design” cujos pontos mais relevantes relativos ao projeto de moldes de alumínio estão a seguir resumidamente apresentados.

Durante o processo de injeção de plásticos as duas principais solicitações de natureza mecânica que incidirão sobre o molde são:

(a) pressão de injeção do material polimérico fundido;

(b) pressão gerada durante a etapa de fechamento do molde.

Ambas controlarão o dimensionamento da espessura do molde assim como do tamanho da linha de partição. Assim sendo, a diferença do módulo de Elasticidade (E) e Limite de Escoamento (LE0,20%) entre as ligas de alumínio e aço AISI P20 tem de ser considerada no projeto do molde, e com isso manter níveis baixos de tensão e deformação evitando o aparecimento de rebarbas ou perda do dimensional na peça injetada.

Teoricamente, da resistência dos materiais e no caso mais simples de uma viga de secção retangular, é fácil demonstrar que a rigidez a deflexão elástica desta viga submetida a uma força é diretamente proporcional ao módulo de Elasticidade e ao cubo da espessura da viga e dada pela expressão:

onde:

K = rigidez à deflexão elástica;

e = espessura;

w = largura;

L = comprimento.

Aplicando a equação (1) para um molde feito em alumínio com seu módulo de elasticidade de cerca de 70 GPa e em aço com aproximadamente 210 GPa e mantendo-se o mesmo comprimento e largura, para que seja mantida a mesma rigidez à deflexão, ou seja, KAl = KAço, teremos:



Ou seja, a espessura de molde de alumínio deveria ser aproximadamente 44% maior que o mesmo molde confeccionado em aço. Embora aparentemente esse aumento teórico na espessura pudesse ser desvantajoso, devido a densidade muito inferior do alumínio em relação ao aço AISI P20 (vide tabela 4), na realidade, conforme pode ser visto na figura 5, para uma mesma rigidez à deflexão elástica haverá uma redução substancial de peso, ou seja de 10 para 5 kg entre uma secção de aço e alumínio respectivamente.

Figura 5 - Comparação entre o peso (kg) de vários metais (densidades diferentes) necessário para se manter o mesmo nível de rigidez à deflexão elástica

Na prática, os moldes são bastante robustos e reforçados e durante o processo de injeção as cargas aplicadas se distribuem por toda a área do molde e não teórica e pontualmente na extremidade de uma viga engastada. Com isso, não há necessidade desse incremento teórico de 44% na espessura e normalmente um incremento entre 10% e 20% na espessura de um molde feito em liga de alumínio da família 7XXX será suficiente para evitar deflexões.

Assim sendo, a redução em peso será ainda mais significativa e, via de regra, o custo específico ($/volume) de um molde feito em alumínio e aço AISI P20 serão praticamente equivalentes, mesmo sabendo que normalmente o custo inicial ($/kg) de um aço AISI P20 seja mais baixo que com o custo ($/kg) de uma liga de alumínio da família 7XXX.

Adicionalmente ao requisito acima, mas igualmente importante nos projetos de moldes (seja em aço ou em alumínio), é projetá-lo objetivando que os níveis de tensões sejam baixos, sempre dentro do campo elástico e que, se eventuais e mínimas deformações forem geradas, as mesmas não afetem negativamente a geometria e/ou qualidade da peça plástica injetada.

Uma outra regra empírica utilizada é a de que as deflexões elásticas não ultrapassem 20 µm e que eventuais deformações plásticas no molde não superem 10% do Limite de Escoamento, e que a mesma seja menor do que a contração do material plástico (como é seguido no caso de moldes de aço). Assim evita-se o travamento e impossibilidade da abertura do molde. A validação das dimensões, deformações e tensões geradas são facilmente obtidas hoje por inúmeros sistemas de CAD combinados com análise reológica do material polimérico fundido e em função das pressões geradas durante o processo de injeção.

Apesar da importância de uma adequada escolha da espessura para a parede do molde, importantíssimo também é evitar a presença de pontos ou regiões internas localizadas no molde com concentrações de tensão elevadas, as quais, dependendo de sua magnitude, possam ultrapassar o limite de resistência da liga de alumínio utilizada e causar ruptura. Assim, é muito importante evitar a presença de regiões angulares e cantos vivos. Conforme pode ser visto na figura 6, a simulação numérica revela que na maior parte do molde as tensões têm valores abaixo de 50 MPa, porém, próximo aos cantos há registro de tensões muito elevadas (> 670 MPa) que ocasionariam a ruptura do molde.

Figura 6 - Distribuição de tensões em um molde feito com alumínio

Outra prática muito utilizada, principalmente em moldes com grandes distâncias entre os blocos de apoio, e para minimização de riscos de uma deflexão, é o uso de elementos de reforço via materiais com resistência mecânica superior (LR > 1.000 MPa) nas áreas de fechamento e laterais, assim como uso de pilares de suporte que podem ser colocados na placa de extração da parte moldada.

Para reforços extras quanto as deflexões laterais, é muito utilizado o recurso de uso de “cunhas de travamento”, assim como componentes centralizadores de maior resistência mecânica (exemplo aço AISI P20) na linha de partição do molde. Exemplos típicos desses artifícios podem ser vistos na figura 7, que minimizam de forma efetiva os riscos de deflexão lateral do molde.


Figura 7 - Recomendações para o projeto de moldes com cavidades e insertos principais em ligas de alumínio [17]

Um resumo de outras informações e recomendações adicionais para o projeto de moldes com liga de alumínio da família 7XXX pode ser visto na tabela 6


Tabela 6 - Outras informações e recomendações adicionais para o projeto de moldes com ligas de alumínio

3. Reparos de moldes confeccionados com ligas de alumínio da família 7XXX

Do mesmo modo que moldes para injeção de plásticos em P20 eventualmente necessitem ser reparados, por exemplo após tryout , exigindo uma alteração dimensional ou geométrica ou mesmo devido a presença de defeitos superficiais ou acidentes durante a usinagem, o mesmo pode ser realizado em moldes confeccionados com ligas de alumínio da família 7XXX. A escolha do método de reparo vai depender da área a ser reparada, sua localização e visibilidade (parte interna ou externa), nível de acabamento superficial, texturização, criticidade quanto a tensões mecânicas aplicadas, entre outras variáveis.

Os processos mais utilizados são soldagem via TIG (corrente contínua - CC ou corrente alternada - CA) ou a laser , assim como via reparo mecânico. Em relação aos aços, a soldagem das ligas de alumínio é simplesmente diferente quanto os procedimentos e processos utilizados, tipos de consumíveis. Muitas das estruturas aeronáuticas são produzidas com ligas de alumínio da família 2XXX e 7XXX, em aplicações muito mais críticas do que moldes, mas são totalmente soldáveis uma vez seguidos os procedimentos corretos.

Uma das diferenças básicas mais relevantes em relação aos aços é em relação a condutividade e difusividade térmica que são 4,5 e 8 vezes, respectivamente, superiores aos aços. Isso implica que a solda se solidificará de forma rápida assim como a energia aplicada e o calor gerado que irá se propagar rapidamente para outras secções. Em função disso, é necessário manter níveis mais intensos quanto ao aporte de calor que será suprido à taxas mais elevadas pois o calor será sempre removido mais rapidamente quando comparado com aços como o P20.

A soldagem via TIG com corrente alternada é fácil de ser realizada mas exige um pré-aquecimento controlado do molde e a temperatura máxima recomendada é 100°C. No caso da TIG com corrente contínua, não é necessário pré-aquecimento, mas exige soldador com experiência para evitar o risco de causar defeitos nas áreas vizinhas ao reparo, principalmente em superfícies curvas.

Os arames mais utilizados na soldagem das ligas da família 7XXX são da família 5XXX (5356/ 5183/5180) e dentre eles o 5356 é o mais utilizado pois tem 5% de Mg e reduz consideravelmente os riscos de trincamento pós solda. Existem, porém, inúmeros outros arames recomendados e é muito comum também que as próprias usinas produtoras de alumínio normalmente recomendem seus arames mais apropriados.

A soldagem via laser pulsado produz um reparo de alta precisão e é utilizada quando a área a ser reparada é superficial, visível e relativamente pequena (tipicamente < 2-3 mm). A grande vantagem é que a zona térmica afetada pelo calor (ZTA) é mínima se comparada com a ZTA do processo TIG a qual apresentará dureza mais baixa e menor resistência ao desgaste. Além disso os riscos de aparecimento de porosidade e microtrincas são bem inferiores do que via TIG. Já estão disponíveis no mercado vários equipamentos portáteis de laser pulsado que podem ser usados para reparar moldes de grandes dimensões em máquinas CNCs de 5 eixos.

A equipe de pesquisadores da UCLA Samueli School of Engineering vem trabalhando com afinco no desenvolvimento de nanotecnologias de soldagem para a liga AA 7075. A liga de alumínio 7075 tem uma resistência que é comparável a muitas chapas populares de aço que estão no mercado hoje, mantendo uma grande resistência à fadiga, alta resistência à corrosão e média usinabilidade.

O reparo mecânico será sempre indicado quando a área a ser reparada é ou será texturizada. Nesses casos, a área danificada deve ser removida via usinagem produzindo, por exemplo, um furo. Em seguida um cilindro exatamente do mesmo material é alojado no furo via interferência, resfriando o inserto em nitrogênio (N2) líquido e pré-aquecendo o molde (máximo de 100°C). O reparo mecânico poder ser também feito fazendo rosca no furo e no inserto, que é rosqueado, seguido de usinagem e texturização.


4. Ganhos típicos com o uso de ligas de alumínio da família 7XXX em moldes de injeção de plásticos no lugar de aços AISI P20

Conforme visto anteriormente, como as ligas de alumínio têm uma densidade de aproximadamente 1/3 da densidade de um aço como o AISI P20, o custo final de um bloco em alumínio da família 7XXX, para atender as dimensões e volume de um bloco em P20, acaba sendo equivalente ou pouca coisa superior. Porém, quando são consideradas as vantagens da superioridade das ligas 7XXX quanto a usinabilidade e condutividade térmica, os ganhos finais são muito significativos.

Como pode ser revisto na tabela 5, as ligas da família 7XXX permitem utilizar velocidades de corte e avanços bem superiores se comparados com os parâmetros tipicamente utilizados com os aços AISI P20 com dureza de 28-32 HRC. Com isso, os tempos de usinagem e custos finais de fabricação do molde serão necessariamente inferiores ao custo da mesma cavidade confeccionada em aço AISI P20. Além disso, haverá menores gastos de energia durante a usinagem, menores gastos e aumento de via útil com ferramentas de usinagem e mais tempo livre disponível por máquina.

Mais impactante ainda é a redução no ciclo de injeção em moldes de alumínio da família 7XXX. Devido a sua condutividade e difusividade térmica serem, respectivamente, 4,5 e 8 vezes superiores aos aços AISI P20 (e muitos outros aços) a redução do ciclo de injeção será expressiva uma vez que o tempo de resfriamento (que é a etapa mais crítica do ciclo) será reduzido de forma drástica e o resultado final traduzido em aumento significativo de produtividade e diminuição no custo final da peça injetada. Na tabela 7 podem ser vistos os valores percentuais típicos de ganho em moldes de injeção de plásticos confeccionados com ligas da família 7XXX no lugar de moldes com o tradicional aço AISI P20.

Tabela 7 - Valores orientativos de ganhos em parâmetros de produção para moldes de injeção confeccionados em alumínio

5. Exemplos de resultados obtidos com moldes feitos com ligas de alumínio da família 7XXX

Conforme mencionado anteriormente, a Honda dos EUA já utiliza há alguns anos ligas de alumínio de alta resistência em moldes de injeção e típicos exemplos de partes produzidas e ganhos na redução no ciclo de injeção em relação ao aço AISI P20 podem ser vistos na figura 8.

Figura 8 - Peça da empresa Honda produzida a partir de molde em alumínio para injeção de peças plástica [5]

Outro exemplo de sucesso pode ser visto na figura 9, com a comparação de tempos de ciclo de injeção para um corpo de válvula de botijão de gás injetado em PE com espessura de parede de 30 mm.



Figura 9 - Tempos de ciclo de injeção e ovalização interna de válvula injetada em PE com 30 mm espessura de parede após utilização de molde em aço AISI P20 e molde em liga de alumínio da família 7XXX [17]

Na figura 10 pode ser visto um capacete de esquiar na neve injetado em ABS com espessura variada (média e fina). Por conta dessa variação de espessura, é necessária manter a homogeneidade de temperatura no molde e cuidado na desmoldagem para evitar deformação principalmente nas áreas mais delgadas que se resfriam mais rapidamente.

O tempo de injeção no molde em alumínio foi de 24 segundos contra 75 segundos no molde em P20 para garantir o mesmo nível de deformação e qualidade obtido no molde de alumínio, ou seja, uma redução de 68%. Como pode ser observado, a temperatura máxima no molde de alumínio é inferior e muito mais uniformemente distribuída, permitindo sua extração do molde em tempo bem menor. O molde utilizado produziu mais de 800.000 capacetes.

Figura 10 - Tempos de ciclo de injeção e deformação de capacete injetado em ABS após utilização de molde em aço AISI P20 e molde em liga de alumínio da família 7XXX [17]


6. Discussão e análise da relação custo X benefício

Essa análise foi desenvolvida para a produção do capacete para esquiar (figura 10) e os resultados podem ser vistos na tabela 8. As observações evidenciam a redução de mais de 60% no custo final do capacete de esquiar quando ele foi injetado em molde de liga de alumínio da família 7XXX.


Tabela 8 - Valores orientativos de ganhos em parâmetros de produção para moldes de injeção confeccionados em alumínio

Os exemplos apresentados são casos reais e demonstram claramente que para inúmeras aplicações, moldes feitos com ligas de alumínio de alta resistência da família 7XXX podem substituir com grandes vantagens os tradicionais aços da família AISI P20.

Os ganhos em termos de produtividade e no custo final da peça injetada são muito expressivos e seu uso deve aumentar nos próximos anos impulsionado pela indústria automotiva e outros setores industriais que, devido a um marketing cada mais agressivo e uma demanda crescente, necessitam lançar novos produtos em tempos e com volumes de produção cada vez menores.

A redução no tempo de usinagem e consequente lead-time de fabricação dos moldes confeccionados com ligas de alumínio e a substancial redução no ciclo de injeção serão forças motrizes para impulsionar o uso dessas ligas que têm propriedades mecânicas e estabilidade dimensional absolutamente adequadas para serem utilizadas em muitas aplicações em moldes de injeção de plásticos.

Algumas perguntas serão relevantes nessa decisão:

Peça injetada & molde estarão em produção por: (a) vários anos? (b) alguns meses?

Volume de peças injetadas: (a) > 1 milhão? (b) 100.000 a 1 milhão? (c) ≤ 100.000?

Qual será a temperatura & pressões de injeção do molde?

Será possível a injeção com carga mineral? Qual tipo & volume?

Será possível a texturização?

Há interesse (usuário do molde & fabricante do molde) na redução do lead-time de fabricação de molde?

Há interesse (usuário do molde) na redução do ciclo total de injeção?

Outras dúvidas pertinentes.


7. Conclusões

A evolução dos materiais para aplicação nos ferramentais é um dos pontos decisivos para a seleção do processo produtivo de uma peça. A questão de substituir processos atuais por processos inovadores será sempre uma variável a ser abordada na definição de novos projetos.

Portanto, a aplicação de alumínio de alta resistência na fabricação de moldes para produção de peças injetadas é uma opção, que está diretamente refletida nos seguintes pontos abordados neste trabalho:

As propriedades mecânicas e físicas das ligas trabalhadas de Al-Zn-Mg-Cu da família 7XXX endurecíveis por precipitação foram analisadas e comparadas com o aço AISI P20 tradicionalmente utilizado na fabricação de moldes de injeção de plásticos;

Os resultados práticos de campo demonstram que estas ligas podem ser usadas com vantagens em moldes de injeção como substitutas ao tradicional aço AISI P20;

Suas elevadas propriedades mecânicas e condutibilidade térmica, aliada com muito melhor usinabilidade podem gerar substancial redução no custo e amplificação do benefício quando comparado com os tradicionais aços AISI P-20.

As novas ligas de alumínio proporcionam alta resistência, redução de peso e resistência a corrosão, garantindo as exigências de segurança. Recomenda-se, portanto, a avaliação criteriosa na aplicação deste tipo de material quando do desenvolvimento de novos projetos de peças injetadas.

Co-autores

Paulo Marino Marchina - paulo.marchina@oliscorp.com.br

Christian Dihlmann - dihlmann@brturbo.com.br

Marcelo Gonçalves - m.goncalves@emmv.com.br







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