Influência do aprisionamento de gases na eficiência mássica de injeção em moldes de peças em poliestireno cristal

Para que erros de fabricação de moldes de injeção sejam corrigidos ainda na fase de projeto, a simulação computacional é uma ferramenta essencial utilizada por uma minoria de empresas. Aqui é possível identificar os resultados benéficos do uso dessa tecnologia em saídas de gases de moldes. 

Um molde de injeção de termoplásticos, indiferentemente de cada produto que ele vai produzir, ou do número de cavidades que ele terá, envolve uma gama de tecnologias devido a inúmeras exigências do consumidor. 

Nas últimas décadas, o consumo de termoplásticos vem crescendo conforme as demandas de produtos inovadores, e com o aumento do desenvolvimento de peças e componentes em setores como o de eletrodomésticos, moveleiro e automobilístico. 

O termoplástico poliestireno (GPPS ), assim como vários outros polímeros de engenharia, é processado em elevadas temperaturas, nas quais o material é submetido a altas taxas de deformação, ocorrendo assim o alongamento e a orientação das cadeias poliméricas. 

Em inúmeros casos, as indústrias transformadoras de plásticos detectam falhas no produto injetado somente depois de testar o molde fabricado. Essas falhas podem ser devido a um preenchimento incompleto das cavidades, ponto de alimentação ou canais de injeção mal localizados, bolhas de ar, defeitos causados por refrigeração inadequada das cavidades ou degradação do material injetado. Além disso, cavidades que foram submetidas a algum tipo de solda também alteram as propriedades do material injetado. 

Isso implica que o molde deve ser repensado e retrabalhado recorrentemente até que o mesmo seja capaz de injetar peças sem falhas. O projeto de moldes de injeção de termoplásticos pode ainda estar inapropriado para a máquina injetora, ou até mesmo ao material injetado. Estes casos específicos ocorrem usualmente por falhas de comunicação e pela falta de avaliação adequada antes do processo de fabricação. 

Dentro deste contexto, neste estudo utilizou-se um molde de injeção de termoplásticos utilizado para a produção de copos em poliestireno cristal (GPPS), que vinha apresentando falhas de injeção no produto, causadas principalmente pelo aprisionamento de gases. 

Este problema resultava na ineficiência de produção (elevados ciclos de injeção) e grande geração de refugos em uma empresa transformadora de plásticos da região de Joinville - SC, Brasil. Assim, com base nestas informações, alternativas de melhoria no projeto do molde foram propostas e executadas para se aumentar a produtividade do mesmo, e minimizar a geração de refugos. 

Para isso, a ferramenta SolidWorks, que é um software  tipo CAD , foi utilizada para executar as alterações virtuais no molde para se avaliar computacionalmente se as mesmas contribuiriam para a melhoria no processo.

Materiais e métodos

A metodologia deste trabalho está subdividida em duas principais etapas. Na primeira é apresentada uma análise do projeto e da engenharia do produto, delineando os alguns tópicos que envolvem a fase inicial de projeto de um produto a ser produzido por injeção. Por fim, é apresentada a metodologia dos cálculos para demonstração das eficiências de injeção.

Análise do projeto do produto

O produto utilizado como caso de estudo neste trabalho é o de um copo de geometria retorcida. Este produto pertence a uma empresa de bebidas da região de Joinville, SC, Brasil, sendo introduzido no mercado anexado a garrafas de bebidas como um conjunto. 

O projeto completo deste copo também foi executado no software SolidWorks, que detalha tecnicamente todos os cantos, raios e ângulos do produto. Na figura 1 são apresentadas algumas imagens do produto estudado neste trabalho. 


Figura 1 - Modelo do produto do copo desenhado no CAD Solidworks [Fonte: Primária 2017]

Este copo é um produto considerado simples, sem geometrias complexas que influenciam diretamente na necessidade de estruturas mais detalhadas do molde de injeção, como por exemplo, insertos, postiços ou gavetas. Este modelo, de acordo com as geometrias do CAD, tem o volume de 66,56 cm3. 

O GPPS foi o material selecionado para confeccionar os copos, pois tem como principais características sua excelente processabilidade e transparência, além de boa fluidez mesmo quando submetido a ciclos rápidos. Na tabela 1 são apresentados alguns parâmetros físicos e de processamento do GPPS. Estas informações são fundamentais para o início do projeto do molde.

De acordo com a tabela 1, o polímero injetado possui a densidade de 1,078 g/cm3. Como o modelo do produto tem o volume de 66,56 cm3, a massa do modelo projetado e estudado neste trabalho é de 71,75 g. 


Tabela 1 - Propriedades físicas e de processamento do GPPS [18]

Todo material, quando processado termicamente, ou seja, um polímero sólido que é aquecido para ser amolecido até sua fase líquida, e depois resfriado para ser solidificado rapidamente, sofre contrações durante o resfriamento. 

De acordo com a tabela 1, em processos de injeção nos quais as temperaturas variam de 180°C a 250°C, o GPPS sofre contrações de 0,3% a 0,6% em toda sua superfície volumétrica quando resfriado. Para a execução do projeto considerou-se uma contração média de 0,45%. Isto significa que, mesmo depois que o material preencher as cavidades do molde, resfriar e contrair, as dimensões volumétricas do produto atenderão as especificações dimensionais do projeto. 

A máquina injetora utilizada neste trabalho é da marca HAITIAN e modelo PL 860/270 C. Conforme foi mencionado anteriormente, a peça injetada tem 66,56 cm3. Como o molde possui duas cavidades, o volume de injeção será de 133,12 cm3. Considerando que a máquina tem capacidade para um volume de injeção de 181 cm3, ela deve suportar a injeção deste molde com duas cavidades (figura 2). 


Figura 2 - Cavidades do molde do copo, a) peça usinada, b) modelo executado no CAD 

Outro parâmetro que deve ser levado em conta é a massa de injeção. Como já foi calculada anteriormente, a massa de uma unidade de copo pesa em torno de 71,75 g e, portanto, duas unidades terão uma massa em torno de 143,50 g. Como o peso de injeção máximo da máquina é de 165 g, a mesma deverá suportar a injeção do molde com duas cavidades de copos. 

Porém, a maioria dos produtos injetados ainda apresentava problemas de insuficiência de injeção (figura 3a, 3b), e quando se produzia alguma peça completa (figura 3c), era possível perceber, pela transparência do material, os frisos causados pelo cisalhamento  forçado do polímero (figura 3d) e as bolhas oriundas do aprisionamento de gases (figura 3e). 


Figura 3 - Falhas de injeção: a) baixa eficiência de injeção, b) eficiência de injeção quase completa, c) eficiência de injeção completa, d) frisos resultantes das tensões de cisalhamento excessivas do polímero, e) bolhas resultantes do aprisionamento de gases 

Quando o perfil das cavidades obtém alguma gravura ou canal em sua geometria, mesmo sendo no inicio do caminho do escoamento percorrido pelo polímero, estes perfis rebaixados (gravuras) iniciam o aprisionamento de gases dificultando o processo de injeção e ocasionando bolhas como falhas de injeção.

Metodologia de processamento

Para cada condição de processamento, foram realizadas 20 amostras de injeção (10 ciclos de injeção, molde com 2 cavidades), estimando uma média de massa injetada com seu respectivo desvio padrão. Estes resultados foram utilizados para se avaliar as causas prováveis das falhas de injeção e, com isso, realizar melhorias de projeto do molde (virtual e real) visando melhoria do fluxo de injeção.

Após a execução das melhorias propostas para o molde, novos experimentos foram realizadas para que pudesse comparar os resultados com as alterações de molde para melhoria do processo. Foram levados em consideração: pressão de injeção, temperatura de injeção e temperatura do molde. A pressão de recalque não foi alterada por que nos testes inicias para escolha dos parâmetros, não houveram alterações significativas do produto quando esta era alterada.

Os valores para o restante das variáveis do modelo foram estipulados com base nos parâmetros relacionados na tabela 1. Os parâmetros executados nas simulações e nos testes de injeção podem ser visualizados na tabela 2. 


Tabela 2 - Parâmetros de injeção utilizados para validação do modelo do copo 

Os resultados obtidos experimentalmente e, através das simulações usando as condições operacionais apresentadas na tabela 1, foram utilizadas para identificar a melhor faixa de valores para os parâmetros operacionais, de modo a minimizar os problemas de processo bem como otimizá-lo. 

Eficiência mássica de injeção

A principal grandeza física utilizada nos experimentos de injeção foi à massa injetada dos copos. Desta forma, as massas injetadas com o molde ineficiente, foram confrontadas com os valores das massas obtidas nos experimentos de injeção com o molde modificado. Para realizar os cálculos e estimar a eficiência mássica do processo de injeção, que é a razão entre a média de massas injetadas e a massa total prevista para o produto, deverá seguir de acordo com a equação 1. Eficiência mássica de injeção:


Em que M ̅_inj é a média das massas injetadas (g) e M_t é a massa total prevista para o produto (g). Esta equação demonstra como o processo está sendo eficiente no sentido de preencher totalmente as cavidades do molde, podendo ainda ser utilizada para melhor compreender os problemas de injeção comparando as eficiências obtidas em cada condição operacional de injeção.

Resultados e discussão

A seguir são apresentados os resultados experimentais da injeção dos copos de GPPS considerando o molde antes e após as modificações de projetos propostas. Estes resultados, obtidos sob distintas condições de operação do processo, serão comparados, adicionalmente, a eficiência mássica do processo de injeção e avaliados nas distintas condições operacionais testadas. 

Ensaios experimentais da injeção do copo

Os ensaios experimentais dos copos em GPPS foram realizados em uma máquina injetora da marca HAITIAN, modelo PL 860/270 C. Para obter melhor precisão dos resultados experimentais, foram realizados 10 ciclos de injeção para cada condição operacional descrita na tabela 2. A cada ciclo, dois copos foram produzidos e pesados. Os valores das médias das massas obtidas de cada 10 ciclos foram usados na equação 1 para calcular a eficiência de injeção do molde (% de preenchimento) nas condições iniciais de projeto (projeto original, antes da alteração).

Resultados dos ensaios 

De acordo com o projeto do produto, a massa total para as duas peças injetadas deve ser de 143,57 gramas (massa injetada por ciclo de injeção). As eficiências mássicas de injeção foram calculadas a partir da equação 1 e foram utilizados para gerar os gráficos apresentados na figura 4. Nesta figura, é demonstrado como as eficiências de injeção variam com as condições operacionais (temperatura e pressão de injeção) variando as três temperaturas de molde (20ºC, 30ºC e 40ºC). 


Figura 4 - Eficiências de injeção variando as pressões e temperaturas de injeção: a) temperatura do molde de 20ºC; b) temperatura do molde de 30ºC;  c) temperatura do molde de 40ºC

De acordo com os resultados contidos na figura 4.a, nota-se que à medida que as pressões de injeção aumentam, a eficiência de injeção melhora. Nas situações de baixas pressões de injeção, as tensões exercidas pela rosca da injetora não são suficientes para vencer as tensões exercidas pela parede do molde. 

Outro fato relevante está associado ao canal da cavidade que leva o polímero à base do copo, região responsável por contribuir com o acúmulo de gases no interior da cavidade [14]. Estes gases acumulados formam uma tensão oposta à frente de escoamento, e impedem que o polímero escoe livremente entre as cavidades. Nas situações nas quais as temperaturas de injeção foram de 220 e 240ºC percebe-se que foi possível alcançar maiores valores de eficiência de injeção [15]. 

A relativa boa eficiência da injeção na condição de temperatura de molde de 40oC é resultado de um escoamento mais fácil do polímero fundido através das cavidades do molde pelo fato deste material estar adequadamente aquecido ao longo de toda a seção transversal da cavidade do molde. Pelo fato da massa polimérica fundida se submeter a altas tensões de cisalhamento para vencer esta restrição de escoamento, as peças injetadas apresentaram marcas, como frisos e bolhas de ar aprisionadas.

Melhorias de projeto

De acordo com os resultados experimentais realizados, existem pontos na cavidade do molde nos quais o termoplástico encontra dificuldades de preenchimento, resultando na ineficiência da injeção. Isto acontece pelo aprisionamento de gases que dificulta a passagem do polímero quente por todas as regiões da cavidade do molde, especificamente na borda superior do copo. 

Desta forma, visando melhorar as eficiências de injeção, modificações no projeto do molde foram propostas e executadas para que os gases aprisionados pudessem ser expulsos do interior das cavidades do molde concomitantemente com o avanço da frente de fluxo do polímero fundido.

Estrutura mecânica das saídas de gases

As saídas de gases podem ser executadas em qualquer uma das duas cavidades (macho ou fêmea), desde que o limite de profundidade de 0,025 mm seja respeitado. Se a profundidade da saída for maior que 0,025 mm, rebarbas poderão ser geradas e ainda poderá ocorrer vazamento de material para fora do molde. 

De forma a eliminar os problemas de aprisionamento de gases, e minimizar problemas na execução das saídas destes gases (rebaixos), as mesmas foram executadas na cavidade inferior (fêmea). Caso a usinagem das saídas de gases fosse executada na cavidade superior (macho), a ferramenta de usinagem necessitaria ser prolongada pelo fato da superfície de fechamento ser mais baixa que a cavidade (figura 5). Desta forma, apesar do prolongamento da ferramenta evitar riscos de colisões com a cavidade, este poderia causar erros de usinagem devido à vibração da ferramenta de corte no momento do contato com a cavidade. 

Na figura 5 é ilustrado como as saídas de gases foram usinadas na cavidade fêmea do molde para que o problema de aprisionamento de gases durante a injeção das peças pudesse ser eliminado.


Figura 5 - Alterações mecânicas da cavidade inferior: saídas de gases 

As saídas de gases foram projetadas com canais de 0,025 mm de profundidade com comprimento de 20 mm e largura de 10 mm.  A partir destes 20 mm foi feito um rebaixo (alívio), também de 20 mm de comprimento, porém com profundidade de 1 mm. Este alívio ajuda o gás a sair com mais velocidade impedindo que retorne às cavidades. 

Com as saídas de gases usinadas no molde, espera-se que o termoplástico escoe com mais facilidade pelas cavidades até a borda do copo, uma vez que os gases que antes ficavam aprisionados e exerciam uma pressão contrária ao escoamento, devem agora ser removidos do molde através dos rebaixos (saídas) usinados na cavidade fêmea. 

Sendo assim, conforme a frente de fluxo escoa cavidade adentro, espera-se que os gases contidos na cavidade aquecida sejam expulsos para fora do molde sem maiores dificuldades, deixando a cavidade livre para o termoplástico fluir livremente até o completo preenchimento do molde. 

Amostras de injeção com o molde modificado

De acordo com os resultados experimentais obtidos antes da modificação do molde, havia uma ineficiência de injeção devido ao aprisionamento de gases nas bordas do molde do copo. Da mesma forma como feito nas etapas anteriores (condições iniciais do molde), os parâmetros de injeção (temperatura e pressão) foram variados conforme temperaturas do molde (20ºC, 30ºC e 40ºC) e representados na figura 6. 


Figura 6 - Eficiências de injeção variando as pressões e temperaturas de injeção, considerando o molde modificado: a) temperatura do molde de 20ºC; b) temperatura do molde de 30ºC; c) temperatura do molde de 40ºC

A partir dos resultados apresentados na figura 6.a, percebe-se que nas situações nas quais a temperatura de injeção foi de 180 e 220ºC, as eficiências da injeção foram baixas, mesmo quando pressões de injeção mais elevadas foram usadas. Entretanto, o aumento da temperatura de injeção para 220 e 240ºC melhorou significativamente o preenchimento do molde, principalmente na faixa de pressão entre 40 e 50 MPa. 

Mesmo com uma melhora de eficiência, comparando os resultados do molde com saídas de gases com os resultados do molde sem saídas de gases, percebe-se que ainda não foi possível preencher totalmente as cavidades do molde quando este foi operado com temperatura de 20ºC. Como as alterações do molde visaram proporcionar o escape dos gases que antes ficavam aprisionados no molde, a ineficiência de injeção verificada nas condições nas quais a temperatura do molde foi mantida a 20ºC deve estar relacionada a formação de uma camada congelada mais espessa em regiões mais próximas à região do bico de injeção. 

A formação desta camada precocemente no interior da cavidade do molde estreita a passagem pela qual o polímero deve fluir, dificultando o preenchimento do molde no tempo ciclo estipulado (~12 segundos).

Conclusão

Os resultados obtidos neste trabalho permitiram observar como os parâmetros de injeção podem afetar a eficiência de um processo de injeção de termoplástico. Em baixas temperaturas de injeção, o polímero perde suas características de líquido viscoso e começa a escoar como um semissólido, precisando de maiores pressões para vencer as tensões cisalhantes de movimento. Em altas temperaturas de injeção, o aquecimento acarreta na liberação de gases quentes que atrapalham o escoamento do GPPS, impedindo que ele escoe livremente através das cavidades do molde. 

Com relação às médias das massas de amostragem com o molde modificado, ou seja, com as saídas de gases, estas melhoraram de forma significativa o desempenho do processo, aumentando a eficiência mássica de injeção, devido ao fato dos gases contidos no molde terem um escape apropriado durante o escoamento do polímero fundido através das cavidades do molde. 


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Alceri Antônio Schlotefeldt

Mestre em Engenharia de Produção, graduado em Sistemas de Informação pela União de Tecnologia e Escolas de Santa Catarina, MBA em Consultoria Empresarial pela Faculdade de Tecnologia SENAI/SC e pós-graduação em Novas Tecnologias Aplicadas à Educação pela Faculdade Internacional de Curitiba. Possui experiência docente de graduação e pós-graduação na área mecânica, atuando principalmente em temas ligados a CNC, desenhos e projetos mecânicos, metrologia, ensaios mecânicos, manufatura. Atuação docente em ciência da computação, com ênfase em ciência da computação, Tecnologia da Informação e Administração de sistemas de informação. Atuação profissional em projetos de inovação e consultorias técnicas e tecnológicas. http://lattes.cnpq.br/5874325722297401