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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS DE CURITIBA
DEPARTAMENTO DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
E DE MATERIAIS - PPGEM
OTÁVIO DERENIEVICKI FILHO
PROCEDIMENTO PARA TESTAR RESINAS
POLIMÉRICAS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES-
PROTÓTIPO USINADOS
CURITIBA
FEVEREIRO - 2007
OTÁVIO DERENIEVICKI FILHO
PROCEDIMENTO PARA TESTAR RESINAS
POLIMÉRICAS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES-
PROTÓTIPO USINADOS
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Área de Concentração em Engenharia de Manufatura, do Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação, do Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.
Co-orientadora: Profa. Márcia Silva de Araújo, Ph.D.
CURITIBA
FEVEREIRO – 2007
TERMO DE APROVAÇÃO
OTÁVIO DERENIEVICKI FILHO
PROCEDIMENTO PARA TESTAR RESINAS
POLIMÉRICAS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES-
PROTÓTIPO USINADOS
Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia, área de concentração em Engenharia de Manufatura, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais.
_________________________________ Prof. Neri Volpato, Ph.D. Coordenador de Curso
Banca Examinadora
______________________________ _______________________________ Prof. Carlos Alberto Costa, Ph.D. Prof. Paulo A. Camargo Beltrão, Ph.D. (UCS) (UTFPR)
______________________________ ______________________________ Prof. Neri Volpato, Ph.D. Profa. Márcia Silva de Araújo, Ph.D. (UTFPR) (UTFPR)
Curitiba, 26 de Fevereiro de 2007
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pelo dom da vida, pela saúde e
perseverança, necessários em todos os momentos desta jornada.
Agradeço muitíssimo à minha amada esposa Tere e minhas amadas filhas
Fernanda e Beatriz, pelo apoio e compreensão nos momentos de minha ausência
durante o trabalho.
A todos os meus amigos, em especial ao Mauro, Marcos Pires, Joel e ao
Machado, pelo apoio e confiança no meu trabalho, elementos que fizeram com que
eu pudesse realizá-lo.
Agradeço também às empresas que me apoiaram no desenvolvimento de
experimentos práticos como o SENAI-PR, em nome do Sr. João Antônio, e à
Electrolux em nome do Sr. Gerber.
Ao meu orientador, Professor Neri Volpato, pelo seu empenho em garantir o
desenvolvimento do trabalho, pela sua capacidade de proposta crítica, revisão e
síntese dos trabalhos. À minha co-orientadora, Professora Márcia Silva de Araújo,
pela constante ajuda na construção das idéias do trabalho e pelo direcionamento
prático das atividades de pesquisa.
À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, pela disponibilidade de
recursos e oportunidade de efetuar contatos profissionais e acadêmicos que
subsidiaram a pesquisa e fundamentaram os estudos.
Finalmente agradeço a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a
conclusão deste trabalho.
iv
DERENIEVICKI FILHO, Otávio, Procedimento para Testar Resinas Poliméricas
para a Fabricação de Moldes-Protótipo Usinados, 2007, Dissertação (Mestrado
em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de
Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 115p.
RESUMO
Uma alternativa à obtenção de insertos para moldes-protótipo para injeção de
plástico, é o Ferramental Rápido obtido por usinagem, que utiliza as tecnologias
CAD/CAM/CNC. Para a fabricação dos insertos através de usinagem, vários
materiais podem ser utilizados, dentre os quais, algumas resinas poliméricas
comerciais, tais como resinas de epóxi ou poliuretano e seus compósitos. Há, no
entanto, uma carência de informações a respeito da aplicação e desempenho destes
materiais na injeção de plásticos. Estudos anteriores demonstram que resinas não
indicadas para uso como material para moldes de injeção e por conseqüência, mais
baratas, pode resistir a um número considerável de ciclos de injeção com
determinados polímeros. Torna-se necessário então, identificar e testar várias
combinações de materiais, do inserto e da peça a ser injetada. Os resultados dos
testes podem fornecer informações para o usuário final e para a alimentação de um
banco de dados de materiais para moldes-protótipo que está em desenvolvimento
na UTFPR. Visando descartar as resinas que não apresentam propriedades
adequadas à injeção de plásticos, propõe-se a elaboração de um procedimento para
selecionar e testar as mesmas. Este procedimento propõe sugestões de como
realizar as várias etapas identificadas como necessárias para se testar resinas com
base em suas propriedades e do polímero que será injetado. Neste trabalho foram
realizados testes de injeção utilizando placas de resinas comerciais, seguindo o
procedimento proposto. Foram analisadas algumas características das resinas
como: usinabilidade, rugosidade e a dureza da superfície juntamente com o
desempenho e o desgaste dos insertos em função da injeção. Os resultados indicam
que algumas resinas podem ser utilizadas em injeção e o procedimento para testar
as mesmas apresenta-se viável.
Palavras-chave: Ferramental Rápido, Usinagem CNC, Injeção
v
DERENIEVICKI FILHO, Otávio, Procedimento para Testar Resinas Poliméricas
para a Fabricação de Moldes-Protótipo Usinados, 2007, Dissertação (Mestrado
em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de
Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 115p.
ABSTRACT
An alternative to attain inserts for prototype moulds for plastic injection is the
Rapid Tooling obtained by machining, with uses CAD/CAM/CNC technologies. For
inserts manufacture through machining, some materials can be used, amongst them,
some commercial resins, such as epóxi or polyurethane resins. However, a lack of
information regarding the application and performance of these resins in the plastic
injection is observed. Previous studies demonstrate that some resins not indicated for
the injection, and for consequence cheaper, can resist a considerable number of
cycles of injection with determined polymers. It is necessary then to identify and to
test some materials combinations of inserts and the injected part. The results of the
tests can supply information the final user and the feeding of a data base for
prototype moulds materials that is in development at UTFPR. Looking for to discard
the resins that do not present adequate properties to the plastic injection, it is
considered elaboration of a procedure to test and to select resins. This procedure
recommend how be various shots identifies by what means necessary to test resins,
on the basis of its properties and of the polymer that will be injected. In this work
commercial resin plates had been carried through injection tests using, to follow the
instructions of proposed procedure. Some characteristics of resins had been
analyzed as: machining, roughness and the hardness of the surface together with the
performance and the consuming of the inserts in function of the injection. The results
indicate follows resins can be used in injection mould and the proposed procedure is
practicable.
Keywords: Rapid Tooling, CNC Machining, Injection
vi
SUMÁRIO
RESUMO.................................................................................................................... iv
ABSTRACT .................................................................................................................v
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. ix
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................... xiv
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................1
1.1 Apresentação do Problema......................................................................................................4 1.2 Objetivos do Trabalho ..............................................................................................................5 1.3 Estruturação do Trabalho.........................................................................................................6
2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA OBTENÇÃO DE PROTÓTIPOS FUNCIONAIS ..............................................................................................................7
2.1 Prototipagem Rápida................................................................................................................7 2.2 Ferramental Rápido..................................................................................................................9 2.3 Ferramental Rápido Obtido por Usinagem ............................................................................11 2.4 Materiais Aplicados em Moldes-Protótipo Usinado................................................................16
2.4.1 Polímeros ...........................................................................................................................17 2.4.2 Propriedades térmicas dos polímeros................................................................................18 2.4.3 Propriedades mecânicas dos polímeros ............................................................................20
2.5 Resinas Poliméricas Comerciais............................................................................................21 2.6 Processo de Injeção de Plásticos ..........................................................................................24
2.6.1 Máquina injetora .................................................................................................................25 2.6.2 Molde de injeção ................................................................................................................26 2.6.3 Ciclo de Injeção ..................................................................................................................28 2.6.4 Acabamento superficial ......................................................................................................30 2.6.5 Adesão superficial ..............................................................................................................31 2.6.6 Contração e uso de desmoldantes.....................................................................................32
2.7 Estudos de Resinas como Insertos para Moldagem de Plásticos .........................................33 2.8 Discussão Sobre as Tecnologias e Materiais para a Fabricação de Insertos para Moldes-Protótipo .............................................................................................................................................37
3. PESQUISA DE APLICAÇÃO DE TECNOLOGIAS PARA O DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPOS FÍSICOS......................................................................................40
3.1 Metodologia da Pesquisa .......................................................................................................40 3.2 Resultados Obtidos ................................................................................................................41
vii
3.3 Discussão dos Resultados .....................................................................................................46 3.4 Considerações dos Resultados..............................................................................................47
4 PROCEDIMENTO PARA TESTAR E IDENTIFICAR RESINAS PARA A INJEÇÃO DE PLÁSTICOS........................................................................................49
4.1 Procedimento para Testar Resinas para Moldes-Protótipo ...................................................49 4.1.1 Selecionar a geometria do protótipo ..................................................................................50 4.1.2 Selecionar ou construir um porta-molde ............................................................................52 4.1.3 Selecionar as resinas para fabricar os insertos .................................................................54 4.1.4 Realizar testes para selecionar os parâmetros de usinagem ............................................55 4.1.5 Usinar os insertos...............................................................................................................56 4.1.6 Medir a rugosidade e dureza dos insertos antes e após a injeção....................................57 4.1.7 Definir o procedimento de ajuste do processo de injeção .................................................58 4.1.8 Realizar a injeção seguindo o procedimento de controle ..................................................59 4.1.9 Analisar as propriedades dos protótipos injetados ............................................................59
5 APLICAÇÃO DO PROCEDIMENTO PARA TESTAR RESINAS ........................61
5.1 Seleção de Resinas para a Fabricação dos Insertos.............................................................61 5.2 Testes de Usinagem em Resinas ..........................................................................................62 5.3 Realização da Usinagem dos Insertos...................................................................................64 5.4 Medição da Rugosidade e Dureza dos Insertos ....................................................................67 5.5 Seleção dos Polímeros a Serem Injetados ............................................................................69 5.6 Procedimento de Ajuste do Processo de Injeção ..................................................................69 5.7 Processo de Injeção dos Protótipos.......................................................................................71 5.8 Análise das Propriedades dos Protótipos Injetados...............................................................71
6 RESULTADOS ...................................................................................................73
6.1 Fabricação do Porta-Molde ....................................................................................................73 6.2 Definição dos Parâmetros de Usinagem................................................................................74 6.3 Usinagem dos Insertos...........................................................................................................79 6.4 Procedimento de Ajuste da Injetora .......................................................................................80 6.5 Resultados dos Testes de Injeção .........................................................................................83
6.5.1 Experimentos com a resina PN 1007.................................................................................83 6.5.2 Experimentos com a resina RS 5166.................................................................................86 6.5.3 Experimentos com a resina LAB 1000 ...............................................................................88
6.6 Resultado da Medição de Dureza dos Insertos .....................................................................90 6.7 Medição da Rugosidade dos Insertos ....................................................................................91 6.8 Medição da Espessura da Peças Injetadas ...........................................................................93 6.9 Medição da Rugosidade das Peças Injetadas .......................................................................93 6.10 Resumo dos Resultados de Usinagem e Injeção ..................................................................95
viii
7 DISCUSSÃO E CONCLUSÔES .........................................................................97
7.1 Discussão ...............................................................................................................................97 7.2 Conclusões...........................................................................................................................102 7.3 Sugestões para Trabalhos Futuros ......................................................................................103
PRODUÇÃO CIENTÍFICA NO PERÍODO (Março 2004 – Março 2007)..................105
REFERÊNCIAS.......................................................................................................106
APÊNDICE A – FORMULÁRIO DO QUESTIONÁRIO ............................................111
APÊNDICE B – FICHA DE REGISTROS DE AJUSTE DA INJETORA...................112
ANEXO A – MÉTODO DO AJUSTE PROGRESSIVO ............................................113
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Seqüência de desenvolvimento de um produto com tecnologia RP
(Adaptado de KARUNAKARAN, 2000)....................................................................8
Figura 2.2 – Produção de peças em PP (FERREIRA e MATEUS, 2002)..................10
Figura 2.3 – Ensaio de usinagem em resinas (LANZ et al., 2002).............................13
Figura 2.4 – Insertos usinados e peças injetadas (YANG e RYU, 2001)...................14
Figura 2.5 – Características da tecnologia CNC (PRINZ et al., 1997).......................14
Figura 2.6 – Usinagem de protótipo de um automóvel com CNC de 5 eixos (AXSON,
2004)......................................................................................................................15
Figura 2.7 – Geometria do protótipo e produto injetado em PP (VOLPATO et al.,
2003)......................................................................................................................24
Figura 2.8 – Modelo de máquina de injeção (HARADA, 2004)..................................26
Figura 2.9 – Modelo esquemático de um molde de injeção de plásticos (HARADA,
2004)......................................................................................................................27
Figura 2.10 – Ciclo básico de uma máquina injetora (HARADA, 2004).....................29
Figura 2.11 – Contração de um produto com forma interna (HARADA, 2004)..........32
Figura 2.12 – Contração de um produto sobre o macho (HARADA, 2004)...............32
Figura 3.1 – Regiões das empresas que responderam o questionário......................42
Figura 3.2 - Tecnologias para a fabricação de protótipos..........................................44
Figura 3.3 – Materiais dos produtos...........................................................................44
Figura 3.4 – Materiais utilizados em moldes-protótipo...............................................45
Figura 3.5 – Análises e ensaios realizados com os protótipos...................................45
Figura 4.1 – Etapas do procedimento para testar as resinas.....................................50
Figura 4.2 – Modelo do protótipo denominado pirâmide............................................51
Figura 4.3 – Modelo 3D do porta-molde padrão.........................................................53
Figura 4.4 – Modelo do corpo de prova para a usinagem dos canais........................55
x
Figura 4.5 – Modelo dos insertos: da cavidade e do macho......................................57
Figura 5.1 – Modelo de uma estratégia de usinagem gerado no sistema CAM.........65
Figura 5.2 – Pontos de medição de dureza Shore D dos insertos.............................68
Figura 5.3 – Superfícies de medição de rugosidade dos insertos..............................68
Figura 5.4 – Pontos de medição da espessura do protótipo injetado........................72
Figura 6.1 – Porta-molde fabricado e detalhe de insertos montados.........................73
Figura 6.2 – Detalhe do porta-molde..........................................................................74
Figura 6.3 – Exemplo de canais usinados..................................................................74
Figura 6.4 – Comparação de rugosidade média com vc = 100m/min........................76
Figura 6.5 – Comparação da rugosidade média com vc = 157m/min........................76
Figura 6.6 – Lascamentos observados nas resinas...................................................77
Figura 6.7 – Identificação da região de maior ocorrência dos lascamentos..............78
Figura 6.8 – Usinagem de uma cavidade e macho....................................................79
Figura 6.9 – Exemplo de um par de insertos usinados..............................................80
Figura 6.10 – Exemplo de controle de peso das peças injetadas na etapa de
ajuste.....................................................................................................................81
Figura 6.11 – Peças injetadas em um dos testes.......................................................81
Figura 6.12 – Método de controle de temperatura.....................................................82
Figura 6.13 – Resfriamento dos insertos com ar comprimido....................................82
Figura 6.14 – Peça perfurada pelos extratores e rachadura do inserto (PN 1007/PP-
S/D).......................................................................................................................84
Figura 6.15 – Inserto rompido e peça com parte do inserto (PN 1007/PP-
S/D).......................................................................................................................85
Figura 6.16 – Deformação do inserto e parte do inserto aderido na peça (PN
1007/ABS-C/D)......................................................................................................85
Figura 6.17 – Deformação da cavidade e detalhe do rompimento do inserto (PN
1007/ABS-C/D)......................................................................................................86
xi
Figura 6.18 – Lascamento do macho e peça com parte do inserto (RS 5166/ABS-
S/D)........................................................................................................................86
Figura 6.19 – Rompimento da cavidade na lateral e no ressalto central (RS
5166/ABS-S/D)......................................................................................................87
Figura 6.20 – Desgaste do inserto (RS 5166/ABS-C/D)............................................88
Figura 6.21 – Lascamento da cavidade (LAB 1000/ABS-S/D)..................................89
Figura 6.22 – Rugosidade média dos insertos antes da injeção................................92
Figura 6.23 – Rugosidade média dos insertos após a injeção...................................92
Figura 6.24 – Rugosidade média das peças injetadas...............................................94
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Resumo das tecnologias RT....................................................................9
Tabela 2.2 – Características das diversas resinas comerciais...................................22
Tabela 2.3 – Indicação de parâmetros de usinagem (Adaptado de VANTICO,
2003).....................................................................................................................23
Tabela 2.4 – Indicação de parâmetros de usinagem (Adaptado de AXSON,
2003)......................................................................................................................23
Tabela 3.1 – Quantidade de protótipos fabricados pelas diversas tecnologias de
prototipagem..........................................................................................................43
Tabela 5.1 – Propriedades da resina base e das resinas utilizadas nos testes de
injeção...................................................................................................................62
Tabela 5.2 – Parâmetros de corte selecionados para testes de usinagem................64
Tabela 5.3 – Seqüência da usinagem dos insertos....................................................64
Tabela 5.4 – Ferramentas e parâmetros de corte para a usinagem da cavidade......65
Tabela 5.5 – Ferramentas e parâmetros de corte para a usinagem do macho.........66
Tabela 6.1 – Rugosidade obtida com vc = 100m/min.................................................75
Tabela 6.2 – Rugosidade obtida com vc = 157 m/min................................................75
Tabela 6.3 – Relação da ocorrência de lascamento na saída da ferramenta............77
Tabela 6.4 – Classificação das resinas em relação à ocorrência do primeiro
lascamento na saída da ferramenta.......................................................................78
Tabela 6.5 – Quantidade de peças injetadas em cada ajuste da injetora..................81
Tabela 6.6 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (PN 1007)..........83
Tabela 6.7 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (RS 5166)..........86
Tabela 6.8 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (LAB 1000)........89
Tabela 6.9 – Resultado da medição de dureza nos insertos macho..........................90
xiii
Tabela 6.10 – Resultado ma medição de rugosidade dos insertos antes e após a
injeção...................................................................................................................91
Tabela 6.11 – Resultado da medição da espessura das peças.................................93
Tabela 6.12 – Rugosidade superficial das peças injetadas.......................................94
Tabela 6.13 – Resumo dos resultados de usinagem e de injeção.............................95
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D - Bidimensional
3D - Tridimensionais
3D-P - Three Dimensional Printing
ABS - Terpolímero de acrinolitrila-butadieno-estireno
CAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)
CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)
CNC - Comando Numérico Computadorizado (Computer Numerical Control)
CENPRA - Centro de Estudos Renato Archer
DOE - Design of Experiments
DMLS - Direct Metal Laser Sintering
DSC - Diferencial Scanning Calorymetry
FDM - Modelamento por Fusão e Deposição (Fused Deposition Modeling)
HSM - Usinagem em alta velocidade (High Speed Machining)
kg/m3 - Quilograma por metro cúbico
IJP - Impressão à Jato de Tinta
mm - Milímetro
mmºC - Milímetros graus Celsius
MPa - Mega Pascal
N/D - Não Disponível
N/mm2 - Newton por milímetro quadrado
NUFER - Núcleo de Prototipagem e Ferramental
PET - Poli Tereftalato de Etileno
PA - Poliamida
PDP - Processo de Desenvolvimento de Produtos
POM - Poliacetal
PS - Poliestireno
PP - Polipropileno
PTFE - Politetrafluoretileno
PVD - Deposição Física de Vapor (Phisical Vapour Deposition)
RS - RenShape
RIM - Moldagem por Injeção Reativa (Reaction Injection Moulding)
xv
RP - Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping)
RT - Ferramental Rápido (Rapid Tooling)
SL - Estereolitografia (Stereolitography)
SLS - Sinterização Seletiva à Laser (Selective Laser Sintering)
PBT - Poli Tereftalato de Butileno
Tg - Temperatura de transição vítrea
UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
vc - Velocidade de Corte
Capítulo 1 Introdução 1
1 INTRODUÇÃO
Com o mercado cada vez mais competitivo e exigindo das empresas respostas
rápidas às suas solicitações, o desenvolvimento de um produto precisa ser mais
rápido e preciso. Neste sentido, as empresas necessitam desenvolver uma
variedade de produtos rapidamente, com alta qualidade e custos reduzidos. O que
se busca, geralmente, é antecipar a entrada do produto no mercado (time to market),
buscando permanecer um maior tempo possível à frente da concorrência. Segundo
VOLPATO (1999), o sucesso de um produto está associado muitas vezes à
habilidade das empresas em identificar as necessidades dos clientes e
imediatamente desenvolver os produtos que preencham estas necessidades a um
baixo custo. Para tanto, se requer o estabelecimento de novas técnicas a serem
aplicadas em todas as etapas do Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP).
Uma forma de acelerar este processo e aumentar a qualidade do projeto é
utilizar protótipos físicos - não virtuais - para análise no PDP (YAN e GU, 1996). Os
protótipos têm como finalidade exprimir a idéia inicial de um produto e serve de
veículo para análises diversas, validando ou indicando melhorias necessárias no
mesmo. Os protótipos podem ser utilizados para várias finalidades dentro do PDP,
respondendo as questões de projeto e funcionando como uma ferramenta de
aprendizagem a cada iteração em que são utilizados. Adicionalmente, atuam no
compartilhamento de idéias e servem como um meio de comunicação entre os
membros da equipe, além de demonstrar o progresso do desenvolvimento do
produto (VOLPATO, 1999). Os protótipos se prestam a análises visuais e de
manuseio, podendo ainda atuar como interface entre a empresa e o cliente na
discussão e resolução de problemas. Também podem ser utilizados para diversos
testes como os funcionais, de engenharia e de montagem. Quanto mais próximo da
peça real projetada o protótipo for oferecido, melhor será o resultado destas
análises.
Em particular, o setor de injeção de plásticos busca aplicar inovações
tecnológicas no PDP, aplicando-as no desenvolvimento de ferramentas (moldes ou
matrizes) para a produção de peças injetadas. Estas ferramentas podem ser
construídas com placas metálicas inteiriças, normalmente de aço ferramenta, ou
receberem insertos, também metálicos, constituindo um conjunto. Os insertos são
Capítulo 1 Introdução 2
elementos nos quais se constroem cavidades que receberão o plástico injetado, e as
placas passam a sustentá-los completando a ferramenta. Os insertos geralmente
apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisos. Por
isso são tradicionalmente obtidos por processos de usinagem com ferramentas de
geometria definida e máquinas ferramentas com Comando Numérico
Computadorizado (CNC) e o de eletro erosão. Por este motivo, a fabricação de
ferramentas torna-se a etapa mais lenta e cara do processo de manufatura de uma
peça de plástico, devido à exigência de alta qualidade de seus componentes,
principalmente dos insertos (SILVA et al., 1999).
No entanto, antes de construir ferramentas definitivas, pode-se recorrer ao
desenvolvimento de protótipos físicos para auxiliar no PDP. Para a geração destes
protótipos, vários processos de fabricação foram e continuam sendo desenvolvidos.
Os processos mais recentes são baseados no princípio de manufatura por camada e
compõe uma área denominada de Prototipagem Rápida (RP, de Rapid Prototyping)
que possibilita obter modelos físicos das peças que se deseja produzir. O termo
Prototipagem Rápida designa um conjunto de tecnologias usadas para se fabricar
modelos físicos a partir de dados gerados por sistemas CAD (Computer Aided
Design). São processos bastante peculiares, uma vez que agregam e ligam
materiais camada a camada, de forma a construir o modelo físico.
Observa-se, no entanto, que em função de suas características construtivas as
tecnologias de RP podem apresentar algumas limitações. O protótipo construído
geralmente não atende aos requisitos de testes funcionais, ou seja, testes em
situações reais de uso devido, por exemplo, às suas características de construção e
material aplicado (VOLPATO, 2000). Também são tecnologias que geralmente
apresentam custos elevados de aquisição. Neste caso, construir os protótipos físicos
individualmente através de RP pode não atender às necessidades das análises
requeridas, ou tornar-se caro e demorado quando se deseja um maior número de
peças prototipadas inviabilizando sua execução. Um outro aspecto importante é que
as várias tecnologias de RP aplicadas na construção de protótipos podem
apresentar limitações no campo de tolerâncias dimensionais (SILVA et al., 1999).
Particularmente, quando a fabricação de protótipos é direcionada para o setor
de plásticos, uma alternativa seria lançar mão de moldes-protótipo para que se
possam injetar algumas peças e realizar as análises e os testes necessários. Neste
Capítulo 1 Introdução 3
caso, as peças injetadas podem apresentar as características finais requeridas do
produto, e poderão ser utilizados para diversos testes, inclusive testes funcionais.
Para o desenvolvimento de insertos protótipos ou moldes-protótipo, podem ser
utilizados alguns processos de RP, dando origem a uma área denominada de
Ferramental Rápido (RT, de Rapid Tooling). As tecnologias RT estão sendo
utilizadas na fabricação de insertos para moldes, criando um novo conceito no
desenvolvimento dos mesmos. No entanto, a exemplo de RP, as tecnologias RT
também podem não apresentar a mesma precisão de construção encontrada em
outros processos, como por exemplo, a usinagem CNC.
Porém, entre algumas técnicas aplicadas no desenvolvimento de RT, se
encontra o Ferramental Rápido obtido por usinagem que utiliza as tecnologias CAD,
CAM (Computer Aided Manufacturing) e CNC para realizar a confecção de insertos
em materiais de fácil usinabilidade. Trata-se de um conjunto de tecnologias mais
consolidadas, que, no momento, oferecem maior precisão e estão mais acessíveis
quando comparadas com as demais tecnologias RT (SCHUETT, 2001 e PRINZ et al.
1997).
Também é importante destacar que na fabricação de moldes-protótipo através
de usinagem, uma variedade de materiais metálicos e não metálicos poderá ser
aplicada. A seleção do material de insertos adequado ao número de peças e
material polimérico desejado, e que proporcione melhores condições de injeção de
plásticos, pode ser o diferencial positivo na aplicação da tecnologia de usinagem.
Entre os vários materiais disponíveis, algumas resinas poliméricas,
comercializadas em placas, podem ser aplicadas na construção dos moldes-
protótipo. Entre as diversas resinas reforçadas ou não, algumas são indicadas para
a injeção, porém, normalmente tem custo elevado quando comparadas às demais
resinas não indicadas para esta aplicação. Por exemplo, tomando como referência a
resina Renshape Express 2000 (VANTICO, 2003) indicada para a injeção, e
atribuindo a ela um valor de custo relativo igual a 1, outras resinas como a resina
Renshape 5166 (VANTICO, 2003) tem um custo proporcional a 0,42 e resina PN
1007 (HARD, 2004) tem um custo proporcional a 0,52. Diante da perspectiva de
aplicação de resinas, principalmente as de menor custo, para serem utilizadas na
fabricação de moldes-protótipo, alguns estudos vêm sendo realizados. Por exemplo,
nos estudos realizados por VOLPATO et al. (2003) foram testadas três resinas
comerciais nas quais foi injetado polipropileno (PP), sendo que duas destas
Capítulo 1 Introdução 4
resistiram à injeção. Também, FERREIRA e MATEUS (2003), testaram um molde-
protótipo fabricado com resina e injetaram PP e terpolímero Acrilonitrila-Butadieno-
Estireno (ABS). Neste estudo testes de usinagem também foram realizados. Já
LANZ et al. (2002) realizaram testes de usinagem com resinas para a obtenção de
moldes, nos quais foram observados lascamentos das resinas na saída da
ferramenta, variando alguns parâmetros de corte.
Observa-se, no entanto, que os diversos testes realizados, quer sejam testes
de usinagem ou testes de injeção, não foram sistematizados de forma a apresentar
um procedimento para testar as resinas. Adicionalmente, muitas resinas ainda não
foram testadas como insertos para moldes de injeção de plásticos, assim como há
poucos relatos de seu comportamento durante a usinagem, havendo, portanto, uma
carência de informações a este respeito.
1.1 Apresentação do Problema
Uma alternativa para se construir rapidamente moldes-protótipo é através do
processo de usinagem CNC. No entanto, os materiais utilizados devem possibilitar a
construção rápida dos moldes, ou seja, devem ser materiais de fácil usinabilidade.
Estes materiais também devem resistir aos ciclos de injeção de plásticos, ou
idealmente, deveriam resistir ao número de protótipos requeridos, o que resultaria na
utilização de uma resina mais barata. Entre os diversos materiais têm-se utilizado
materiais metálicos e não metálicos na fabricação dos moldes-protótipo. Entretanto,
quando a opção é o uso de resinas poliméricas comerciais, tipo resinas e
compósitos à base de epóxi ou poliuretano não indicadas pelos fabricantes para a
injeção, poucas informações estão disponíveis. Não se dispõe, por exemplo, quais
resinas podem ser utilizadas para cada um dos materiais a serem injetados, e qual a
vida dos insertos fabricados com as resinas indicadas para cada material. Os
fabricantes das resinas não informam muitas propriedades destes materiais que
seriam importantes para aplicação em injeção e não há trabalhos anteriores com
informações detalhadas a respeito.
Neste caso, para a aplicação das resinas em moldes de injeção de plásticos há
a necessidade de estudos mais detalhados a respeito de seu comportamento
Capítulo 1 Introdução 5
durante a injeção e de sua usinabilidade. Não foi identificado, até o momento, outro
estudo que ofereça um procedimento sistematizando os testes para identificar as
resinas para injeção de plásticos. Observa-se então, a necessidade de se ter um
procedimento que poderá identificar se um dado material polimérico é uma opção
para a fabricação de moldes-protótipo, este procedimento deve reunir informações a
respeito de:
• Quantidade de ciclos de injeção que a resina suporta para um dado
material injetado;
• Para qual polímero a ser injetado a resina pode ser indicada;
• Qual seu comportamento na fabricação/usinagem;
• Qual seu comportamento na injeção.
Além da usinabilidade e injeção, torna-se necessário identificar e testar no
processo de injeção as várias combinações possíveis de materiais, do inserto e da
peça a ser injetada. Também é necessário identificar quais as condições
necessárias para que a resina mantenha suas propriedades durante a injeção de
plásticos.
1.2 Objetivos do Trabalho
O objetivo geral deste trabalho é sistematizar um procedimento que possibilite
testar resinas poliméricas comerciais para a construção de moldes-protótipo, obtidos
por usinagem CNC para o processo de injeção de plástico.
Os objetivos específicos são:
• Estudar o comportamento das resinas, direcionadas a moldes-protótipo, em
relação à usinabilidade, fornecendo informações a respeito de parâmetros de
corte e processos de usinagem;
• Alimentar um banco de dados de materiais para moldes-protótipo, em
desenvolvimento na UTFPR, no qual seja possível selecionar resinas em
função do material da peça e a quantidade de peças a serem produzidas;
Capítulo 1 Introdução 6
• Sistematizar um procedimento para a elaboração dos testes das resinas, para
alimentar um banco de dados, que possa ser utilizado por diversos
pesquisadores garantido a padronização e confiabilidade dos dados gerados;
• Definir quais são os fatores determinantes para que uma resina seja aplicável
em moldes-protótipo para a injeção de plásticos;
• Ampliar a quantidade de materiais disponíveis para aplicação em moldes-
protótipo usinados;
• Propor um procedimento para identificar materiais para moldes-protótipo, que
seja simples, prático e de baixo custo para ser aplicado pelo usuário final.
1.3 Estruturação do Trabalho
O presente trabalho está estruturado em 7 capítulos da seguinte forma: No
Capítulo 1 está a introdução e os objetivos do trabalho. O Capítulo 2 apresenta uma
revisão bibliográfica dos processos de fabricação aplicáveis para a obtenção de
protótipos e moldes-protótipo. O Capítulo 3 apresenta o resultado de uma pesquisa
realizada em algumas empresas que desenvolvem diversos produtos, a respeito das
tecnologias e materiais utilizados na prototipagem. Na seqüência, o Capítulo 4
apresenta uma proposta de sistematização do procedimento para testar as resinas
para aplicação em moldes-protótipo usinados, e, no Capítulo 5 estão contidos os
testes realizados para a validação do procedimento proposto. Finalizando o trabalho,
são apresentados os resultados no Capítulo 6, os quais são discutidos e, juntamente
com uma análise geral do trabalho, são concluídos no Capítulo 7, que ainda trata de
sugestões para trabalhos futuros.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 7
2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PARA OBTENÇÃO DE
PROTÓTIPOS FUNCIONAIS
Este capítulo apresenta inicialmente as tecnologias de prototipagem rápida e
de ferramental rápido, abordando seus processos e materiais utilizados na
fabricação de protótipos físicos. Na seqüência apresenta-se o ferramental rápido
obtido por usinagem, focando na possibilidade de se fabricar moldes-protótipo
através da usinagem a Comando Numérico Computadorizado (CNC). Em seguida
são apresentados os materiais para moldes-protótipo e suas propriedades,
destacando as resinas poliméricas comerciais. O processo de injeção é apresentado
em seguida. No final do capítulo, são apresentados alguns estudos de aplicação de
resinas para moldes-protótipo, seguidos de uma discussão a respeito da aplicação
destas tecnologias, especificando áreas a serem exploradas, sugerindo ainda
algumas áreas de estudo.
2.1 Prototipagem Rápida
A aplicação da tecnologia de prototipagem rápida (RP de Rapid Prototyping)
como uma nova contribuição no processo de manufatura teve o seu início há pouco
mais de uma década, e ainda encontra-se em desenvolvimento. A RP refere-se à
criação de modelos físicos tridimensionais por uma criação gradual através da
adição de material pela deposição de camadas planas (SILVA et al., 1999). Já
existem vários processos de RP no mercado utilizando diferentes tipos de materiais.
Para estes processos, normalmente são aplicados materiais em forma de líquidos,
pós, camadas sólidas ou gases (KRUTH et al.,1998).
A tecnologia RP diferencia-se dos métodos tradicionais de manufatura, que
em sua grande maioria removem materiais. Segundo KRUTH et al. (1998), a
comercialização inicial das tecnologias RP se deu por volta de 1991, e em 1997 já
haviam sido comercializadas mais de 3000 unidades. A RP envolve a criação de
modelos físicos, quer para a observação de formas, dimensões, montagem e para a
análise no Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP) (VOLPATO, 1999).
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 8
Para a construção de um protótipo através de RP, o modelo geométrico
Tridimensional (3D) deverá ser gerado em um sistema CAD (Computer Aided
Design) (Figura 2.1a). O modelo 3D da peça deve ser orientado na posição de
fabricação de acordo com as necessidades da aplicação e/ou testes a serem
realizados, e realizado uma forma de “fatiamento” do mesmo. Utiliza-se para isso,
um programa de planejamento de processo da tecnologia RP, com o qual se
determinam as espessuras de cada camada (Figura 2.1b). Então, o modelo fatiado
apresenta-se como uma pilha de seções bidimensionais (2D) de espessura
previamente definida. Para a construção do modelo se faz necessária a deposição
das camadas orientadas que, sucessivamente, uma a uma vão formando o protótipo
físico (Figura 2.1c). Informações como coordenadas do modelo 2D, espessura de
camada, etc., compiladas em um sistema de planejamento de processo são
necessárias para a geração de movimentos do equipamento RP. Cada camada
pode ser acompanhada de um sub-processo necessário como: construção de
suportes em áreas de pouca sustentação e remoção de material (HUSHER et al.,
1998 e SILVA et al., 1999).
Geralmente, os protótipos criados necessitam de operações de pós-
processamento para a retirada de excesso de material, retirada de suporte e
acabamento superficial (Figura 2.1d). Dependendo da técnica aplicada, as peças
podem requerer mais ou menos operações de pós-processamento (HUSHER et al.,
1998 e SILVA et al., 1999).
(a) Modelo CAD (b) Modelo fatiado (c) Deposição de camadas (d) Modelo completo
Figura 2.1 - Seqüência de desenvolvimento de um produto com a tecnologia RP
(Adaptado de KARUNAKARAN, 2000)
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 9
Atualmente, há um grande número de técnicas para o desenvolvimento de
protótipos e inúmeros estudos acerca deste assunto. Segundo KRUTH et al. (1998),
os processos mais difundidos por ordem de unidades comercializadas naquele
momento foram: Estereolitografia, Impressão a Jato de Tinta, Modelagem por Fusão
e Deposição, Manufatura de Objetos Laminados e Sinterização Seletiva a Laser.
2.2 Ferramental Rápido
As mesmas técnicas de RP podem ser usadas para a fabricação de insertos
para moldes de injeção, o que deu origem a uma área denominada de Ferramental
Rápido (RT, de Rapid Tooling) ou seja, processos para a fabricação de ferramentas
para injeção de protótipos. A Tabela 2.1 apresenta um resumo de algumas
tecnologias RT.
Tabela 2.1 – Resumo de algumas tecnologias de RT
Tecnologia Processo de construção Material Fonte
Molde de silicone
O silicone é despejado dentro da caixa envolvendo o
modelo. Depois da cura total do silicone, este é retirado
da caixa e cortado em duas metades retirando-se o
modelo e obtendo portanto as cavidades (formas) que
servirão para a modelagem do produto final
Borracha de silicone DICKENS
(1996)
Pulverização Metálica
Um spray de metal é borrifado sobre a superfície tomada
como modelo, formando uma fina camada.Várias
camadas são sobrepostas até que se forme a camada
em sua espessura definitiva. Depois de desmoldada esta
casca é reforçada com um enchimento normalmente de
epóxi
Zinco e ligas de alumínio RADSTOK
(1999)
Direct AIM Baseado na construção direta de insertos para injeção
utilizando a estereolitografia Resinas
KRUTH
(1998)
RapidTool
O pó de aço inox é aquecido juntamente com um
aglutinante ativado durante a operação da sinterização a
laser obtendo-se uma peça “verde” que depois é
sinterizada e infiltrada com bronze dentro de um forno de
alta temperatura
Pó de aço inox SCHUET
(2001)
DMLS (Direct Metal
Laser Sintering)
O laser percorre o pó contido em um recipiente
sinterizando-o. Depois de pronta, a peça é retirada do
recipiente e o excesso de pó é retirado. Alguns modelos
são infiltrados com epóxi seguido da cura
Pó de bronze e pó de aço KHAING et
al. (2001)
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 10
A proposta do uso de RT não é construir diretamente os protótipos, mas
preparar insertos para injeção de plásticos. Desta forma, pode-se fabricar peças em
seu formato, perfil geométrico e características finais, requeridas para testes
funcionais e de engenharia, sem a necessidade de operações de pós-
processamento, além de possibilitar a fabricação de um maior número de protótipos.
Para a construção dos insertos para moldes-protótipo vários materiais podem
ser aplicados, como os materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos. Também são
aplicados materiais não metálicos como resinas epóxi, por exemplo, diferentes dos
tradicionais moldes de produção para a injeção de plásticos, normalmente
construídos em aço (SEGAL e CAMPBELL, 2001). Um exemplo são os estudos de
FERREIRA e MATEUS (2003), que apresentam a aplicação de resinas para o
desenvolvimento de moldes de injeção (Figura 2.2), denominando de Soft Tooling.
Os insertos foram construídos através da cura de uma resina epóxi comercial,
com carga de alumínio, sobre um modelo criado pelo processo de estereolitografia.
Canais de refrigeração também foram aplicados. Utilizando o molde, foram injetadas
peças em Polipropileno (PP) e Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (ABS). Os autores
comentam que devem ser encaminhados novos estudos de desenvolvimento de
materiais para confecção de moldes-protótipo somados aos estudos de parâmetros
de injeção.
Figura 2.2 - Produção de peças em PP (FERREIRA e MATEUS, 2003)
A técnica de RT a ser escolhida depende da quantidade de peças requeridas.
Sinterização a laser, por exemplo, pode ser utilizada na fabricação de insertos para
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 11
grande quantidade de peças. Moldes de resina se apresentam como uma opção de
fabricação rápida e com resultados satisfatórios para um menor número de peças
(STIERLEN et al., 1997).
Grande parte dos processos de RT constrói o inserto camada por camada,
necessitando um modelo geométrico 3D dos mesmos. Estes modelos são gerados
em um sistema CAD, sendo este o ponto de partida. Para o desenvolvimento do RT
são utilizadas as mesmas tecnologias de RP, somados a mais algumas etapas de
pós-processamento, de acordo com o processo escolhido.
2.3 Ferramental Rápido Obtido por Usinagem
Uma das tecnologias disponíveis e que pode ser utilizada para a fabricação de
moldes-protótipo é a usinagem CNC. Tal afirmação se deve ao fato que no mercado
há instalado e em expansão um expressivo parque de máquinas de usinagem,
principalmente máquinas CNC (MÁQUINAS e METAIS, 2005). Além disso, a
usinagem apresenta condições favoráveis para a fabricação de insertos para
moldes-protótipo.
Para tal, os processos de fabricação através de usinagem fazem uso integrado
das tecnologias CAD, CAM e CNC. O sistema CAD refere-se à criação de modelos
geométricos tridimensionais das peças que se deseja fabricar. Baseado na
geometria gerada no CAD, o sistema CAM oferece a criação dos programas de
CNC. O sistema CAM possibilita também a análise das trajetórias e simulação
gráfica da usinagem, necessitando de informações sobre as estratégias de
usinagem, ferramentas e parâmetros de corte, fornecidas pelo operador do sistema.
A usinagem com CNC permite a criação de perfis geométricos complexos e
variação de tamanhos de peças. Com esta tecnologia, peças grandes e pequenas
podem ser usinadas nos mais variados materiais tais como: plásticos, cerâmicas,
madeira, e os mais variados tipos de materiais metálicos, ferrosos e não-ferrosos.
Verificando também os campos de tolerância apresentados por algumas tecnologias,
se pode comparar as variações dimensionais com vantagens para a usinagem CNC
em relação às demais tecnologias RP (SCHUETT, 2001).
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 12
Um outro fator de grande importância é a dimensão dos insertos a serem
construídos com as mais diversas tecnologias. A usinagem CNC apresenta uma
capacidade de produção de moldes-protótipo de grandes dimensões, concorrendo
com as demais tecnologias RP e RT, que apresentam limitações dimensionais na
construção de protótipos. Diante de várias opções de equipamentos de usinagem a
serem aplicados na fabricação de moldes-protótipo, destaca-se o Centro de
Usinagem CNC. Deve-se considerar, no entanto, que a produção de moldes-
protótipo usinados, aplicando um Centro de Usinagem CNC requer que sejam
observados os parâmetros de corte necessários para a usinagem. Para PRINZ et al.
(1997), os parâmetros de usinagem a serem aplicados como, velocidade de corte,
avanço por faca, e profundidade de corte, são determinados em função do material a
ser usinado, material e geometria da ferramenta e o perfil geométrico a ser
construído. Os catálogos dos fabricantes de ferramentas informam estes parâmetros
levando em consideração as variáveis citadas acima, e, em alguns casos, estudos
específicos podem ser realizados para a determinação de parâmetros de usinagem.
Por exemplo, um estudo, realizado por LANZ et al. (2002), demonstra
resultados de ensaios de fresamento em materiais compostos por polímeros com
cargas. Seu estudo aprecia os efeitos da usinagem de uma resina epóxi com carga
de alumínio identificando pontos críticos durante o fresamento, a capacidade de
remoção de material e a possibilidade de otimização. Os parâmetros controlados
foram: o avanço por faca, velocidade de corte e profundidade de corte. Três
aspectos constituíram fatores de análise do experimento: forças de usinagem,
acabamento superficial e a quebra ou lascamento do material na saída da
ferramenta.
As conclusões dos autores indicam que as forças resultantes e o rompimento
do material são afetados pela profundidade de corte e avanço por faca.
Adicionalmente, os autores comentam que o lascamento aumenta à medida que a
profundidade de corte e o avanço por faca são aumentados (Figura 2.3). Comentam
também que a rugosidade é afetada pelo avanço por faca e, que os resultados do
avanço por faca e acabamento superficial foram semelhantes aos observados na
usinagem de metais.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 13
Figura 2.3 – Ensaios de usinagem em resinas (LANZ et al., 2002)
Também YANG e RYU (2001), apresentam estudos de desenvolvimento de um
compósito direcionado para a usinagem de protótipos, cuja composição apresenta
resina epóxi reforçada com pó de alumínio. O direcionamento do trabalho visava o
desenvolvimento de uma resina para a usinagem em máquinas CNC e testes de
propriedades mecânicas foram realizados, assim como, testes de usinabilidade.
Um molde protótipo de uma ventoinha foi usinado (Figura 2.4a) sendo
posteriormente realizada a injeção (Figura 2.4b), utilizando um equipamento
denominado de Moldagem por Injeção Reativa (RIM, de Reaction Injection Molding),
que oferece a possibilidade de injeção com baixa pressão. Os autores indicam que a
resina desenvolvida pode ser aplicável para a usinagem de moldes, devendo ser
levada em consideração a complexidade da geometria a ser usinada. Por outro lado,
apresentam algumas dificuldades de usinagem, problemas relacionados à formação
do compósito como: depósito do pó de alumínio, vazios gerados na mistura e tensão
residual. Comentam também que os testes de usinagem revelaram que o compósito
pode ser usinado utilizando altas velocidades de corte com baixas forças de corte.
Profundidade de corte (mm) 1,59 9,53
Ava
nço
por f
aca
(mm
) 0,
36
0
,084
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 14
Um outro aspecto relacionado à usinagem é que esta apresenta algumas
limitações quando aplicadas na construção de insertos, em função das geometrias a
serem usinadas. Geralmente, a usinagem exige o desenvolvimento de dispositivos
de fixação para peças geometricamente complexas, ferramentas especiais,
definições de processos de fabricação e de ferramentas de corte, geração do
programa CNC e o set-up da máquina (Figura 2.5). Estas limitações podem
acontecer devido à restrição de acesso da ferramenta em determinadas regiões do
inserto.
(a) (b)
Figura 2.4 - Insertos usinados em resinas (a) e peça injetada (b) (YANG e RYU,
2001)
Eletroerosão
Reorientação Fixação especial
Ferramenta especial
Figura 2.5 – Características da tecnologia CNC (PRINZ et al., 1997)
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 15
A relação entre o comprimento da ferramenta e o seu diâmetro também pode
influenciar decisivamente quando da realização da usinagem. Ferramentas de
pequeno diâmetro não suportam grandes balanços, isto é, grandes comprimentos.
Ferramentas muito longas poderão romper-se ao menor esforço (HASSOLD, 1998).
Visando minimizar estas limitações, alguns estudos estão sendo realizados. Por
exemplo, AMORIM (2006) estudou as principais dificuldades do processo de
fresamento e propôs alternativas para se obter os insertos para moldes-protótipo
somente pelo processo de fresamento, oferecendo opções para contornar estas
limitações.
Algumas destas situações não são problemas para centros de usinagem CNC
de 5 eixos (Figura 2.6). Parte destas limitações pode ser solucionada com o uso
destas máquinas, que oferecem maior versatilidade na usinagem, oferecem maior
liberdade de movimento das ferramentas, e possibilitam alcançar inúmeras regiões
da peça.
Também são encontrados atualmente no mercado máquinas ferramentas com
CNC denominados de High Speed Machining (HSM), uma tecnologia emergente
aplicada para usinagens em altas velocidades. Trata-se de uma tecnologia não
convencional utilizada para a usinagem aplicando CNC, na qual alguns fatores, tais
como: máquina, ferramenta de corte, material da peça e a forma da usinagem, são
Figura 2.6 - Usinagem do protótipo de um automóvel com CNC de 5 eixos
(AXSON, 2004)
Ferramenta
Protótipo
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 16
estudados para se realizar usinagens de uma maneira muito mais rápida. Ainda não
foram claramente definidos os conceitos e limites a serem aplicados nesta
tecnologia, que vem sendo aplicada em fresamento, torneamento, furação e em
retificação (MARCONDES et al., 2003). Segundo este mesmo autor, HSM é
reconhecida como a mais importante tecnologia de usinagem em desenvolvimento e
implantação. Colocam ainda que o conceito adotado atualmente é de que esta
tecnologia trata de usinagens com velocidades de corte de cinco a dez vezes
maiores do que as velocidades de corte normalmente utilizadas. Observa-se
também as variações dos parâmetros de corte aplicados, com atenção especial à
redução de profundidade de corte e avanço por faca. HSM pode ser aplicada para
trabalhos de desbaste, porém sua principal aplicação está focada em semi-
acabamento e acabamento.
A HSM é uma tecnologia emergente tanto para a fabricação de ferramentas de
produção quanto para a confecção de moldes-protótipo usinados, pois permite a
aplicação da usinagem de ferramentas e moldes com tempos significativamente
reduzidos, concorrendo com as tecnologias de prototipagem (MARCONDES et al.,
2003).
2.4 Materiais Aplicados em Moldes-Protótipo Usinado
No desenvolvimento de moldes-protótipo através de usinagem, vários materiais
têm sido aplicados. Materiais metálicos e não metálicos vêm sendo utilizados com o
intuito de reduzir tempo e custos de desenvolvimento, mantendo a qualidade
requerida dos produtos. A alternativa de se utilizar materiais poliméricos na
construção dos insertos para injeção ainda é pouco estudada, sendo necessária a
realização de pesquisas para identificar a viabilidade de uso das diversas resinas.
Os materiais metálicos já têm sua aplicação consolidada e há inúmeras referências a
respeito de suas propriedades e aplicações na usinagem. Neste sentido, as seções
a seguir tratam de polímeros, posicionando sua aplicação e apresentando algumas
de suas propriedades.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 17
2.4.1 Polímeros
Segundo ALBUQUERQUE (2000), nenhum plástico (também denominado
polímero), com grande probabilidade irá atender 100% das exigências de aplicação
referentes a desempenho, aparência, processabilidade e custo de um produto. A
seleção do material mais qualificado não é só uma simples tarefa de comparar
números encontrados em catálogos e publicações. O autor comenta ainda que após
ter-se selecionado as possíveis amostras, o polímero deve ser testado sob as
condições reais previstas para o trabalho, caracterizadas pela temperatura, carga e
hostilidade do meio ambiente. Também é importante que seja analisado o par de
materiais a serem utilizados, da peça e do molde, verificando se os mesmos poderão
oferecer as condições necessárias para se injetar a quantidade de peças solicitadas.
Neste caso, a seleção dos polímeros, tanto os que serão injetados nos moldes
dando forma aos produtos, como aqueles que serão utilizados para a fabricação de
insertos para moldes-protótipo, podem ter suas propriedades analisadas e testadas.
Os plásticos são compostos de resinas naturais ou sintéticas que, através de
pressão e calor, podem fluir e tomar forma determinada. A maioria dos plásticos é de
natureza orgânica, tendo como principal componente o carbono juntamente com
hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros elementos orgânicos e inorgânicos
(ROSATO e ROSATO, 1995).
Os plásticos têm como componente básico a resina, que dá as principais
características, o nome e a classificação do material. Podem receber agentes
modificadores, também denominados de cargas, que são empregados no sentido de
melhorar significantemente as suas propriedades mecânicas e térmicas. Os agentes
podem ser: fibras de carbono, fibras de vidro, microesferas, talco entre outros
(ALBUQUERQUE, 2000).
Os materiais podem apresentar diferentes características em função de seu
arranjo cristalino. Os diferentes arranjos são classificados como cristalinos, semi-
cristalinos e amorfos. Os cristalinos têm seus átomos espacialmente ordenados em
um padrão tridimensional bem definido (MICHAELI et al., 1995). Os semi-cristalinos
apresentam regiões cristalinas e amorfas e apresentam aparência opaca. Os
materiais amorfos são materiais cuja estrutura atômica ou molecular não tem
ordenação espacial de longo alcance, como os sólidos. É geralmente aceito como o
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 18
oposto da estrutura cristalina, possuem estado de desordenação atômica ou
molecular e são geralmente, transparentes (MICHAELI et al., 1995).
Existem diferentes tipos de plásticos, e podem apresentar-se duros, elásticos,
borrachosos, rígidos, semi-cristalinos, opacos e robustos (ROSATO e ROSATO,
1995). Os plásticos também são classificados em dois grupos: termoplásticos e
termofixos.
Os termoplásticos são materiais que amolecem ao serem aquecidos, podendo
então ser moldados. Esta mudança não altera sua estrutura química, já que, uma
vez esfriado, pode ser reaproveitado, ou seja, pode ser novamente moldado.
Os termofixos são materiais que, não tendo ainda sido processados, amolecem
ao serem aquecidos, podendo então ser moldados, porém, sofrem uma
transformação química em sua estrutura que não permite reversão ao estado
primitivo, ou seja, não podem mais serem moldados (ABREU, 1999). Nos materiais
compósitos termofixos, pode-se utilizar como massa ou carga, conforme o caso, pó
de madeira, mica, celulose, algodão, papel, asfalto, talco, grafite ou pó de pedra
(ABREU, 1999). A aplicação de cada polímero depende das suas propriedades, e
cada uma tem sua importância e em alguns casos pode ser modificada com a adição
de outros materiais. A seguir estão listadas algumas das principais propriedades dos
polímeros.
2.4.2 Propriedades térmicas dos polímeros
A mobilidade de uma cadeia polimérica determina as características físicas do
produto, seja este um plástico duro e frágil, borrachoso e tenaz, ou um fluido
viscoso. A mobilidade é função da agitação dos átomos nas moléculas, sendo esta
diretamente proporcional à temperatura (CANEVAROLO, 2002). Das propriedades
térmicas pode-se destacar:
Transição Vítrea (Tg) - é aquela na qual se inicia o movimento de segmentos da
cadeia polimérica. A passagem do estado vítreo para o estado borrachoso é uma
transição de segunda ordem, portanto um processo acompanhado de variação de
capacidade calorífica da amostra, que se manifesta como variação da linha base da
curva denominada Diferencial Scanning Calorymetry (DSC) (CANEVAROLO, 2003).
Os testes DSC são utilizados para a determinação da Tg entre outras análises
térmicas. Pode ser dividida em DSC de fluxo de valor e DSC de compensação de
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 19
potência. A primeira é uma técnica na qual a propriedade física medida é a diferença
de temperatura entre a amostra e o material de referência. Neste tipo de DSC a
amostra e referência são colocadas em cápsulas idênticas, posicionadas sobre um
disco termoelétrico e aquecidas por uma fonte de calor. Por outro lado, DSC de
compensação de potência é um calorímetro que mede diretamente a energia
envolvida nos eventos térmicos. Amostra e referência são aquecidas ou resfriadas
em fornos separados idênticos. O Princípio de funcionamento pressupõe que a
amostra e referência sejam mantidas sempre em condições isotérmicas (MATHOT,
2000, CANEVAROLO, 2003).
Temperatura de fusão cristalina (Tm) - é o valor médio da faixa de temperatura em
que durante o aquecimento, desaparecem as regiões cristalinas. Neste ponto o
polímero muda do estado borrachoso para o estado viscoso (CANEVAROLO, 2002).
Temperatura de cristalização (Tc) - é a temperatura atingida por um polímero
durante seu resfriamento na qual a massa fundida passa para uma estrutura
cristalina. A cristalização pode ocorrer de duas formas: isotérmica, quando a
temperatura é rapidamente abaixada até um dado valor (Tc), estabilizada e mantida
constante até que toda a cristalização ocorra, ou de forma dinâmica, quando a
temperatura é reduzida continuamente e a cristalização ocorrerá dentro de uma faixa
de temperatura. A cristalização isotérmica é a mais estudada, mas em termos
práticos, a mais importante é a dinâmica, que está mais próxima dos processos
industriais de solidificação de uma massa polimérica fundida para a formação de um
produto ou peça (CANEVAROLO, 2002).
Polaridade - a polaridade de uma molécula é a relação de sua composição atômica,
sua geometria e seu tamanho (BURKE, 1984). A existência de grupos polares nas
macromoléculas poliméricas tende a aproximar mais fortemente as cadeias entre si.
Assim, a presença de polaridade aumenta a Tg e Tm, aumento tanto maior quanto
maior for a polaridade. Grupos polares comuns em polímeros que envolvem a
carbonila (grupo funcional constituído de um átomo de carbono e um de oxigênio,
ligados por ligação dupla), na qual o valor da sua polaridade será maior ou menor
em função do tipo de átomo ligado lateralmente, terá a tendência de doar ou retirar
elétrons respectivamente (CANEVAROLO, 2002).
Parâmetro de solubilidade - o parâmetro de solubilidade é um valor numérico que
indica o relativo comportamento de solvência de um solvente específico. Isto é
derivado a partir da densidade de energia do solvente, o qual é derivado a partir do
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 20
calor de vaporização (BURKE, 1984). Para que haja solubilização, a diferença em
módulo entre o parâmetro de solubilidade do polímero e do solvente deve ser a
menor possível, isto é, que haja semelhança química e estrutural.
CANEVAROLO (2002) afirma que as regras básicas para a solubilização de um
polímero são: a) existência de uma semelhança química e estrutural entre o
polímero e o solvente; b) para um dado par polímero/solvente, a solubilidade é
aumentada com o aumento da temperatura e/ou da massa molecular da cadeia
polimérica; c) polímeros termoplásticos altamente cristalinos apresentam
solubilidade somente a temperaturas próximas à temperatura de fusão cristalina
(Tm).
Temperatura de deflexão térmica (ASTM D648) – é a temperatura na qual uma
quantidade de deflexão ocorre, sob efeito de uma carga entre 455 e 1820 kPa. O
objetivo principal é comparar o comportamento relativo de vários materiais em
condições padronizadas, cujos resultados são particularmente úteis para as
atividades relacionadas a “controle de qualidade” na área industrial. Durante o teste,
uma barra de secção transversal retangular é ensaiada como se fosse uma viga, no
centro da qual é aplicada uma carga. A amostra sob ação da carga é colocada em
um banho térmico que permite uma velocidade de aquecimento igual a 2 ± 0,2º
C/min. A temperatura de deflexão térmica é aquela na qual o corpo-de-prova sofre
uma deflexão de 0,025mm (CANEVAROLO, 2002).
2.4.3 Propriedades mecânicas dos polímeros
As propriedades dos polímeros são caracterizadas pelo modo com que esses
materiais respondem às solicitações mecânicas aplicadas, podendo ser de tensões
ou deformações. A natureza dessa resposta depende da estrutura química,
temperatura, tempo e condições de processamento do polímero (CANEVAROLO,
2002). Algumas propriedades de destaque são:
Módulo elástico - O módulo pode ser obtido sob esforço de tração, compressão,
flexão ou torção. Ele define a tensão necessária para causar deformação elástica no
material sob uma taxa de deformação (deslocamento das garras) constante
(ALBUQUERQUE, 2000).
Dureza - é a resistência de um material à deformação plástica localizada da sua
superfície à indentação. Em alguns casos para a medição de dureza de polímeros é
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 21
tomado como medida de dureza o diâmetro da indentação (deformação) de uma
esfera, impressa na superfície (Brinell H). Em outros casos, é tomada a resistência à
penetração de uma ponta metálica (Shore D) (ALBUQUERQUE, 2000).
Resistência à compressão - esta propriedade indica a tensão máxima que o
material pode suportar sem fraturar. Ela tem significado menos rígido que resistência
à tração, porque alguns materiais maleáveis, como por exemplo, o
Politetrafluoretileno (PTFE), não exibem fraturas. Conseqüentemente, a resistência à
compressão pode continuar a ocorrer quando a deformação do material aumentar
(ALBUQUERQUE, 2000).
Viscoelasticidade – trata-se da propriedade reológica de um material que exibe
tanto comportamento elástico como viscoso simultaneamente. Os materiais
viscoelásticos têm características tanto de sólido (elasticidade, resistência ao fluxo e
estabilidade da forma) como características de líquido, tais como o fluxo que
depende do tempo, da temperatura e da tensão aplicada.
2.5 Resinas Poliméricas Comerciais
Entre vários materiais disponíveis para a construção de insertos para moldes-
protótipo, algumas resinas poliméricas podem ser aplicadas para esta finalidade.
Conforme apresentado na seção 2.4, os polímeros têm como elemento básico
a resina. No entanto, o termo “resinas” será adotado neste trabalho para a definição
de placas de resinas poliméricas comerciais, um tipo de polímero termofixo, com o
objetivo de diferenciar este material dos polímeros para injeção. Os fabricantes
buscam desenvolver uma ampla gama de placas, geralmente em epóxi e
poliuretano, visando adaptar-se às exigências do mercado para diversas aplicações.
Cada produto visa cumprir com os requisitos, metodologia e especificações de cada
trabalho referente às características térmicas, resistência, usinagem, etc.
Normalmente, os fornecedores de resinas indicam aplicações para seus produtos,
no entanto, há poucos estudos e informações sobre a utilização das resinas para a
aplicação em injeção de plásticos, a não ser aquelas indicadas para tal, deixando
lacunas a serem exploradas (Tabela 2.2).
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 22
Tabela 2.2 – Características de diversas resinas comerciais (compiladas de
informações dos fabricantes)
Propriedades Resina 1
PN 1007
Resina 2
RS 460
Resina 3
Express 2000
Resina 4
Lab 1000
Resina 5
RS 5166
Fabricante HARD, (2004) VANTICO, (2003) VANTICO, (2003) AXSON, (2001) VANTICO, (2003)
Aplicação
Ferramentas
Pequenas séries
Gabaritos de
checagem
Placas de
Modelagem.
Modelos padrão,
protótipos e
maquetes
Moldes de
injeção de
termoplásticos e
dispositivos para
alta temperatura
Ferramenta de
estampagem,
conformação
manual gabaritos
de controle
Ferramentas de
conformação de
chapas,
gabaritos de
aferição de
controle
Cor Areia Marron Cinza Cinza Marfim
Densidade
(kg/m3) 1200 770 1800 1670 1700
Dureza Shore
D 85 60-64 90-91 89 85-90
Coeficiente
de dilatação
térmica 10-6
(mm/mmºC)
45 50-55 40-45 50 45-60
Resistência à
compressão
(N/mm2)
70 20-25 250-260 92 90-100
N/D – Não Disponível
Segundo a VANTICO (2003), que é um dos fornecedores de resinas, algumas
delas podem ser utilizadas para modelação e ferramentaria que por conseqüência,
podem ser usinadas. Este fabricante cita também, que os compradores e usuários
dos seus produtos em geral devem fazer a sua própria avaliação das resinas,
levando em consideração as condições e as exigências de aplicação. A empresa
indica ainda que os usuários devem realizar testes práticos com vistas a
complementar as informações contidas em seus catálogos técnicos. Este e outros
fornecedores de resinas recomendam formas de utilização de seus produtos e
sugerem testes, inclusive de usinagem, quando a aplicação não esteja exatamente
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 23
igual à que consta em seus catálogos. Sendo assim, as informações contidas nos
catálogos podem não ser suficientes, como por exemplo, informações de
usinabilidade (Tabelas 2.3 e 2.4). Neste sentido, se sugere estudos mais detalhados
a respeito para a utilização das placas de resinas poliméricas comerciais na
aplicação em moldes-protótipo usinados.
Tabela 2.3 - Indicação de parâmetros de usinagem (Adaptado de VANTICO, 2003)
Resina 5166 Velocidade de corte
(m/min)
Avanço (mm/min) Profundidade (mm)
Desbaste 110 1000 – 3500 6-60
Acabamento 500 2500 - 5000 � 3
Desbaste – fresa esférica (aço rápido) com 4 facas, diâmetro de 25mm e profundidade de corte de
6,3 a 63 mm; Acabamento: fresa esférica (metal duro) com 2 facas, diâmetro de 16mm e
profundidade de corte de 3,1mm.
Tabela 2.4 - Indicação de parâmetros de usinagem (Adaptado de AXSON, 2003)
Resina LAB 1000 Velocidade de corte (m/min) Avanço por faca (mm/faca)
Desbaste 100 0,35
Acabamento 400 0,06
Outro aspecto importante a ser considerado é que normalmente as resinas
apresentadas especificamente para a fabricação de moldes para injeção de plásticos
são ofertadas no mercado com seu custo elevado quando comparadas com outras
resinas. Em grande parte as demais resinas comerciais apresentam custos menores.
Desta forma, alguns estudos relacionados à aplicação das diversas resinas em
injeção de plásticos estão sendo desenvolvidos. Por exemplo, nos estudos
apresentados por VOLPATO et al. (2003), é demonstrada a viabilidade de aplicação
de duas entre três resinas comerciais utilizadas para a construção de moldes-
protótipo, testadas na aplicação de injeção em polipropileno (PP) (Figura 2.7). Para
os estudos foi utilizada uma geometria cujas características são: ser uma peça que
exige que o molde tenha cavidade e macho, ângulo de desmolde e sistema de
extração. As dimensões deste corpo de prova são: 14x49x94mm. A altura da
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 24
pirâmide foi definida considerando as espessuras de algumas placas de resinas
comerciais, que apresentam em média valores de 50 e de 100mm. Também foi
adicionada ao modelo uma cavidade invertida no macho e cavidade, com dimensões
de 4x5x16mm, proporcionando à peça um maior grau de complexidade e um local
de maior fragilidade no modelo, procurando oferecer uma análise mais criteriosa da
resistência do material.
O estudo propôs a usinagem de três resinas comerciais: RenShape (RS) 460,
RS 5166 e RS Express 2000. Apenas uma das resinas (RS Express 2000) havia
sido previamente indicada pelo fornecedor para a aplicação como molde de injeção,
As outras duas resinas usinadas não haviam sido indicadas pelo fornecedor para
esta aplicação, porém, os testes revelaram a aplicabilidade de uma delas para a
injeção de plásticos (RS 5166). Portanto, das três resinas testadas apenas uma
resina não foi indicada para os moldes de injeção (RS 460).
2.6 Processo de Injeção de Plásticos
Uma vez que os insertos-protótipos sejam fabricados, quer por RP, RT ou
obtido por usinagem, serão montados em porta-moldes e utilizados na injeção de
Figura 2.7 – (a) Geometria do protótipo e produto injetado em PP, (b) insertos-
protótipos (VOLPATO et al., 2003)
(a) (b)
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 25
plásticos. O processo de injeção apresenta algumas peculiaridades e para que se
possa fabricar e aplicar insertos com melhores resultados na injeção, entende-se
que é importante conhecer os princípios desta tecnologia.
Segundo MICHAELI et al. (1995), a injeção é o principal processo de
fabricação de peças de plástico, sendo classificado também como um processo de
moldagem. Segundo o mesmo autor, cerca de 60% de todas as máquinas de
processamento de plásticos são injetoras, e com elas podem ser fabricadas peças
de diversas dimensões. O processo de injeção é adequado para a produção em
massa, uma vez que a matéria-prima pode geralmente ser transformada em peça
pronta em uma única etapa. Assim, podem ser produzidas peças de geometria
complexa em uma única etapa.
Um fator decisivo para a rentabilidade do processo é o número de peças
produzidas por unidade de tempo. O processo depende fortemente do tempo de
resfriamento da peça no molde e este, da maior espessura da parede da peça. O
tempo de resfriamento cresce com o quadrado da espessura da parede. Por motivos
econômicos, é muito rara a produção de peças com grandes espessuras de parede
(MICHAELI et al., 1995). Alguns elementos importantes desta tecnologia estão
descritos a seguir.
2.6.1 Máquina injetora
A função da máquina injetora (Figura 2.8) abrange a produção de peças a partir
de plásticos fundidos. O preenchimento das funções de injeção é executado pelos
diferentes componentes de máquinas injetoras tais como: a unidade de injeção, que
realiza a plastificação do polímero e sua injeção no molde e a unidade de
fechamento, que se assemelha a uma prensa horizontal e que realiza o fechamento
do molde e o mantém assim durante o ciclo.
Também a placa de fixação no lado do bico de injeção é fixa e a placa de
fixação no lado do fechamento é móvel, de maneira que ela desliza sobre quatro
colunas. A mesa da máquina serve para abrigar as unidades de plastificação e de
fechamento.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 26
Figura 2.8 – Modelo de máquinas de injeção (HARADA, 2004)
Nomenclatura da Figura 2.8:
A- Base
B- Conjunto inferior
C- Placa estacionária ou fixa
D- Placa móvel
E- Conjunto de fechamento
F- Motor e sistema hidráulico
2.6.2 Molde de injeção
O molde (Figura 2.9) não pertence à máquina injetora, uma vez que para cada
peça ele deve ser construído individualmente. Este é composto de no mínimo duas
partes principais, sendo cada uma fixada em uma placa da unidade de fechamento.
O tamanho máximo do molde é definido pelo tamanho da placa de fixação e pela
distância entre duas colunas vizinhas da máquina. As dimensões e geometria do
produto determinam o tamanho do molde e o número de cavidades.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 27
ABREU (1999) define molde como sendo uma unidade completa capaz de
produzir moldagens em suas cavidades contendo formas e dimensões do produto
desejado. A constituição de um molde segue o princípio típico de montagem de
placas de aço em determinada ordem, a fim de obter-se a estrutura básica do molde
de injeção.
Figura 2.9 – Modelo esquemático de um molde de injeção de plásticos (HARADA,
2004)
Nomenclatura da Figura 2.9:
1. Placa de fixação inferior
2. Coluna ou espaçador
3. Bucha guia
4. Coluna guia
5. Pino Extrator
6. Extrator de canal
7. Placa porta-extratores
8. Placa impulsora
9. Pino de retorno
10. Placa-suporte
11. Postiços
12. Bucha de injeção
13. Anel de centragem
14. Placa de fixação superior
15. Placa de montagem dos
postiços superior e inferior
a) Cavidade
b) Canal de distribuição
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 28
Uma vez que o molde seja montado na injetora deve ser realizada uma etapa
de ajustes. Devem ser determinadas previamente a temperatura de injeção do
polímero e a temperatura do molde, entre outras variáveis. Muitas informações a
respeito de parâmetros de ajuste podem ser fornecidas pelos fabricantes dos
equipamentos e dos polímeros. No entanto, a presença de um operador experiente
para a injetora é necessária. Cada peça moldada passa por um determinado ciclo de
injeção.
2.6.3 Ciclo de Injeção
O ciclo de injeção (Figura 2.10) é o intervalo total de tempo entre o instante em
que o molde se fecha durante um ciclo e o período correspondente em que ele se
encerra no ciclo seguinte. O ciclo total é a soma do tempo do ciclo da máquina mais
o tempo em que o operador leva para abrir a porta, retirar a peça, e fechar a porta
(em injetoras não automáticas) (HARADA, 2004). Pode-se considerar, portanto, que
o ciclo inicia no fechamento do molde.
Para a efetivação da injeção seguindo os passos do ciclo de injeção descrito
acima, podem ser considerados segundo ROSSATO (1995) e HARADA (2004) os
seguintes ajustes:
Força de fechamento: é a força desenvolvida por um mecanismo da injetora,
necessária para manter o molde fechado durante o tempo necessário do ciclo de
injeção de plástico (ROSATO, 1995).
Pressão de injeção: é a pressão necessária para promover o preenchimento do
molde com material plástico fundido. A intensidade da pressão de injeção depende
do tipo de material, complexidade da peça, temperatura do molde, canais de injeção
e pontos de entrada (ROSATO, 1995).
Velocidade de injeção: a velocidade de injeção pode ser traduzida como o tempo
de preenchimento do material fundido. Portanto, quanto maior a velocidade de
injeção, mais rápido é o preenchimento da cavidade (ROSATO, 1995).
Temperatura de injeção: à medida que a temperatura aumenta, a viscosidade do
material fundido diminui e, portanto, menos pressão é necessária para atingir a
velocidade de injeção desejada. O ajuste mais conveniente da temperatura nas
diversas zonas de aquecimento do cilindro deve ser determinado com base na
prática para cada tipo de moldagem. Além do tipo de matéria-prima que está sendo
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 29
injetada, deve-se levar em consideração as condições ideais de moldagem da
máquina a ser utilizada, do projeto do molde e de suas dimensões, além do formato
e da espessura da peça moldada (HARADA, 2004).
Figura 2.10 – Ciclo básico de uma máquina injetora (HARADA, 2004)
Tempo de injeção: é o intervalo de tempo entre o instante em que a rosca avança e
o momento em que a pressão de injeção para de atuar. Geralmente, a velocidade
inicial é de 3 cm/s, caindo para 0,1 cm/s quando as cavidades estiverem cheias,
sendo que, posteriormente, a rosca ou o pistão age no sentido de empacotar o
material nas cavidades (HARADA, 2004).
Curso de dosagem (curso do fuso): é a ação pela qual o material é transportado
do funil em direção à ponta por um parafuso, que gira em um cilindro. Neste
momento, o material é compactado e fundido. Enquanto o parafuso transporta o
material, ele é ao mesmo tempo empurrado de volta pelo material que se acumula
na ponta. O avanço do material cessa quando o parafuso atinge uma determinada
posição. Então, a ponta do parafuso acumulou material suficiente para injetar a
peça. O caminho de retorno do parafuso é denominado de caminho de dosagem e o
volume do material em frente ao parafuso de volume de dosagem (MICHAELI et al.,
1995).
Pressão de recalque: ao ser resfriado, o material injetado contrai na cavidade e,
portanto, deve ser introduzido mais material de maneira a manter o volume da peça
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 30
constante. Para isso serve a fase de recalque. A pressão sobre a peça atinge, com o
tempo, também um nível constante, uma vez que a peça solidifica cada vez mais
(MICHAELI et al., 1995).
Tempo de recalque: é o tempo em que atua a pressão de recalque, que mantém o
volume de material injetado na cavidade.
Tempo de resfriamento: o tempo de resfriamento se refere ao tempo após o
recalque e termina com a extração. O tempo é ajustado de maneira que a peça
tenha apenas uma temperatura determinada, e, com isso seja geometricamente
estável (MICHAELI et al., 1995).
Temperatura do molde: moldes com temperaturas altas reduzem tensões internas,
originam superfícies mais brilhantes e minimizam linhas de junção ou solda e marcas
de fluxo do material. No entanto, altas temperaturas requerem ciclos maiores para
que o plástico solidifique e possa ser retirado do molde. Por outro lado, temperaturas
baixas permitem ciclos mais rápidos, mas têm a desvantagem de causar tensões
internas, superfícies pouco brilhantes, além de salientar as linhas de junção. A
temperatura mínima recomendada para o molde está em torno de 20ºC. A
temperatura máxima para termoplásticos amorfos é de cerca de 70ºC. Acima disso,
a peça injetada não irá conservar sua forma e suas dimensões quando ejetada do
molde. A temperatura ideal para o molde é um ajuste entre esses valores mínimo e
máximo (HARADA, 2004).
Para cada geometria de peça, polímero a ser injetado, e características da
máquina injetora, novos ajustes dos parâmetros descritos acima são necessários.
Este conjunto de variáveis ajustadas para cada caso permite a moldagem por
injeção das peças de plástico. Sendo assim, entende-se que não há valores padrão
de ajuste da máquina injetora.
Diante da complexidade do processo de injeção de plásticos julga-se
necessário que se trate de algumas de suas particularidades. A seguir são
apresentadas algumas considerações a respeito.
2.6.4 Acabamento superficial
Quando se produzem peças de plástico, um dos requisitos para que o produto
injetado apresente a aparência desejada está relacionado com o acabamento
superficial das cavidades do molde. A superfície da cavidade afeta a aparência,
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 31
extração e custo (ROSATO e ROSATO, 1995). Vários processos de fabricação
podem ser utilizados para a fabricação das cavidades, sendo que alguns
proporcionam melhor acabamento superficial. No entanto, na grande maioria dos
moldes se fazem necessárias outras etapas de manufatura para que se obtenha o
acabamento superficial necessário.
Estas operações envolvem a aplicação de técnicas de polimento superficial,
normalmente manuais. Além do aspecto do produto injetado, a qualidade da
rugosidade superficial do molde pode interferir na adesão do polímero injetado na
superfície do molde. Em alguns casos são aplicados revestimentos superficiais em
Phisical Vapour Deposition (PVD) que auxiliam na redução da adesividade do
polímero injetado (HARADA, 2004).
Particularmente, quando se produzem insertos com outros materiais que não
os aços indicados para moldes, como as resinas poliméricas, por exemplo, além da
rugosidade, outros fatores podem interferir na adesão entre o polímero e o molde,
algo que pode ser investigado. Portanto, como se trata de aplicação de novos
materiais para a construção de moldes, há poucas informações a respeito da adesão
e tensão superficial dos diversos materiais quando aplicados à injeção.
2.6.5 Adesão superficial
Não se pode atribuir somente ao acabamento superficial a adesividade
excessiva do material injetado à superfície do molde. A geometria da cavidade
juntamente com os ângulos de saída contribuem para a adesão do material na
superfície. No entanto, um aspecto de relevada importância pode ser a adesão
superficial. A adesão pode resultar da afinidade dos materiais em contato (seção
2.4.2). Uma característica que pode determinar esta adesividade é a tensão
superficial que é uma característica intrínseca do material. Adicionalmente, quando
se considera mais explicitamente duas fases, seja de dois líquidos ou um líquido e
um sólido, é também necessário considerar a tensão interfacial, que mede a energia
necessária para que uma fase se espalhe sobre a outra. No caso específico de um
líquido em repouso sobre um sólido, a forma assumida pelo líquido é dependente se
sua densidade, volume, tensões superficiais do líquido e do sólido e tensão
interfacial entre ambos (GALEMBECK, 1991).
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 32
2.6.6 Contração e uso de desmoldantes
Quando uma peça de plástico é injetada, ocorre resfriamento ao entrar em
contato com a cavidade do molde, e sofre contração. Se o produto moldado não tiver
forma interna (macho), como por exemplo um bloco sólido, a contração se dará das
paredes da cavidade para o centro (Figura 2.11), possibilitando uma técnica simples
de extração (HARADA, 2004). No entanto, se o produto moldado possui uma forma
interna, sua contração se dará sobre o macho (Figura 2.12). Neste caso, é
necessário uma técnica de extração efetiva. No entanto, uma particularidade da
injeção é o uso de agentes desmoldantes, garantindo a extração e tornando possível
a produção de peças de qualidade. Esta aplicação pode estar relacionada com
geometrias complexas e com canais estreitos e profundos dos moldes. O
desmoldante forma uma fina película, facilitando a retirada da peça.
Figura 2.11 – Contração de produto com forma interna (HARADA, 2004)
Figura 2.12 – Contração de produto sobre o macho (HARADA, 2004)
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 33
Dependendo da forma como são aplicados, os desmoldantes são classificados
como internos ou externos. Os desmoldantes aplicados internamente são misturados
com o polímero e migram para a superfície. Os desmoldantes externos são aqueles
aplicados diretamente na superfície do molde. Nestes desmoldantes ocorre a
evaporação do solvente e se forma um filme que atua como separador entre a peça
e o molde. Os desmoldantes externos normalmente são à base de fluorpolímeros,
silicones, ceras de polietileno ou soluções de álcool polivinílico. Em todos os casos,
a eficiência de um agente desmoldante também depende da qualidade superficial do
molde (RABELLO, 2000).
2.7 Estudos de Resinas como Insertos para Moldagem de Plásticos
Alguns estudos vêm sendo realizados para verificar a aplicabilidade das
resinas para moldes-protótipo, seja considerando aspectos mais relacionados à
fabricação, mais especificamente o processo de usinagem, ou a injeção
propriamente dita. Nestes estudos, diversos métodos e processos para a realização
dos testes têm sido utilizados. Nesta seção estão apresentados alguns dos recentes
trabalhos realizados para testar e identificar resinas para moldes-protótipo,
destacando-se os procedimentos adotados para tal conforme segue:
Estudo 1 - Nos estudos de YANG e RYU (2001), foi apresentado o desenvolvimento
de um novo compósito, cujos componentes são: resina epóxi, pó de alumínio e
endurecedor. Foram realizados testes de resistência à tração e compressão, dureza,
coeficiente de expansão térmica e temperatura de transição vítrea (Tg). Como o
processo de obtenção da geometria dos insertos foi a usinagem, os testes de
usinabilidade utilizando HSM foram relatados. Neste, foram medidas as forças de
corte e acabamento superficial. Também, para estimar a aplicabilidade para injeção,
um molde foi usinado e uma ventoinha foi injetada utilizando um processo
denominado de RIM. Neste processo, o equipamento RIM utiliza baixas pressões de
injeção (abaixo de 1MPa). Os autores comentam que o compósito apresenta boas
características para a usinagem HSM, apesar de ser quebradiço, o que pode gerar
lascamento do material ao invés de um corte bem comportado. Também, relatam
que o compósito desenvolvido pode ser usinado com altas velocidades e baixas
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 34
forças de corte, e sua usinagem é mais rápida do que as ligas de alumínio. Como
resultado foi concluído que, o compósito pode apresentar uma redução considerável
dos tempos de usinagem. Os resultados dos testes de propriedades mecânicas
indicam que o compósito pode ser aplicável para moldes de baixa complexidade.
Estudo 2 - LANZ et al. (2002), também realizaram estudos de usinabilidade em
resinas, mas utilizando um material comercial, uma resina epóxi com carga de
alumínio. Foram observadas as forças de corte, acabamento superficial e o
lascamento da resina na saída da ferramenta como elementos para a caracterização
da usinabilidade da mesma, afirmando que estes parâmetros podem ser
considerados os mais importantes quando são usinados moldes a partir destes
materiais. Os autores concluem que as forças de corte e o lascamento da resina são
afetados diretamente pela profundidade de corte e pelo avanço por faca, e que o
acabamento superficial é afetado na maioria dos casos pelo avanço por faca.
Adicionalmente, comentam que o lascamento pode ser minimizado utilizando
pequenas profundidades de corte e valores reduzidos de avanço por faca.
Estudo 3 - AHRENS et al. (2002), apresenta um trabalho de investigação da
estrutura cristalina e dureza de peças de PP, injetadas em uma injetora normal em
insertos fabricados por prototipagem, processo FDM e por Usinagem CNC. O
objetivo do estudo era analisar se estas propriedades sofreriam alterações no
moldado injetado em insertos poliméricos e no aço. A preocupação era verificar se
as propriedades do protótipo injetado se afastavam de uma peça com o mesmo
material injetado num molde tradicional. Para os testes foi utilizada a geometria de
corpo de prova de tração ASTM D 638m. Foi utilizada uma injetora horizontal, e,
para o ajuste da injetora, foi aplicado o método de preenchimento incompleto (Short
Shot Method), onde se determina seqüencialmente: volume para o preenchimento
da cavidade, velocidade de injeção, pressão de injeção, tempo de injeção, pressão e
tempo de recalque. O controle de temperatura dos moldes deu-se por meio de
termopares instalados nos insertos, fornecendo informações a um micro-
computador. A forma de resfriamento dos insertos não foi apresentada.
Estudo 4 – Um estudo sobre a construção de moldes de injeção de plástico foi
realizado por FERREIRA e MATEUS (2003). O trabalho apresenta a construção de
moldes de resinas fundidas, denominados de Soft Tooling. Segundo os autores, o
termo se refere à resistência e heterogeneidade de novos materiais, como as
misturas de compostos poliméricos. O resfriamento do molde se dá por tubos de
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 35
alumínio que atuam como canais de resfriamento, pelos quais circula água, como
nos moldes metálicos. No entanto, não há relato de como o molde foi instrumentado
ou como foi controlada a temperatura do mesmo. Os autores apresentam testes de
injeção de duas geometrias diferentes, construídas, uma com a resina EP 250, e a
outra com a resina Neu Kadur VGSP5, na primeira foi injetado PP e na segunda
ABS. Os autores apresentam alguns parâmetros de injeção como: tempo de
resfriamento, pressão de injeção, temperatura do polímero e do molde. No entanto, a
seqüência de ajustes da injetora não foi apresentada. Foram injetadas 1250 peças
em PP e 30 peças em ABS. Os autores comentam que a produtividade destes
moldes dependem da combinação da geometria, temperatura, pressão e do tempo
de ciclo de injeção. Adicionalmente, relatam que a moldagem por injeção não é uma
ciência exata e que, para as etapas de ajuste sempre há a necessidade de correção
dos parâmetros para a produção das peças nas especificações requeridas.
Estudo 5 – Um estudo do uso de resinas usinadas para insertos de moldes de
injeção foi realizado por VOLPATO et al. (2003). Neste estudo foram testadas três
resinas comerciais RenShape (RS): RS 460, RS 5166 e RS Express 2000. Como o
processo de obtenção dos insertos foi a usinagem, foram realizados testes de
usinagem, utilizando um CNC convencional. A principal preocupação foi a
observação dos lascamentos e rugosidade superficial das resinas, cujos resultados
orientaram parâmetros de corte para a usinagem dos insertos.
Também foram realizados testes de injeção de plástico, sendo injetadas peças
em PP, buscando observar o comportamento dos insertos. Para a realização das
injeções foi definida a temperatura de 42ºC para o molde, com tolerância de mais ou
menos 2ºC, sendo esta a temperatura de referência para uma nova injeção. Para o
resfriamento dos insertos foi utilizado ar comprimido, e o controle de temperatura foi
realizado com termopares.
Não foi objetivo do trabalho o estudo detalhado do processo de injeção, e sim
observar as possibilidades de injetar peças protótipo a partir dos moldes usinados
em resinas. No entanto, foi observada a rugosidade superficial dos insertos antes da
injeção, sendo que a resina RS 460 apresentou maiores valores de rugosidade
quando comparadas às demais resinas testadas. Das três resinas testadas, a resina
RS 460 não apresentou condições de injeção. Adicionalmente, as variações
dimensionais das peças injetadas com as resinas RS 5166 e RS Express 2000
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 36
foram comparadas, e o resultado apontou que ambas oferecem a mesma condição
para a qualidade dimensional das peças injetadas.
Entre as observações realizadas estão o comportamento dos insertos, alguns
parâmetros de injeção como a pressão de injeção, temperatura de injeção,
velocidade de injeção e pressão de recalque. Também são relatados alguns danos
causados nos insertos durante os ciclos de injeção, como o lascamento da resina
RS 460. Não foi identificado no trabalho algum controle de dureza dos insertos.
Estudo 6 – Um teste da influência dos parâmetros de injeção de PP utilizando um
molde de duas cavidades foi apresentado por BALZER et al. (2005). Não foram
informadas as técnicas de obtenção do molde ou do material aplicado. Neste
trabalho, utilizou-se a técnica de planejamento e análise de experimentos (DOE, de
Design of Experiments), como um método para identificar a influência dos
parâmetros de regulagem do processo de injeção de PP, nas propriedades de tração
e dureza. Os autores comentam que os parâmetros de injeção foram escolhidos
aleatoriamente, sendo: temperatura de injeção e do molde, velocidade de injeção,
pressão de injeção, pressão e tempo de recalque, tempo de resfriamento e
velocidade da rosca. Observa-se que os autores não se preocuparam com os
parâmetros de injeção, e sim com a ferramenta computacional. Nas conclusões
apresentam que o tempo de recalque foi o parâmetro que influenciou nas
propriedades mecânicas do corpo de prova, sendo os resultados obtidos dos demais
parâmetros considerados como não relevantes, conforme a metodologia aplicada,
apesar da literatura contradizer tal fato, comentam os autores.
Estudo 7 – GONÇALVES (2005) apresentou um estudo das propriedades de
moldes obtidos por estereolitografía, utilizando as resinas RS 5260 e Somos 7110. O
trabalho demonstra estudos realizados em moldes híbridos, com estrutura metálica e
materiais alternativos, como as resinas poliméricas. No trabalho foram realizados
estudos a respeito de fricção e a adesão das peças injetadas no molde. Foram
injetados: PP, ABS, Polietileno Tereftalato (PET) e Poliamida (PA).
Não foi apresentado um procedimento para ajustes dos parâmetros de injeção,
instrumentação do molde e forma de resfriamento do mesmo. No entanto, os
parâmetros de temperatura de injeção, pressão de injeção e tempo de recalque
foram apresentados. Foi utilizado um protótipo para determinar o coeficiente de
fricção desenvolvido na Universidade do Minho em Portugal. Adicionalmente, foi
analisada a rugosidade superficial dos insertos, antes e após a injeção de cada um
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 37
dos polímeros. Os resultados da rugosidade superficial indicam que houve aumento
considerável da mesma na resina Somos 7110 e curiosamente houve um
decréscimo nos valores de rugosidade para a resina RS 5260. Os autores atribuem
este decréscimo devido a uma possível deformação plástica do inserto durante a
injeção e testes de fricção. Concluem que o conhecimento das propriedades
mecânicas e químicas das resinas para estereolitografia são importantes para a
garantia de sucesso da performance do molde. No entanto, não esclarecem qual o
motivo. Adicionalmente, os autores comentam que, para a escolha da melhor resina
para molde-protótipo, é desejável que a resinas apresente alta tensão de ruptura e
alta Tg, mas, com um modulo de elasticidade intermediário necessário para
possibilitar maior absorção de energia evitando o rompimento do molde. Apesar de
não haver maiores comentários a respeito desta afirmação, conclui-se que quanto
maior a Tg e tensão de ruptura, maiores serão as chances de uma resina resistir à
injeção.
2.8 Discussão sobre as Tecnologias e Materiais para a Fabricação de Insertos
para Moldes-Protótipo
A Prototipagem Rápida (RP, de Rapid Prototyping) e o Ferramental Rápido
(RT, de Rapid Tooling) oferecem uma série de tecnologias para a fabricação de
insertos para moldes de injeção de plásticos. Algumas restrições de seu uso estão
relacionadas aos testes que devem ser realizados nas peças produzidas, como os
testes funcionais e de engenharia. Também se pode observar que a aplicação de
protótipos no desenvolvimento de produtos é prática corrente.
No caso de peças de plástico, podem ser utilizados moldes-protótipo, que
oferecem a possibilidade de injetar peças no seu formato e propriedades finais,
proporcionando sua aplicação em testes funcionais e de engenharia. Para a
fabricação de moldes-protótipo, as tecnologias de RT podem oferecer a
possibilidade de criação de perfis geométricos relativamente complexos. No entanto,
estes processos normalmente são caros e requerem equipamentos especiais, além
de, no momento, não oferecerem muita precisão dimensional e um bom acabamento
superficial.
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 38
Por outro lado, os moldes-protótipo podem ser fabricados através de processos
de usinagem, que retiram material de um bloco sólido permitindo criar geometrias
complexas, e, atualmente, com maior precisão do que outros processos já citados.
Outro ponto a ser considerado é que os moldes-protótipo usinados não
necessitam de um modelo físico para que se possa produzir um molde de injeção,
requerido em alguns processos de RP e RT. PRINZ et al. (1997), afirmam que, da
mesma forma que as tecnologias de RP e RT apresentam constantes inovações, a
usinagem CNC encontra-se em desenvolvimento, apoiada na disseminação e
atualização de outras tecnologias como os sistemas CAD/CAM e HSM. Os autores
afirmam ainda que a usinagem com a integração das tecnologias CAD/CAM/CNC é
uma importante tecnologia para a confecção de protótipos, concorrendo com as
demais tecnologias disponíveis.
Sendo assim, o estudo e desenvolvimento de alternativas de fabricação de
protótipos físicos, através de moldes-protótipo usinados e novos materiais
apresenta-se necessário. Observa-se como importante, a realização de maiores
estudos de aplicação das diversas resinas, buscando identificar seu comportamento
na usinagem e na injeção de plásticos. Isto se faz necessário devido à natureza de
aplicação pretendida das diversas resinas, das quais as informações contidas nos
catálogos geralmente não são suficientes.
É possível observar também, que em busca de alternativas para o
desenvolvimento de ferramental rápido, vários estudos estão sendo realizados,
dentre os quais, estudos relacionados à usinagem e o ferramental rápido obtido por
usinagem. Estes estudos, além de buscar a validação do uso da usinagem para a
fabricação de moldes-protótipo, busca a aplicação de materiais alternativos para a
construção dos moldes. Alguns estudos que indicam possibilidades de injeção de
peças de plástico em molde de materiais poliméricos demonstram a preocupação
com a tecnologia de fabricação utilizada, apresentando resultados positivos de sua
aplicação e também indicações de melhoria.
Por outro lado, os diversos estudos realizados não utilizam um procedimento
padrão para a execução dos testes. No caso da usinagem, não são indicados
parâmetros de corte para a usinagem de resinas, e não há informação de como os
parâmetros utilizados foram selecionados. Outros parâmetros foram estudados
como: forças de corte, rugosidade, dureza e lascamento, porém relatados
separadamente em diversos trabalhos, sem a indicação de sua aplicação. Um outro
Capítulo 2 Processos de Fabricação para Obtenção de Protótipos Funcionais 39
aspecto, é que o número de protótipos requeridos quando se deseja um molde-
protótipo não é muito claro, varia muito. Alguns autores indicam, por exemplo, uma
faixa muito extensa e pouco precisa do número de protótipos, variando de um a 100
(MÜLLER e SLADOJEVIC, 2001), de 50 a 200 (HILTON e JACOBS, 2000) ou de
cinco a 1000 peças (FERREIRA e MATEUS, 2003). Além desta imprecisão, se
verifica que não existem relatos sobre a quantidade a ser usada para a validação de
alguns testes, principalmente testes funcionais e de engenharia.
É possível observar também, que alguns trabalhos apresentam resultados de
injeção utilizando parâmetros aleatórios, ou seja, foram aplicados sem a utilização
de um método de ajuste de parâmetros de injeção. Além disso, em alguns casos,
não foram controlados a temperatura do molde e o método utilizado para o
resfriamento, parâmetros importantes quando se fabricam moldes-protótipo com
resinas poliméricas. A maioria das resinas por serem higroscópicas, não oferecem
condições de resfriamento diretamente com água, por exemplo, prática corrente em
moldes metálicos. É possível, neste caso, inserir tubulações metálicas no momento
da preparação de insertos com resinas fundidas. Adicionalmente, não são
encontrados relatos de como se deve selecionar o par de materiais, do molde e da
peça, e quais os fatores determinantes para esta escolha. Adicionalmente, foi
observada a realização da análise das propriedades dos protótipos injetados em
alguns materiais utilizados em moldes de resinas. Estas análises, quando
comparadas a moldes metálicos podem fornecer informações sobre o
comportamento dos polímeros quando injetados em resinas.
Neste caso, observando os diversos trabalhos para testar resinas para a
injeção utilizando vários processos de fabricação, inclusive a usinagem, vários são
os parâmetros testados como: avanço por faca, velocidade e profundidade de corte.
Foi identificado, portanto, a necessidade da elaboração de um procedimento
para testar as resinas para moldes-protótipo obtidos por usinagem, levando em
conta a usinabilidade das mesmas e seu comportamento na injeção. Este
procedimento deverá englobar os diversos fatores importantes para se realizar os
testes de resinas, garantindo a padronização e confiabilidade dos dados gerados.
Com tal procedimento, seria possível, por exemplo, a alimentação de um banco de
dados de materiais para moldes-protótipo no qual o usuário poderia selecionar o
material mais adequado às suas necessidades (número de protótipos e material do
moldado) a um custo menor.
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 40
3. PESQUISA DE APLICAÇÃO DE TECNOLOGIAS PARA O
DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPOS FÍSICOS
Apesar da importância do uso de protótipos no Processo de Desenvolvimento
de Produtos (PDP) e do constante desenvolvimento das tecnologias usadas para
sua produção, ainda é possível se deparar com informações pouco claras
apresentadas na literatura. Um dado importante é a quantidade de protótipos físicos
necessários no processo de desenvolvimento do produto. Conforme apresentado no
Capítulo 2, há imprecisão no que se refere à quantidade de protótipos requeridos.
Questiona-se também se os materiais e os processos com que os protótipos são
produzidos realmente satisfazem as necessidades das equipes de desenvolvimento.
Um estudo visando a coleta de informações referentes às tecnologias de
prototipagem através de um questionário é apresentado neste capítulo. O objetivo
principal foi coletar informações relevantes para o desenvolvimento de protótipos, já
que as bibliografias consultadas não apresentam dados consolidados a respeito.
Com este objetivo, foi elaborado um questionário direcionado às empresas que
utilizam a prototipagem no seu PDP. Grande parte das empresas possui alguma
relação com o NUFER (Núcleo de Prototipagem e Ferramental), da UTFPR
(Universidade Tecnológica Federal do Paraná).
O presente capítulo apresenta a metodologia aplicada para a elaboração e
tratamento do questionário, juntamente com os principais resultados obtidos.
3.1 Metodologia da Pesquisa
Para a realização da pesquisa foi criado um questionário, apresentado no
Apêndice A, contendo perguntas referentes às tecnologias utilizadas para a
fabricação de protótipos, a quantidade de protótipos fabricados por peça, o material
com o qual a peça deverá ser confeccionada na fase de produção e os tipos de
análises ou ensaios para os quais os protótipos serão utilizados. Este questionário
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 41
foi criado na forma de uma planilha eletrônica, usando para isto o aplicativo Excel®
da Microsoft®.
Na seqüência, foram definidas as empresas para as quais o questionário seria
enviado. Nesse caso, foram escolhidas 78 empresas que fazem parte do rol de
clientes do NUFER.
Inicialmente, foi realizado um contato telefônico com os profissionais ligados à
área de confecção ou compra de protótipos das empresas escolhidas para verificar
se os mesmos possuíam interesse em participar da pesquisa. Em resposta a esta
primeira consulta, todos os contatados aceitaram receber uma cópia do questionário
e responderem as perguntas. Os arquivos foram então enviados por correio
eletrônico para as empresas. Após o envio, foi dado um prazo para cada participante
responder as perguntas e retornar o arquivo. Para aqueles que não responderam no
prazo estipulado foi realizado um novo contato para verificar se havia alguma dúvida
com relação às perguntas contidas no questionário. Todos os participantes
contatados pela segunda vez informaram que não tinham dúvidas com relação às
perguntas, porém ainda não haviam respondido por falta de tempo. Novamente, foi
dado um outro prazo e contatado mais uma vez aqueles que não haviam
respondido. Esse procedimento se repetiu por até 4 vezes para que se conseguisse
o maior número de respostas possíveis.
Tendo em mãos os questionários respondidos, os resultados dos mesmos
foram tabulados e são apresentados a seguir.
3.2 Resultados Obtidos
Das 78 empresas para as quais os questionários foram enviados,
aproximadamente 36%, ou seja, 28 delas responderam as questões. Dentre essas,
quatro empresas indicaram que trabalham apenas com produtos ou peças feitas em
material metálico. Como o intuito desta pesquisa é obter informações a respeito de
protótipos de peças fabricadas em material polimérico, estas empresas acabaram
sendo excluídas da pesquisa, totalizando então 24 empresas de diversas regiões do
país, distribuídas conforme a Figura 3.1. Desse total, é possível verificar nos gráficos
a seguir, os resultados acerca dos itens propostos anteriormente.
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 42
Figura 3.1 – Regiões das empresas que responderam o questionário
Foi verificado também que a quantidade de protótipos fabricada para cada uma
das peças citadas é bastante variável, mesmo em se tratando de peças de uma
mesma empresa. Estas quantidades estão mostradas na Tabela 3.1, apresentando
a maior quantidade de protótipos fabricados por uma mesma tecnologia, para cada
uma das peças. Essa informação possibilitou verificar quais as tecnologias de
prototipagem que são capazes de produzir a maior quantidade de protótipos. Para
facilitar a interpretação dos resultados com relação aos testes e análises, os
profissionais foram orientados a enquadrar a finalidade dos protótipos nas seguintes
categorias:
Análises de Funcionabilidade – neste grupo é verificado se a peça realmente
desempenhará a função conforme previsto no projeto, ou seja, se a peça
corresponde às condições reais de trabalho, desempenhando satisfatoriamente sua
função.
Ensaios de Engenharia – são os ensaios comuns de tração, torção, flexão e outros
ensaios mais sofisticados, usados para obter os valores máximos de esforços que a
peça suportará quando solicitada.
Análises de Montagem e Desmontagem – entende-se como análises de
montagem e desmontagem, aquelas que verificam se a peça poderá ser facilmente
montada, principalmente durante a produção em uma linha de montagem. Por outro
Paraná49%
Rio Grande do sul13%
São Paulo13%
Santa Catarina17%
Minas Gerais8%
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 43
lado, verifica-se a condição de desmontagem para eventuais intervenções
necessárias, como a de manutenção, por exemplo.
Tabela 3.1 – Quantidade de protótipos fabricados pelas tecnologias de prototipagem
Prototipagem Rápida Tecnologia
FDM IJP SL SLS
Confecção
Manual
Molde
Protótipo
Usinado
Molde
de
Silicone
Confecção
por
Usinagem
Quantidade
máxima de peças 4,0 2,0 50 1,0 6,0 100 20 100
Quantidade
média por
tecnologia
1,8 2,0 7,0 1,0 2,0 65,4 18,0 30,7
Desvio Padrão 0,8 0,0 10,7 0,0 1,6 38,8 4,5 41,1
A análise puramente visual não foi incluída, pois o objetivo da pesquisa previa
a observação da finalidade dos protótipos nas fases mais adiantadas do processo de
desenvolvimento de produtos. A análise visual é utilizada principalmente nas fases
iniciais por equipes de design e marketing e não exigem grande resistência dos
protótipos. Dos resultados a respeito das tecnologias (Figura 3.2), observou-se que
grande parte dos protótipos mencionados na pesquisa foram fabricados por uma das
tecnologias de Prototipagem Rápida (RP, de Rapid Prototyping).
Entre as informadas, a tecnologia FDM foi a mais empregada pelos
entrevistados, respondendo por 36% dos protótipos fabricados por RP. Em segundo
lugar ficou a tecnologia de Estereolitografia (SL) que representou 23% dos
protótipos. Mesmo comparando com outras tecnologias mais tradicionais como
usinagem, molde protótipo, confecção manual e molde de silicone, os processos de
Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) e SL encabeçaram as opções
tecnológicas para a produção de protótipos. Estes valores indicam que o uso dos
processos de deposição de camadas, tem ganhado cada vez mais espaço nas
empresas brasileiras que utilizam modelos físicos nas etapas de desenvolvimento de
novos produtos.
FDM – Modelagem por Fusão e Deposição; IJP - Impressão a Jato de Tinta; SL – Estereolitografia;
SLS – Sinterização Seletiva à Laser
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 44
Figura 3.2 – Tecnologias para fabricação dos protótipos
Entre os materiais poliméricos utilizados no projeto de peças de plástico, os
mais citados foram: o terpolímero Acrilonitrila-Butadieno-Estireno (ABS) (35%)
seguido pelo Polipropileno (PP) (28%), Poliamida (PA) (16%), Poliestileno (PS) (7%),
Politereftalato de Butileno (PBT) (6%), e outros polímeros, como Poliacetal (POM),
Policarbonato (PC) que somados representaram 8% do total (Figura 3.3).
Figura 3.3 – Materiais dos produtos
Outros8%
PS7%
PA16%
PBT 6% PP
28%
ABS35%
Usinagem10%
Molde de Silicone
5%
Molde Protótipo Usinado
9%
Conf. Manual10%
SLS5% SLA
23%
IJP2%
FDM36%
SL
23%
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 45
Por outro lado, também foram observados os materiais com os quais foram
construídos os moldes. A Figura 3.4 apresenta os percentuais dos materiais
utilizados para os moldes-protótipo.
Figura 3.4 – Materiais utilizados em moldes-protótipo
Assim como descrito anteriormente, as análises ou testes verificados nas
respostas dos questionários foram divididas em três categorias: análise de
funcionabilidade, ensaios de engenharia e análises de montagem. Como mostrado
na Figura 3.5, as análises de funcionabilidade e de montagem foram as mais citadas
para o emprego dos protótipos (44%) seguidos pelos ensaios de engenharia (12%).
Figura 3.5 – Análises e ensaios realizados com os protótipos
Funcional44%
Engenharia12%
Montagem44%
Aço40%
Aluminio40%
Resina20%
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 46
3.3 Discussão dos Resultados
Apesar de apenas 36% das 78 empresas pesquisadas responderem as
perguntas, esse número pode ser considerado satisfatório se comparado com outras
pesquisas que envolvem o uso de questionários. Em grande parte este resultado
está ligado à insistência em fazer com que os entrevistados respondessem e
reenviassem os arquivos. A utilização do correio eletrônico para o envio e
recebimento dos questionários também contribuiu para o índice positivo de
respostas, uma vez que os questionários foram mandados de forma rápida e os
entrevistados não precisaram se preocupar com custos com correio ou fax para
reenviarem as perguntas respondidas.
O grande percentual de protótipos fabricados pelos processos de RP indica que
estas tecnologias estão se tornando mais conhecidas pelas empresas brasileiras.
Provavelmente, este fato esteja ligado ao maior grau de complexidade geométrica
que as atuais peças de plástico exigem, sendo possíveis de serem produzidas mais
facilmente pelos processos de deposição de camadas. A utilização do processo
FDM, como principal tecnologia de RP para a confecção de protótipos, vai de
encontro com o uso do ABS como principal material para o projeto de peças de
plástico. Uma vez que o processo FDM utiliza o ABS como material de deposição, é
possível dizer que as empresas estão mais preocupadas em fabricar protótipos no
mesmo material da peça projetada.
Os protótipos fabricados por deposição de camadas possuem características
diferentes com relação à estrutura mecânica daqueles fabricados pelo processo de
injeção. Todavia, como os resultados dos tipos de análises realizados com protótipos
na pesquisa não são influenciados pela estrutura mecânica da peça, pode-se
compreender o porquê do uso das tecnologias de RP, e em particular o processo
FDM, como os mais empregados na confecção de protótipos. Mesmo assim, uma
parcela significativa dos entrevistados (13%) citou o emprego de ensaios de
engenharia em seus protótipos durante a fase de projeto. Para esses, o uso do
processo de injeção na produção dos protótipos se faz imprescindível, uma vez que
as peças prototipadas precisam ter uma estrutura mecânica o mais próximo possível
daquelas que serão produzidas posteriormente, para que os resultados dos ensaios
possam ser validados.
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 47
Apesar da Figura 3.2 indicar que as tecnologias de RP estão se popularizando
como opção de processos de fabricação de protótipos, é possível verificar na Tabela
3.1 que em se tratando de quantidades grandes de protótipos (acima de 50 peças),
as tecnologias mais tradicionais como moldes-protótipo e usinagem tem sido usada
com maior freqüência. Possivelmente, este fato esteja ligado ao custo da fabricação
pelos processos de RP que ainda são altos se comparado com a usinagem ou
outros processos mais convencionais. Mesmo assim, também é possível ver na
Tabela 3.1 que as tecnologias SL e SLS também foram usadas na confecção de
quantidades consideráveis de protótipos (50 e 20, respectivamente) para algumas
peças. Todavia, isto aconteceu de forma isolada em 4 empresas com quantidades
acima de 10 protótipos fabricados por essas tecnologias para determinadas peças.
3.4 Considerações dos Resultados
Durante a pesquisa foi possível levantar algumas informações com relação ao
uso de protótipos como ferramenta de análise por empresas que desenvolvem
produtos. No entanto, é importante salientar que a pesquisa não tem a pretensão de
afirmar que os resultados obtidos refletem um cenário nacional com relação ao
emprego de protótipos. Mesmo assim, é possível verificar algumas tendências que
indicam, por exemplo, que as tecnologias de RP estão sendo cada vez mais
empregadas na produção de protótipos pelas empresas brasileiras. Outro ponto
verificado trata da principal finalidade da construção dos mesmos, que estão sendo
aplicados para análises funcionais e de montagem. Nesses casos, os protótipos não
necessitam de uma estrutura mecânica igual ao das peças que serão produzidas
posteriormente na fase de produção. Todavia, os ensaios de engenharia também
são empregados em alguns casos, o que indica a necessidade de protótipos com
características mais próximas às requisitadas no projeto.
A quantidade média de protótipos a serem utilizados na fase de projeto não
pôde ser determinada com exatidão. Mesmo assim, foi possível verificar que existem
necessidades distintas com relação à quantidade de protótipos a ser usado para
cada peça. Com relação a isto, pode se dizer que são necessários entre 1 e 100
protótipos dependendo da análise a ser efetuada. Dessa faixa pode-se afirmar que
Capítulo 3 Pesquisa de Aplicação de Tecnologias para o Desenvolvimento de Protótipos Físicos 48
as tecnologias de RP estão sendo empregadas com sucesso na produção de até 50
protótipos. Por exemplo, há empresas que informaram a utilização do processo SL
para a obtenção de uma quantidade entre 12 e 50 protótipos. Acima dessa
quantidade, nota-se que as empresas preferem o uso das tecnologias mais
tradicionais, provavelmente devido ao custo de produção dessas peças. Neste
sentido, outras tecnologias são utilizadas, sendo o molde-protótipo usinado a que
apresentou maior número (até 100) de protótipos injetados.
Os resultados da pesquisa apontam que a construção de protótipos está
voltada principalmente para análises de funcionabilidade e montagem. Todavia, os
ensaios de engenharia também são empregados em alguns casos.
Moldes-protótipo usinados e a própria usinagem são também utilizados,
principalmente quando se deseja um número maior de protótipos. O número máximo
informado para estes ensaios foi de 100 peças, sendo que esta pode ser uma
quantidade inicial adotada como limite para estudos visando a seleção de materiais
de insertos de moldes-protótipo usinados.
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 49
4 PROCEDIMENTO PARA TESTAR E IDENTIFICAR RESINAS PARA
A INJEÇÃO DE PLÁSTICOS
Este capítulo tem por objetivo apresentar a proposta de uma metodologia
para testar e identificar resinas poliméricas comerciais, para a fabricação de moldes-
protótipo através de usinagem, procurando indicar uma solução para atender aos
objetivos descritos no Capítulo 1. O resultado da aplicação do procedimento poderá
também, fornecer informações para geração de um banco de dados proposto por
VOLPATO et al. (2006), e que está em desenvolvimento na UTFPR. Desta forma,
material a ser injetado, quantidade de protótipos e material do inserto, podem ser
agrupados, o que pode facilitar o processo de seleção de material para insertos de
moldes-protótipo.
4.1 Procedimento para Testar Resinas para Moldes-Protótipo
Para a determinação das resinas a serem aplicadas na injeção de plásticos, é
necessário testar várias combinações de materiais, do inserto e da peça a ser
injetada. Neste caso, se o objetivo do usuário é alimentar um banco de dados, como
proposto por VOLPATO et al. (2006), - que sugerem que o banco de dados seja
alimentado por vários grupos de pesquisa - este procedimento garantirá a
confiabilidade dos dados. Por outro lado, se um usuário na empresa for utilizar
moldes-protótipo e desejar selecionar uma resina, alguns passos podem ser
omitidos. Por exemplo, este usuário poderá desejar testar com sua peça real, e não
com um protótipo.
Após a análise de algumas variáveis através da revisão bibliográfica
apresentada no Capítulo 2, foi elaborado um procedimento para testar as diferentes
resinas poliméricas comerciais. Os passos do procedimento estão descritos em uma
ordem previamente determinada. No entanto, os passos podem ser alterados pelo
usuário, desde que se mantenha uma seqüência lógica das atividades propostas.
Todos os passos a serem seguidos no procedimento são apresentados na Figura
4.1, e detalhados a seguir.
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 50
Antes da aplicação do procedimento devem ser definidas algumas condições
de entrada como: a) definir o polímero que deverá ser injetado para a fabricação dos
protótipos. Normalmente, a escolha do polímero a ser injetado ocorre na etapa de
projeto do produto; b) definir o número de peças que deverão ser injetadas durante o
teste; c) prever a aplicação ou não de desmoldante. Quando se trata de moldes
fabricados com resinas poliméricas, é possível se orientar pelos mesmos objetivos
do molde metálico quanto à aplicação dos desmoldantes e aplicá-los aos moldes-
protótipo para facilitar a extração e para proporcionar a realização da injeção.
4.1.1 Selecionar a geometria do protótipo
Há uma infinidade de geometrias possíveis para uma peça de plástico,
contendo perfis simples e/ou complexos, com paredes finas, nervuras, etc. A
definição para uma geometria para uso em um teste não é uma tarefa simples de ser
Figura 4.1 – Etapas do procedimento para testar as resinas
Selecionar a geometria do protótipo
Selecionar ou construir um porta-molde
Selecionar as resinas para a fabricação dos insertos
Realizar testes para selecionar os parâmetros de usinagem
Usinar os insertos
Medir a rugosidade e dureza dos insertos antes e após a injeção
Definir o procedimento de ajuste do processo de injeção
Realizar a injeção seguindo o procedimento de controle
Analisar as propriedades dos protótipos injetados
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 51
realizada. A proposta é de utilizar uma peça conceito, com geometria que possa
representar condições reais de peças injetadas. O uso de diversas geometrias para
o mesmo teste pode não oferecer um padrão confiável de resultado dificultando a
análise dos mesmos, por isso, é necessário determinar ou criar uma geometria
padrão para a realização dos testes de injeção.
Dos estudos relatados na revisão bibliográfica, a geometria utilizada por
VOLPATO et al. (2003) e denominada de pirâmide foi escolhida para este trabalho.
A escolha da geometria da pirâmide deve-se ao fato de que já foi utilizada em
pesquisas anteriores onde apresentou condições para as análises de injeção, e seu
uso possibilita complementar os estudos já realizados. A geometria do protótipo foi
desenvolvida pelo NUFER/UTFPR (Núcleo de Prototipagem e Ferramental da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná) e utilizada em pesquisas na área de
injeção de plástico em moldes-protótipo. A pirâmide tem dimensões de 14x49x94mm
e apresenta vários degraus, raios de arredondamento, ângulo de desmolde de 1,5º,
espessura de 2mm e uma cavidade central invertida, área de maior fragilidade da
peça como elemento adicional de análise. A geometria exige também que o molde
apresente macho e cavidade, levando ao uso de extratores, por exemplo. A Figura
4.2 apresenta o modelo do protótipo a ser injetado.
Figura 4.2 - Modelo do protótipo denominado pirâmide
Entende-se também, que é possível projetar peças com outras geometrias,
com perfis contendo maiores detalhes e também com diferentes dimensões. Neste
caso, diferentes resultados podem ser obtidos.
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 52
4.1.2 Selecionar ou construir um porta-molde
Para a aplicação dos insertos fabricados com as resinas, um porta-molde
metálico pode ser utilizado para alojar os insertos, e, se necessário, deve ser
construído. O porta-molde deve combinar partes metálicas, tradicionais em moldes
metálicos com os insertos fabricados em resinas. Caso seja necessário fabricar o
porta-molde algumas recomendações para torná-lo o mais versátil possível podem
ser sugeridas como segue:
a) Possuir alojamentos para os mais diferentes tamanhos de insertos,
possibilitando testar peças de diversas dimensões;
b) Apresentar liberdade de posicionamento dos pinos extratores, oferecendo
maiores condições de alocar os mesmos nos locais definidos no projeto da
peça a ser injetada;
c) Apresentar um sistema de fixação dos insertos que possibilite a substituição
dos mesmos sem a necessidade de retirar o molde da máquina;
d) Possuir uma bucha de injeção que permita flexibilidade de posicionamento
permitindo a injeção de plásticos pelo centro ou pelas laterais da cavidade;
e) Oferecer um sistema flexível que direcione o fluxo de plásticos para as
diversas cavidades, permitindo também que o fluxo seja direcionado para
uma cavidade apenas.
Um porta-molde para alojar os insertos foi projetado para ser usado em
pesquisas na área de injeção de plástico em moldes-protótipo. Este projeto foi
baseado no porta-molde que vêm sendo utilizado nos trabalhos do CIMJECT/UFSC
(Laboratório de Projeto e Fabricação de Componentes de Plástico Injetados da
Universidade Federal de Santa Catarina) com insertos feitos em Estereolitografia
(ST) e Modelagem por Fusão de Deposição (FDM) (GOMIDE, 2000 e AHRENS et
al., 2002).
As suas principais características estão na utilização de insertos de tamanhos
variados e na possibilidade de posicionar os extratores nas regiões mais
convenientes para a extração do moldado, com algumas restrições. O porta-molde
(Figura 4.3) é composto por um grande alojamento com dimensões de 130x180mm
que possibilita a montagem de outros dois alojamentos diferentes (A e B), onde
também podem ser montados os insertos. O alojamento A tem dimensões de
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 53
65x70mm, o alojamento B 130x75mm. As espessuras dos rebaixos das placas onde
são montados os insertos macho e fêmea são de 20mm e de 48mm
respectivamente. Estas dimensões são medidas da base dos insertos até a
superfície de fechamento dos mesmos e poderão variar caso esta superfície seja
mais complexa, podendo ocorrer no interior do alojamento.
A fixação dos insertos foi projetada para ocorrer através de grampos
posicionados nas faces de fechamento de cada um dos lados do porta-molde. Estes
grampos possibilitam a retirada dos insertos sem a necessidade de remoção do
porta-molde da injetora.
Alojamento AGrampo de fixação
Berço Alojamento B
Alojamento B
Berço
Alojamento A
Conjunto Extrator
Placa Suporte
Lado do Macho
Lado da Cavidade
Figura 4.3 – Modelo 3D do porta-molde padrão
No lado do macho, a placa extratora e a placa suporte contém uma matriz de
furos com distâncias de 12,5mm entre furos, para a passagem dos extratores. Essa
matriz permite que o projetista localize a geometria da peça de forma que se ajuste à
posição dos pinos extratores. Outra característica do porta-molde projetado é a
possibilidade de localizar o ponto de injeção no centro ou na lateral dos protótipos.
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 54
O porta-molde projetado pode alojar também insertos construídos com outros
materiais, inclusive metálicos, caso haja necessidade. Tem a característica de ser
versátil, e pode sofrer ligeiras modificações, como na bucha de injeção, por exemplo,
que pode ser deslocada para frente ou para trás, dependendo da peça a ser
injetada.
4.1.3 Selecionar as resinas para fabricar os insertos
Esta é uma das grandes incógnitas do sistema, pois há no mercado um número
considerável de resinas, comercializadas em placas, geralmente a base de epóxi ou
poliuretano, para uso em diversas aplicações tais como: modelagem, gabaritos,
estilos de checagem, estampagem, conformação de chapas e para a injeção de
plásticos.
Uma forma de selecionar previamente as possíveis resinas que podem resistir
ao processo de injeção é escolher resinas em função de suas propriedades. A
escolha pode se dar comparando resinas que possuem propriedades semelhantes
às resinas indicadas para injeção. Entre as propriedades que podem contribuir para
esta aplicação estão: a dureza, a tensão de ruptura e resistência à compressão.
Porém, não se trata de uma tarefa simples, visto que as resinas poliméricas podem
ser afetadas pela temperatura (comportamento viscoelástico), e quando submetidas
à temperatura de injeção devem apresentar estabilidade dimensional e pouca
variação de propriedade mecânica na temperatura de injeção em relação à
temperatura ambiente. Para que haja pouca variação dimensional do molde é
desejável que a temperatura de injeção seja menor do que a temperatura de
transição vítrea ou menor que a temperatura de deflexão térmica. Por outro lado,
estas propriedades nem sempre estão disponíveis nos catálogos dos fabricantes,
dificultando esta análise, conforme pode ser observado na Tabela 2.2, apresentada
no Capítulo 2.
A carência de informações a respeito das propriedades podem ser supridas por
exames de análises térmicas, como os ensaios Diferencial Scanning Calorymetry
(DSC), por meio do qual podem ser obtidas informações de Tg. No entanto, a
seleção das resinas em função de suas propriedades, através de análises térmicas,
pode ser caro e demorada, e muitas vezes pode haver dificuldade do usuário final
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 55
ter acesso à realização destes ensaios. Verifica-se aqui, a possibilidade de
realização de estudos específicos para a identificação destas propriedades que
poderiam auxiliar na escolha do par de materiais.
Por outro lado, as resinas podem ser testadas em condições reais de trabalho,
através da injeção de plásticos, utilizando moldes-protótipo. Esta forma de realizar
os testes das resinas foi adotada neste trabalho. Talvez esta não seja a opção de
escolha mais científica, mas é uma opção mais próxima do usuário final e que
também pode ser utilizada por outros pesquisadores. Desta forma, uma opção para
a seleção inicial das resinas que serão submetidas aos testes de injeção, é
selecionar resinas que apresentem propriedades semelhantes às resinas indicadas
para a injeção como a RS Express 2000, por exemplo.
4.1.4 Realizar testes para selecionar os parâmetros de usinagem
As resinas selecionadas deverão ser usinadas para a fabricação dos insertos.
Sendo assim, é importante que sejam determinados os parâmetros de usinagem
como: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. Conforme apresentado
no Capítulo 2, poucas são as informações dos fabricantes a respeito da
usinabilidade das resinas, sendo necessário a realização de testes de
experimentais. Sugere-se então, que seja utilizada uma metodologia para os testes
de usinagem conforme segue:
a) Definir corpos de prova de cada uma das resinas a serem usinadas. Sugere-
se a geometria da Figura 4.4, que prevê a usinagem de 10 canais de iguais
dimensões, no sentido da espessura da placa, mantendo-se fixa a
profundidade de corte e variando as velocidades de corte e os avanços;
Figura 4.4 – Modelo do corpo de prova para usinagem dos canais
Canais
usinados
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 56
b) Selecionar ferramentas de usinagem. Sugere-se uma fresa de topo reto de
10mm de diâmetro, que possibilite a usinagem de canais para a verificação do
lascamento e com largura suficiente para a medição de rugosidade
superficial;
c) Selecionar parâmetros de corte. A profundidade de corte deve ser o valor de
profundidade máxima sugerida nos catálogos dos fabricantes para o
acabamento, buscando maior eficiência na usinagem. As velocidades de corte
devem corresponder ao mínimo e máximo recomendados. Os avanços por
faca devem ser selecionados tomando o mínimo e máximo recomendado,
selecionando os demais avanços em intervalos regulares para atingir o
avanço máximo recomendado e a quantidade de canais necessários;
d) Realizar o fresamento dos canais previstos no corpo de prova, variando os
parâmetros de corte, tomando o cuidado para que a ferramenta saia
totalmente da peça no final do corte. Esta é uma condição para se verificar o
lascamento da resina;
e) Realizar a medição da rugosidade superficial em cada um dos canais
usinados;
f) Identificar os lascamentos ocorridos. Sugere-se para inspeção visual a
utilização de uma lupa, com aumento de no mínimo 10 vezes;
g) Indicar qual a melhor condição de usinagem.
Com os resultados dos testes de usinagem, o programa CNC poderá ser
gerado, e os insertos poderão ser usinados.
4.1.5 Usinar os insertos
Para a montagem do molde-protótipo devem ser fabricados os insertos.
Inicialmente, é necessário definir e modelar a geometria do protótipo utilizando um
aplicativo CAD. A partir do modelo tridimensional do protótipo, também utilizando o
CAD, deverá ser criada a cavidade e o macho para a injeção de plásticos (Figura
4.5). Também deve ser definido o formato do ponto de injeção. Para ABREU (1999),
há numerosas formas e dimensões do ponto de injeção, e não existem medidas
teóricas para uma entrada ideal, e sua escolha depende do material a ser injetado e
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 57
de sua temperatura, da espessura da parede do produto, volume de material a ser
injetado e temperatura do molde. Sugere-se para o ponto de injeção, o formato
adotado em trabalhos anteriores, de formato semi-circular com 1,5mm de raio.
Tomando os modelos dos insertos, e a partir de um bloco sólido, deve-se gerar as
estratégias de usinagem utilizando um sistema CAM. Para a geração das
estratégias, podem ser utilizados os parâmetros de corte indicados nos testes de
usinagem realizados nas amostras das resinas selecionadas. Estes parâmetros
poderão oferecer condições de realizar a usinagem evitando o lascamento do
inserto, e proporcionado o acabamento superficial desejado.
(a) (b)
Figura 4.5 – Modelo dos insertos: da cavidade (a) e do macho (b)
4.1.6 Medir a rugosidade e dureza dos insertos antes e após a injeção
Durante o processo de injeção, o contato entre o polímero injetado e a
superfície dos insertos ocasionará algum tipo de desgaste. Uma forma de verificar se
houve o desgaste é através da medição da rugosidade superficial, realizada antes e
após a realização da injeção. A comparação entre os valores obtidos poderá indicar
se houve desgaste, e qual a resina que sofreu maior desgaste superficial, sendo
este um possível fator de seleção das resinas. É possível também verificar em qual
par de materiais, do inserto e da peça, houve maior variação de rugosidade
superficial.
Uma outra forma de verificar se houve alguma alteração na superfície dos
insertos, é através da medição de dureza superficial dos mesmos. Esta medição,
realizada antes e após a injeção das peças, pode indicar, comparando os resultados
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 58
obtidos, se houve alteração na superfície dos insertos. Alterações podem ocorrer em
decorrência do processo de injeção, em função da temperatura e pressão de injeção
durante o qual a resina poderá sofrer alguma alteração no seu processo de cura,
caso o material tenha cura incompleta.
4.1.7 Definir o procedimento de ajuste do processo de injeção
O processo de injeção de plásticos em um molde-protótipo requer ajustes
iniciais mais cuidadosos do que os realizados para um molde metálico de produção,
sob pena de danificar os mesmos logo no início do processo. Em muitos casos, o
profissional que opera o equipamento recorre à sua experiência prática para este
ajuste. No entanto, para a realização dos ensaios, uma metodologia deverá ser
seguida para que se possa repetir o procedimento para todos os testes. Sugere-se a
utilização do Método da Injeção Progressiva (short shot) (BARRY et al., 1995),
traduzido por FOGGIATTO (2005), conforme o Anexo A. Este método procura
orientar seqüencialmente os ajustes da máquina oferecendo a possibilidade de
repetição criteriosa do trabalho. Os ajustes são realizados na seguinte seqüência:
a) Ajustes iniciais: temperatura de injeção, força de fechamento, tempo de
resfriamento, tempo de ciclo;
b) Ajuste do curso de dosagem: velocidade de injeção, tempo de injeção,
pressão de injeção, curso do fuso;
c) Checagem da velocidade de injeção;
d) Ajuste da pressão de injeção;
e) Ajuste do tempo de injeção;
f) Ajuste do tempo de recalque: curso de dosagem, pressão de recalque,
tempo de recalque, peso da peça.
Dependendo do par de materiais, do inserto e do plástico injetado, pode-se
optar pelo uso de desmoldante, como os desmoldantes de silicone, por exemplo,
com a finalidade de evitar a afinidade entre os materiais e possibilitar a injeção e
extração.
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 59
4.1.8 Realizar a injeção seguindo o procedimento de controle
Após os ajustes iniciais, a injetora estará pronta para o início da injeção dos
protótipos. Deve-se então realizar a injeção, observando o comportamento dos
insertos e do moldado a cada novo ciclo, controlando a temperatura do molde.
Como as resinas normalmente não podem ser resfriadas com água, como
acontece nos moldes metálicos, a cada ciclo de injeção os insertos poderão ser
resfriados com ar comprimido até uma temperatura padrão que determina o início de
um novo ciclo. Nos estudos realizados por VOLPATO et al. (2003), a temperatura
utilizada foi de 42ºC, permitindo uma variação de mais ou menos 2ºC. O controle de
temperatura pode ser realizado por termopares ou um termômetro infravermelho,
com leitura direta e medição em vários pontos dos insertos. Este controle deve ser
realizado verificando-se a cada ciclo a temperatura do macho e da cavidade. No
caso dos termopares, o seu uso demanda um maior trabalho na instalação dos
mesmos, além de requerer um sistema de aquisição de dados, um computador e um
programa específico. Por outro lado, o infravermelho é mais prático, apesar de não
permitir o armazenamento dos dados de temperatura gerados.
Outro ponto de ajuste é o tempo para solidificação do material dentro da
cavidade do molde, sendo significativamente maior do que o observado em moldes
metálicos. O seu ajuste depende do material dos insertos e do polímero a ser
injetado. O tempo mais longo se dá em função da baixa condutividade térmica,
reduzindo a velocidade com que as resinas dissipam o calor gerado no ciclo.
Um fator importante na injeção utilizando moldes de resinas é a vida do inserto.
O processo deve ser finalizado assim que sejam observados sinais de danos nos
mesmos, causados normalmente desgaste por adesão, quebra ou lascamento da
geometria dos insertos. Desta forma, pode-se ter a noção do número de peças
injetadas a que cada par de insertos resistiu.
4.1.9 Analisar as propriedades dos protótipos injetados
Além das análises dos insertos, os protótipos injetados podem ser analisados,
buscando verificar se os mesmos apresentam as propriedades requeridas. Sugere-
se a medição da espessura e rugosidade superficial das peças, isto porque, durante
o processo de injeção, os insertos poderão sofrer alguma deformação plástica. Isto
Capítulo 4 Procedimento para Testar e Identificar Resinas para a Injeção de Plásticos 60
pode levar as peças injetadas a apresentarem alterações de espessura, quando
analisadas ao longo do processo de injeção. A medição de espessura das paredes
das peças injetadas poderá indicar se houve alguma deformação das mesmas,
ocasionando sua variação dimensional. Vários pontos poderão ser medidos.
Adicionalmente, as peças injetadas podem apresentar variação na rugosidade
superficial. Estes valores poderão indicar qual o par de materiais, do molde e da
peça, oferece o melhor resultado de rugosidade. Este pode ser um fator de seleção
de uma determinada resina para a injeção em função do polímero a ser injetado.
Por fim, percebe-se que podem ser realizadas algumas análises com o material
do moldado, verificando-se propriedades tais como: dureza, resistência à tração e
compressão. Estas propriedades podem ser comparadas com as do mesmo
polímero injetado em moldes de aço, em condições normais de produção. Desta
forma, se obterá a informação de quão próximo de uma peça de produção estará um
protótipo injetado em moldes-protótipo de resina. Esta informação é de grande valia
para a equipe de desenvolvimento do produto que necessita realizar testes
funcionais de engenharia com os protótipos.
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 61
5 APLICAÇÃO DO PROCEDIMENTO PARA TESTAR RESINAS
Para a avaliação do procedimento para testar resinas, foram elaborados
alguns testes, utilizando o procedimento proposto no Capítulo 4. O presente capítulo
apresenta a aplicação do procedimento para testar as resinas, no qual foram
selecionadas três resinas como material para insertos, sendo: PN 1007, RenShape
(RS) 5166 e LAB 1000, sendo testadas com 2 materiais de injeção: terpolímero
acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) e polipropileno (PP).
Para os testes foi selecionada como peça-teste, a geometria da pirâmide
(Figura 4.2) apresentada no Capítulo 4. Adicionalmente, para a aplicação dos
insertos fabricados com as resinas, foi fabricado um porta-molde metálico (Figura
4.3), conforme descrito no Capítulo 4, oferecendo as condições requeridas para os
testes de injeção. Os resultados dos testes estão apresentados no Capítulo 6.
5.1 Seleção de Resinas para a Fabricação dos Insertos
As resinas para a fabricação dos insertos foram selecionadas com base em
algumas de suas propriedades. A seleção se deu comparando várias resinas
disponíveis com as propriedades das resinas testadas por VOLPATO et al. (2003), e
que em seu estudo foram consideradas como aplicáveis para a injeção. Para o
ensaio foram selecionadas três resinas comerciais, ofertadas no mercado em placas
com dimensões médias de 50x500x1500mm. Suas principais características e
propriedades são apresentadas na Tabela 5.1. A seleção das resinas para os testes
de injeção deu-se tomando como referência as propriedades identificadas na resina
RenShape (RS) Express 2000, indicada por seu fabricante e por VOLPATO et al.
(2003) como sendo aplicável para a injeção de plásticos. Também foram
consideradas as informações contidas nos catálogos dos fabricantes das resinas:
HARD (2004), VANTICO (2003) e AXSON (2001) para esta escolha, sendo
selecionadas destes fabricantes as resinas com propriedades mais próximas da
resina de referência, a resina RS Express 2000.
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 62
As três resinas utilizadas para os testes foram selecionadas dentre as diversas
amostras recebidas em doação por empresas parceiras ou pelos fabricantes. As
informações foram retiradas dos catálogos dos fabricantes, sendo a dureza,
resistência à tração e resistência à compressão as propriedades identificadas como
as mais relevantes. Também está relacionado o custo proporcional de cada resina,
tomando como base a RS Express 2000, indicada para a injeção de plásticos, para a
qual foi atribuído um custo de referência igual a 1. O custo relativo utiliza números
índices e não valores monetários.
Tabela 5.1 – Propriedades da resina base e das resinas utilizadas nos testes
de injeção (extraídas das tabelas dos fabricantes)
N/D – Não Disponível; RS Express 2000 é a resina de referência, não utilizada nos testes de injeção.
5.2 Testes de Usinagem em Resinas
Para o uso de resinas na fabricação de insertos protótipos através de
usinagem, os parâmetros de corte e seu comportamento durante a usinagem deve
RESINAS PROPRIEDADES
RS Express 2000 PN1007 LAB1000 RS 5166
Cor Cinza Areia Cinza Marfim
Densidade (Kg/m3) 1800 1200 1670 1700
Dureza Shore D 90/91 85 89 85-90
Resistência à compressão
(N/mm2) 250/260 70 92 90-100
Resistência à tração (N/mm2) 62 37 N/D 34
Temperatura de transição vítrea
Tg (ºC)
258
N/D
92
109
Coeficiente de dilatação térmica
(10-6 mm/mmºC) 50 45 50 45-60
Temperatura de deformação (ºC) N/D 100 200 N/D
Estabilidade dimensional (ºC) 220/240 90 N/D 90-100
Custo (relativo) 1,00 0,52 0,95 0,42
Fabricante VANTICO
(2003)
HARD
(2004)
AXSON
(2001)
VANTICO
(2003)
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 63
ser conhecidos. Se os mesmos não estiverem disponíveis, as condições de
usinagem destas resinas devem ser estudadas. Neste sentido, foi realizado um
estudo sobre a usinagem das resinas selecionadas.
Para os testes foram selecionados alguns parâmetros de corte de acordo com
indicações dos fabricantes de resinas e também foram considerados na escolha os
estudos de LANZ et al. (2002) e YANG e RYU (2001). Foi selecionada uma fresa de
topo reto de 10mm de diâmetro e quatro facas, de metal duro com cobertura TiAlN.
A profundidade de corte aplicada foi de 3mm. O comprimento de usinagem utilizado
foi de 50mm, sendo suficiente para a medição da rugosidade e observação do
lascamento.
As velocidades de corte (vc) selecionadas foram de 100m/min e de 157m/min.
Segundo a VANTICO (2002) e AXSON (2004), a vc=100m/min refere-se à velocidade
mínima recomendada. Por outro lado, a vc=157m/min, refere-se à máxima vc
possível de ser atingida com a ferramenta escolhida, a 5000rpm, no equipamento
CNC selecionado, que apresenta uma rotação máxima de 6000rpm no fuso porta-
ferramentas.
Os avanços por faca (fz) utilizados foram determinados junto aos catálogos de
fabricantes de resinas: VANTICO (2002) e AXSON (2002), e artigos consultados de
YANG e RYU (2001) e LANZ et al. (2002), e referem-se aos valores médios
encontrados. Foram selecionados os valores extremos dos avanços por faca
(fz=0,025 e fz=0,30mm), e se optou em distribuir os demais avanços em intervalos
regulares dentro desta faixa.
Foi utilizado o modelo do corpo de prova sugerido no Capítulo 4. As análises
realizadas no corpo de prova foram:
a) medição de rugosidade superficial, avaliado com um rugosímetro modelo SJ-201
Mitutoyo, utilizando um cut off de 0,8mmx5 e comprimento de medida igual a 5,6mm,
onde é desprezado o trecho inicial e final, que corresponde a 0,8mm cada;
b) lascamento na saída da ferramenta utilizando uma lupa com aumento de 10
vezes. A Tabela 5.2 apresenta os valores dos parâmetros de corte selecionados.
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 64
Tabela 5.2 - Parâmetros de corte selecionados para testes de usinagem
Profundidade de corte 3mm
vc1= 100m/min vc2= 157m/min
fz 1 0,025 fz 1 0,025
fz 2 0,05 fz 2 0,05
fz 3 0,1 fz 3 0,1
fz 4 0,2 fz 4 0,2
fz 5 0,3 fz 5 0,3
fz = Avanço por faca (mm/faca)
5.3 Realização da Usinagem dos Insertos
Para a usinagem dos insertos, tanto do macho como da cavidade, foram
definidas várias etapas de usinagem. A fabricação dos insertos foi realizada em duas
fixações, sendo a primeira para esquadrejamento dos blocos e usinagem dos raios e
a segunda para a usinagem da geometria dos insertos, partindo de um bloco sólido.
Foi prevista a fabricação a partir de blocos com dimensões de 50x80x135mm. As
etapas de usinagem estão descritas na Tabela 5.3.
Tabela 5.3 - Seqüência de usinagem para os insertos
Macho Cavidade
1. Corte dos blocos 1. Corte dos blocos
2. Esquadrejamento dos blocos e
usinagem dos raios (1ª fixação)
2. Esquadrejamento dos blocos e
usinagem dos raios (1ª fixação)
3. Usinagem da geometria, furação e
alargamento dos furos de passagem dos
extratores (2ª fixação)
3. Usinagem da geometria (2ª fixação )
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 65
Tomando os modelos dos insertos, e a partir de um bloco sólido, deu-se a
geração das estratégias de usinagem utilizando um sistema CAM (Computer Aided
Manufacturing) Powermill. A Figura 5.1 apresenta, a título de ilustração uma das
estratégias de acabamento das paredes laterais do inserto macho.
Figura 5.1 – Modelo de uma estratégia de usinagem gerada no sistema CAM
Várias operações e ferramentas foram utilizadas de acordo com a geometria a
ser usinada. Com base nos testes de usinagem, os parâmetros de corte foram
selecionados, e as ferramentas utilizadas para a usinagem da cavidade estão
apresentadas na Tabela 5.4. Para a usinagem do inserto macho, foram utilizadas as
ferramentas e parâmetros de corte apresentados na Tabela 5.5.
Tabela 5.4 – Ferramentas e parâmetros de corte para a usinagem da cavidade
Ferramenta Descrição Material Diâmetro
(mm)
RPM
Avanço
(mm/faca)
Operação
T2 Fresa de topo
(2 cortes)
Aço rápido 6 5300 0,1 Desbaste
T3 Fresa ponta esférica
(2 cortes)
Metal Duro 3 5500 0,07 Acab.paredes
T4 Fresa de topo
(2 cortes)
Aço rápido 4 5500 0,07 Acab. faces
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 66
O planejamento da etapa de usinagem devem seguir o mesmo padrão em
todos os insertos, visando a mesma condição de injeção. Também foi observada a
seqüência e o sentido de usinagem buscando evitar o lascamento da resina,
principalmente em regiões mais sensíveis.
Tabela 5.5 – Ferramentas e parâmetros de corte para a usinagem do macho
Ferramenta Descrição Material Diâmetro
(mm)
RPM
Avanço
(mm/faca)
Operação
T5 Fresa de topo
(4 cortes)
Aço rápido 16 2000 0,15 Desbaste
externo
T4 Fresa de topo
(2 cortes)
Aço rápido 4 5500 0,1 Desbaste
cavidade
T3 Fresa ponta
esférica
(2 cortes)
Metal duro 3 5500 0,07 Acabamento
das paredes
T6 Fresa de topo
(2 cortes)
Metal duro 3 5500 0,07 Acabamento
face da
cavidade
T7 Broca Aço rápido 3,8 5500 0,05 Furo para
extratores
T8 Alargador Aço rápido 4 H7 2000 0,05 Alargamento
para
extratores
A partir do desenvolvimento das estratégias de usinagem foi gerado o
programa de usinagem a ser enviado para a máquina CNC. As ferramentas foram
montadas na máquina e realizado o pre-set (medição dos comprimentos) das
ferramentas. Também foi preparada a fixação das peças a serem usinadas tomando-
se o cuidado para que fossem apoiadas em um batente, garantindo seu
posicionamento.
As peças foram fixadas em uma morsa e apoiadas sobre calços paralelos para
a garantia de paralelismo da superfície. Todos os insertos foram usinados utilizando
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 67
o mesmo programa, ferramentas e parâmetros de corte, observando neste caso, um
programa para a usinagem da cavidade e um programa para o inserto macho.
Apesar das resinas terem comportamento diferentes na usinagem, foi possível
selecionar, baseado nos ensaios de usinagem, um conjunto de parâmetros que
fosse adequado às três resinas. O uso dos mesmos parâmetros tem a finalidade de
comparar a rugosidade superficial e comportamento na injeção das diversas resinas.
Foi utilizado um centro de usinagem vertical Romi Discovery 4022 do laboratório de
usinagem do SENAI-PR. Após a usinagem dos insertos no CNC, não houve
nenhuma operação de pós-processamento nos mesmos.
Os mesmos cuidados na preparação de ferramentas, fixação dos insertos e
todos os passos para a preparação do programa e da máquina, adotados na
usinagem das cavidades foram aplicados para a usinagem dos insertos macho.
5.4 Medição da Rugosidade e Dureza dos Insertos
Para a análise do comportamento dos insertos durante os testes de injeção foi
prevista a verificação da rugosidade e da dureza superficial dos insertos, antes e
após a injeção. A medição de dureza pode indicar se há modificação de dureza
superficial dos insertos durante a execução das injeções. Por outro lado, o controle
da rugosidade dos insertos tem o objetivo de verificar o desgaste dos mesmos,
podendo ser uma propriedade importante para a seleção do material para o inserto.
Também foi previsto o controle dimensional da espessura e a medição da
rugosidade superficial de algumas peças injetadas. Nos casos em que os testes
foram interrompidos prematuramente, foram desconsideradas as medições de
dureza e rugosidade superficial dos insertos. O intuito de controlar estas variáveis foi
verificar se houve alterações significativas destes valores, sendo possivelmente um
fator de seleção para que uma resina seja indicada para a injeção.
Na análise da dureza superficial foi utilizado um durômetro tipo: GS 702
SHORE D TYPE (ASTM D2240 DIN53505). Foram medidos quatro pontos da
superfície do inserto (Figura 5.2) e os valores encontrados antes e após a injeção
foram comparados.
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 68
Figura 5.2 – Pontos de medida de dureza Shore D dos insertos
Também foram medidas as rugosidades de quatro superfícies do inserto
conforme mostrado na Figura 5.3.
Figura 5.3 – Superfícies de medida da rugosidade dos insertos
Os pontos verificados foram as superfícies planas da geometria do inserto. O
acabamento superficial foi avaliado com um rugosímetro modelo SJ-201 Mitutoyo,
1
4 2
3
a b c
d
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 69
utilizando os mesmos parâmetros de medição utilizados nos testes de usinabilidade
das resinas apresentado na seção 5.2.
5.5 Seleção dos Polímeros a Serem Injetados
A seleção dos polímeros a serem injetados foi realizada tomando como
referência a pesquisa realizada no Capítulo 3, onde foram apontados os polímeros
mais utilizados. A pesquisa indicou que os polímeros Polipropileno (PP) e
Acrilonitrila-Butadieno–Estireno (ABS) foram os mais citados. Estes polímeros foram
selecionados para os testes de injeção, pois além de terem sido citados na
pesquisa, o PP requer valores de ajustes menores do que o ABS, e vários autores já
o utilizaram em outras pesquisas. Por outro lado, o ABS é bem mais exigente para a
injeção, requerendo maior temperatura de trabalho, pressão de injeção, etc., quando
comparado ao PP. Desta forma, utilizando estes dois polímeros é possível observar
a resistência de uma resina polimérica quando é injetado um material mais fácil e
outro mais difícil de injetar. Os polímeros injetados foram: PP PRB 4215 da empresa
Ipiranga e ABS Terlux® TR da empresa Basf. Os materiais foram recebidos em
estado “virgem”, ou seja, não são materiais reciclados e foram recebidos em doação.
A quantidade de peças a serem injetadas também foi definida e está
referenciada na pesquisa realizada, na qual o número máximo de peças requisitadas
é igual a 100 unidades. Esta quantidade de peças foi tomada como meta a ser
atingida nos testes de injeção. Todavia, como sugerido no procedimento, os insertos
poderiam ser testados até o final de sua vida útil, porém, o número de 100 peças
atende o indicado pela pesquisa realizada, e também pela disponibilidade limitada
da máquina injetora, já que os testes foram realizados fora da UTFPR.
5.6 Procedimento de Ajuste do Processo de Injeção
Somente após terem sido realizados os ajustes, a máquina pode entrar no
processo de produção e vários são os parâmetros de injeção a serem ajustados
inicialmente na injetora, em testes que devem ser realizados até que se inicie o
processo de produção.
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 70
A máquina utilizada foi uma injetora Romi Primax 65R. Tomou-se como base o
Método da Injeção Progressiva, também denominado por Short Shot Method,
apresentado no Capítulo 4. Com o auxílio deste método é possível o ajuste dos
parâmetros de injeção passo a passo. O método foi utilizado integralmente, com
ressalva para a etapa de verificação da velocidade de injeção, que em alguns casos
não foi necessária, pois não houve correções necessárias no protótipo injetado. No
entanto, recomenda-se manter esta etapa, pois outros testes poderão utilizá-lo. Para
cada par de insertos foi utilizado o método de ajuste, partindo do mesmo ponto de
início para todos os testes. A determinação do final da etapa de ajustes se dá com o
controle do peso das peças injetadas, sendo que quando o peso das peças
estabiliza o processo está ajustado. Para o controle de peso foi utilizada uma
balança digital com precisão de 0,1g. Para cada um dos testes foram anotados os
valores de ajuste realizados conforme a seqüência do método utilizado, e estão
apresentados nas tabelas do Capítulo 6. As anotações podem apontar valores
importantes para apoiar novos testes ou ainda servir de análise dos resultados de
injeção.
Para a realização da injeção, cada polímero deve ser aquecido no barril da
injetora até sua temperatura de processamento. Isto é possível de ser atingido
através de ajustes realizados na máquina injetora. Por outro lado, o molde deverá
ser mantido a uma temperatura previamente determinada, observando um mínimo e
máximo recomendados, buscando sempre que possível um equilíbrio entre estas
temperaturas, conforme descrito na seção 2.2.6. Para os testes de injeção dos
moldes-protótipo fabricados em resinas foi determinada a temperatura de 42ºC, com
variação aceitável de ± 2ºC. Esta temperatura está compatível com uma média de
temperatura utilizada em moldes metálicos, e de acordo com as temperaturas
utilizadas por VOLPATO et al. (2003) nos testes de injeção realizados. O controle de
temperatura foi realizado com o uso de um termômetro infravermelho MT-350 da
marca Minipa, com precisão de ± 2ºC.
Também foi utilizado desmoldante de silicone nos testes de injeção que
inicialmente não deram certo, sendo repetidos com o desmoldante tanto em ABS
como em PP. Inicialmente houve a previsão de uso do desmoldante em ABS, em
função desse material exigir maior temperatura e pressão de injeção, entre outros
parâmetros. No entanto, também foi utilizado durante a injeção de PP. Para os
testes realizados neste trabalho o desmoldante foi aplicado com a mesma finalidade
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 71
dos moldes metálicos, buscando facilitar a extração das peças. O desmoldante
utilizado foi o Spray de Silicone MSR fabricado por Mosar Indústria Química Ltda. A
escolha do desmoldante de silicone deve-se ao fato de ser o mais comumente
utilizado em moldes de injeção, de fácil aplicação e conseqüentemente o mais
facilmente encontrado. Deve-se ressaltar que o desmoldante deverá ser utilizado
desde a primeira peça, ainda na etapa de ajustes.
5.7 Processo de Injeção dos Protótipos
Após o ajuste da injetora deu-se início a injeção dos protótipos. Os mesmos
cuidados de controle de temperatura e resfriamento do molde utilizados na etapa de
ajustes foram utilizados nesta etapa. Para o controle de temperatura foi utilizado um
termômetro infravermelho e o resfriamento do molde se deu com ar comprimido, já
que a maioria das resinas não possibilita aplicar refrigeração com água por serem
higroscópicas, como normalmente é realizado em moldes metálicos.
Nesta etapa, a cada novo ciclo as peças injetadas foram observadas,
verificando e anotando qualquer anormalidade nas mesmas, numerando-as para
controle e análise posterior. O comportamento dos insertos também foi observado a
cada ciclo, verificando a ocorrência de quaisquer danos ou avarias nos mesmos.
Este acompanhamento foi necessário para dar continuidade nas injeções ou
interrompê-las, na ocorrência de qualquer anormalidade, como a quebra ou
rompimento do inserto, fato que determina o final da vida do mesmo. Desta forma,
foi possível observar que alguns pares de insertos resistiram ao número de ciclos
desejado, enquanto outros se romperam, fato que determinou o final dos testes com
estes insertos.
5.8 Análise das Propriedades dos Protótipos Injetados
Uma vez injetados, os protótipos podem ser analisados sob vários aspectos.
Conforme sugerido no procedimento, foram medidas a espessura e a rugosidade
das peças. Para o controle da espessura foi utilizado um paquímetro digital Mitutoyo,
com precisão de 0,01mm. Os pontos de medição de espessura estão apresentados
Capítulo 5 Aplicação do Procedimento para Testar Resinas 72
na Figura 5.4. Para esta medida, foram observadas as peças na seqüência
crescente de injeção, medindo-as em intervalos regulares, até a última peça, num
total de 10 peças medidas de cada teste realizado, verificando se houve alteração
da sua espessura.
Figura 5.4 – Pontos de medição de espessura do protótipo injetado
Para medir a rugosidade das peças injetadas foi utilizado um rugosímetro
modelo SJ-201 Mitutoyo, utilizando o mesmo processo e pontos de medida
apresentados da seção 5.4. Outros tipos de análises como: dureza, resistência à
tração e resistência à compressão, não foram realizados neste trabalho. Sugere-se
que tais análises sejam realizadas em trabalhos futuros.
2
1
4
3
Capítulo 6 Resultados 73
6 RESULTADOS
No Capítulo 5 foram realizados alguns testes aplicando o procedimento para
testar resinas proposto no Capítulo 4, buscando verificar o comportamento e
aplicabilidade do procedimento. Neste capítulo são apresentados os resultados que
foram obtidos durante a realização dos testes, e que servem de base para as
discussões e conclusões deste trabalho.
6.1 Fabricação do Porta-Molde
O porta-molde foi fabricado de acordo com o projeto apresentado no Capítulo
4. As Figuras 6.1 e 6.2 apresentam detalhes do mesmo, nos quais é possível
observar a montagem de um par de insertos da pirâmide, juntamente com outro
modelo de insertos, de menor dimensão.
O porta-molde desenvolvido apresenta as características já descritas e pode
alojar também insertos construídos com outros materiais, inclusive insertos
metálicos, caso haja necessidade.
Figura 6.1 – Porta-molde fabricado e detalhe de insertos montados
Capítulo 6 Resultados 74
Figura 6.2 – Detalhe do porta-molde na injetora
6.2 Definição dos Parâmetros de Usinagem
Conforme previsto, as resinas selecionadas para os testes de injeção tiveram
sua condição de usinagem testada. Foi medida a rugosidade superficial e observado
o lascamento das resinas na saída da ferramenta. A Figura 6.3 apresenta um
exemplo de corpo de prova utilizado para os testes de usinagem.
Figura 6.3 – Exemplo de canais usinados – RS 5166
Capítulo 6 Resultados 75
A média de três medidas da rugosidade da superfície usinada, obtida em Ra
(µm) está apresentada nas Tabelas 6.1 e 6.2. Nota-se que à medida que se
aumentam os avanços, também os valores de rugosidade aumentam, em ambas as
velocidades de corte (Figura 6.4 e 6.5). Também se pode observar que, em grande
parte das rugosidades, houve redução dos valores de Ra para a maior velocidade de
corte, com exceção da resina LAB 1000.
Tabela 6.1 - Rugosidade média Ra (µm) obtida com vc =100m/min
PN 1007 LAB 1000 RS 5166 fz
(mm/faca) Ra Ra Ra
0,025 0,73 0,48 0,71
0,05 0,92 0,61 0,87
0,1 1,56 0,96 1,46
0,2 1,89 1,31 1,82
0,3 2,67 1,76 2,57
Profundidade de corte 3mm; fresa de topo reto de Ø10mm
Tabela 6.2 - Rugosidade média Ra (µm) obtida com vc =157m/min
PN 1007 LAB 1000 RS 5166 fz
(mm/faca) Ra Ra Ra
0,025 0,72 0,58 0,67
0,05 1,06 0,68 1,20
0,1 1,46 1,07 1,38
0,2 1,79 1,37 1,78
0,3 2,35 1,99 2,11
Profundidade de corte 3mm; fresa de topo reto de Ø10mm
Capítulo 6 Resultados 76
Rugosidade média (�m) Vc 100m/min
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,025 0,05 0,1 0,2 0,3
Avanço mm/faca
Rug
osid
ade
méd
ia R
a (�
m)
PN 1007
LAB 1000
RS 5166
Figura 6.4 – Comparação da rugosidade média Ra (µm) com vc =100m/min
Rugosidade média (�m) Vc 157m/min
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0,025 0,05 0,1 0,2 0,3
Avanço mm/faca
Rug
osid
ade
méd
ia R
a (�
m)
PN 1007
LAB 1000
RS 5166
Figura 6.5 – Comparação da rugosidade média Ra (µm) com vc =157m/min
A rugosidade da superfície usinada apresenta valores crescentes à medida que
os valores de avanços vão aumentando. Também foi observado que para os
mesmos valores de avanço, quando aplicadas maiores velocidades de corte os
valores de rugosidade reduziram. Este resultado é coerente com o comportamento
dos metais na usinagem e está em acordo com os resultados observados por LANZ
Capítulo 6 Resultados 77
et al. (2002). O comportamento das três resinas em relação aos lascamentos do
material na saída da ferramenta é apresentado na Figura 6.6.
Figura 6.6 - Lascamentos observados nas resinas: a) PN 1007, b) LAB 1000 e c) RS 5166
Na Tabela 6.3 estão relacionadas ocorrências dos lascamentos, observados
com o uso de uma lente de aumento de dez vezes, considerando as velocidades de
corte e avanços utilizados.
Tabela 6.3 - Relação da ocorrência de lascamento na saída da ferramenta
PN 1007 LAB 1000 RS 5166
fz vc1 vc2 vc1 vc2 vc1 vc2
0,025 - - - - - -
0,05 - - - - - -
0,1 X - - X - -
0,2 X X X X X X
0,3 X X X X X X
fz = Avanço por faca (mm/faca); vc1= velocidade de corte 100m/min; vc2 = velocidade de corte
157m/min; Símbolos: (-) Sem ocorrência de lascamento; (X) Com ocorrência de lascamento.
b
b
a
c
10mm
Capítulo 6 Resultados 78
Em geral, os lascamentos ocorridos na saída da ferramenta apresentam a
tendência de ocorrer com maiores dimensões no lado esquerdo da linha de
deslocamento da ferramenta (avanço), tomando como referência o sentido do corte
(Figura 6.7).
Figura 6.7 – Identificação de região de maior ocorrência dos lascamentos
Para as diversas resinas testadas, o resultado do lascamento é coerente com o
relatado por LANZ et al. (2002) e VOLPATO et al. (2003), que observaram que com
o aumento do avanço há um aumento da ocorrência dos lascamentos. A Tabela 6.4
apresenta a lista das resinas estudadas, indicando em qual fz e vc ocorreu o primeiro
lascamento, que pode ser detectado com a lente de aumento de dez vezes. As
resinas estão ordenadas de forma a demonstrar qual resina apresentou lascamentos
com avanço mais baixo. Ainda foi possível verificar que, com o aumento de avanço
por faca, podem também ocorrer lascamentos na entrada da ferramenta e nas
laterais da amostra usinada.
Tabela 6.4 - Classificação de resinas em relação à ocorrência do primeiro
lascamento na saída da ferramenta
Resina fz (mm/faca) vc (m/min)
Lab 1000 0,1 157
RS 5166 0,2 100 e 157
PN 1007 0,1 100
Região de maior ocorrência
dos lascamentos
Sentido de corte e do giro
da ferramenta
Capítulo 6 Resultados 79
De um modo geral é possível verificar que as resinas podem ser usinadas em
máquinas CNC convencionais, com limitações de velocidade de corte, devido à
baixas rotações dos equipamentos, não havendo restrições aparentes para este
emprego. Deve-se, no entanto, aplicar os parâmetros de corte adequados, evitando
possíveis lascamentos e atingindo o nível de acabamento superficial desejado.
Os resultados sugerem a utilização de velocidades de corte mais elevadas
possíveis em uma máquina CNC convencional, em conjunto com pequenos valores
de avanço por faca reduzindo desta forma a incidência dos lascamentos. Os valores
de avanço por faca a serem aplicados podem ser diferenciados e devem ser
determinados em função da resina em uso.
6.3 Usinagem dos Insertos
As resinas selecionadas foram usinadas conforme descrito no Capítulo 5. A
Figura 6.8 apresenta a usinagem de um inserto macho e um inserto cavidade da
pirâmide.
Foram usinados 9 pares de insertos para atender os testes previstos, ou seja,
injeção de PP e ABS em cada resina selecionada com e sem desmoldante. A Figura
6.9 apresenta um dos pares de insertos usinados.
Figura 6.8 –Usinagem de uma cavidade (a) e macho (b)
a b
Capítulo 6 Resultados 80
Figura 6.9 – Exemplo de um par de insertos usinados
6.4 Procedimento de Ajuste da Injetora
Os testes iniciaram com a injeção de PP em cada um dos três pares de
insertos. Os mesmos testes foram repetidos com a injeção de ABS. Para cada par
de insertos foi aplicado o método de ajuste Short Shot e realizadas em ficha própria
as anotações dos valores ajustados Apêndice B.
Após serem seguidos todos os passos e o processo de injeção estar
estabilizado, foi iniciada a injeção dos protótipos. Um indicador desta estabilidade é
o controle de peso das peças que conforme prevê o método de ajuste (Figura 6.10),
e somente quando o peso da peça estabiliza o processo está ajustado. A Tabela 6.5
apresenta o número de peças injetadas até o ajuste da máquina. Durante todo o
processo foram monitoradas: a temperatura dos insertos, as peças injetadas e o
desgaste e comportamento dos insertos durante a injeção. As peças injetadas foram
numeradas para análise posterior. A Figura 6.11 apresenta um exemplo das peças
injetadas de um dos testes realizados.
Capítulo 6 Resultados 81
Tabela 6.5 – Quantidade de peças injetadas em cada ajuste da injetora
Resina/Teste PP sem
desmoldante
PP com
desmoldante
ABS sem
desmoldante
ABS com
desmoldante
Nº de peças Nº de peças Nº de peças Nº de peças
PN 1007 17 11 - 8
RS 5166 14 - 21 17
LAB 1000 18 - 6 15
Figura 6.11 – Peças injetadas em um dos testes
Figura 6.10 – Exemplo de controle de peso das peças injetadas na etapa de ajustes
Capítulo 6 Resultados 82
O controle de temperatura se deu utilizando um termômetro digital
infravermelho sem contato (Figura 6.12), com o qual foram monitorados os insertos
em vários pontos de controle, garantido desta forma que a superfície do molde
apresentasse a temperatura determinada antes do reinício de um novo ciclo.
Figura 6.12 – Método de controle da temperatura dos insertos
Para a refrigeração do molde foi utilizado ar comprimido (Figura 6.13). O
método de refrigeração a ar mostrou-se eficiente para o resfriamento do molde.
Figura 6.13 – Resfriamento dos insertos com ar comprimido
Capítulo 6 Resultados 83
6.5 Resultados dos Testes de Injeção
Nesta seção são apresentados os resultados de números de peças injetadas
(protótipos) e comportamento dos insertos. Na apresentação dos resultados, são
informados os valores de ajuste da injetora obtidos após a conclusão do método de
ajuste, seguidos de comentários detalhados dos resultados e do comportamento dos
insertos.
6.5.1 Experimentos com a resina PN 1007
Os testes realizados com a resina PN 1007, na qual foram injetados PP e ABS,
com e sem desmoldante estão apresentados na Tabela 6.6. Para a injeção de ABS,
optou-se por injetar utilizando desmoldante desde o início dos testes.
Tabela 6.6 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (PN 1007)
PP sem
desmoldante
PP com
desmoldante
ABS com
desmoldante
Parâmetro Unidade Valor Valor Valor
Temperatura de injeção ºC 180 180 240
Força de fechamento T 25 25 25
Tempo de resfriamento s 50 30 50
Tempo de ciclo s 2’58” 2’53” N/D
Velocidade de injeção m/s 0,04 0,04 0,09
Tempo de injeção s 2 2 10
Pressão de injeção Bar 3 3 340
Curso de dosagem cm3/s 22 22 26
Pressão de recalque bar 1 1 N/D
Tempo de recalque s 4 3 N/D
Total de peças para
ajuste
peça 17 11 8
Total de peças
injetadas
peça 38 100 0
N/D – Não Disponível; Ø da rosca da injetora:35mm
Capítulo 6 Resultados 84
Uma descrição mais detalhada dos testes é apresentada a seguir:
Injeção de PP sem desmoldante (S/D) - Durante os testes realizados com a
injeção de PP sem o uso de desmoldante, foram injetadas 38 peças. Foi possível
realizar os ajustes da injetora apesar de ter havido dificuldade no resfriamento das
peças, devido ao tempo elevado para o mesmo, levando à deformação das peças
durante a abertura do molde e sua extração. Buscando corrigir o problema foi
aumentado o tempo de resfriamento. Após o ajuste, durante a etapa de injeção,
algumas peças aderiram na cavidade e algumas peças foram perfuradas pelos
extratores (Figura 6.14a). As peças foram retiradas manualmente sem auxílio de
ferramentas. Também foram observadas avarias no macho e cavidade. Na peça 25
observou-se uma ruptura no inserto macho (Figura 6.14b), que veio a romper na
peça 38 (Figura 6.15a) onde parte do inserto ficou fixado na peça (Figura 6.15b),
quando o teste foi interrompido.
Figura 6.14 – Peça perfurada pelos extratores (a) e ruptura do inserto (b)
(PN 1007 /PP-S/D)
Injeção de PP com desmoldante (C/D) - Como o resultado da injeção sem
desmoldante foi interrompido na peça 38, foi realizado o teste de injeção de PP com
o uso de desmoldante de silicone. O desmoldante foi utilizado desde o início da
injeção, inclusive na etapa de ajuste. Foram necessárias 11 peças para o ajuste da
injetora.
Na etapa de injeção foram produzidas 100 peças, não sendo observada
nenhuma avaria nos insertos ou qualquer irregularidade nas mesmas. Durante a
injeção das foi adotado o critério de aplicar o desmoldante a cada 5 peças injetadas,
pois a partir deste número houve a tendência da peça agarrar no molde dificultando
a extração.
a b
Capítulo 6 Resultados 85
Figura 6.15 – Inserto rompido (a) e peça com parte do inserto(b) – (PN 1007/PP-S/D)
Injeção de ABS com desmoldante (C/D) - O teste de injeção de ABS foi
realizado com desmoldante, pois foi considerado que aplicando um material mais
agressivo como o ABS os insertos poderiam não suportar, a exemplo do teste com a
injeção de PP sem desmoldante. No início dos ajustes, houve uma deformação na
entrada do inserto macho (Figura 6.16a) ocorrendo a adesão de parte do inserto na
peça (Figura 6.16b), e na peça 5 houve o lascamento da cavidade (Figura 6.17a).
Na peça 8 lascou o inserto macho (Figura 6.17b) e o teste foi interrompido. Foi
possível observar que a geometria da peça próximo ao canal de alimentação houve
uma deformação do material provocando o lascamento prematuro. Os testes foram
encerrados após a injeção da peça número 8.
Figura 6.16 – Deformação do inserto (a) e de parte do inserto aderido na peça (b)
(PN 1007/ABS-C/D)
a b
a b
Capítulo 6 Resultados 86
Figura 6.17 – Deformação da cavidade (a) e do inserto (b) - (PN 1007/ABS-C/D)
6.5.2 Experimentos com a resina RS 5166
Os testes realizados com a resina RS 5166, na qual foram injetados PP e ABS,
com e sem desmoldante estão apresentados na Tabela 6.7. Para a injeção de PP,
não foi utilizando desmoldante durante os testes. Uma descrição mais detalhada dos
testes é apresentada a seguir:
Injeção de PP sem desmoldante (S/D) - Como previsto, os testes iniciaram com a
injeção de PP sem desmoldante. O comportamento dos insertos foi estável e foram
injetadas 100 peças sem desgaste aparente ou qualquer avaria dos insertos. As
peças injetadas apresentaram bom aspecto e sem deformações.
Injeção de ABS sem desmoldante (S/D) - Foram injetadas 21 peças na fase de
ajuste quando o teste foi interrompido. O motivo foi o lascamento do macho na peça
19 (Figura 6.18a) e da cavidade na peça 21 (Figura 6.19a). Observou-se que o
lascamento se deu em função do arranque de material durante a extração da peça
(Figura 6.19b).
Figura 6.18 – Lascamento do macho (a) e peça com parte do inserto (b)
(RS 5166/ABS-S/D)
b a
a b
Capítulo 6 Resultados 87
Tabela 6.7 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (RS 5166)
PP sem
desmoldante
ABS sem
desmoldante
ABS com
desmoldante
Parâmetro Unidade Valor Valor Valor
Temperatura de injeção ºC 180 240 240
Força de fechamento T 25 25 25
Tempo de resfriamento s 30 30 30
Tempo de ciclo s 2’17” N/D 2’05”
Velocidade de injeção m/s 0,04 0,10 0,12
Tempo de injeção s 3 10 4
Pressão de injeção Bar 3 210 370
Curso de dosagem cm3/s 23 26 27
Pressão de recalque bar 1 N/D 180
Tempo de recalque s 2 N/D 4
Total de peças para
ajuste
peça 14 21 17
Total de peças
injetadas após ajuste
peça 100 0 100
N/D – Não Disponível; Ø da rosca da injetora:35mm
Figura 6.19 – Rompimento da cavidade (a) na lateral e (b) no ressalto central
(RS 5166/ABS-S/D)
Como os testes foram interrompidos durante os ajustes, as peças injetadas não
foram consideradas como aplicáveis para análise de qualidade.
a b
Capítulo 6 Resultados 88
Injeção de ABS com desmoldante (C/D) - Foram injetadas 17 peças na fase de
ajuste da injetora utilizando o desmoldante desde a primeira peça e repetido seu uso
a cada 5 peças. Foram injetadas 100 peças e a geometria dos insertos permaneceu
sem alterações, resistindo aos ciclos. Apenas próximo ao canal de alimentação
houve desprendimento de material do inserto macho. Antes deste desprendimento,
notou-se que a partir da peça 43 teve início um branqueamento desta superfície e o
desprendimento se deu na peça 47 (Figura 6.20). Houve outro desprendimento de
material no canal de alimentação na peça 69. Os insertos não apresentaram avarias
significativas que alterassem a geometria e as peças injetadas apresentaram-se sem
deformações.
Figura 6.20 – Desgaste do inserto (RS 5166/ABS-C/D)
6.5.3 Experimentos com a resina LAB 1000
Os testes realizados com a resina LAB 1000, na qual foram injetados PP e
ABS, com e sem desmoldante estão apresentados na Tabela 6.8. Para a injeção de
PP, não foi utilizado desmoldante durante os testes. Uma descrição mais detalhada
dos testes é apresentada a seguir:
Injeção de PP sem desmoldante (S/D) – Na etapa de ajuste foram necessárias 18
peças para estabilizar o processo. Após o ajuste foram injetadas 100 peças sem
problemas. Não foram observadas avarias nos insertos e as peças injetadas
apresentaram-se sem nenhum dano aparente.
Injeção de ABS sem desmoldante (S/D) - Foram injetadas 6 peças, e ainda
durante o ajuste da máquina houve o lascamento da cavidade (Figura 6.21), quando
Capítulo 6 Resultados 89
o teste foi interrompido. Não houve peças produzidas e conseqüentemente não há
análise de sua qualidade.
Figura 6.21 – Lascamentos da cavidade (LAB 1000/ABS-S/D)
Tabela 6.8 – Parâmetros de injeção e número de peças injetadas (LAB 1000)
PP sem
desmoldante
ABS sem
desmoldante
ABS com
desmoldante
Parâmetro Unidade Valor Valor Valor
Temperatura de injeção ºC 180 240 240
Força de fechamento T 25 25 25
Tempo de resfriamento s 30 30 30
Tempo de ciclo s 1’25” N/D 2’06”
Velocidade de injeção m/s 0,05 0,10 0,09
Tempo de injeção s 2 10 4
Pressão de injeção Bar 2 220 370
Curso de dosagem cm3/s 23 23 28
Pressão de recalque bar 1 N/D 170
Tempo de recalque s 4 N/D 3
Total de peças para
ajuste
peça 18 6 15
Total de peças
injetadas após ajuste
peça 100 0 100
N/D – Não Disponível; Ø da rosca da injetora:35mm
Capítulo 6 Resultados 90
Injeção de ABS com desmoldante (C/D) – Na etapa de ajustes foram necessárias
15 peças. Após o ajuste, houve a injeção de 100 peças sem observação de danos
na geometria dos insertos. As peças produzidas apresentaram-se sem deformações.
Observou-se que a peça 57 aderiu na cavidade, no entanto a geometria da peça não
foi afetada, sendo extraída manualmente.
6.6 Resultado da Medição de Dureza dos Insertos
Conforme previsto no Capítulo 5, foi realizada a medição da dureza superficial
dos insertos macho antes e depois da injeção. A Tabela 6.9 apresenta os valores
encontrados. Foi observado que não houve modificações significativas de dureza
superficial dos insertos.
Neste caso, infere-se que durante a injeção não houve modificações na
característica superficial dos insertos no que se refere à dureza.
Tabela 6.9 – Resultados da medição de dureza nos insertos macho
Resultados da medição de dureza Shore D
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Resina-polímero
antes depois antes depois antes depois antes depois
RS 5166-PP S/D 75 75 75 77 77 77 76 76
PN 1007-PP S/D 71 72 73 73 71 74 73 73
Lab 1000-PP S/D 78 78 78 78 77 78 77 78
RS 5166-ABS S/D 74 76 75 77 76 76 76 77
PN 1007-PP C/D 71 73 74 74 72 74 74 74
Lab 1000-ABS S/D 77 - 78 - 77 - 78 -
RS 5166-ABS C/D 75 75 74 76 76 76 76 76
PN 1007-ABS C/D 71 - 74 - 71 - 74 -
Lab 1000-ABS C/D 77 78 78 77 77 78 78 78
S/D = sem desmoldante; C/D = com desmoldante
Capítulo 6 Resultados 91
6.7 Medição da Rugosidade dos Insertos
Foi possível observar que os resultados da medição de rugosidade apresentam
diferenças entre os valores obtidos antes e após a injeção. A Tabela 6.10 apresenta
os valores das rugosidades médias (Ra) obtidas antes e depois da injeção. Nesta
Tabela não estão relacionados os resultados dos testes que foram interrompidos.
Os resultados apresentam valores mais elevados quando observados após a
injeção, aumentando em todos os pontos verificados (Figuras 6.22 e 6.23). Infere-se
que o aumento da rugosidade tenha ocorrido em função do desgaste da superfície
do inserto, que durante os ciclos pode ter sofrido uma forma de desgaste do tipo
abrasivo ou adesivo.
Tabela- 6.10 – Resultados da medição de rugosidade dos insertos antes e após a
injeção
Rugosidade superficial antes e após da injeção Ra (µm)
Superfície a Superfície b Superfície c Superfície d Amplitude
(µm) Resina/Teste antes após antes após antes após antes após antes após
RS 5166/PP 1,74 2,81 1,93 2,84 1,48 2,40 1,37 2,19 0,59 0,63
PN 1007/PP 3,03 3,91 2,74 3,45 2,14 3,15 2,74 3,54 0,96 0,86
LAB 1000/PP 1,07 1,63 1,13 1,68 1,04 1,10 2,01 1,33 0,39 0,64
PN 1007/PP C/D 2,91 3,41 2,09 3,29 2,53 2,62 2,47 3,44 0,95 0,98
LAB 1000/ABS C/D 1,23 1,88 1,88 2,28 1,09 1,78 1,53 1,85 0,98 0,65
RS 5166/ABS C/D 1,41 3,67 1,85 4,12
1,48 3,85 1,41 3,20 0,59 1,27
S/D = sem desmoldante; C/D = com desmoldante
Capítulo 6 Resultados 92
Rugosidade superficial antes da injeção
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
1 2 3 4 5 6 7 8
Pontos das superfícies de medição
Rug
osid
ade
Ra
(um
)
RS 5166/PP
PN 1007/PP
LAB1000/PP
RS 5166/ABScom desmoldante
PN 1007/PP comdesmoldante
LAB 1000/ABScom desmoldante
Figura 6.22 – Rugosidade média Ra (µm) dos insertos antes da injeção
Rugosidade superficial após a injeção
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
1 2 3 4 5 6 7 8
Pontos das superfícies de medição
Rug
osid
ade
Ra
(um
)
RS 5166/PP
PN 1007/PP
LAB 1000/PP
RS 5166/ABScom desmoldante
PN 1007/PP comdesmoldante
LAB 1000/ABScom desmoldante
Figura 6.23 – Rugosidade média Ra (µm) dos insertos após a injeção
Capítulo 6 Resultados 93
Também foi observado que das três resinas testadas a resina LAB 1000 foi a
que apresentou menores valores de rugosidade sendo seguida da resina RS 5166 e
PN 1007, sendo a última, a resina que apresentou maiores valores de rugosidade.
6.8 Medição da Espessura da Peças Injetadas
Na medição das espessuras das peças injetadas não foram identificadas
alterações das dimensões avaliadas. Os valores apresentaram-se estáveis quando
observadas à medida que as peças foram injetadas. A Tabela 6.11 apresenta o
resultado de medição de espessura de um dos testes de injeção (LAB 1000/PP sem
desmoldante). Os demais testes de medição apresentaram os mesmos resultados.
Tabela 6.11 – Resultado da medição da espessura das peças
(LAB 1000/PP sem desmoldante)
Medidas encontradas (mm)
Peça nº Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4
10 2,0 1,9 2,0 2,1
20 2,0 1,9 2,0 2,1
30 2,0 1,9 2,0 2,1
40 2,0 1,9 2,0 2,1
50 2,0 1,9 2,0 2,1
60 2,0 1,9 2,0 2,1
70 2,0 1,9 2,0 2,1
80 2,0 1,9 2,0 2,1
90 2,0 1,9 2,0 2,1
100 2,0 1,9 2,0 2,1
6.9 Medição da Rugosidade das Peças Injetadas
Na medição da rugosidade das peças injetadas, a exemplo da rugosidade dos
insertos foi possível observar que houve alterações na rugosidade superficial. Foram
medidas 5 peças de cada teste em ordem crescente de injeção, sendo medidas as
peças de números 1, 25, 50, 75 e 100 (Tabela 6.12). Não foram considerados os
Capítulo 6 Resultados 94
testes nos quais não houve produção de peças após o ajuste da injetora. Durante o
teste de injeção com a resina PN 1007 na qual foi injetado PP sem desmoldante e o
número de peças produzidas foi igual a 38, foram selecionadas 2 peças deste
intervalo. A Figura 6.24 apresenta os valores de rugosidade das peças analisadas
por ordem de injeção, iniciando com a primeira peça.
Tabela 6.12 - Rugosidade superficial das peças injetadas
Rugosidade superficial das peças injetadas Ra (µm) Resina/Teste
Peça 1 Peça 25 Peça 50 Peça 75 Peça 100
Média (µm)
Amplitude (µm)
RS 5166/PP S/D 1,86 2,16 2,53 2,51 2,83 2,38 0,99
PN 1007/PP S/D 5,65 5,81 - - - 5,73 0,21
LAB 1000/PP S/D 0,85 0,9 1,02 0,91 1,03 0,94 0,22
PN 1007/PP C/D 5,55 5,63 5,34 7,65 7,22 6,28 2,32
LAB 1000/ABS C/D 1,52 1,68 2,05 2,91 2,18 2,07 1,40
RS 5166/ABS C/D 3,18 2,84 2,95 3,37 3,64 3,20 0,83
S/D = sem desmoldante; C/D = com desmoldante
Rugosidade Ra (um) das peças injetadas
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 25 50 75 100Sequência das peças medidas
Rug
osid
ade
méd
ia R
a (u
m)
RS 5166/PP
PN 1007/PP
LAB 1000/PP
PN 1007/PPcomdesmoldanteLAB 1000/ABScomdesmoldanteRS 5166/ABScomdesmoldante
Figura 6.24 – Rugosidade média Ra (�m) das peças injetadas
Capítulo 6 Resultados 95
À medida que as peças foram injetadas observa-se que houve tendência de
aumento da rugosidade. Provavelmente, isto reflete o aumento do desgaste dos
insertos durante os ciclos, ocasionando aumento da rugosidade das peças.
6.10 Resumo dos Resultados de Usinagem e Injeção
Várias análises foram realizadas nos insertos e peças durante os testes
realizados. Foram observadas as reações das resinas no tocante à usinagem,
injeção de plásticos, rugosidade dos insertos, dureza dos insertos e rugosidade das
peças injetadas. A Tabela 6.13, apresenta um resumo dos testes de usinagem e de
injeção realizados.
Tabela 6.13 – Resumo dos resultados de usinagem e de injeção
Resina/
Fabricante
Condições de
usinagem
(sem lascamento)
Polímero
Injetado
Número de
peças
injetadas
Avaria
nos
insertos
Indicação
para injeção
PP 100 não Indicada
ABS 0 sim Não indicada RS 5166/
Huntsman
vc � 100 m/min
Avanço < 0,2
(mm/faca) ABS com
desmoldante 100 não Indicada
PP 100 não Indicada
ABS 0 sim Não indicada LAB 1000/
Axson
vc � 100 m/min
Avanço < 0,1
(mm/faca) ABS com
desmoldante 100 não Indicada
PP 38 sim Indicada para
pequenos lotes
PP com
desmoldante 100 não Indicada
PN 1007/
Hard
vc � 100 m/min
Avanço < 0,1
(mm/faca) ABS com
desmoldante 0 sim Não indicada
vc = Velocidade de corte
Capítulo 6 Resultados 96
Foi possível observar que as resinas apresentam condições de usinagem
semelhantes e é possível encontrar um conjunto de parâmetros de corte que pode
ser utilizado a todas, caso seja necessário. É possível observar também que as
resinas RS 5166 e LAB 1000 apresentaram resultados positivos quando foram
testadas com a injeção de PP e ABS com desmoldante, e ambas apresentaram
resultados negativos com a injeção de ABS sem desmoldante. A resina PN 1007
apresentou possibilidade da injeção de PP somente com desmoldante. Na injeção
de PP sem desmoldante a performance não foi a mesma, sendo indicada para
pequenos lotes, menores que 100 peças, e na injeção de ABS, mesmo com o uso
de desmoldante a resina PN 1007 não suportou a injeção.
Adicionalmente, foi observado que a resina RS 5166 apresentou uma forma de
branqueamento em uma superfície, levando na seqüência ao desprendimento de
material (Figura 6.20). O mecanismo de fratura indicado na literatura por
CALLISTER (1994), OUDET (1994) e KINLOCH e YOUNG (1988), explicam que o
fenômeno de branqueamento é chamado de microfendilhamento ou
microfissuramento (crazing) sendo geralmente observado em materiais
termoplásticos frágeis ou termorrígidos. Neste caso, infere-se que o branqueamento
da superfície pode indicar o limite de vida útil do inserto. Neste caso, sugere-se
estudos mais detalhados a respeito deste fenômeno.
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 97
7 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
A utilização de protótipos físicos no desenvolvimento de um produto oferece
vantagens durante a fase experimental e de validação do mesmo. É possível reduzir
o tempo de desenvolvimento, reduzindo também o custo do produto. Pode ser o
caso dos moldes para a injeção de plásticos, que demandam altos custos e
normalmente longos tempos de fabricação. Neste caso, o desenvolvimento de
moldes-protótipo pode reduzir o tempo e custo de desenvolvimento de moldes.
Os moldes são utilizados para a produção de peças de plástico e por
apresentarem elevados custos de desenvolvimento, é requerida dos mesmos a
fabricação de milhares de peças para a viabilização de sua fabricação. A
necessidade de se produzir algumas peças e realizar testes principalmente testes
funcionais, requer que as peças sejam moldadas por injeção, ou seja, exatamente
pelo processo pelo qual serão produzidas as peças definitivas. Neste caso, um
molde-protótipo pode ser fabricado. Quando se utilizam moldes-protótipo se observa
a possibilidade de fabricação de um pequeno lote de peças destinadas aos testes
requisitados, oferecendo a possibilidade de validar o produto antes da fabricação do
molde definitivo. A utilização de moldes-protótipo fabricados pelo processo de
usinagem através de máquinas a Comando Numérico Computadorizado (CNC)
utilizando materiais de fácil usinabilidade pode contribuir para o desenvolvimento e
aplicação de protótipos físicos destinados a testes funcionais e de engenharia.
Este capítulo apresenta a discussão e conclusões a respeito dos estudos
realizados sobre o procedimento para testar resinas para a fabricação de moldes-
protótipo. Estão consideradas as formas possíveis da seleção e uso das resinas,
indicando sua aplicação e possíveis anormalidades que podem inviabilizar sua
utilização. Adicionalmente, apresenta como a usinagem pode contribuir com o
processo de obtenção de protótipo injetado.
7.1 Discussão
Diante de várias tecnologias disponíveis para o desenvolvimento de protótipos
físicos, a usinagem pode ser uma alternativa viável de fabricação de moldes-
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 98
protótipo para a fabricação de protótipos injetados. Durante a elaboração da revisão
da literatura, foi constatado que poucas são as técnicas que oferecem o mesmo
resultado que a fabricação de moldes por usinagem. Adicionalmente, há o fator
custo, que poderá ser menor na usinagem, quando máquinas CNC são utilizadas e
quando comparado a outras técnicas de obtenção de moldes-protótipo como a
prototipagem rápida. Porém, a pesquisa realizada indica um percentual reduzido de
ferramental rápido construído por usinagem, e poucos são os estudos de moldes-
protótipo usinados, principalmente com a aplicação de resinas poliméricas,
possivelmente pela carência de informações a respeito.
Quando diversas tecnologias de prototipagem são comparadas, é possível
observar que a usinagem apresenta limites de geração de algumas geometrias,
exigindo alguns artifícios adicionais, como várias fixações da peça, por exemplo. Por
outro lado, as tecnologias de Prototipagem Rápida (RP, de Rapid Prototyping) e
Ferramental Rápido (RT, de Rapid Tooling) requerem equipamentos especiais,
normalmente de alto custo de aquisição. Adicionalmente, as peças produzidas por
RP e RT necessitam de operações posteriores e em alguns casos não possibilitam a
realização dos testes requisitados.
Foi constatado também que as diversas empresas do setor industrial possuem
instaladas em seu parque fabril máquinas CNC que podem ser utilizadas para a
usinagem de moldes-protótipo. Observa-se também que, com a inserção de
máquinas com 5 eixos e com a tecnologia High Speed Machining (HSM), torna-se
cada vez mais viável a fabricação de insertos para moldes através da usinagem.
Com relação aos materiais para os insertos, algumas resinas foram
selecionadas tomando como base as suas propriedades, comparadas com
resultados de estudos anteriores em resinas que resistiram à injeção. O objetivo foi
detectar quais as propriedades apresentadas podem conferir às resinas resistência
aos ciclos de injeção. No entanto, ainda não é possível afirmar que determinadas
propriedades validam a aplicação em injeção. Como há poucas informações a
respeito, inclusive os fabricantes não informam todas as propriedades necessárias
para injeção de plásticos, um estudo específico sobre este ponto seria necessário e
relevante.
Por outro lado, foi possível observar que, tomando como referência as
propriedades de resinas que suportaram a injeção, há a tendência de que as resinas
selecionadas também ofereçam condições de uso. Tomou-se neste caso, resinas
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 99
com propriedades parecidas, sendo este o ponto de partida. Para a validação do uso
das resinas, testes de afinidade química podem indicar qual o par de materiais, do
inserto e da peça, apresentam melhores condições para aplicação em injeção. No
entanto, a realização desses testes podem ser caros e demorados, ou ainda, não
estarem disponíveis ao usuário final. Neste caso, entende-se que, no momento,
somente com a realização de testes de injeção é possível afirmar se uma resina é
aplicável ou não para injeção de plásticos.
No entanto, os resultados dos diversos testes contribuem para o surgimento de
novas frentes de pesquisa. Por exemplo, na etapa de usinagem foi possível verificar
a possibilidade da usinagem das resinas mesmo em máquinas CNC convencionais.
Foi possível observar que se é preciso tomar cuidados quanto aos parâmetros de
corte, à fragilidade, e possibilidade de lascamento das resinas, observados durante
os testes. Também podem ser realizados outros testes, aplicando a variação da
profundidade de corte, forças de corte e desgaste das ferramentas.
Um outro fator de análise foi a rugosidade dos insertos. Os resultados da
rugosidade superficial (Tabela 6.10) mostraram diferentes valores, apesar das
resinas terem sido fabricadas sob as mesmas condições de usinagem. Foi possível
observar que a resina PN 1007 apresentou maior rugosidade superficial, seguida da
resina RS 5166 e LAB 1000, sendo esta última a que apresentou menores valores
de rugosidade superficial. No mesmo sentido, as peças injetadas apresentaram
valores de rugosidade com as mesmas características dos insertos, ou seja,
apresentaram maiores valores de rugosidade quando injetadas na resina de maior
valor de rugosidade superficial.
Durante a análise da rugosidade nos insertos após a injeção, foi possível
observar que todas as resinas tiveram sua rugosidade aumentada, indicando algum
nível de desgaste dos insertos. Um outro aspecto observado deve-se à comparação
dos valores de rugosidade superficial dos insertos com os resultados de injeção.
Observou-se que as resinas oferecem melhores condições de uso em injeção tanto
quanto apresentam menores valores de rugosidade.
As resinas LAB 1000 e RS 5166 apresentaram menores valores de rugosidade
e melhor comportamento durante a injeção. Por outro lado, a resina PN 1007
apresentou maiores índices de rugosidade e maiores problemas de injeção. Não se
trata de um fator decisivo de escolha, mas pode ser mais um indicativo que poderá
auxiliar na seleção de uma resina.
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 100
Adicionalmente, quando se trata de injeção de plásticos em moldes metálicos,
inúmeras variáveis estão presentes tais como: o polímero injetado, temperatura de
trabalho, diversos ajustes da máquina injetora, condições de ambiente, geometria da
peça, afinidade entre os materiais além de diversos outros. Muitos destes fatores
podem estar consolidados ou bem dominados na injeção utilizando moldes metálicos
tradicionais, porém o mesmo não acontece com os insertos de resinas poliméricas.
Para o uso das resinas, suas propriedades devem ser consideradas para a seleção
de parâmetros para os ajustes do processo e possibilitar a injeção.
No que tange aos parâmetros de injeção da máquina, para a realização da
moldagem de cada polímero foi necessária a utilização de um método de ajuste da
injetora, buscando estabelecer um padrão a ser repetido em todos os testes. Foi
adotado o método denominado Short Shot Method, e foi observado que o método
apresenta-se eficiente. Porém sua aplicação não dispensa a intervenção de um
operador experiente com conhecimento prévio do equipamento e do sistema de
injeção. Adicionalmente, deve-se usar de cautela, pois as resinas podem ser
danificadas ainda na fase de ajustes devido à sua fragilidade, podendo romper-se
com esforços demasiados, inutilizando os insertos.
Para o uso das resinas em insertos, além das já citadas variáveis, algumas
outras devem ser consideradas para possibilitar a injeção, tais como: a temperatura
de deflexão térmica da resina utilizada no molde, a variação da resistência mecânica
da resina do molde em função da variação da temperatura, a condutividade térmica
da resina do molde e a afinidade química entre a resina do inserto e o polímero
injetado.
Quando da escolha da resina para inserto deve-se levar em conta a
temperatura de processo da resina a ser injetada, que não deve ultrapassar muito a
temperatura de deflexão térmica, visto que isto significaria a deformação do inserto a
uma baixa carga. Também é preciso estar atento ao fato de que há um decréscimo
das propriedades da resina, tais como: a dureza e resistência à compressão com o
aumento da temperatura de trabalho, principalmente se estiver próxima a
temperatura de transição vítrea da resina. Assim, as propriedades medidas à
temperatura ambiente apresentadas pelos fabricantes não se conservarão na
temperatura de uso. Um exemplo desta condição foi a deformação plástica
observada no inserto fabricado com a resina PN 1007. Esta resina deformou-se
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 101
plasticamente durante o momento da injeção, rompendo-se em seguida no momento
da extração (Figuras 6.16 e 6.17).
Ressalta-se também que uma condição importante para a realização dos testes
é o controle de temperatura dos insertos, visto que normalmente as resinas não
perdem calor rapidamente, devido a sua baixa condutividade térmica. Para cada
novo ciclo de injeção, os insertos devem apresentar uma temperatura previamente
definida, controlados por termopares ou ainda, de forma mais rápida, por
termômetros infravermelhos, e resfriados por ar comprimido, já que normalmente
não podem ser resfriadas diretamente com água.
Adicionalmente, o desgaste por adesão, tal como destaca HARADA (2004), é
um dos maiores problemas encontrados em ferramentas para a injeção de plásticos,
visto que nos moldes para plásticos as dificuldades de extração e as fricções são
freqüentes. Dependendo do tipo de plástico do produto, do material da ferramenta,
dos parâmetros de processamento e dos aditivos utilizados, a dificuldade de
extração varia. Os dois parâmetros mais importantes nos mecanismos de fricção de
sólidos são: a rugosidade da superfície e a adesão interfacial (GALEMBECK, 1991).
Já o papel da adesão interfacial pode ser entendido como a afinidade entre a resina
injetada e a resina do inserto, quanto maior é a afinidade química, ou seja, quanto
mais próximos os valores dos parâmetros de solubilidade das resinas maior a
afinidade química, sendo, portanto, maior a adesão interfacial. A aplicação do
desmoldante de silicone nos insertos de resina, geralmente utilizado em moldes
metálicos, ofereceu novas possibilidades de injeção. Não foram observados relatos
de seu uso em condições semelhantes, ou seja, aplicado em moldes de resinas,
sendo este um fator diferencial nos testes.
O uso do desmoldante possibilitou a injeção em situações nas quais foi
comprovado que sem o seu uso não seria possível realizar a injeção, como os
resultados da injeção de ABS, por exemplo. Pode-se inferir neste caso, que além de
possibilitar a injeção em alguns pares resina-polímero, o desmoldante pode também
prolongar a vida do inserto possibilitando a injeção de maiores quantidades de
peças. Entretanto, não foi objetivo deste trabalho identificar a afinidade entre o
polímero injetado e a resina do inserto ou qual a contribuição do desmoldante neste
caso. Apenas foi possível identificar que o desmoldante facilita a extração e
possibilita a injeção. Um estudo específico sobre a afinidade dos materiais do inserto
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 102
a ser injetado, submetidos às condições de injeção (pressão e temperatura por um
tempo relativamente curto) seria aconselhável e importante.
A necessidade de minimizar o desgaste por adesão em injeção usando
desmoldante parece ter sido decisivo para a injeção de ABS no inserto fabricado
com a resina RS 5166, visto que sem o desmoldante houve um lascamento
prematuro, enquanto com desmoldante foi possível injetar até 100 peças. Outras
resinas romperam-se no momento da extração, quando partes do inserto ficaram
retidas nas peças injetadas. Neste sentido, o uso do desmoldante de silicone
utilizado em moldes metálicos, e aplicado nos testes, ofereceu a possibilidade de
injeção utilizando diversos insertos de resinas. Não foram observados relatos de seu
uso em condições semelhantes, ou seja, aplicado em moldes de resinas, sendo este
um fator diferencial nos testes.
Finalmente, com a aplicação do procedimento para testar as resinas, foram
inferidas algumas conclusões, conforme apresentado neste capítulo. O
procedimento apresenta-se próximo do usuário final podendo ser considerado
prático e possivelmente mais barato. Possibilita também, uma padronização a ser
utilizada por diversos pesquisadores, e os resultados podem alimentar um banco de
dados, visto que as resinas são testadas diretamente pelo processo de injeção. Por
outro lado, foi possível observar que o procedimento exige o teste de todas as
resinas, ou seja, não possibilita o descarte prévio de algumas resinas, como por
exemplo, através de uma análise de afinidade química. Neste caso, o procedimento
pode apresentar-se mais trabalhoso e dependendo do número de testes, pode ser
demorado. Por isso, recomenda-se estudos a respeito das propriedades químicas
dos materiais do molde e do protótipo injetado, cujo objetivo é o descarte prévio de
resinas que não apresentarem as condições necessárias para a injeção.
7.2 Conclusões
Durante o desenvolvimento deste trabalho, um procedimento para testar
resinas para moldes-protótipo foi proposto e testado, apresentando-se viável,
podendo atender aos objetivos inicialmente propostos e apresentados no Capítulo1.
Através deste procedimento, 3 resinas foram testadas em diferentes
configurações e os resultados apontam para a possibilidade de aplicação de resinas
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 103
para moldes-protótipo. Foi observado que cada teste pode indicar qual o par de
materiais, do inserto e da peça, apresenta melhor rendimento. Os resultados podem
alimentar um banco de dados, com o qual poderá ser escolhido o par de materiais,
levando em conta o número de peças a ser produzidas.
Para os testes foram injetados Polipropileno (PP) e ABS. Além de terem sido
citados na pesquisa realizada junto às empresas, são materiais que representam
condições distintas de injeção, quando analisadas as propriedades de ambos. Neste
caso, os testes de injeção realizados apontam que os insertos foram testados em
condições bastante diferentes, levando a concluir que existem várias possibilidades
de aplicação das resinas testadas, para os diversos polímeros restantes, com
propriedades situadas entre o PP e o ABS. Também, é possível concluir que as
resinas não indicadas para a injeção de ABS, podem ser indicadas para a injeção de
outros polímeros. Adicionalmente, foi observado nos estudos apresentados por YAN
e RYU (2001) que as resinas que não forem indicadas para a injeção de plásticos,
podem servir para outros processos de moldagem, como o Reaction Injection
Moulding (RIM), entre outros.
Os resultados indicam também, que as resinas podem ser usinadas em
máquinas CNC convencionais, utilizando as tecnologias CAD/CAM/CNC, bastando
realizar testes preliminares para a determinação dos parâmetros de usinagem. No
entanto, o desenvolvimento do trabalho revela que a seleção das resinas para a
injeção pode ser realizada por testes de análise térmica, e/ou análise química,
descartando previamente algumas resinas, levando aos testes de injeção apenas
aquelas que não apresentam afinidade química, reduzindo o número de testes.
Porém, recomenda-se neste caso, estudos futuros a respeito, pois devido ao volume
de testes, quantidade de materiais disponíveis e disponibilidade de equipamentos,
neste trabalho a opção foi a aplicação direta do procedimento para testar resinas.
Observa-se, portanto, que este trabalho contribui identificando pontos que estão em
aberto para estudos posteriores.
7.3 Sugestões para Trabalhos Futuros
Durante os testes realizados, foram identificadas algumas possibilidades de
novos trabalhos. A seguir são apresentadas algumas sugestões para trabalhos
futuros, julgados importantes para a continuidade desta pesquisa:
Capítulo 7 Discussão e Conclusões 104
• Recomenda-se estudos sobre a adesividade, entre as variáveis de
polaridade, afinidade e parâmetros de solubilidade. Acredita-se que este estudo
poderá revelar como ocorre a adesão entre o polímero e a resina, e possibilidades
de seleção dos pares de materiais;
• Para o caso de produção de maior quantidade de peças por par de insertos,
recomenda-se estudos a respeito do uso do desmoldante, variando nos testes, a
resina e o polímero injetado. Sua aplicação pode proporcionar maior tempo de vida
do inserto e conseqüentemente maior número de peças produzidas.
• Realizar testes de usinagem em resinas, variando a profundidade de corte e
geometria de ferramentas, e observar o desgaste das ferramentas;
• Realizar testes nos protótipos injetados, como: dureza, tensão de ruptura e
tração, entre outros.
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Apêndice A Formulário do Questionário 111
APÊNDICE A – FORMULÁRIO DO QUESTIONÁRIO
Para a realização da pesquisa, um questionário foi enviado às empresas, por
meio eletrônico. Segue abaixo o modelo utilizado e enviado a cada uma das
empresas. As respostas foram tabuladas e apresentadas no Capítulo 3.
Apêndice B Ficha de Registros de Ajuste da Injetora 112
APÊNDICE B – FICHA DE REGISTROS DE AJUSTE DA INJETORA
Para as anotações dos parâmetros para ajuste da injetora foi desenvolvida uma
ficha que contém os principais itens de ajuste. Segue abaixo o modelo da ficha.
Ficha técnica para injeção de plásticos – Data:.......................
Nome da peça: Resina: Material e cor: Temperatura de injeção – (ºC): Força de fechamento – (t): Tempo de resfriamento – (s): Tempo de ciclo:
Ajuste do curso de dosagem Velocidade de injeção – m/s Tempo (1º estágio) – (s) Pressão – bar Curso do fuso – cm3/s Número de peças até 95 a 98% de preenchimento
Checagem da velocidade de injeção – m/s
Ponto de injeção I Ponto de injeção II Número de peças
Ajuste da pressão de injeção - bar Pressão de injeção 1º estágio
Número de peças até 95 a 98% de preenchimento
Ajuste do tempo de injeção – (s) Valor de ajuste do tempo Número de peças até 95 a 98% de preenchimento
Ajuste do tempo de recalque
Curso de dosagem – cm3/s Pressão de recalque 2º estágio - bar
Tempo – (s) Peso – (g) Número de peças até 95 a 98% de preenchimento e peso
Total geral de peças p/ ajuste
Anexo A Método de Ajuste Progressivo 113
ANEXO A – MÉTODO DO AJUSTE PROGRESSIVO
Método da injeção progressiva
Este método, também denominado por “Short shot method” foi traduzido e
adaptado de BARRY et al. (1995) por FOGGIATTO (2005). Com o auxílio deste
método é possível o ajuste dos parâmetros de injeção passo a passo (BUSATO,
2004).
Procedimento inicial:
1. Assuma que a temperatura do molde já foi determinada na máquina;
2. Assuma que a temperatura de injeção do polímero já está determinada;
3. Os passos devem ser seguidos na ordem como segue abaixo:
Passos:
1. AJUSTANDO O CURSO DE DOSAGEM (volume de material a ser injetado na
cavidade)
a) Ajuste a pressão de recalque igual a “Zero”;
b) Ajuste o tempo de recalque igual a “Zero”;
c) Ajuste a velocidade de injeção de MÉDIA para ALTA;
d) Ajuste o tempo (1º estágio) para um valor MAIOR do que o necessário para
preencher o molde;
e) Ajuste a pressão (1º estágio) para um valor MAIOR do que o necessário para
preencher o molde;
f) Ajuste o valor do curso do fuso (volume de material) para um valor MENOR do que
o necessário para preencher a cavidade do molde;
g) Injete uma peça – o resultado deverá ser uma peça incompleta;
Anexo A Método de Ajuste Progressivo 114
h) Continue injetando peças, aumentando gradualmente o curso do fuso (volume de
material) – quando a peça estiver entre 95-98% preenchida, é sinal que o curso do
fuso (volume de material) está OK. (Aviso: O parafuso deve estar no seu fim de
curso nesse estágio. Não deve existir COLCHÃO).
2. CHECAGEM DA VELOCIDADE DE INJEÇÃO (volume de material a ser
injetado na cavidade):
a) Injete algumas peças conforme as condições descritas no item “1.h”, e cheque se:
(I) Se próximo do “ponto de injeção“ houver queima ou descoloração do material, ou
se a peça ficar muito mole após a extração – então reduza a velocidade de injeção
até os problemas desaparecerem;
(I) Se próximo do “ponto de injeção“ houver marcas de fluxo (marca fria), então
aumente a velocidade de injeção até que o problema desapareça.
3. AJUSTANDO A PRESSÃO DE INJEÇÃO:
a) Continuando o passo 2.a, ajuste a pressão de injeção (1º estágio) para um valor
insuficiente para preencher o molde;
b) Injete uma peça – o resultado deve ser uma peça incompleta;
c) Continue injetando peças, AUMENTANDO gradualmente a pressão de injeção –
quando a peça estiver com 95-98% preenchida, se a aparência da peça estiver
compatível com a do passo 2.a, então a pressão está OK. (Aviso: O parafuso de
injeção deve estar no seu fim de curso. Não deve mais existir material para ser
injetado).
4. AJUSTANDO O TEMPO DE INJEÇÃO:
a) Continuando o passo 3.c, ajuste o tempo de injeção (1º estágio) para um valor
insuficiente para preencher o molde;
b) Injete uma peça – o resultado deve ser uma peça incompleta;
Anexo A Método de Ajuste Progressivo 115
c) Continue injetando peças, AUMENTANDO gradualmente o tempo de injeção –
quando a peça estiver 95-98% preenchida, se a aparência da peça estiver
compatível com a do passo 3.c, a pressão de injeção (1º estágio) está OK. (Aviso: O
parafuso de injeção deve estar no seu fim de curso. Não deve mais existir mais
material para ser injetado).
Obs.: Máquinas CNC fornecem valores reais de tempo de injeção que podem ser
visualizadas no passo 3.
5. AJUSTANDO O TEMPO DE RECALQUE:
a) Continuando do passo 4.c, aumente o CURSO DE DOSAGEM em 5-10%;
b) Injete uma peça – a peça deveria parecer com a do passo 4.c, mas agora um
COLCHÃO está presente;
c) Ajuste a pressão de recalque (2º estágio) para 50/60% da pressão de injeção (1º
estágio). Certifique-se se o tempo de recalque ainda é ZERO.
d) Injete uma peça – a peça deveria ainda permanecer igual a do passo 5.b;
e)Continue injetando peças, aumentando gradualmente o tempo de recalque. Pese a
peça para cada incremento de tempo, até o peso parar de aumentar
significantemente. Quando o peso da peça não mais variar, o tempo de recalque
está OK.
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