Manufactura em escala através de injecção de plásticos (Parte 1)

1- Introdução
Aquisição de conhecimentos gerais sobre:
O processo de injecção de plásticos e análise detalhada dos sistemas de monitorização e controlo instalados numa máquina de injecção de plástico. Estudo do manipulador de extracção e do sistema de comando instalado na máquina, tendo em vista a operacionalidade do sistema em condições de funcionamento típicas de um ambiente industrial. Acompanhamento dos ensaios de injecção e de ensaios assim como acompanhamento da análise das capacidades de modelação do programa da respectiva área.
Noções que serão abordadas como o conceito da pressão e das suas respectivas unidades, do peso específico e da densidade. A pressão da máquina de injecção, fases de injecção, a pressão de injecção, a pressão da unidade de fecho, e acerca da unidade de fecho em si. Abordar o tema dos ensaios de reologia, e a apresentação da máquina de injecção de plástico. Processo de estimativas para a determinação da pressão necessária para encher uma cavidade com uma geometria cilíndrica. Projectar e dimensionar o processo de enchimento de uma cápsula onde esta é injectada a partir do seu topo. Devido a cápsula ter uma geometria complexa, vamos estudar outros processos para calcular a pressão necessária para o seu enchimento. Aqui são demonstradas várias estimativas e processos para o cálculo da mesma. Estudo do sistema dos canais quentes de um molde duma máquina de injecção de plásticos. Comparação das estimativas da pressão de enchimento de uma cápsula com ou sem sistema de canais quentes. Estudo e orçamento da máquina de injecção e dos seus vários equipamentos auxiliares tais como sistemas de arrefecimento e dos seus controladores. Este estudo apenas se referem a estimativas que se resumem ao custo da máquina em si e dos seus periféricos. Estudo e estimativas acerca da produção de cápsulas segundo a quantidade de cavidades por molde tomando como referências a força de fecho exigida para tornar viável a sua produção, o volume injectado de matéria-prima em cada ciclo e a produção horária de cápsulas como também uma estimativa de produção tendo em conta a produção por turnos de oito horas. Por fim é feito uma estimativa dos custos e lucros de produção para saber a rentabilização da compra da máquina de injecção. Tendo que agradece à consideração do amigo e colega Rui Peixoto André quem pensou e descreveu este trabalho e aonde tive a oportunidade de participar com alguns comentário e modelos, e que agora se publica como artigo através de alguns posts.
2- Moldação de injecção
Dados gerais, a moldação de injecção é um dos métodos de processamento mais importantes, utilizado para dar forma aos materiais termoplásticos. O processo é fácil de automatizar e reveste-se de grande importância económica. Tem como vantagem relativamente a outros processos o facto de as peças poderem ser produzidas de modo mais económico, em grandes volumes e com poucas operações de acabamento sendo o objectivo é serem fabricados totalmente numa única operação em grandes produções. A tecnologia e equipamento da moldação por injecção continuam em desenvolvimento, em particular nas áreas de controlo do processo, e podendo ser produzidas por este processo peças com massas de 0,5g a 85 kg, e os avanços aumentam a reprodutibilidade e a qualidade das peças. Este processo é capaz de produzir peças com diferentes tamanhos e de complexidade variável.
IMAGEM01-Máquina de injecção
A máquina de injecção é um equipamento constituído por dois componentes principais a qual se pode identificar na IMAGEM01, a unidade de injecção que aquece, funde e injecta o polímero no molde, funciona como uma extrusora e injectora e a unidade de fecho que fecha e abre o molde em cada ciclo de injecção. Sendo a unidade de injecção é principalmente constituída por um cilindro para parafuso, tremonha, bandas de aquecimento, cilindro, parafuso, bico, válvula de fecho, motor e engrenagens. E a unidade de fecho é constituída principalmente por placa estacionária, placa móvel, barra de fixação, cilindro de fixação e cilindro hidráulico.
Modelo de enchimento
IMAGEM02-Modelo de enchimento
Quanto ao processo nas etapas de enchimento das cavidades do molde o ponto de entrada é uma pequena abertura um orifício através da qual o fundido entra na cavidade e nesse ponto de entrada é geralmente mais fino que as restantes partes do molde, consequentemente é a primeira a solidificar, não podendo ser injectado mais material após se verificar a solidificação do mesmo podendo ver na IMAGEM02.

IMAGEM03-Etapas do processo de injecção
As etapas do processo de injecção são o e enchimento durante a fase de injecção, compactação e arrefecimento, abertura do molde, ejecção da peça, fecho do molde, como ser vê na IMAGEM03.
Curva de pressão durante o ciclo completo
IMAGEM04-Curva de pressão durante o ciclo completo
Curva de temperatura durante o ciclo completo
IMAGEM05-Curva de temperatura durante o ciclo completo
As imagens IMAGEM04 e IMAGEM05 descrevem as curvas de pressão e temperatura para a construção de um molde é indispensável adaptar o modelo que se deve moldar, ao material e a maquinação da mesma, à primeira vista parece difícil estabelecer uma classificação dos moldes, dada a multiplicidade de materiais e máquinas que se encontram no mercado, assim como a configuração particular adoptada por cada fabricante, mas segundo a quantidade de cavidades que existem nos moldes simples ou múltiplos, a determinação da quantidade das cavidades por moldação então depende tecnicamente do peso do material por injecção, do rendimento de plastificação e da pressão de fecho da máquina. A quantidade rentável de cavidades por molde determina-se segundo a soma dos custos de produção e segundo o número de peças. Essencialmente consideram-se três tipos, dos quais se determina o princípio de desmoldação que servem de base para a classificação dos moldes, que são os modelos sem ressaltos ou sem perfis, geralmente trata-se de peças relativamente simples, por exemplo, cubos, sortidos, copos, etc. os modelos com ressaltos e com perfis exteriores, como, por exemplo, parafusos, tampas das rolhas de “champagne”, etc. e os modelos com ressaltos interiores, como, por exemplo, obturadores roscados para tubos, tampa roscada, etc., sendo naturalmente também possível combinações destes três tipos de Modelos.
Molde
IMAGEM06a)-Molde
Molde
IMAGEM06b)-Molde
Quanto à estrutura pode ser constituída por barras de fixação, placas de moldação onde se encontra a cavidade, sistemas de alimentação, pinos ejectores, bucha e canais de arrefecimento. A estrutura do molde é basicamente um meio de extracção de calor, no qual o fundido solidifica na forma desejada e com os detalhes definidos pela cavidade e pela bucha. Essa estrutura da parte da cavidade define a forma exterior da peça, enquanto a parte da bucha define o seu interior. A estrutura da placa da cavidade é geralmente montada no lado da placa estacionária, que se encontra ligada ao bico de injecção, como se observa na IMAGEM06a) e IMAGEM06b).
Segundo o tipo de desmoldação, os moldes se dividem nos seguintes tipo de molde: Moldes Normais
Moldes para peças com ressaltos; Moldes de guilhotina; Moldes de corrediça; Moldes de pinças; Moldes para roscas; Moldes especiais
Um molde em termos industriais é uma ferramenta que se destina a dar forma a um determinado material, e um molde poderá ser um modelo oco formado por diversas peças reunidas, para nele se fundirem obras, ou um modelo sólido feito de qualquer substância, pelo qual se talha ou se forma alguma coisa.
3- Unidades e estudos de uma cápsula
Quanto à unidade de pressão é definida por (ρ) é a propriedade física que corresponde à força exercida por um fluido sobre uma determinada área, ρ= F/S, sendo a unidade SI (metro, quilograma, segundo) para medir a pressão é o Pascal (Pa), equivalente a uma força de 1 newton por uma área de 1 metro quadrado.
A pressão em Bar, a Bária é a unidade de pressão no sistema c,g,s (centímetro, grama, segundo) e vale uma dyn/cm2, em que a 1 bar = 106 bárias
A pressão em Psi (pound per square inch), libra por polegada quadrada, é a unidade de pressão no sistema inglês/americano.
Assim como a respectiva correspondência entre unidades de pressão que são normalmente utilizadas o  peso especifico de um determinado material de uma massa N/m³, sendo a razão entre o peso de um determinado volume de uma substância e de igual volume de água nas condições normais de pressão e temperatura.
Os varios tipos de resinas termoplásticas são: ABS, SAN e Poliestireno, Acrílico, Polipropileno e Polietileno, EVA, Poliacetal, Policarbonato; Poliamidas (Nylons); PBT e PET; PPS; Poliuretano; Elastômeros Termoplásticos; Outras resinas de alta performance
As propriedades do termoplástico como o polipropileno (homo ou copolímero) que é uma resina largamente utilizada pelo seu baixo preço, fácil processabilidade, boa resistência térmica e excelente resistência química a vários agentes agressores. Tais propriedades estimularam o desenvolvimento de vários compostos baseados em PP que, sendo uma resina semi-cristalina, apresenta incremento sensível em suas propriedades físicas com a incorporação de reforços, e a densidade do polipropileno não modificado é 0,90.
As propriedades termoplásticas do ABS que é uma resina amorfa, com excelente estabilidade dimensional, boa resistência ao impacto, baixa absorção à humidade e resistente ao ataque químico de bases e outros agentes. Com o acréscimo de fibra de vidro, várias de suas propriedades são melhoradas, principalmente a rigidez. Pode ser tornado auto-extinguível, encontrando inúmeras aplicações na área eletro-eletrônica, a densidade do ABS de médio impacto não modificado é 1,05
As propriedades termoplásticas das poliamidas que são plásticos de engenharia, com óptima resistência mecânica, térmica e a solventes. As propriedades das Poliamidas melhoram substancialmente com o acréscimo de reforços. A absorção de humidade que ocorre de forma natural (ou acelerada pela imersão em água) altera algumas propriedades, tornando o material mais flexível e com melhor resistência ao impacto, a sua densidade não modificada é de1,14
A propriedade termoplástica do policarbonato é uma resina amorfa, transparente, com alta resistência ao impacto. Essa resistência ao impacto é menos elevada em peças com entalhe e/ou espessas. É intrinsecamente auto-extinguível V-2. O acréscimo de fibra de vidro e de carbono elevam sua rigidez e resistência térmica, além de melhorar sua resistência à chama. Com Fibra de Vidro e PTFE apresenta excelentes propriedades físicas e tribológicas, a sua densidade é de 1,20.
A propriedade termoplástica do poliacetal, homopolímero ou copolímero, apresenta excelente resistência à hidrólise e aos hidrocarbonetos, além de alta fluidez. O acréscimo de reforços e de lubrificantes permite a obtenção de propriedades excepcionais para aplicação em peças móveis submetidas a esforços mecânicos. O composto de Poliacetal com PTFE, além de alta resistência ao desgaste, apresenta a capacidade de extinguir arcos elétricos, tornando-o indicado para a moldagem de componentes de Chaves Elétricas, a sua densidade não modificada é de 1,41
As resinas como Poliftalamida, Polissulfeto de Fenileno e Polibutileno Tereftalato, apresentam propriedades elevadas quando reforçadas com fibra de vidro ou de carbono. São intrinsecamente "plásticos de engenharia" que, modificados com reforços, tornam-se excepcionais. Sendo as suas densidades as seguintes: poliftalamida com fibra de vidro de 1,56; polissulfeto de Fenileno com fibra de vidro de 1,80; polibutileno Tereftalato com fibra de carbono de 1,48.
4- Cápsula para uma garrafa de água
Cápsula e a sua respectiva garrafa de 25 cl
IMAGEM07-Cápsula e a sua respectiva garrafa de 25 cl
O objectivo é a determinação da espessura média da cápsula, e posteriormente irei fazer a identificação dos parâmetros para escolha da máquina de injecção para o seu fabrico.
IMAGEM08-Cápsula
Para o cálculo da espessura média da cápsula com um diâmetro exterior de 32 mm, altura de 12 mm, parede de espessura de 1 mm, sendo o volume exterior da cápsula de 9648 mm³, e o volume interior da cápsula de 7777 mm³, e a sua diferença seja ao volume estimado da cápsula de 1871 mm³.
Para a selecção de uma máquina para fabrico da cápsula, determina-se o peso específico de ρ que é 1,7/1,871, igual a 0,9, sendo por esta estimativa o valor é o da resina termoplástica do polipropileno, então os resultados dos cálculos efectuados representam uma boa estimativa das grandezas analisadas, anterior nos resultados.
5- Pressões na máquina de injecção
Existem duas áreas da máquina de injecção que exigem pressão e controlo de pressão, a unidade de injecção e a unidade de fecho. Das duas unidades a unidade de fecho tem de desenvolver pressão suficiente para contrapor a pressão desenvolvida pela unidade de injecção durante o processo de moldação. São três os tipos de pressão exercidos pela unidade de injecção: pressão inicial, pressão de manutenção e contra pressão.
Na pressão de injecção seja a primeira fase da pressão que conduz ao enchimento da cavidade, é se desenvolvida uma pressão do sistema hidráulico puxando-a para a traseira do fuso. Este sistema desenvolve uma pressão de aproximadamente de 2000 Psi (14 MPa), que implica um máximo de pressão de 20000 Psi (138 MPa) a saída do bico da unidade de injecção devido ao desenho e forma do fuso. Muitos produtos podem ser moldados numa escala de 5000 a 15000 Psi (35 a 103 Mpa). A pressão usada depende do tipo de viscosidade, fluidez e temperatura do plástico, do molde bem como da geometria da peça. Na prática a situação ideal é encher o molde inicialmente com a maior pressão possível e no menor tempo possível. Normalmente, o enchimento inicial é acabado em menos de 3 segundos e a maior pressão de moldação facilita o enchimento, no entanto pressão em excesso induz tensões internas na peça a ser moldada, sem esquecer a influência da forma da peça a injectar de que a pressão de injecção também depende.
Na pressão de manutenção seja a segunda fase da pressão em que esta pressão, aplicada no fim da pressão inicial, completa a finalização do enchimento do molde e mantêm pressão contra o plástico que foi injectado para que este solidifica enquanto ele fica denso e compactado, normalmente a segunda pressão é menor do que a pressão inicial de injecção, e a pressão de manutenção é aplicada devidas as contracções do material.
A contra pressão, este tipo de pressão é aplicada depois da pressão de injecção e da pressão de manutenção. Quando a fase da pressão de manutenção está completada, o fuso traz material novo para a frente do cilindro para a preparação de um novo ciclo. O fuso não recua, a acção dele é trazer novo material para a frente, sendo este material injectado a frente do mesmo, de seguida o material começa a empurrar o fuso para traz. A pressão aplicada para esta contra pressão é pequena comparada com a pressão de injecção. A contra pressão de 50 a 500 Psi (345 a– 3447 kPa) é normalmente exigida. Quando se determine a contra pressão para um novo produto ou material, o valor inicial é predefinido para 50 Psi (345 kPa). A pressão é depois incrementada em incrementos de 10 Psi (69 kPa) até a própria mistura e densidade serem acabadas. Contra pressão assegura consistência em parte no peso, na densidade, e na aparência do material. Evita e minimiza a formação de poros no produto moldado. Se a contra pressão utilizada for menor que 50 Psi (345kPa) pode ocorrer falta de leitura e de parâmetros da máquina de injecção. Se for superior que 500 Psi (3447 kPa) o fuso pode não voltar ou fica demasiado a frente, e o material degrada-se. No caso dos plásticos reforçados (tais como fibra de vidro), o reforço do material quebra o que resulta num produto de baixa resistência.
A pressão de injecção é em média de um fuso da máquina de injecção é capaz de produzir uma pressão de injecção de 20000 Psi (138 MPa) no cilindro. Em muitos casos, a maior pressão possível combinada com a mais rápida velocidade de injecção possível minimiza tensões na peça moldada e sobretudo o tempo do ciclo. Até 20000 Psi (138 MPa) pode ser admitido, é prudente usar somente a maior pressão exigida para um material específico e suas aplicações. Na prática começa-se a moldação pelas 7000 a 8000 Psi (48 a 55 MPa) e aumenta-se ou diminui-se as pressões necessárias até optimizar o ciclo. O factor crítico envolvido em criar uma avaliação de uma pressão de injecção é a relação comprimento/diâmetro do fuso de injecção. O comprimento do fuso é medido pelo comprimento da secção roscada, e o diâmetro é medido por o diâmetro máximo da rosca e a relação mínima standard é de vinte para um a uma relação desejável de vinte e quatro a um é a mais desejável.
A pressão da unidade de fecho têm como função da pressão da de manter o molde fechado contra as forças exercidas do material de injecção. Ora, a unidade de fecho tem de exercer pelo menos uma força igual a força de injecção. A pressão da unidade de fecho é aplicada para o molde hidraulicamente ou mecanicamente. E a pressão total exigida da unidade de fecho é determinada pela área projectada da cavidade no molde. Esta área é depois multiplicada por um factor de força de fecho da mesma unidade. Como regra geral, o factor varia de 4 a 5 Tons/in.² (55 a 69 MPa) é utilizada para a maioria dos produtos.
A unidade de fecho de uma máquina de injecção de plásticos é relacionada com a força máxima de fecho que a máquina é capaz de produzir e para ter uma força exigida para manter o molde fechado durante o tempo do processo de injecção pelo que normalmente a força relacionada é dado em toneladas.
A força de fecho exigida é determinada pela quantidade de pressão de injecção a ser usada para introduzir um material específico no interior de um molde., os materiais mais viscosos requerem maior pressão de injecção e tem dificuldades para fluir e numa escala de fluidez de materiais onde se insere cada material e a sua respectiva viscosidade, estes são classificados como “alta fluidez”, “media fluidez” e “baixa fluidez”. No teste do índice de fluidez determina a fluidez de qualquer plástico, e o vendedor da matéria-prima dá essa informação desta mesma através dos seus registos. Este índice de fluidez pode variar entre 5 a 20. Um valor baixo significa que este material flui com dificuldade e é classificado como pouco fluido. Valores mais altos significam que o material flui facilmente. Não é menos importante relembrar um valor de fluidez específico do que saber se a matéria-prima tem alta, media ou baixa fluidez. Neste caso, apercebendo-se que este requer mais pressão de injecção para injectar uma matéria-prima com baixa fluidez, a força de fecho é determinante.
Uma comparação de dois materiais mostra a diferença, sendo um produto moldado com polycarbonato (um plástico de baixa fluidez) pode exigir uma pressão de injecção de 15000 Psi (103 MPa), no entanto o mesmo produto moldado com polypropyleno (um plástico com alta fluidez) pode necessitar somente de 5000 Psi (35 MPa). Portanto, o produto de polycarbonato requer uma força de fecho do molde que é aproximadamente 3 vezes superior ao produto de polypropyleno.
O método usado para determinar força de fecho exigida é considerar a área de projecto da parte a ser moldada e multiplicar esta área por um factor de 2 a 8 tons/in.² (28 a 110 MPa). A área projectada é encontrada multiplicando a dimensão 150 mm por 150 mm e a dimensão da profundidade é importante se for maior que 25 mm, sendo a área de 225 cm². A força de fecho exigida são agora calculadas multiplicando o valor de 225 cm² pelo factor de 2 a 8 tons/in.² (28 a 110 MPa), valores mais baixos são usados para materiais com alta fluidez, e os valores mais altos são apropriados para materiais de baixa fluidez.
Para este exemplo o polycarbonato foi seleccionado como material a ser moldado, sendo o Polycarbonato justamente um material duro e de baixa fluidez, portanto o factor de fecho usado tem de ser mais alto. Experiência mostra que um factor de 5 tons/in.² (69 MPa) é adequado para o polycarbonato. Finalmente, os 225 cm² de área projectada é multiplicado pelo factor de fecho de 5 tons/in.² (69 MPa), resultando numa força total de fecho de 180 toneladas (1,6 MN), com uma margem de segurança de 10 % adicionada ao factor de fecho, a força final de fecho necessária é de 198 toneladas (1,8 MN). A máquina indicada para este produto é uma máquina com uma unidade de fecho que suporta 200 toneladas (1,8 MN). A dimensão da profundidade só é importante se a peça a ser moldada tiver uma profundidade superior a 2,5 cm de profundidade, seja por cada 2,5 cm de profundidade, a força total de fecho é incrementada de 10 %, se a peça moldada fosse de 5 cm, a força de fecho exigida iria ser acrescida de 18 toneladas (161 kN) (10 %) para um total de 198 toneladas (1,8 MN), adicionando um factor de segurança de 10 % para este valor incrementado, a força de fecho do molde exigida é de 218 toneladas (2,0 MN).
Os ensaio de reologia segundo a norma ISO 1133 (Procedure A) ou a ASTM D1238 (Procedure A) que são equivalentes, é feito o seguinte ensaio a matéria prima para determinar o seu índice de fluidez, este ensaio é feito num reómetro capilar com as seguintes especificações de ensaios. Sendo a temperatura de 230 º C, o peso utilizado de 2,16 Kg, e o diâmetro do furo onde é extrudido o material de 0,955 mm.
IMAGEM09-Máquina de injecção
Máquina de injecção ARBURG 320 A como se vê na IAMGEM09 é pode ser uma das soluções com pelas suas características com uma força de Fecho de 500 a 600 KN, unidade de injecção, diâmetro do fuso a ser usado de 35 mm, com um volume máximo de injecção de 115 cm³ a uma pressão de injecção máxima a 1470 bars sendo o débito de injecção máximo de 194 cm³/s.
Para o cálculo de pressão de injecção para o enchimento de uma cavidade através de uma geometria simples, a peça possível de ser injectada na máquina de injecção acima indicada com os respectivos cálculos para a determinação da pressão de injecção é apresentada na IMAGEM10 ande são descritas as demições da geometria
Desenho da peça
IMAGEM10-Desenho da peça
Alguns cálculos aproximados do desenho da peça com uma área de 7 mm², com o comprimento de 100 m dando assim um volume de 0,7 cm³, com o peso de 0,63 g para um plástico com uma densidade de 0,9 g/cm³ como seja o polypropyleno.
Verificam-se que existem vários tipos de escoamentos dos quais são abordados três tipos, o escoamento por gravidade, escoamento laminar de fluidos newtonianos, escoamento laminar de fluidos não newtionanos. Destes três tipos de escoamentos, os escoamentos por gravidade são determinados segundo a Lei de Bernoulli, ou seja este é usado para fluidos incompressíveis com densidade constante e sem viscosidade em regime permanente e sem transferência de calor, a equação que define essa lei é conhecida por Equação de Bernoulli e esta representa a conservação de energia. Este tipo de escoamento não é aplicável no estudo de escoamentos de um fluido com um comportamento “pseudo plástico”.
Sendo a equação utilizada a seguinte, (v2/2)+(gz)+(p/ρ)=constante; aonde as constante são: v=velocidade em m/s; g=aceleração da gravidade em m/s²; z=altura em m; P=pressão em Pa; ρ=densidade volúmica do fluido em kg/m³.
Os escoamentos laminar de fluidos newtonianos tem viscosidade constante e são normalmente incompressíveis e isotérmicos e regem-se pela Lei de Hagen-Poiseuille, esta mesma depende de 3 condições que implicam que o escoamento se organiza segundo um campo de velocidade parabólica onde este tem uma velocidade nula nas paredes do cilindro e máxima a meia altura. Segundo a equação pode-se determinar o caudal do fluido projectado num cilindro ou tubo de pequena secção, no entanto pode-se afirmar que a mesma não se aplica aos fluidos “pseudo plásticos” porque estes são fluidos não newtonianos. A equação para determinação do caudal e da pressão de enchimento é descrita da seguinte forma:Q=((pi.d4)/(128.µ.L))/ΔP; aonde as constantes são Q=Caudal; d=diâmetro do cilindro;L=comprimento;µ=viscosidade; ΔP=variação da pressão=pressão final–pressão inicial.
Escoamentos laminar de fluidos não newtonianos também regem-se pela Lei de Hagen-Poiseuille, no entanto os fluidos desta natureza obedecem à Lei de Potência devido a variação da viscosidade segundo a temperatura, estes também são normalmente imcompressíveis e isotérmicos. A partir da Lei de Potência obtêm-se duas equações, uma para determinar o caudal e a outra para determinar a pressão.
Para o cálculo da queda de pressão para enchimento da cavidade representada da IMAGEM10, a pressão necessária ao enchimento da cavidade coincide com a pressão necessária ao enchimento de cada um dos ramos, uma vez que a cavidade tem um perfil constante e é cheia a partir do ponto central. O caudal necessário ao enchimento de cada um dos ramos determina-se dividindo o volume do ramo que é 0,35 cm³ pelo tempo de enchimento aproximadamente 0,1 segundos. Têm então que Q=3,5*10-6m3/s, e de tabela obtêm que para o polipropileno K=7500Pa.sn e n =0,38, e as variáveis geométricas tomam os seguintes valores; r=1,5*10-3 m, e L=50*10-3m, donde resulta uma queda de pressão de 247 bar.
6- Enchimento de uma cápsula
…(contínua no post seguinte)
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