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FUNDAMENTOS DO PROJETO DE MOLDES DE

INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

By Torres

Prof. Luiz Cesar TORRES SOCIESC – CETT – PR – Pág. 2

INTRODUÇÃO

Atualmente os polímeros são empregados em uma infinidade de produtos de forma geométrica

variada. Desde uma simples arruela até um painel de instrumentos de um automóvel, os polímeros estão a

cada dia ganhando mais espaço em todos os ramos da atividade industrial. Desta forma, está substituindo

outros materiais mais comuns como a madeira, o vidro e até mesmo os metais.

Dentre os inúmeros processos de transformação de polímeros, a injeção se caracteriza como uma

das mais importantes.

1 PROCESSO DE INJEÇÃO

O processo de moldagem por injeção é uma técnica de moldagem que consiste basicamente em

forçar, através de uma rosca simples (mono-rosca), a entrada de material fundido para o interior da

cavidade de um molde. Este processo é muito complexo em função do número de variáveis que afetam a

qualidade da peça injetada.

De modo a obter-se um processo de moldagem por injeção estável e peças com a qualidade

desejada é necessário haver um equilíbrio entre os parâmetros de injeção como tempo de injeção,

temperatura do molde e do material injetado, pressão de injeção e recalque, tempo de resfriamento, volume

do material injetado, dentre outros.

Atualmente as peças moldadas por injeção são usadas em larga escala pela indústria e estão

presentes no interior dos automóveis, nos gabinetes eletrônicos, nos equipamentos médicos etc. Os

equipamentos convencionais de moldagem por injeção são compostos basicamente por um funil de

alimentação, um cilindro de plastificação, uma rosca sem fim (alojada dentro do cilindro) e um molde.

As roscas possuem anel de bloqueio que tem por finalidade permitir passagem do material fundido

no momento da dosagem e impedir o retorno deste material quando da aplicação da pressão de injeção. O

termoplástico, geralmente em forma de grãos, é alimentado através do funil e forçado a entrar no cilindro de

plastificação.

O cilindro é equipado com resistências elétricas que promovem a condução de calor, e combinadas

com o atrito gerado pela rotação da rosca sem fim no interior do cilindro fundem o plástico, permitindo que

ele seja injetado na cavidade do molde, conferindo forma final à peça.

A moldagem por injeção é um processo dinâmico e cíclico que pode ser dividido, simplificadamente,

em seis etapas sucessivas: fechamento do molde, dosagem, preenchimento, recalque, resfriamento e

extração. A Figura 2 abaixo apresenta uma forma mais completa e esquematizada este processo.


Figura 1: Componentes básicos do Processo de Injeção

Figura 2: Ciclo de Injeção


a) Fechamento do Molde: o ciclo de moldagem é iniciado pelo fechamento e travamento do molde,

necessário para suportar a altíssima pressão no interior da cavidade no momento da injeção. Os

equipamentos atuais de injeção variam este valor desde 30 toneladas até mais de 1000 toneladas;

b) Dosagem: consiste na plastificação e homogeneização do composto no cilindro de injeção, obtidas

por meio do movimento de rotação da rosca e do aquecimento do cilindro por resistências elétricas. Os

parâmetros importantes a serem levados em consideração para esta etapa são temperatura do

cilindro, velocidade de rotação da rosca e contrapressão da rosca;

c) Preenchimento: injeção do polímero fundido para o interior da cavidade do molde por meio do

movimento linear de avanço da rosca e bloqueio do contra-fluxo pela ação do anel de bloqueio.

Quando a camada do plástico entra em contato com as superfícies frias da cavidade do molde, ele

esfria rapidamente, enquanto o núcleo central continua fundido. O material adicional que entra na

cavidade flui ao longo da linha do canal enquanto as paredes da cavidade revestidas por termoplástico

já estão solidificadas. Os principais parâmetros nesta etapa são pressão de injeção, velocidade de

injeção e dimensionamento dos pontos de injeção da cavidade do molde;

d) Recalque: finalizando o preenchimento das cavidades com volume de fundido maior que o volume

real da cavidade, a pressão nas paredes da mesma é mantida constante até a solidificação da peça.

Esta manutenção da pressão nas cavidades é conhecida como recalque, e se destina a compensar a

contração da peça moldada durante seu resfriamento, evitando a ocorrência de defeitos de moldagem

como os chamados “rechupes” e outras imperfeições, bem como perda de parâmetros dimensionais.

O nível de pressão de recalque determina quanto material foi adicionado a mais do que o necessário

para o completo preenchimento do molde. Uma regra básica define que a dosagem deve incluir um

volume entre 5 e 10% maior que o necessário para o completo preenchimento da cavidade;

e) Resfriamento: finalizada a etapa de recalque a peça é mantida no molde fechado, para

resfriamento e, consequentemente, para complementação da sua solidificação. Para moldes

metálicos, o tempo necessário para que a peça seja extraída sem apresentar deformações

significativas corresponde ao tempo de resfriamento. Neste caso, tempo de resfriamento longos são

indesejáveis, pois diminui a produtividade do processo.

f) Extração: Encerrada a etapa de resfriamento o molde é aberto e a peça é extraída por ação de

extratores mecânicos, hidráulicos, elétricos ou pneumáticos, que são definidos de acordo com a

concepção do molde e a geometria da peça.

Como podemos constatar acima, juntamente com a máquina que tem a função de processar o material

plástico, o molde no seu papel de “dar forma” ao produto, caracteriza-se como o fator principal em todo o

processo de moldagem por injeção.


2 O MOLDE

O molde pode ser definido como uma unidade completa capaz de produzir peças moldadas através de

funções e sistemas apropriados.

Figura 3: Molde de Injeção de duas placas com canal frio Fonte: Bayer - Part and Mold Design Guide (2005)

A Tabela 1 abaixo relaciona as funções do molde ao respectivo sistema responsável por cada uma das

mesmas.

FUNÇOES DO MOLDE SISTEMA DO MOLDE

Dar forma ao material Cavidades e Machos

Conduzir material até a cavidade Sistema de Alimentação

Expelir ar da cavidade durante preenchimento Sistema de Ventagem (saídas de ar)

Manter suas partes alinhadas durante o processo Sistema de Alinhamento

Resfriar o material Sistema de Refrigeração

Abrir para permitir extração Linha de Separação (Parting Line)

Extrair o produto moldado Sistema de Extração

Tabela 1 – Funções e Sistemas do Molde

2.1 Tipos de Moldes

Os moldes de injeção podem ser classificados sob os seguintes aspectos:

Número de Planos de Abertura

- Molde de duas placas

- Molde de três placas


Figura 4: Molde de duas Placas, Canal Frio,

Extração por Placa com Núcleo Rotativo

Figura 5: Molde de três Placas, Canal Frio,

Extração por Placa

Tipo do Sistema de Injeção

- Molde com Canal Frio

- Molde com Bico ou Bucha Quente

- Molde com Câmara Quente

Figura 6: Molde com Bico Quente,

Extração por Placa no Lado Fixo

Figura 7: Molde com Câmara Quente,

Injeção sobre canal, Extração por Pinos

Tipo de Extração

- Por Pinos

- Por Bucha ou Camisa

- Por Placa

- Por Ar Comprimido

- Acionamento Mecânico

- Acionamento Pneumático ou Hidráulico

- Núcleo Rotativo (peças com rosca)

- Sistema Colapsível


Figura 8: Molde com dois Planos de Injeção (Stack mold), Injeção com Câmara Quente, Extração com

Placa e auxílio de Ar Comprimido

Número de Planos de Injeção

- Um plano de injeção

- Dois ou mais planos de injeção

(Stack mold)

Número de Cavidades

- Molde com cavidade única

- Molde com múltiplas cavidades

- Molde Família (produtos diferentes)

Forma Construtiva

- Monobloco

- Cavidades e Machos Insertados

Figura 9: Molde Monobloco


Molde Híbrido

- Considera-se Moldes Híbridos os que fazem uso de técnicas e materiais diferentes ou

alternativos na construção das suas cavidades (Macho e Fêmea).

Molde Protótipo

- Moldes fabricados para produção de pequenas séries com o intuito de testar o produto.

3 Projeto de Moldes

O projeto cuidadoso de um ferramental é o principal ponto para garantir alto nível de produção e baixa

manutenção. Portanto, devem ser observados diversos fatores técnicos durante o seu desenvolvimento,

afim de que as possibilidades de falhas possam ser minimizadas.

O desenvolvimento tecnológico na construção de ferramentas para injeção de termoplásticos tem sido

impelido pela produção de peças complexas, nas quais surge a exigência de alta qualidade. A forte

pressão para redução dos custos de produção exige também quedas significativas no custo de fabricação

das ferramentas, sem comprometimento da qualidade destas.

Esses fatores implicam em grandes exigências na área de projeto, principalmente quanto à

responsabilidade sobre o resultado final do conjunto, permitindo assim uma produção mais estável.

O bom desempenho de uma ferramenta de injeção está diretamente associado ao cuidado com que seu

projeto foi desenvolvido, tanto na concepção funcional quanto na definição dos materiais e processos

empregados.

Algumas diretrizes básicas devem ser levadas em conta na elaboração de projetos para moldes de

injeção de plásticos. São detalhes que, se bem observados, facilitam e fundamentam as diversas fases

desses projetos.

3.1 Parâmetros necessários para o Projeto do Molde

Produto

- Matéria Prima Tipo, Fabricante, Propriedades Reológicas, Mecânicas, Físicas e

Químicas, Parâmetros de Processo, etc.

- Forma Geométrica Tamanho, Linhas de Fechamento, Ângulos de Saída, Tipo e Sentido

de Extração, Detalhes Negativos, etc.

- Produção Prevista Número de Cavidades, Nível de Automatização, Materiais e

Tratamentos das Cavidades, etc.


- Acabamento posterior a Moldagem Acabamento Superficial das Cavidades, Marcas de

Extratores e Gavetas, Marcas do Ponto de Injeção, etc.

- Peso Tamanho do Molde, Condições de Refrigeração, Condições de Extração, etc.

Máquina Injetora

- A determinação da Máquina Injetora observa três fatores principais:

1 - A capacidade de injeção Peso do produto, Número de Cavidades e Peso dos Canais

de alimentação – Recomenda-se utilizar em torno de 80% da capacidade.

2 - Tamanho do Molde Passagem entre Colunas da Injetora e Distância entre as Placas.

3 – Força de Fechamento Resultado da Pressão de Injeção pela Área Projetada

(F = P x Ap).

Outros fatores a ser considerado é o diâmetro do Anel de Centragem, o Sistema de Fixação,

o Sistema de Refrigeração/Aquecimento, o Acionamento de Machos (Hidráulico), o Controle

do Processo, etc.

Condições de Fabricação (Ferramentaria)

Muito embora, nem sempre o projetista tenha o controle de “onde” o molde será fabricado, é

muito importante que o mesmo tenha um razoável conhecimento do processo de fabricação.

Os detalhes de projeto podem “dirigir” o processo de usinagem para este ou aquele

equipamento (máquinas operatrizes), facilitando assim a sua fabricação.

Outra questão é a “condição de Montagem” e de “Manutenção”.

Tudo isso tem um objetivo principal: A Redução de Custos!


3.2 Etapas de um Projeto

Atualmente, com os recursos de CAD – Computer Aided Design - Desenho auxiliado por

computador, um projeto pode ser executado totalmente em 3D (modelado em três dimensões).

Tal condição nos permite “ver” e “manusear” o molde inteiro antes da sua fabricação e, também,

através do próprio software, analisar condições de montagem, movimentos e interferências.

Vale ressaltar que, apesar das muitas ferramentas a disposição, o software atua como um

auxiliar no projeto, não dispensando de forma alguma os conhecimentos técnicos e experiência

do projetista.

Pensando desta forma e, sem querer estabelecer uma sequência, podemos enumerar as etapas

para elaboração de um projeto de molde de injeção.

3.2.1 Estudo do Produto

- Esta etapa é de suma importância para a qualidade do produto final. Em muitos casos, nos

deparamos com detalhes no produto que dificultam ou até mesmo inviabilizam a sua

moldagem. Ângulos de Saída, Variações bruscas de espessuras, Nervuras, Ressaltos,

Furos e Rasgos, Raios, etc.

- Cabe ao projetista “negociar” com a Área de Produtos as alterações necessárias para o

bom funcionamento do molde. Muitas vezes, com pequenas alterações que não afetam o

produto, se ganha muito na qualidade e durabilidade do molde, sem falar na redução dos

custos de fabricação.

Definição da Linha de Fechamento (Parting Line)

Figura 10: Sentido de Extração Figura 11: Superfície de Fechamento


O Sentido da Extração é definido pela forma e detalhes do produto como, Furos, Nervuras,

Ressaltos e Ângulos de Saída, originando desta forma a Linha de Fechamento.

A Linha de Fechamento juntamente com a

Superfície de Fechamento definem a

separação exata entre Macho e Fêmea ou

Cavidade Superior e Cavidade Inferior do

molde.

As mudanças de Plano devem ser feitas da

maneira mais suave possível.

No caso de fechamentos retos, recomenda-

se uma inclinação mínima de 2 graus na

transição dos planos (Figura 11).

A não observância desta regra ocasionará o

“enrustimento” das faces de fechamento do

molde.

Figura 12: Mudança de Plano de Fechamento

Figura 13: Conjunto Macho, Cavidade e Inserto

A maioria dos softwares de projeto disponível do mercado dispõe de ferramentas

apropriadas para execução desta tarefa (separação macho-cavidade).

Ponto de Injeção

O Ponto de injeção é a ligação entre o produto e o Canal de Alimentação do molde e,

invariavelmente causa uma marca no produto.


Do ponto de vista do processo, poderíamos afirmar que a melhor situação seria o

posicionamento do Ponto de Injeção no centro de massa do produto (mesma distância do

ponto de injeção até os pontos mais distantes – balanceamento do fluxo).

Na prática nos deparamos com inúmeros fatores que impedem ou dificultam está condição:

a) Questões estéticas e/ou funcionais – Ex.: Uma lente de farol de carro, injetado em

Policarbonato não pode de forma alguma ter um ponto de injeção central.

b) Forma e Tamanho do produto.

c) Tipo e Formato do Canal (Frio ou Quente).

Definição das Cavidades

Após a definição da Linha e Superfície de Fechamento e da posição do Ponto de Injeção

passamos para o dimensionamento das peças que tem contato direto na formação do

produto (Machos, Cavidades, Insertos, Pinos, etc.).

Figura 14: Cavidade Cilíndrica Figura 15: Cavidade Retangular

3.2.2 Lay Out das Cavidades

Considerando que o processo de injeção trabalha com altas pressões é de suma importância o

balanceamento adequado das cavidades, ou seja, a distribuição simétrica em relação ao centro da

máquina injetora.

Atenção especial deve ser dada aos moldes tipo “Família” onde as peças têm “áreas projetadas”

diferenciadas.

A distância entre cavidades deve ser o suficiente para acomodar todos os componentes (Canais de


alimentação, Pinos Extratores, Canais de Refrigeração, Parafusos de Fixação, etc.).

Figura 16: Molde com 8 cavidades Figura 17: Molde com 4 cavidades

3.2.3 Sistema de Alimentação

O Sistema de Alimentação é responsável pelo “fluxo de material” dentro do molde. Daí a importância

do seu correto dimensionamento. Para garantir um perfeito fluxo de material na cavidade do molde se

faz necessário observar os seguintes princípios básicos:

a) - Projetar o produto de modo que no processo de injeção tenha um fluxo unidirecional para que a

massa plástica flua em uma direção reta do ponto de injeção até o ponto final da cavidade.

b) - Todo o caminho do fluxo dentro da cavidade do molde deve ser balanceado e encher a mesma

em tempo igual e com igual pressão.

c) - Um fluxo mais eficiente é obtido quando o gradiente de pressão (queda de pressão por unidade

de comprimento) é constante ao longo do caminho do fluxo.

e) - O “Shear Stress” durante o tempo de injeção deve estar abaixo do nível crítico de cada polímero.

f) - O tempo de injeção deve ser uniforme em toda a peça de modo a se evitar empenamentos.

g) - A posição das linhas de junção devem estar posicionadas nas partes menos sensíveis da peça.

h) - Evitar fluxos oriundos de vários pontos de injeção pelo posicionamento dos canais de entrada de

modo que os fluxos oriundos de cada um encontrem-se no fim do enchimento da cavidade.

i) - Usar guias de fluxo e defletores de fluxo para balancear o fluxo de injeção. Guias de fluxo são

aumentos na espessura da parede localizadas em pontos difíceis de injeção de modo a dirigir a


massa plástica em uma direção pré-definida. Defletores de fluxo são reduções localizadas de

espessura de parede para dividir o fluxo.

j) - Projetar canais de entrada de modo que quando a cavidade está no ponto de enchimento total e

adequadamente enchida, o ponto de entrada (gate) tenha um resfriamento e fechamento automático.

Esta providência evitará um super enchimento da cavidade ou um fluxo reverso após a cavidade

estar preenchida.

k) - Os canais de alimentação devem ser dimensionados para altas quedas de pressão, minimizando

o material nos canais em ordem a se obter uma razão alta entre o volume da cavidade e do canal de

alimentação.

3.2.4 Extratores

O número e localização dos extratores deverão proporcionar uma extração estável e sem

deformações ou marcas no produto. O Curso de Extração deverá ser dimensionado de modo a

garantir a extração total do produto. Na prática o curso ideal deverá exceder de 5 a 10 mm da altura

do produto. Da mesma forma deverá se evitar o choque da Placa Extratora com a Placa Suporte

prevendo-se uma folga de 3 a 5 mm.

3.2.5 Refrigeração

A refrigeração se caracteriza como uma das partes mais difíceis do projeto de molde, tendo em vista

que a sua função de proporcionar a troca térmica entre o produto e o molde, tem um reflexo direto no

ciclo de produção.

O desafio está em localizar os canais na posição adequada em relação ao produto e ao mesmo

tempo não interferir nos demais componentes do molde (Pinos extratores, Coluna Guia, Parafusos de

fixação, Postiços, Insertos, etc.). Some-se a tudo a necessidade de posicionamentos adequados dos

pontos de entrada e saída.

3.2.6 Aplicação de CAE na Análise de Fluxo

A aplicação de recursos computacionais através de softwares de CAE – Computer Aided Engineering (Engenharia auxiliada por computador) trás benefícios imensuráveis ao processo de projeto e fabricação de moldes. O uso dos referidos softwares simulam o comportamento do polímero durante a fase de enchimento no processo de injeção. Potenciais problemas como enchimentos incompletos, localização indesejável das linhas de solda e bolhas de ar e variações de fluxo são detectados antes do molde ser fabricado. Dentre os inúmeros resultados obtidos com esta simulação podemos destacar os seguintes:

- Avanço da frente de enchimento.


- Otimização e balanceamento dos canais de enchimento - Linhas de solda e linhas de junta - Saídas de ar - Otimização das espessuras do produto - Tensão e Taxa de Cisalhamento para otimizar o ponto de injeção - Pressão de injeção - Força de fechamento - Eficiência dos canais de refrigeração - Temperatura de processo - Perfil de velocidade tempo de injeção - Tempo de recalque - Tempo de ciclo - Peso do produto - Orientação molecular - Empenamento

Figura 18: Análise de Fluxo através do uso de software de CAE

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