Pressão temperatura e volume do molde definem a qualidade das peças injetadas

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Em numerosos processos industriais o conceito de respiração do molde já se encontra associado a diferentes noções e definições. Por exemplo, num caso específico, o pessoal operacional entende esse conceito como sendo a separação entre as  placas do plano de separação do molde na direção da abertura em outro, esse conceito designa uma abordagem especial de extração de ar da cavidade do molde.

Na literatura há a correspondente descrição da respiração do molde, da forma como se segue: "na moldagem por injeção, a pressão interna na cavidade, a qual atua em todas as direções espaciais, acarreta deformações do ferramental e na unidade de fechamento da injetora os quais, assim que a pressão é aliviada, voltam parcialmente à posição original de partida. Esse processo lembra o movimento de um tórax durante a inspiração e expiração, recebendo portanto a designação 'respiração do molde'".

Um simples exemplo numérico deixa clara a ação de enormes forças durante o processo de injeção sobre a superfície da cavidade do molde, as quais provocam tais deformações. Uma pressão no interior de um molde de apenas 500 bar (50 N/mm²), uma carga de compressão de uma tonelada. Uma vez que a pressão interna do molde atua em todas as direções espaciais, pode-se esperar a ocorrência de deformações ou de efeitos da respiração também na direção radial em relação à direção de abertura do molde. Particularmente os elementos móveis do molde como, por exemplo, gavetas, podem ser submetidos a efeitos desse tipo. Dessa forma, durante o processo de moldagem por injeção, não apenas a pressão e a temperatura variam, como também o volume da cavidade do molde.

 

O projeto de pesquisa denominado "Análise da respiração do molde" teve como objetivo avaliar a influência desse fenômeno sobre a qualidade das peças moldadas usando-se moldes construidos com diferentes níveis de rigidez e diversos sistemas de fechamento. Durante as investigações foi possível, pela primeira vez, registrar a respiração não apenas no exterior do molde, como também no interior de sua cavidade, em superfícies isoladas da peça moldada. O componente fundamental para a medição da respiração do molde efetuada neste trabalho foi um pequeno sensor indutivo de correntes parasitas fabricado por Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, na forma de cabeçote com diâmetro igual a 5 mm.

Fatores que influenciam a respiração e a qualidade da peça moldada

Um grupo de projetos do Centro de Plásticos da Alemanha Meridional, com sede em Wurzburg, ao efetuar as considerações preliminares para se conceber a peça moldada e os moldes experimentais derivados dela, estabeleceu quais critérios ou parâmetros de equipamentos poderiam influenciar a respiração do molde. O foco dessa atividade situou-se no posicionamento das superfícies da peça moldada em relação ao plano de separação do molde.

O efeito máximo de respiração a ser esperado durante o processo de constituição da peça moldada decorre da assim chamada força ascensional (Antriebskraft), a qual aumenta linearmente com a magnitude da pressão no interior do molde e o tamanho da superfície projetada na direção de abertura do molde.

A superfície projetada da peça moldada (figura 1) é composta da superfície de cobertura (em cor azul-claro) e a inclinada em 45º (em cor verde), constituindo portanto a fração máxima de superfície da peça moldada. O lado verde encontra-se em frente a uma superfície posicionada verticalmente em relação ao plano de separação (em cor violeta) a qual, em consequência da frente de resina fundida que avança rapidamente sobre o lado verde, é submetida a uma solicitação de cisalhamento ou ao assim chamado desalinhamento do macho. Pode-se analisar a influência da gaveta sobre a respiração do molde entre as superfícies laterais vermelha e azul. Note-se que a gaveta se encontra no lado azul.

 

Entre os fatores de influência fundamentais encontra-se o projeto mecânico do ferramental para a moldagem por injeção. O molde a ser testado deve ser projetado de forma tal que se possa variar o seu nível de rigidez por meio da adoção de placas intermediárias, colunas de apoio e tiras intercambiáveis (figura 2). O lado do bocal permanece sempre inalterado e suporta todos os sensores usados nas medições. Considerando-se as duas configurações extremas do molde, "macia" e "rígida", pode-se definir uma terceira variante a partir da configuração "macia", a qual se encontra o mais próximo possível das condições práticas, minimizando o esforço e custos necessários para o desenvolvimento do projeto.

No que diz respeito ao seu sistema de fechamento, os fabricantes de máquinas defendem filosofias diferentes. As três configurações de unidades de fechamento essencialmente empregadas no mercado de máquinas são a hidráulica, a mecânica e a sem colunas. Dentro desses três gêneros o sistema de fechamento se diferencia sobretudo pela forma como a força é aplicada. Por isso, o projeto de pesquisa testou o molde experimental com, no mínimo, um representante de cada sistema diferente.

 

Além da abordagem adotada para fechamento, particularmente sua força influencia a intensidade da respiração. O limite inferior da força de fechamento pode ser teoricamente calculado pela relação entre a pressão predominante no interior do molde e o tamanho da superfície projetada. A partir de resultados obtidos em testes preliminares, verificou-se que a força mínima de fechamento para o molde experimental era igual a 550 kN. Durante os ensaios principais foram adotadas, além da força mínima de fechamento, uma força média de fechamento de 1.025 kN e o máximo valor possível permitido para a injetora em questão.

 

A característica de qualidade mais fácil de ser quantificada para a peça adotada para o teste é seu peso. Além disso, também foram analisadas suas espessuras de parede, bem como a ocorrência de marcas de contração, usando-se um equipamento para medição de coordenadas tridimensionais. Para se determinar a ocorrência de um eventual efeito de cunhagem decorrente da respiração, foram propositadamente incluídas na peça regiões com acúmulo adicional de material, especificamente na região da superfície de cobertura (cor azul clara) e na superfície inclinada (verde).

A ocorrência de respiração do molde expressa numericamente

Um exemplo de todas as séries de testes efetuadas neste trabalho pode ser visto na determinação da evolução da respiração durante o ciclo de injeção para ambas as condições extremas de rigidez do molde e de força de fechamento (figura 3). As cores atribuídas às curvas do gráfico correspondem às que foram usadas nas superfícies das peças moldadas. O pico máximo de respiração ocorreu no instante imediatamente após o preenchimento da peça moldada, no início da fase de compactação, caindo continuamente a partir daí ao longo do tempo até a abertura do molde. a respiração foi restringida sob valores máximos de força de fechamento e de rigidez do molde (figura 3). Somente na região da superfície de cobertura (cor azul claro) é que se pôde registrar, em todas as séries de ensaios, um resíduo de respiração no momento da desmoldagem.

 

A combinação de uma variante de molde mais "macia" e valor mínimo de força de fechamento fez com que se verificasse um valor de pico de respiração, igual a 0,35 mm, na superfície de cobertura (figura 3). Também neste molde, o lado posicionado de forma inclinada em relação ao plano de separação apresentou um pico de aproximadamente 0,24 mm para esta configuração de ensaio. A respiração na direção radial foi menor em comparação com a ocorrida na superfície de cobertura e naquela inclinada a 45º. É interessante notar aqui a diferença entre a superfície lateral azul, a qual é moldada pela gaveta, e a superfície vermelha que se encontra em frente a ela. O enfraquecimento do molde que ocorre em função da presença da cavidade correspondente à gaveta aumentou a deformação nessa região, em torno de 30 um, fato verificado em todas as séries de ensaios. Por sua vez, o lado posterior (em cor violeta) e a superfície lateral vermelha apresentaram evolução contínua similar em termos de picos de respiração.

 

Mas permanece a pergunta, como restringir a respiração de forma efetiva: pelo aumento da rigidez do molde ou pela força de fechamento?

Quão rígido precisa ser o molde?

A influência de ambos os fatores reflete-se no peso medido das peças moldadas. Foi constatada uma diferença de peso de 3,99g entre as duas condições extremas de rigidez e de força de fechamento aqui adotadas (figura 4). O desvio entre a configuração "macia" e "rígida" do molde dentro do valor ajustado de força de fechamento foi igual a 2,62g (sob força de fechamento igual a 550 kN) ou 1,75g (força máxima de fechamento, 1.300 kN). A comparação entre a força mínima e máxima de fechamento, feita sob nível similar de rigidez do molde, mostrou uma diferença no peso da peça moldada desde 1,64g (molde "macio") até 0,77g (molde "rígido"). Portanto, a influência da força de fechamento foi menor do que a da rigidez do molde. Por esse motivo, uma configuração mais rígida do molde permite, por exemplo, reduzir a faixa de dispersão do peso da peça moldada.

Um efeito inverso é registrado de forma clara quando se analisa a profundidade das marcas de contração nas regiões de acúmulo de resina. Nesse caso, um molde com estrutura "macia" é mais vantajoso (figura 5). A respiração do molde que então ocorre atua sobre a superfície da peça moldada na forma de retorno elástico, elevando a profundidade da cunhagem - quanto mais "rígida" for a estrutura do molde, maior será esse efeito. Uma força de fechamento alta pode favorecer ainda mias este efeito. A ordem de grandeza dessa influência situa-se neste caso na faixa de alguns décimos de milímetro.

Qual é a unidade de fechamento certa?

Todos os sistemas de fechamento aqui estudados mostram pontos fortes e fracos em regiões definidas. Pode-se assim, por exemplo, usar uma unidade de fechamento totalmente hidráulica para se reduzir mais intensamente a profundidade das marcas de contração do que seria possível ao se usar uma injetora com alavanca articulada. Isto se deve à posição onde a força é aplicada, que no caso da unidade totalmente hidráulica ocorre precisamente no centro da placa móvel de fechamento, enquanto na unidade com alavanca articulada a força é aplicada em quatro pontos externos sobre as colunas.

 

Por sua vez, a unidade de fechamento com alavanca articulada, a qual aplica a força em pontos externos, pode amortecer as forças de cisalhamento reinantes de forma significativamente melhor do qua a unidade de fechamento hidráulica, fato que pôde ser constatado em função do deslocamento do macho entre as superfícies laterais da peça moldada com cor violeta e verde (figura 6). Dentro da região de força mínima teoricamente alcançável de fechamento, a máquina sem colunas mostra uma deficiência, uma vez que o molde não se mantém suficientemente fechado em função da estrutura em forma de "C" na região superior (figura 7).

É possível prever a respiração?

Dentro das atividades do projeto de pesquisa em questão foram analisadas duas diferentes abordagens para se prever a intensidade de respiração e compará-las com casos reais. O método clássico, que consiste na determinação manual da deformação do molde por meio de equações do tipo fechado, apresentou neste caso sucesso apenas mediano neste caso.

Fatores de influência como, por exemplo a unidade de fechamento adotada e a introdução de carga associada a ela não foram incluídas naquelas equações. Os valores calculados de respiração encontram-se significativamente abaixo dos valores reais medidos durante os ensaios de moldagem por injeção. Além disso, não há uma definição clara e precisa sobre as condições de carregamento predominantes sobre as placas da estrutura do ferramental em questão, sejam elas dispostas de forma solta ou rigidamente presas em seu redor.

Uma segunda abordagem, a qual calcula a deformação usando o método de elementos finitos, mostrou-se confiável e conveniente. Contudo, também aqui primeiramente é necessário levar em consideração o sistema de fechamento para se ter uma reprodução exata da realidade. As condições de contorno que podem ser selecionadas para a simulação como, por exemplo, a introdução de carga ou apoio, são decisivas para o sucesso do cálculo.

A respiração do molde, que é influenciada pela sua rigidez e pelo sistema de fechamento adotado, comprovadamente afeta a qualidade do produto. O peso da peça moldada, a espessura de suas paredes e a presença de marcas de depressão possuem relação direta com a intensidade da respiração do molde, ou seja, com as variações do volume da cavidade que ocorrem durante o processo de injeção. Dessa forma, entre os requisitos a serem cumpridos durante a fase de desenvolvimento de um produto inclui-se considerar holisticamente os conceitos adotados na sua manufatura - desde a construção do molde, passando pelo posicionamento da peça moldada, até o o tipo de unidade de fechamento utilizada. Aqui o método de elementos finitos oferece grande potencial para efetuar o cálculo dos parâmetros mecânicos do molde de injeção, levando-se em consideração o tipo de unidade de fechamento a ser utilizada.

Fonte: Plástico Industrial


Publicado em: 14/02/2017

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