VARIATIONS DE STRUCTURE
2.1 Algorithmes des variant cal lers
2.1.2 Les variant cal lers génériques
Tendo em conta o exposto anteriormente, o arrefecimento do molde é de extrema importância para a qualidade e a produtividade.
A temperatura do molde, mais concretamente a temperatura da superfície da cavidade do molde, condiciona a estrutura macromolecular resultante na moldação e as suas propriedades devido à sua influência no arrefecimento da peça. As baixas temperaturas dos moldes conduzem a grandes velocidades de arrefecimento e, por conseguinte, a maiores taxas de produção.
Especialmente nos plásticos semicristalinos, o grau de cristalização depende fortemente da velocidade de arrefecimento. Um arrefecimento lento tem como consequência um elevado grau de cristalização. Por conseguinte, deverá achar -se uma solução de compromisso entre a qualidade e a capacidade de produção, que determine a rentabilidade do processo.
Por regra geral, não se pode falar de uma distribuição homogénea da temperatura no molde de injecção, uma vez que as temperaturas são diferentes tanto local como periodicamente no ciclo de produção (Fig. 2.18).
injecção ejecção t (s) T (ºC) 40 30 20 Tw máx. Tw mín. T w
Figura 2.18 – Temperatura na parede da cavidade do molde em função do tempo [10]
Contudo, para alcançar uma boa qualidade da peça injectada é necessário minimizar as diferenças de temperatura na superfície moldante. Para isso, torna-se necessário garantir o bom desempenho do sistema de arrefecimento. Para que a
moldação arrefeça de forma efectiva, os canais de arrefecimento têm de estar cuidadosamente posicionados e correctamente dimensionados. O efeito do arrefecimento tem de ser bastante notório onde a moldação está bastante quente e progressivamente menos efectivo onde esta está mais fria. Se o projecto do molde permite obter um estado térmico equilibrado no molde/moldação, isso irá reflectir-se na melhor qualidade do produto.
Nas secções seguintes, apresentam-se alguns conceitos sobre o projecto de moldes, bem como, alguns defeitos resultantes de um arrefecimento não uniforme.
2.3.1 – Considerações sobre o Projecto de Moldes
Para a avaliação das necessidades de arrefecimento, podem considerar-se alguns pontos fundamentais de actuação no projecto de moldes de injecção.
Selecção do Material para o Molde
A condutividade térmica dos materiais em que são construídos os moldes, tem uma influência directa na eficiência térmica dos mesmos. Este ponto, por vezes, é ignorado pelo projectista do molde durante o processo de selecção do material. Assim, do ponto de vista de transferência de calor, interessa que o molde tenha baixa densidade e seja feito de material tão bom condutor quanto possível, para minimizar a resistência ao fluxo de calor e reduzir o tempo de arrefecimento. Contudo, esta situação ideal é limitada pelos requisitos de resistência mecânica e pelo custo de ligas especiais (como as de cobre e berílio), que têm condutividades térmicas muito superiores às do aço macio.
A selecção dos materiais para a construção dos moldes também deve ter em conta os requisitos de produção. É óbvio que as especificações, sobretudo em termos de resistência ao desgaste, serão altamente dependentes da série de produção expectável para o molde.
Existem essencialmente cinco considerações na selecção dos materiais para as cavidades e núcleos (também designados por machos ou buchas), os quais estão expostos a altas pressões usadas durante as fases de injecção e pressurização [11]:
1. Não podem ceder ou alterar as dimensões sob a pressão de processamento; 2. Devem suportar a força de fecho da máquina sem prejuízo para a linha de
partição;
3. Devem resistir ao desgaste provocado pelo escoamento do fundido; 4. Devem conduzir eficientemente o calor para fora da massa do polímero, 5. Devem ter um custo razoável.
Diâmetro dos Canais de Arrefecimento
O diâmetro dos canais de arrefecimento é limitado por aspectos construtivos de outros sistemas do molde e da própria logística industrial. No entanto, não deve ser esquecido que a maior eficiência do fluído de arrefecimento é conseguida quando o seu regime de escoamento é turbulento.
As diferenças de regime do escoamento prendem-se com a transferência de momentum através do fluído. Num escoamento laminar, a transferência de momentum através do fluído processa-se por atrito viscoso de uma camada de fluído para outra imediatamente adjacente. Tal escoamento ocorre a baixas velocidades. Porém, para velocidades maiores (escoamento turbulento), a transferência de momentum por atrito viscoso é complementada pelo transporte molecular do próprio fluído em direcções perpendiculares à direcção principal do escoamento. Devido à transferência de massa nas direcções perpendiculares ao escoamento, as trocas de energia em escoamento turbulento são muito maiores que em escoamento laminar. Em condutas circulares, o escoamento laminar ocorre para números de Reynolds inferiores a 2300. Para números de Reynolds acima dos 3500, o escoamento pode ser considerado turbulento.
A quantidade de energia trocada está relacionada com a razão volume/área da
superfície. Nas regiões onde a razão V/As é maior, o arrefecimento é mais difícil e são necessários canais com maior diâmetro [13].
O diâmetro dos canais de arrefecimento é um compromisso entre "turbulência" e perda de carga.
Disposição dos Canais de Arrefecimento
Tal como acontece na escolha do diâmetro dos canais de arrefecimento, a disposição dos mesmos é limitada por aspectos construtivos, como por exemplo, o
layout dos ejectores. Por este motivo, a disposição dos canais nem sempre é a mais
adequada (do ponto de vista térmico) para a geometria e espessura da peça (ou peças).
Na literatura [p. ex., 6, 12], a localização dos canais de arrefecimento é referida como sendo de extrema importância para um arrefecimento uniforme, pois determina a distribuição e a evolução da tempera tura na superfície da cavidade durante o período de arrefecimento. Assim, os canais para a transferência de calor deveriam estar posicionados de modo a garantir um perfil de temperatura aproximadamente uniforme ao longo da superfície moldante.
Neste contexto, os principais parâmetros a considerar são: a distância dos canais à superfície (d ) e a distância entre os canais (e) (Fig. 2.19) [4].
canais de arrefecimento moldação molde qmin qmáx s/2 e d
Figura 2.19 – Perfil do fluxo de calor
Diversos autores [p. ex., 1, 7] consideram que um grande afastamento dos canais da superfície aumenta a resistência térmica e que um grande espaçamento entre os canais provoca uma variação irregular da temperatura à superfície moldante. Assim, o aumento da distância d e a diminuição da distância e, devem assegurar um perfil de temperatura mais uniforme.
Temperatura do Fluído de Arrefecimento
A temperatura do fluído de arrefecimento é uma variável crítica do processo e é largamente responsável pelas condições operativas do sistema de arrefecimento.
A temperatura do refrigerante condiciona o mecanismo de remoção de calor do molde. Se a diferença de temperatura entre o refrigerante e a superfície do molde for elevada, os perfis de temperatura serão acentuadamente não-uniformes, com as consequências já mencionadas.
A temperatura do fluído de arrefecimento depende, não só do material que se está a moldar, mas também do tipo de peça que se está a produzir. Alguns termoplásticos necessitam de temperaturas da superfície do molde elevadas. Neste caso, pode ser usada água ou óleo para o arrefecimento do molde. Geralmente, utilizam-se temperaturas do refrigerante baixas para se obter uma melhor transferência de calor e, por conseguinte, reduzir o tempo de ciclo.
Os fluídos de arrefecimento mais comuns usados em moldes de injecção são:
Água 5 a 90 ºC
Água com
anticongelante -20 a 5 ºC Óleo 90 ºC a 300 ºC
A água é o fluído mais usado devido ao seu baixo custo, reduzida viscosidade, facilidade de manuseamento e disponibilidade.
2.3.2 – Defeitos Associados a um Arrefecimento Deficiente
Geralmente, para além da uma baixa produtividade, um arrefecimento ineficiente conduz a peças com defeitos. A qualidade das peças pode ser inferior ao exigido tornando-as não aceitáveis como produto.
O arrefecimento não uniforme de uma peça origina contracção diferencial da mesma, provocando tensões internas assimétricas. Assim, a peça contrairá mais nas zonas mais quentes, provocando empenos no produto final, como mostra a Fig. 2.20.
MOLDAÇÃO CANAIS DE ARREFECIMENTO
MOLDAÇÃO APÓS A EJECÇÃO
Figura 2.20 – Efeito de um arrefecimento desequilibrado
Considerando o problema da Fig. 2.20, a sua solução passará por aumentar o arrefecimento no lado deficiente. Deste modo, elimina -se o empeno e reduz-se o tempo de ciclo. As alternativas são: aumentar o número de linhas de arrefecimento no lado mais quente; construir linhas de arrefecimento ajustadas à peça; modificar o layout das linhas. Assim, o resultado poderá ser o aumentar do diâmetro das linhas ou a introdução de sistemas especiais (borbulhante, placa deflectora ou pinos térmicos) no lado mais quente [6]. Se o diâmetro da linha de arrefecimento for aumentado, provavelmente será necessário caudal mais elevado para manter o escoamento turbulento nos canais.
Caso as soluções preconizadas acima não podem ser aplicadas deverá aplicar-se uma metodologia inversa baseada em reduzir a transferência de calor do lado mais frio, havendo que, necessariamente, suportar um aumento do tempo de ciclo.
Outra consequência do ineficiente arrefecimento será o sobreaquecimento localizado, isto é, zonas com temperaturas elevadas. Algumas peças possuem uma forma mais complexa com secções espessas localizadas ou detalhes geométricos que inviabilizam a passagem dos canais de arrefecimento. Estas áreas arrefecem mais devagar devido às dificuldades associadas à remoção de calor. O resultado é uma elevada contracção localizada que pode originar empeno ou outros defeitos como chochos (vazios) ou chupados.
2.4 – Referências
1. ZÖLLNER, O. Thermal Mould Design. Leverkusen: Bayer AG, 1993.
2. ROSATO, D. V. Injection Mold Design. In ROSATO, D. V. e ROSATO, D. V. – Injection Molding Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold, 1986, p. 160-234.
3. HOLMAN, J. P. Heat Transfer. Singapore: McGraw-Hill, 1989.
4. PÖTSCH, G.; MICHAELI, W. Injection Molding: an introduction. Munich: Carl Hanser Verlag, 1995.
5. MILLS, N. J. Plastics: Microstructure and Engineering Applications. 2.ª ed. Great Britain: Edward Arnold, 1993.
6. SINGH, K. J. Mold Cooling. In BERNHARDT, E. C. – CAE Computer Aided Engineering for Injection Molding. Munich: Carl Hanser Verlag, 1983, p. 326-347.
7. GASTROW, H. Injection Molds: 102 proven designs. Munich: Carl Hanser Verlag, 1983.
8. YU, C. J.; SUNDERLAND, J. E.; POLI, C. Thermal Contact Resistance in Injection
Molding . Polym. Eng. Sci. Vol. 30, n.º 24 (1990), p. 1599-1606.
9. RÃO, N. S. Design Formulas for Plastics Engineers. Munich: Carl Hanser Verlag, 1991.
10. WÜBKEN, G. The use of programmable computers in design and production. In Rationalisation in the injection moulding shop. Germany: VDI-Verlag, 1981.
11. REES, H. Understanding Injection Molding Technology. Munich: Carl Hanser Verlag, 1994.
12. YANG, S. Y.; CHANG, H. C. Study on the Performance of Cooling Systems in
Precision Injection Molds. Intern. Polym. Proc. Vol. 10, n.º 2 (1995), p. 255-261.
13. PANDELIDIS, I. O.; LINGARD, T. J. Optimization of Cooling Systems for Injection