Universidade Federal do Rio Grande do NortePrograma de Pós Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

CEM0075 – Técnicas Microscópicas de CaracterizaçãoDocente: Edson Noriyuki Ito.Discente: Thatiana Cristina Pereira de MacedoAtividade: Resumo do capítulo 13 do livro: “Principles of polymer processing” dos autores Tadmor e Gogos

TADMOR, Z; GOGOS, C. G. Principles of polymer processing. 2006. Cap. 13.

O livro “Princípios de processamento de polímeros” apresenta aspectos gerais a respeito do processamento de polímeros e seu comportamento reológico, envolvendo desde os conceitos fundamentais até os mais recentes desenvolvimentos. No presente estudo, será abordado apenas o capítulo 13, referente à moldagem por injeção, moldagem reativa por injeção e moldagem por compressão.

Os autores iniciam o capítulo conceituando a moldagem por injeção, a moldagem por compressão, e a modelagem por fundição como processos nos quais o polímero é forçado pela cavidade de um molde, de forma a obter sua forma. Na moldagem por fundição, o molde é preenchido por fluxo gravitacional, fazendo uso de líquidos de baixa viscosidade; na moldagem por compressão, a massa do polímero sólido é aquecida até fundir, e posteriormente é forçado para o interior de um molde quente; e no processo de moldagem por injeção, o polímero fundido é forçado a passar através de um orifício (gate) para o interior de um molde frio fechado, onde a massa se solidifica adquirindo a forma da cavidade do molde.

Nesse processo, podem ser utilizados dois polímeros em sequência, sendo um com agente espumante, pelo processo chamado de co-injeção; pode-se, ainda, fazer uso de injeção de ar no interior do molde, pela moldagem por injeção assistida por gás; e do processo de moldagem por injeção da reação, na qual monômeros ou pré-polímeros de baixa viscosidade que reagem são intimamente misturados imediatamente antes de serem injetados na cavidade do molde quente, onde reagem e se solidificam. Esse último processo é uma variação do processo de fundição, onde os sistemas de líquidos altamente reativos são injetados rapidamente. Apresentados os conceitos fundamentais dos tipos de moldagem por injeção abordados no capítulo, os autores destacam que o foco do texto em análise é a moldagem por injeção tradicional, visando a análise do processo, modelagem do molde e dos fluxos e os problemas associados às frentes de fluxo observadas nesse tipo de processamento de polímeros.

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Um tópico destacado no capítulo é o de simulações de enchimento do molde. Visando simular o completo enchimento do molde, é necessária análise detalhada da velocidade, perfis de temperatura e frente de fluxo, incluindo sua posição e forma, para otimizar as condições de moldagem conforme requisitos e propriedades. Entretanto, mesmo para moldes simples, esses modelos são extremamente complexos, sendo necessárias análises isoladas de regiões de fluxo, classificadas como: região totalmente desenvolvida, relacionado ao fluxo que a maior parte do material escoa; próxima à região central, que determina ambas as propriedades da superfície e formações linha de solda; e região do gate, que é dominante no início do enchimento do molde. Além disso, é necessário se preocupar com o padrão de fluxo total durante o enchimento do

molde. Dessa forma, nesse tópico, Tadmor e Gogos ressaltam algumas simulações matemáticas desenvolvidas para estudar a frente de fluxo e o enchimento do molde durante a injeção.

No que diz respeito à região totalmente desenvolvida, os autores afirmam que uma série de simulações matemáticas do fluxo e de transferência de calor nessa região têm sido relatadas, como a desenvolvida por Wu et al., que simula o enchimento de um disco central fechado; a analisada por Tadmor, para modelar a distribuição e orientação molecular em artigos moldados na região próxima a parte central; a simulação de Mavridis et al., que resolveu o padrão de fluxo além de apresentar uma análise da deformação sofrida pelos elementos de fluido sobre as linhagens congeladas de peças moldadas por injeção. Além deles, Dietz, et al. demonstrou que as medições de birrefringência durante e após o enchimento podem ser úteis na obtenção de informações sobre a cinemática de fluxo de enchimento; Gogos e Huang (34) e Huang (35) utilizaram ''marcadores de células '' para investigar a fusão da frente de fluxo; Hamada e Tsunasawa desenvolveram investigações experimentais e de simulação extensa.

Podem ocorrer, ainda, instabilidades da frente de fluxo durante o enchimento do molde. Bogaerds et al. revisou instabilidades de fluxo que normalmente ocorrem acima de uma taxa de cisalhamento crítico. A natureza geral de tais instabilidades são defeitos superficiais, perpendiculares à direção de escoamento. Esses defeitos são chamados listras de tigre, marcas de fluxo, ou linhas de gelo. Outros pesquisadores conseguiram, ainda, concluir por meio de modelagem que alguns defeitos superficiais estão relacionados a fluxos instáveis. Alguns desses modelos são especificados ao longo do capítulo, destacando a importância desses estudos na avaliação teórica da influência dos parâmetros sobre as frentes de fluxo e, consequentemente, sobre as propriedades dos polímeros processados por moldagem por injeção.

Outro processo abordado no capítulo é o de co-injeção. A Imperial Chemical Industries (ICI) desenvolveu o método de co-injeção, utilizado para a produção de produtos de espuma estrutural no qual o primeiro material em fusão é injetado no molde até que ele fique parcialmente cheio, sendo injetado, em seguida, a segunda fusão, que é o mesmo polímero que o primeiro, com um agente de formação de espuma. Quando o molde é cheio e os polímeros passam por arrefecimento, a pressão interna é reduzida e a formação de espuma realiza-se, resultando na formação da espuma estrutural com superfície sólida. Para que o processo ocorra, a passagem de um fundido para o outro é efetuado deslocando-se uma válvula, sendo necessários dois dispositivos geradores de fusão, como por exemplo, duas máquinas de moldagem por injeção ou duas extrusoras.

O capítulo tratou, ainda, sobre moldagem por injeção assistida por gás. Conforme os autores, o processo de moldagem por injeção assistida por gás envolve a injeção de alta pressão de um gás em molde parcialmente preenchido. Dessa forma, o gás pressiona o polímero fundido para as paredes do molde e o processo resulta em um produto com uma pele de polímero e um núcleo de gás. Nesse tipo de processamento, a viscosidade do gás é significativamente menor do que a do polímero fundido e que o gás é compressível, sendo possível a produção de peças de polímero de espessuras pequenas e uniformes com redução do ciclo de moldagem, devido a necessidade de menores tempos de resfriamento.

Tadmor e Gogos destacam, ainda, que devido essas vantagens, esse processo é tecnologicamente muito importante, mas as baixas pressões de injeção e de embalagem podem resultar na reprodução limitada de moldes com superfícies texturizadas e que apresentem marcas de superfície. Esse tópico é finalizado pelos autores com diversos estudos de caso desenvolvidos visando diminuir os problemas observados na moldagem por injeção assistida por gás, como por exemplo, os estudos desenvolvidos por Fairbrother e Stubbs; Marchessault e Mason; e Hyzyak e Koelling.

Além dos tipos de moldagem por injeção, os autores destacam que a característica mais marcante de moldes de injeção é complexidade geométrica, nos quais quanto maior a complexidade, maior necessidade de informações sobre diferentes porções de enchimento do molde, distribuição e localização das linhas de solda e orientação. A complexidade da geometria irregular, associada a problemas de condições de fronteira do fluxo, conduz naturalmente a necessidade de métodos de elementos finitos, que são inerentemente adequados para o tratamento de condições de contorno complexas. Fazendo uso desses métodos, a princípio, a pressão, a velocidade, e a distribuição da temperatura podem ser determinadas.

Entretanto, estudos específicos de simulação foram desenvolvidos, indicando que o padrão de fluxo global e as formas dianteiras são funções da natureza viscosa dos materiais utilizados e as implicações de tais resultados são duas vertentes: de um ponto de vista da modelagem, podem ser utilizadas aproximações de uma equação constitutiva newtoniana simples para prever a posição da frente de fluxo e sua forma; mas no que diz respeito aos padrões de enchimento dos moldes muito complexos, com baixa viscosidade, devem ser utilizados moldes experimentais com precisão razoável. Dessa forma, para uma simulação mais confiável e precisa, existem pacotes de simulação completas para enchimento do molde que podem ser de grande valia no processo de concepção e exploração das condições operacionais sobre o molde, como por exemplo, o MoldFlow.

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