FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA Curso de Tecnologia em Polímeros Produção em Plásticos Rafael Ulysses Domingues ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA PARA ORÇAMENTO, PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOLDES DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS SOROCABA 2012 Rafael Ulysses Domingues

2 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA PARA ORÇAMENTO, PROJETO E CONSTRUÇÃO DE MOLDES DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do Diploma de Graduação em Tecnólogo em Polímeros, da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba. Orientador: Prof. Esp. Renato Mendes Germano Sorocaba 2012

3 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA FATEC SO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do Diploma de Graduação em Tecnólogo em Polímeros, da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba. BANCA EXAMINADORA: Prof. Esp Renato Mendes Germano Faculdade de Tecnologia de Sorocaba Prof. Elpídio Gilson Caversan Faculdade de Tecnologia de Sorocaba Prof. Ms. Célio Olderigi de Conti Faculdade de Tecnologia de Sorocaba SOROCABA 2012

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5 Dedico este trabalho a todos que participaram de mais esta etapa da minha vida.

6 AGRADEÇO A minha família e a todos que considero parte dela. Sem a presença e participação destas pessoas, nada seria possível. Aos amigos de faculdade pelas experiências de trabalho e de vida, e por fazerem destes 3 anos divertidos. Sem eles esta jornada seria mais difícil. Aos docentes do curso de Tecnologia em Polímeros da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, pelos conhecimentos trocados. A empresa Plásticos Mueller e Mabe Eletrodomésticos pela experiência adquirida, oportunidades, confiança e reconhecimento. Aos amigos do trabalho pelo troca de experiências e apoio que muito me ajudaram na minha formação pessoal e profissional. Ao meu orientador da Fatec So, Prof. Esp. Renato Germano pela orientação e direcionamento para o melhor desenvolvimento e resultado deste trabalho. Ao Sr. Sebastião Ferreira que transformava até seu próprio silêncio em aulas. A todos que, por ventura, posso haver esquecido, meu muito obrigado por estarem comigo até aqui e pelos dias que virão...

7 As dificuldades são como as montanhas. Elas só se aplainam quando avançamos sobre elas. Provérbio japonês

8 RESUMO Neste trabalho serão abordados os fatores relevantes a concepção de um molde de injeção de termoplásticos a partir do desenho de produto e características de produção desejadas como resultado final que leva a melhor relação de custo benefício em sua compra / fabricação. Assim como fatores que devem guiar a fase de orçamentos para que haja um equilíbrio técnico e surpresas futuras, tanto em prazos quanto em custos, sejam evitadas, assim como servirão como um guia para o projeto do referido molde, orientando desde caracterísitcas báscias como o número de cavidades até as mais complexas como a utilização de mecanismos de movimentos, tipos de aço e tratamentos térmicos e superficiais. Serão abordados os meios mais técnicos para tais definições e seus impactos em custos e prazos de entrega, objetivando, sempre a melhor relação entre custo e benefício a aquele que apresenta a necessidade de compra / fabricação de um molde de injeção Palavras - chave: Injeção. Molde de Injeção. Otimização de custos e prazos.

9 ABSTRACT This paperwork will treat the relevant aspects to consider at the conception of a thermoplastic injection mold, beginning with the part drawing and productions characteristics desired as final results which brings the best relation between cost and benefits. As factors that must lead the quotation phase so the buyer can have technically balanced quotations and avoid surprises, regarding costs and lead time, at the future. These characteristics will, also, lead the design phase from the cavity number of the referred mold to up to the steel selection and heating and superficial treatments. This paperwork will also treat the technical methods for such definitions and their impacts over costs and lead time, looking forward to the better relation between costs and benefits for the ones that need to buy or build a thermoplastic injection mold. Key words: Injection. Injection mold. Costs and lead time optimization.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Representação esquemática de uma injetora Figura 2: Ciclo de moldagem por injeção Figura 3: Conjunto superior e conjunto inferior de um molde de injeção Figura 4: Partes principais de um molde de duas placas Figura 5: Exemplo de molde de duas placas Figura 6: Exemplo de molde de três placas e funcionamento Figura 7: Exemplo de molde tipo stack Figura 8: Exemplo de molde com gaveta lateral Figura 9: Exemplo de molde com lifters Figura 10: Exemplo de pinça ou macho colapsível Figura 11: Exemplos de aplicações de sistemas de câmara quente Figura 12: Exemplo de rechupe causado por nervura mal dimensionada Figura 13: Recomendações gerais para dimensionamento de nervuras Figura 14: Exemplo de buchas de fixação para parafusamento junto a paredes do produto Figura 15: Exemplos de soluções em projeto de produto para eliminar negativos à extração no sentido de abertura, simplificando o molde de injeção Figura 16: Subdivisão do sistema de alimentação em moldes de injeção Figura 17: Detalhamento do sistema de alimentação indireta Figura 18: Exemplo de distribuição de cavidades sem balanceamento do preenchimento Figura 19: Exemplo do balanceamento do preenchimento através da disposição das cavidades e canais de distribuição (balanceamento natural) Figura 20: Fluxo do polímero fundido sob pressão Figura 21: Exemplos de seção transversal de canais de distribuição e fluxo do fundido Figura 22: Exemplo de peça de refrigerador Figura 23: Exemplo de peça de refrigerador em corte Figura 24: Entrada restrita e recomendações de dimensionamento Figura 25: Entrada em leque e recomendações de dimensionamento Figura 26: Entrada tipo flash com canal de distribuição em Z e recomendações de dimensionamento Figura 27: Entrada capilar e recomendações de dimensionamento Figura 28: Entrada em aba e recomendações de dimensionamento Figura 29: Exemplos de fluxo turbulento e fluxo laminar Figura 30: Exemplos de entrada submersa Figura 31: Entrada tipo unha de gato Figura 32: Entrada tipo diafragma Figura 33: Entrada em disco... 45

11 Figura 34: Caixa para exemplo de cálculo da força de fechamento Figura 35: Pino extrator convencional Figura 36: Lâmina extratora Figura 37: Exemplo de extração por bucha extratora Figura 38: Exemplo de extração por placa Figura 39: Exemplo de extração pneumática para expulsão ou alívio de vácuo Figura 40: Exemplo de gaveta acionada por pino de arraste Figura 41: Exemplo de extração articulada ( lifter ) acionado por mola Figura 42: Exemplo de extração por macho colapsível Figura 43a: Exemplo de extração de rosca por cremalheira Figura 43b: Detalhe de extração de roscas Figura 44: Distâncias recomendadas para canais de refrigeração Figura 45: Exemplo de refrigeração otimizada Figura 46: Exemplo de simulação de injeção análise das zonas de concentração de calor Figura 47: Exemplo de simulação de injeção análise da refrigeração sobre o projeto do molde... 68

12 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1: Tempo de resfriamento X espessura de parede Gráfico 2: Definição do diâmetro do canal de distribuição primário pela vazão (volume / tempo) e comprimento do canal aplicável a materiais amorfos Gráfico 3: Definição do diâmetro do canal de distribuição primário pela vazão (volume / tempo) e comprimento do canal aplicável a materiais semi-cristalinos Gráfico 4: Comparativo de custo final de produto Gráfico 5: Diagrama simplificado da pressão na cavidade pela razão de fluxo... 51

13 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Razões específicas de espessuras de nervuras X espessuras de parede (otimizado por resina) Tabela 2: Razões de fluxo de polímeros por espessura de parede Tabela 3: Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de entradas Tabela 4: Comparativo de custo final de produto Tabela 5: Tabela empírica do fator de viscosidade Tabela 6: Fator de conversão do volume de injeção Tabela 7: Elementos e propriedades conferidas às ligas de aço Tabela 8: Abrasividade dos polímeros Tabela 9: Recomendações para seleção de aços, tratamentos térmicos e tratamentos de superfície Tabela 9.1: Aços padrão para injeção de plásticos... 64

14 SUMÁRIO 1. Introdução Processo de Injeção de Termoplásticos Molde de Injeção de Termoplásticos Componentes do Molde de Injeção de Termoplásticos Tipos de Moldes de Injeção de Termoplásticos Moldes de injeção de duas placas Moldes de injeção de três placas Moldes de injeção tipo Stack Mold Componetes que podem ser agregados aos diferentes tipos de moldes Bucha Quente e Câmara Quente Especificação do molde de Injeção Análise de requisitos do cliente Análise de Desenho de Peças Plásticas Injetadas Espessuras de parede Sentido de extração Detalhes negativos a extração Congelamento do produto Seleção do tipo de alimentação Canais de distribuição e considerações sobre cisalhamento de material Entrada de material Determinação da quantidade de pontos de injeção Posicionamento dos pontos de injeção Tipos de ponto de injeção Entrada restrita Entrada em leque Entrada tipo flash Entrada tipo capilar Entrada em aba Entrada submersa Entrada banana ou unha de gato Entrada por disco e diafragma Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos Aplicação de softwares de simulação para definições do sistema de injeção Determinação do número de cavidades Cálculo da força de fechamento necessária e determinação da máquina injetora ideal Análise de viabilidade da aplicação de sistemas de câmara quente Definição do tipo de extração, elementos e acionamento... 43

15 9.1 Pinos extratores Lâminas extratoras Buchas extratoras Extração por placa Elementos auxiliares a extração Seleção de aços e materiais Uso de elementos padronizados Orientações para o sistema de refrieração Aplicação de softwares de simulação para definição dos pontos críticos de refrigeração Revisão do projeto de molde Validação do molde através de prova real Conclusão: Apêndice A Check list de verificação de teste de molde ( try out )... 63

16 1 1. Introdução Atualmente os diferentes mercados automotivos, de linha branca, de eletrônicos de utilidades domésticas requerem invações constantes, sejam funcionais e/ou estéticas, que levam a constante necessidade de construção de novas ferramentas para injeção de seus produtos em termoplásticos. Como maneira de garantir bons números e resultados em vendas, assim como o abastecimento de mercado, as empresas necessitam desenvolver seus moldes, seja internamente ou junto a parceiros especializados, da maneira mais rápida e barata sem que sua qualidade seja afetada, permitindo, assim, que seu produto tenha a vida desejada através do menor investimento que resulte no melhor resultado financeiro ao seu negócio. O projeto cuidadoso de um ferramental é o principal ponto para garantir alto nível de produção e baixa manutenção. Portanto, devem ser observados diversos fatores técnicos durante seu desenvolvimento, a fim de que as possibilidades de falhas possam ser minimizadas. (HARADA, Revista Ferramental, 2006, pg. 27) 2. Processo de Injeção de Termoplásticos O processo de moldagem por injeção, patenteado pelos irmãos Hyatt em 1872, consiste, essencialmente, no amolecimento do material em um cilindro aquecido, seguido de sua injeção, sob alta pressão, para o interior de um molde, este fornece ao material a forma da peça desejada em sua cavidade, onde seu calor é retirado, promovendo o endurecimento do material que assume sua forma final. Após a fase de resfriamento, a peça injetada é extraída através de mecanismos extratores (pinos, lâminas, placas, etc). O processo de injeção, diferentemente de processos como os de extrusão ou laminação, é um processo cíclico apresentado nas fases descritas abaixo: 1. Fechamento do molde de injeção 2. Injeção do material plastificado no interior da cavidade do molde 3. Resfriamento do material plástico até sua solidificação e dosagem da carga de material necessária para injeção do próximo ciclo 4. Abertura do molde e extração do produto injetado. O material injetado, ao ter o calor necessário para sua plastificação retirado, sofre contração volumétrica (que varia de acordo com a resina trabalhada) que pode gerar peças defeituosas esteticamente ou dimensionalmente.

17 2 Este inconveniente pode ser evitado através da manutenção de uma pressão elevada durante o início da fase de resfriamento, conhecida como fase de recalque, esta fase do processo, aliada a bons projetos de molde e produto, permite a obtenção de produtos isentos de defeitos como bolhas e rechupes. O sucesso do processo de injeção, um dos principais processos de transformação de materiais de base polimérica, deve-se ao efeito combinado de uma série de fatores como elevada produção, boa repetibilidade e precisão dimensional, flexibilidade em formas, desde mais simples a mais complexas, e dimensões de moldagens, além de tempos de ciclo reduzidos quando comparados a processos de usinagem ou transformação de metais, sendo aplicado em larga escala nos mercados automobilísticos, de construção civíl, eletro eletrônicos e utilidades domésticas. Figura 1: Representação esquemática de uma injetora Fonte: Garcia (2008, p. 9)

18 3 Figura 2: Ciclo de moldagem por injeção Fonte: Garcia (2008, p. 5) 3. Molde de Injeção de Termoplásticos É uma unidade completa capaz de reproduzir formas geométricas desejadas através de cavidades que possuem os formatos e dimensões do produto desejado. (SANTANA, Apostila Moldes de Injeção, 2002, pg. 5) Define-se, por molde de injeção, um ferramental completo capaz de reproduzir formas. Suas cavidades possuem o formato, em espaço vazio, do produto desejado que será preenchido pelo material polimérico, em estado fundido, que após resfriado assumirá o seu formato. A estrutura básica de um molde de injeção de termoplásticos é obtida através da montagem de diversas placas de aço usinadas e em determinada ordem de acordo com seu projeto. O molde de injeção é dividido, basicamente, em duas partes principais: Conjunto Superior Conjunto Inferior Esta divisão baseia-se, principalmente, na linha de fechamento do molde, que é o ponto de partição do conjunto e que permite a extração do produto acabado.

19 4 No conjunto superior encontra-se a bucha de injeção e no conjunto inferior, a exceção de moldes especiais, encontra-se o sistema de extração do produto. Figura 3: Conjunto superior e Conjunto Inferior de um molde de injeção Fonte: Santana (2002, p. 5)

20 5 3.1 Componentes do Molde de Injeção de Termoplásticos Figura 4: Partes principais de um molde de duas placas Fonte: Santana (2002, p. 12) 3.2 Tipos de Moldes de Injeção de Termoplásticos Os projetos de moldes para injeção de termpoplásticos diferem em função da geometria do produto desejado, suas tolerâncias (como marcas de linhas de fechamento, pontos de injeção e marcas de extratores), custo máximo permitido ao produto, eficiência (máxima economia). Considerando-se todos estes fatores, o tipo de molde deve ser determinado de maneira a melhor atender as necessidades em custo, prazo e qualidade tanto para o produto final quanto para o investimento necessário à fabricação do molde necessário.

21 6 Atualmente, os tipos mais comuns de moldes de injeção de termoplásticos são os que seguem abaixo: Moldes de injeção de duas placas São constituídos da parte fixa ou superior (onde é alocado o sistema de injeção) e da parte móvel ou inferior (onde, na maioria dos casos é alocado o sistema para extração do produto). Neste tipo, mais simples de molde, o ponto de injeção é alocado próximo a uma das extremidades do produto (linha de fechamento) em caso de moldes de multiplas cavidades, ou no centro da peça em caso de molde de uma única cavidade. Figura 5: Exemplo de molde de duas placas Fonte: Bayer (2000, p. 121) Moldes de injeção de três placas Além das placas fixa e móvel, possuem uma terceira placa conhecida como placa flutuante ou placa central. Diferentemente do molde de duas placas, o molde de 3 placas possue em sua placa flutuante o sistema de distribuição do material

22 7 fundido nas cavidades e a matriz (fêmea) das cavidades, ficando somente a bucha de injeção alocada na placa fixa (superior). Sua aplicação se dá em moldes de multiplas cavidades com ponto de alimentação central ou ainda em moldes de uma cavidade com grande área e necessidade de vários pontos de injeção onde não é viável a aplicação de um sistema de câmara quente. Sua principal desvantagem é a geração de canais frios ( galhos ) que devem ser reaproveitados na proporção máxima recomendada pelo fornecedor de matéria prima para que as propriedades desejadas ao produto final sejam mantidas dentro de suas tolerâncias. Figura 6: Exemplo de molde de três placas e funcionamento Fonte: Bayer (2000, p. 123) Moldes de injeção tipo Stack Mold São moldes concebidos visando o aumento de produtividade, através do aumento do número de cavidades do molde, sem necessidade de aumento da força de fechamento necessária para a injetora. Isto permite ao transofrmador, utilizar uma injetora de menor porte, fabricando mais peças por hora, resultando em um menor custo final de produção. Este sistema utiliza a forças opostas do material preenchendo as cavidades sobrepostas que são iguais (através de áreas projetadas iguais) fazendo com que estas se anulem, restando à máquina, resistir ao esforço resultante da injeção de apenas um destas cavidades.

23 8 Figura 7: Exemplo de molde tipo stack Fonte: Santana (2002, p. 26) Componetes que podem ser agregados aos diferentes tipos de moldes Elementos móveis: Gavetas, pinças, lifters e machos hidráulicos São elementos adicionados a cavidade e que executam um movimento em sentido perpendicular ou diagonal ao sentido do movimento de abertura e extração naturais do molde. Estes elementos são aplicados ao molde quando um ou mais detalhes do produto formam uma retenção ou obstruem o sentido de extração natural do produto desejado e podem ter seu acionamento efetuado pelos movimentos de abertura, extração ou por um sinal hidráulico oriundo da injetora ou de uma unidade hidráulica acoplada ao molde. Figura 8: Exemplo de molde com gaveta lateral

24 9 Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 126) Figura 9: Exemplo de molde com lifters Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 127) Figura 10: Exemplo de pinça ou macho colapsível Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 127) Bucha Quente e Câmara Quente São elementos que têm como função principal eliminar, completa ou parcialmente o canal de injeção, promovendo, assim, redução no tempo de injeção, redução nas tensões residuais no pontos críticos e da pressão necessária ao preenchimento das cavidades, permitindo um melhor posicionamento dos pontos de injeção e consequentemente, melhorando o preenchimento das cavidades e realizando-o de maneira mais uniforme. A aplicação de sistemas de câmara quente aos moldes de injeção, por vezes é mandantória em função do desenho e/ou aplicação do produto desejado, ou pode ser um elemento adicionado ao molde como fator de redução de custos ao produto através de redução de tempo de ciclo e/ou geração de resíduos para moagem e reutilização (canais de injeção). Deve-se considerar, nos estudos para concepção de um molde de injeção que a aplicação de um sistema de câmara quente implica em custos adicionais a este,

25 10 não só pela compra do sistema, mas pelos elementos adicionais que serão necessários, como placas adicionais para alojamento do sistema e as horas adicionais de usinagem que serão aplicadas na construção destes elementos. Figura 11: Exemplos de aplicações de sistemas de câmara quente Disponível em < Acesso em: 24/02/ Especificação do molde de Injeção A construção de um molde de injeção tem como objetivo, não somente criar um meio para a fabricação de uma peça plástica injetada, mas fazê-lo de maneira que os custos tanto de investimento quanto de produto e os prazos envolvidos sejam os mais otimizados dentro de orçamentos previamente estabelecidos sejam eles em indústrias já firmadas no mercado ou mesmo em novos empreendimentos. Especificar um molde de injeção significa determinar as características básicas que guiarão as fases de orçamento, projeto, construção e validação de um molde. A utilização desta técnica permite que, em sua fase de orçamento, os valores apresentados pelos fornecedores tenham uma mesma base técnica através da determinação do emprego racional de recursos tecnológicos e de materiais. Isto permite que preços e prazos apresentados pelos diferentes fornecedores (internos ou externos) possam ser comparados por seus diferenciais tecnológicos e comerciais e não pela oferta de produtos de diferentes características. Já na fase de projeto do molde a especificação traz dados sobre pontos críticos a serem considerados sobre o ponto de vista do processo de produção e nos leva a realizar uma análise crítica sobre o produto antes mesmo de que a construção do molde tenha início, pontos estes que uma vez determinados em projeto serão seguidos em sua fase de construção, além de fatores de compatibilidade com as máquinas injetoras, que podem levar a menores tempos de setup e aplicação de elementos padronizados que resultam em menores tempos e custos de manutenção. Finalmente, durante a prova de validação a especificação prévia do molde leva a que não somente o aspecto do produto seja avaliado, se atende ou não a

26 11 requisitos de desenho de ou características de aparência, mas se a produtividade, fornecida pelo molde está dentro do esperado e se o mesmo apresenta certa facilidade e menores perdas em seu início de produção por exemplo. Todos estes fatores estão diretamente ligados a um melhor retorno dos valores investidos em um molde de injeção tornando-se fator determinante de sucesso técnico e financeiro. Dentro dos conceitos apresentados, seguem, abaixo, as fases relevantes no processo de especificação de moldes de injeção para termoplásticos. 4.1 Análise de requisitos do cliente Para que se possa avaliar um desenho de um produto sob a perspectiva do molde de injeção, é necessário, antes, que entenda-se a que se destina o produto ao qual se propõe a especificação, suas restrições e requisitos explícitos pelo cliente (interno ou externo) em seu desenho final, ou até mesmo implicações eventualmente não consideradas pelo responsável pelo projeto do produto final. Fatores como posicionamento da linha de fechamento, que possam tornar a construção do molde mais simples e robusta, ou o melhor ponto de injeção determinado por um software de simulação podem não ser aceitos por razões estéticas, funcionais ou de desempenho, obrigando o responsável pela especificação do molde, buscar outras opções que atendam a contento tanto a factibilidade da construção do molde, quanto o desempenho final de molde, processo e produto, antes mesmo da fase de projeto do molde, tornando, assim, menores as chances de sobrecusto e atrasos por alterações posteriores. Da mesma maneira é importante que aquele que especifica o molde, tal qual seu projetista, detenham um conhecimento, ao mínimo, básico em desenvolvimento de produto e sua aplicação para que possa, eventualmente e quando necessário, sugerir adequações ao produto de maneira a torná-lo, juntamente ao seu molde, mais robustos, práticos e viáveis sob aspectos técnicos e financeiros. Nesse sentido, vale ressaltar também que cabe ao projetista conhecer técnicas de desenvolvimento de produto, a fim de garantir que a peça a ser produzida permita sua moldabilidade e atenda às características geométricas, dimensionais e visuais determinadas pela engenharia de produto. Nesse aspecto é importante que se invista um tempo razoável em troca de informações entre o projetista e o engenheiro de produto ou cliente, para que fique claro o que é possível ser atendido e em quais condições de manuseio do molde. (MANENTE, Disponível em <http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/tec6.asp> acesso em 23/02/2012) 4.2 Análise de Desenho de Peças Plásticas Injetadas Antes que se inicie qualquer determinação sobre característcas que o molde deve apresentar, uma análise crítica sobre o produto deve ser realizada para que pontos que possam prejudicar a factibilidade do molde ou um melhor desempenho

27 12 de produção sejam observados e considerados antes das fases de orçamento e construção. Além de direcionar o projeto do molde a torná-lo o mais simples e robusto quanto possível, esta análise permite evitar gastos e atrasos que incorreriam ao molde caso quaisquer destes pontos sejam observados uma vez que a construção do molde já tenha sido iniciada Espessuras de parede Espessuras de parede têm grande influência sobre características de produto, tanto de desempenho quanto de aparência, condições de processamento, produtividade e custo em peças moldadas pelo processo de injeção de termoplásticos visto que maiores espessuras resultam em maiores tempos de ciclo, conforme demonstrado no gráfico 1. Gráfico 1: Tempo de resfriamento X espessura de parede Fonte: Bayer (2000, p. 154) A espessura de parede ideal normalmente se dá em um balanço entre características desejadas que são opostas, como melhores propriedades mecânicas contra menores pesos e custos de produto final. Algumas maneiras de evitar-se incrementos prejudiciais em espessuras de parede dá-se pela inclusão de nervuras, que devem serguir regras específicas.

28 13 Para que nervuras ou pontos de união de paredes não tornem-se pontos de acumulo de massa e, pela contração do material, resultem em aspecto de rechupe sobre a superfície da peça injetada (figura 10), recomenda-se que as espessuras de nervuras observem as recomendações demonstradas na figura 11 e tabela 1. RECHUPE Figura 12: Exemplo de rechupe causado por nervura mal dimensionada Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 24) (min 0,5 ) Figura 13: Recomendações gerais para dimensionamento de nervuras Fonte: Bayer (2000, p. 25) Tabela 1: Razões específicas de espessura de nervura versus espessuras de parede (otimizada por resina) Fonte: Bayer (2000, p. 25)

29 14 Demais detalhes como buchas para fixação de parafusos ou detalhes requeridos pelo produto devem apoiar-se nestas mesmas regras para garantia de um aspecto de aparência aceitável e não formação de bolhas no interior da peça moldada, que podem levar a falhas de desempenho, como demonstrado nas figura 14. Incorreto Correto Figura 14: Exemplo de buchas de fixação para parafusamento junto a parede do produto Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 28) Sentido de extração Oriunda, em sua maior parcela, das características de desenho (como ângulos de saída e posicionamento de nervuras e paredes) a definição do sentido de extração é elemento chave na racionalização do molde, permitindo que este torne-se o mais simples quanto possível. Nesta fase considera-se os elementos de desenho como nervuras, snaps, buchas ou quaisquer outros detalhes de montagem e/ou encaixe, assim como os ângulos existentes entre paredes e nervuras de maneira que a extração da peça ocorra pela menor quantidade possível de movimentos em qualquer sentido que não o de abertura e fechamento do molde. Esta avaliação e determinação dá a noção ao projetista os tipos de elementos de movimentos a aplicar ao molde e, possivelmente, seus meios de acionamento, haja visto que uma máquina, nova ou existente, deve dispor de recursos para este acionamento a qual o molde deve ser projetado de maneira adequar-se ao produto a que se destina e a máquina onde será utilizado. Em conjunto com a avaliação do sentido de extração, determina-se, em consequência da geometria do produto, a linha de partição do molde e de gavetas (quando aplicáveis), assim como a superfície onde serão aplicados os elementos de extração do produto, os quais geram marcas que são aparentes na peça moldada, e, portanto, devem levar em consideração os requisitos de estética e funcionalidade demandados pelo cliente em sua aplicação, assim como características de

30 15 preenchimento que podem ser facilitadas por um bom posicionamento da linha de fechamento, gavetas e extratores, tópico, este, que será detalhado a diante Detalhes negativos a extração São detalhes do porduto que impedem que a extração ocorra pelo simples movimento de avanço e recuo dos elementos de extração do molde como pinos ou lâminas. Requerem, para a extração completa do produto, elementos móveis que se desloquem em sentido diferente ao de abertura e fechamento do molde, como gavetas e pinças, que aumentam sua complexidade. A aplicação destes elementos ao molde tornam o custo de fabricação maior devido ao aumento da complexidade de usinagem e ajustes para que os movimentos ocorram de maneira suave e sem folgas. Já em produção, demandam maior cuidado de manutenção por sua maior complexidade. Em projeto de produto, sempre que possível, os detalhes negativos a extração devem ser evitados, isto para que seu molde torne-se mais simples e robusto, permitindo, ao produto, apresentar menos marcas de fechamentos e movimentos que tornam-se necessários a sua extração. Figura 15: Exemplos de soluções em projeto de produtos para eliminar negativos a extração no sentido de abertura, simplificando o molde de injeção Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 125)

31 Congelamento do produto Uma vez concensadas as alterações necessárias e possíveis de se realizar, o produto deve ser congelado, para que a especificação do molde seja finalizada e o orçamento de molde e, principalmente, seu projeto sejam iniciados. Congelar o produto significa que este não deverá sofrer alterações, que todos oos pontos como ângulos de saída, espessuras de parede, elementos de montagem e fixação estão definidos de acordo aos requerimentos de projeto e as premissas até aqui apresentadas e esta é sua versão final, o que possibilita aos responsáveis pelo projeto seguir, agora em carater definitivo, com as definições de ferramental que impactam diretamente em seu desempenho, custo e prazos de entrega. É importante que se destine tempo a revisão de produto antes de seu congelamento para que todas as análises e considerações sejam devidamente realizadas. Tal atividade permite maior acertividade durante a execução dos demais trabalhos, bem como assegura um melhor desempenho de molde e processo na produção do item desejado. Este trabalho pode ser realizado, seja na tratativa com clientes internos ou externos, através de uma reunião de FMEA 1 e revisão de desenho de produto, onde os pontos observavdos e suas consequências seram considerados e pontuados para que as ações sobre o projeto de produto sejam tomadas em acordo entre todas as áreas afetadas, como projetista do produto, fabricante e, por fim, o usuário do molde de injeção. O congelamento de produto é um dos pontos críticos no desenvolvimento de um item, pois o atendimentotodos os demais prazos considerados em um cronograma de projeto dependem, fundalmentalmente, deste ponto. 5. Seleção do tipo de alimentação Alimentação do molde trata do sistema de transporte do material fundido desde a máquina injetora até a cavidade do molde, onde é formado o produto desejado. Sob este aspecto avalia-se tanto a disposição das cavidaes no molde, quanto os canais de alimentação e o tipo de entrada de material na cavidade e seu posicionamento. Todos estes fatores devem ser considerados de maneira que o preenchimento seja uniforme e equilibrado entre todas as cavidades, e as caraterísitcas do material sejam preservadas objetivando que se obtenha uma peça com as propriedades desejadas, menor vestígio do ponto de injeção e/ou exija o mínimo retrabalho quanto possível. 1 FMEA: metodologia para análise de modo de falha e efeito, amplamente uitilizada para previsão e pontuação de falhas em produtos, serviços e processos definindo e ações para prevenção.

32 17 Figura 16: Subdivisão do sistema de alimentação em moldes de injeção Fonte: Harada (2004, p. 145) O sistema de alimentação pode ser subdividido em duas categorias: Alimentação Direta: a injeção é feita diretamente sobre o produto, eliminando os canais de distribuição. Este sistema é possível em moldes de uma cavidade, sem câmara quente com o emprego de bucha quente, ou injeção direta havendo o canal frio da bucha de injeção Alimentação indireta: a injeção é feita através da bucha de injeção sobre os canais de distribuição (primários e secundários) até que se atinja o ponto de alimentação da cavidade. Este sistema é aplicado em moldes de multiplas cavidades quando o emprego de sistemas de câmara quente é inviável ou quando o ponto de injeção mais adequado ao produto não permite a injeção direta.

33 18 Figura 17: Detalhamento do sistema de alimentação indireta Fonte: Harada (2004, p. 150) Quanto ao balanceamento do preenchimento das cavidades, é importante destacar a correta distribuição das cavidades, assim como o percurso dos canais primários e secundários entre elas para que o material atinja o ponto de alimentação de todas as cavidades ao mesmo tempo. Desbalanceado Figura 18: Exemplo de distribuição de cavidades sem balanceamento do preenchimento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 139)

34 19 Figura 19: Exemplo de balanceamento do preenchimento através da disposição das cavidades e canais de distribuição (balanceamento natural) Fonte: Bayer (2000, p. 138) 5.1 Canais de distribuição e considerações sobre cisalhamento de material Os canais de distribuição, responsáveis pleo transporte do material desde o bico da injetora até o ponto de injeção nas cavidades, demandam especial atenção em seu dimensionamento no momento do projeto do molde, pois seções transversais muito pequenas demandam aumento da pressão de injeção necessária para que o material consiga preencher, por completo, a cavidade do molde além de aumentar o tempo de injeção, podendo causar peças incompletas ou com marcas de união (solda fria) excessivas (pontos frágeis no produto final). Da mesma maneira demandam aumento da força de fechamento em razão da maior pressão de injeção. Canais de seção elevadas acumulam mais massa e demandam maior tempo de preenchimento e resfriamento prejudicando o tempo de ciclo e o custo final do produto, além da maior quantidade de material a ser recuperado através de moagem e do aumento da área projetada (mais sensível em moldes de duas placas com 8 cavidades ou mais) que demanda, também, maior força de fechamento por parte da máquina injetora para evitar ocorrências de rebarbas, além da queda de pressão do material. De maneira geral os canais de perfis circulares são os mais recomendados, pois, apesar de mais trabalhosos no processo de usinagem são os que fornecem a

35 20 melhor relação entre área útil para fluência do material fundido com o menor consumo de material em massa, pois, com a atuação da pressão de injeção sobre o material, este é forçado a fluir apresentando um perfil conforme o da figura 18 Figura 20: Fluxo do polímero fundido sob pressão Fonte: Harada (2004, p. 227) A medida em que o material flui, seu calor é retirado pelas paredes do molde, fazendo com o que a velocidade do fluxo nas extremidades seja inferior ao centro da seção transversal. A retirada do calor de fora para dentro e as propriedades de fluídos não-newtonianos apresentados pelos polímeros fazem com que a região útil para fluxo do polímero fundido mantenha-se sob o formato circular, com maior velocidade no centro, sendo esta a razão pela qual o formato circular de canal apresenta a melhor relação entre vazão de fluxo e massa, conforme demonstrado pela figura abaixo: Figura 21: Exemplos de seção transversal de canais de distribuição e fluxo do fundido Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 135) Quanto ao cisalhamento, a correta definição da área da seção transversal ou diâmetro do canal de distribuição tem grande influência sob dois aspectos. O cisalhamento provocado pelo atrito entre o material fundido e o congelado nas extremidades pelo contato com as paredes frias do molde causa orientação das moléculas do polímero, fazendo com que estas tenham uma condição de contração

36 21 diferenciada em relação ao polímero que encontra-se no centro da seção transversal. Isto se dá porque o material do centro não sofre cisalhamento e, consequentemente, não sofre orientação de suas macromoléculas durante a fase de preenchimento da cavidade, mantendo as cadeias do polímero em um arranjo físico emaranhado, permitindo que estas se orientem durante o resfriamento, que ocorre mais lentamente, possibilitando um fator de contração maior em relação ao polímero da camada mais externa. Isto torna-se ainda mais perceptível em materiais de maior cristalinidade, como o Poli Etileno e o Poli Propileno. Da mesma forma, o cisalhamento excessivo (seções transversais extremamente delgadas) gera atrito que converte-se em calor. Este calor, somado a alta temperatura em que o material econtra-se devido a fase de plastificação (calor fornecido pelas resistências de aquecimento da máquina injetora e atrito gerado pelo movimento de rotação da rosca) pode causar sua degradação por queima, resultando em produtos com aspectos de espirros, manchas de queimas e perdas de propriedades mecânicas. Este efeito pode ser causado por estrangulamentos nos canais de distribuição e/ou no ponto de alimentação da cavidade, devendo ser observado, também, pelo responsável pela especificação do molde no momento da seleção do tipo de alimentação, canais e tipo de alimentação. Algumas regras simples podem ser adotadas para definição do diâmetro do canal de distribuição: Para que se tenha um recalque suficiente, a espessura do canal de distribuição mais delgado deve ser igual a espessura de parede predominante do produto; Aumenta-se a espessura do canal de distribuição para canais de longa distância entre bucha de injeção e ponto de injeção na cavidade e que exigem uma grande vazão de material em volume (peças de maior volume) Resinas amorfas, normalmente, requerem canais de distribuição mais espessos que resinas semi cristalinas. Cálculos mais detalhados são aplicados no momento de projeto do molde, demandando análises do tempo de preenchimento desejado da cavidade para determinação da vazão (volume / tempo) assim obtendo-se o diâmetro recomendado do canal de distribuição primário através dos graficos 1 para resinas amorfas e 2 para resinas semi cristalinas

37 22 Gráfico 2: Definição do diâmetro do canal de distribuição primário pela vazão (volume / tempo) e comprimento do canal aplicável a materiais amorfos Fonte: Bayer (2000, p. 136) Gráfico 3: Definição do diâmetro do canal de distribuição primário pela vazão (volume / tempo) e comprimento do canal aplicável a materiais semi cristalinos Fonte: Bayer (2000, p. 136)

38 23 Como aproximação, os canais de distribuição secundários devem ser calculados de modo que a somatória de área das seções transversais de todos os canais secundários seja igual a área da seção transversal do canal primário. Ou segundo a fórmula: r sec = (r prim ² n) ½ Onde: r sec = raio do canal secundário r prim = raio do canal primário n = número de canais secundários 5.2 Entrada de material A exceção de casos onde a injeção direta é aplicada, os pontos de injeção (pontos de injeção) são os elementos que conectam os canais de distribuição as cavidades do molde. Estes exercem duas funções, sendo que em ambas é imperativo que sua espessura seja inferior a espessura dos canais de distribuição. Primeiramente o ponto de injeção é responsável pela solidificação prévia em relação ao produto moldado, impedindo que a pressão aplicada a peça durante a fase de recalque retorne aos canais, dificultando, assim, a formação de depressões ( rechupes ) e deformações. Em segundo, através de uma menor seção transversal em relação aos canais de distribuição, promovem a orientação do ponto de separação entre peça e canais, devendo, este, apresentar a menor marca possível que permita, em função da quantidade de pontos de injeção determinada, o completo preenchimento da cavidade através das menores pressões e menor tempo possível, reduzindo a necessidade de compactação da peça durante a fase de recalque. O posicionamento do ponto de injeção é determinado, principalmente, pela geometria do produto final, porém deve considerar-se em sua determinação: Posicionamento em superfície ou aresta pouco visível em sua aplicação final Requisitos funcionais e estéticos (requisitos do cliente) permitam tal localização Proporcione as menores distâncias até as extremidades da peça (distâncias a serem percorridas pelo material fundido durante o preenchimento da cavidade) Muitas vezes o ponto de injeção tem restrições em função do posicionamento das cavidades no molde e também pelo posicionamento da linha de fechamento do molde. Portanto deve-se considerar o posicionamento do ponto de injeção na parede mais espessa do produto. Isto permite que, pela velocidade mais lenta de resfriamento em paredes mais espessas, a fase de recalque tenha maior efeito no produto e possa durar tanto quanto for necessário. Da mesma forma, o ponto de injeção deve estar poscionado em local onde a peça não sofra solicitações mecânicas, pois o empacotamento de moléculas causado pela fase de recalque resulta em uma região de tensionamento, fragilizando-a.

39 Determinação da quantidade de pontos de injeção Para que se possa determinar, corretamente, a quantidade de pontos de injeção em uma cavidade de um molde, deve se levar em conta a razão de fluxo, que é a razão entre a distância a ser percorrida e a espessura de parede predominante na peça, recomendada para os diversos materiais poliméricos termoplásticos, de acordo com suas propriedades reológicas. Material Razão de Fluxo Polipropileno (PP) 390:1 Poliestireno Alto Impacto (PSAI) 300:1 Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) 255:1 Policarbonato (PC) 225:1 Tabela 2: Razões de fluxo de polímeros por espessura de parede Fonte: adaptado de HARPER (2006, p. 132) Vejamos, a seguir um exemplo de determinação do ponto de injeção baseado na razão de fluxo. Tomemos como exemplo, uma peça de refrigerador, fabricada em Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS) com razão de fluxo de 255:1 como demonstrado no croqui abaixo: Figura 22: Exemplo de peça de refrigerador Fonte: acervo pessoal

40 25 Figura 23: Exemplo de peça de refrigerador em corte Fonte: acervo pessoal Para este caso apresentado temos: Comprimento total do produto: 660 mm Espessura de parede predominante: 2,50 mm Ao posicionarmos o ponto de injeção no centro da dimensão de 660 mm, teremos um comprimento de fluxo máximo de 330 mm, resultando, portanto, numa razão de fluxo de 132:1 (330 2,50). O que nos permite a aplicação de um único ponto de injeção, simplificando a ferramenta. Também deve-se considerar as possíveis linhas de emendas que se formariam com a utilização de mais de um ponto de injeção (promovidas pelo encontro das frentes de fluxo de material fundido) e sua aceitabilidade de acordo aos requisitos do cliente e / ou aplicação do produto final. É possível através de uma análise reológica e utilização de métodos manuais como o método da imagem de enchimento (técnica manual que permite a predição das frentes e caminhos de fluxo durante o preenchimento da peça), associados a experiência de projetistas e moldadores, prever os caminhos de fluxo e posicionamento das linhas de emenda, no entanto, métodos manuais, apesar de ainda úteis em casos específicos, demandam um elevado tempo de análise, sendo recomendado para estes casos, sempre que possível, o uso de ferramentas computacionais de simulação de injeção, que permitem a rápida visualização das condições de preenchimento e linhas de emenda de fluxo Posicionamento dos pontos de injeção O posicionamento do ponto de injeção pode ter impacto direto na moldabilidade da peça injetada, performance, aparência e custo. Sua localização determina o padrão de preenchimento, comprimento máximo da frente de fluxo de material e orientação das moléculas do polímero, além de determinar o ponto onde existirá a marca do ponto de injeção, sempre existente em qualquer peça moldada pelo processo de injeção de termoplásticos. Em condições ideais, o ponto de injeção de material deve ser posicionado no centro da peça, de maneira a obter-se as menores distâncias entre este e as

41 26 extremidades da peça moldada, ou em intervalos regulares (para casos de moldes com múltiplos pontos de injeção), sempre considerando que o fluxo deve partir das paredes mais espessas para as mais finas, evitando, assim, que a frente fluxo congele precocemente, impedindo o completo preenchimento da cavidade. Pelo mesmo motivo deve-se evitar que este seja posicionado de maneira que o fluxo imediatamente restringido por detalhes de produto como furos vazados ou detalhes de parede delgada. Deve-se considerar, na necessidade de múltiplos pontos de injeção que estes devem promover, através de seu posicionamento na peça, um preenchimento volumetricamente equilibrado da cavidade. Desta maneira evita-se um sobreempacotamento durante a fase de recalque que pode resultar em empenamentos devido a diferença de contração gerada além de possíveis rebarbas. Em alguns casos, o melhor posicionamento do ponto de injeção não pode ser aplicado ou aceito por diversos outros motivos como, por exemplo, marca do ponto de injeção ou linha de emenda (pontos de encontro de frentes de fluxo) em áreas aparentes e não permissíveis por razões estéticas ou mesmo por razões funcionais do produto, ou até mesmo por aumento do custo de fabricação do molde. Da mesma maneira o lay out das cavidades no molde e proximidade do ponto de injeção a mecanismos para extração de detalhes do produto, como gavetas, podem impedir o melhor posicionamento do ponto de injeção de material. Em casos como estes, recomenda-se a utilização de softwares de simulação de injeção como ferramenta para que se avalie mais opções com a finalidade de obter um ponto de equilíbrio entre os requerimentos de produto e cliente e necessidades para viabilizar a fabricação do produto injetado. Com relação a performance da peça injetada, o posicionamento do ponto de injeção de material influencia a orientação das moléculas do polímero. Estas estarão orientadas no sentido de avanço do fluxo, sentido este que apresentará as melhores propriedades mecânicas. Em polímeros reforçados com fibra de vidro, a resistência a tração pode superar, em até duas vezes, a resistência apresentada no sentido transversal ao sentido do fluxo de preenchimento da cavidade. Tão importante quanto considerar o sentido de fluxo, é evitar que o ponto de injeção de material esteja próximo a regiões de solicitação mecânica na aplicação do produto final, pois este acumula tensões residuais causadas pela fase de empacotamento (recalque), o que torna as propriedades mecânicas inferiores nesta região Tipos de ponto de injeção Quando aplicado o conceito de injeção indireta, deve-se optar entre uma diversa gama de tipos de pontos de injeção, sempre tomando em consideração os requisitos de produto / cliente e as possbilidades que sua geometria permitem, objetivando a melhor qualidade de preenchimento, com a maior velocidade e o menor retrabalho necessário para acabamento estético no ponto de injeção.

42 Entrada restrita Abertura existente entre o canal de alimentação e a cavidade onde será formado o produto. Neste tipo de entrada, a alimentação é feita por uma extremidade da peça. É recomendada para materiais com baixa sensibilidade ao cisalhamento, podendo apresentar formato circular ou retangular. Exige que, após o produto extraído, o galho seja separado manualmente ou com auxílio de dispositivo, resultando em marcas posicionadas em áeras, normalmente, não aparentes do produto final (arestas), sendo uma opção aplicada para peças de baixo a médio volume injetado e com requisitos estéticos. Figura 24: Exemplo de entrada restrita e recomendações de dimensionamento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 140) Entrada em leque Assemelha-se a entrada restrita com considerável incremento em sua largura. Normalmente aplicada em peças com maior volume injetado, permite menor turbulência do fluxodurante a fase de preenchimento e uma melhor compactação durante a fase de recalque, resultando em peças de melhor aparência, principalmente em peças que apresentam maiores espessuras de parede. Apresentam maior dificuldade de remoção e maior marca em relação a entrada restrita, exigindo, também, um processo subsequente de acabamento, seja ele manual ou automatizado.

43 28 Figura 25: Entrada em leque e recomendações de dimensionamento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 140) Entrada tipo flash A entrada do tipo flash é aplicada para peças grandes e planas. Esta é alimentada por um canal secundário, paralelo e posicionado a uma pequena distância em relação a cavidade (normalmente de 0,5 a 0,8mm). Devido a sua grande área de seção transversal, esta permite um preenchimento mais rápido da cavidade e, também, um resfriamento mais rápido devido sua menor espessura. No entanto, dispende maior trabalho para a remoção do canal, assim como gera maior quantidade de material que deve ser, posteriormente, moída para reutilização. Figura 26: Entrada tipo flash com canal de distribuição em Z e recomendações de dimensionamento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 141)

44 Entrada tipo capilar A entrada capilar é aplicada somente quando o desenho de produto permite, porém não recomenda-se sua aplicação para materiais muito viscosos ou com baixa resistência ao cisalhamento e calor ou peças de massa elevada devido ao estrangulamento causado no ponto de entrada na cavidade. Amplamente aplicada em moldes de multiplas cavidades, sejam estes do tipo de três placas ou com sistemas de câmara quente e ponto de injeção do tipo mínimo vestígio (não valvulado), suas pequenas dimensões permitem um rápido resfriamento, permitindo uma menor região de tensão residual, assim como um menor tempo de resfriamento e, por consequência, menores tempos de ciclo, além de, praticamente, eliminar as operações de separação de peças e canais de alimentação pós moldagem. Em moldes de três placas esta separação ocorre automáticamente, sendo este tipo de ponto de injeção o único aplicável a este conceito de molde, dispensando, completamente, a utlização de mão de obra para esta atividade a um menor investimento, porém com a necessidade de moagem do canal para posterior reultilização. A principal desvantagem da entrada capilar é que, quanto maiores suas dimensões, maior será a velocidade do fluxo na cavidade, podendo causar queimas e degradação do material em casos mais extremos ou efeitos de fluxo turbulento no início da injeção conhecidos como jateamento. Neste conceito de ponto de injeção é recomendado que sua localização seja tal que o material, ao entrar na cavidade choque-se com um obstáculo, como um pino ou uma alteração de sentido (mudança de parede). Figura 27: Entrada capilar e recomendações de dimensionamento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 139)

45 Entrada em aba Quando, ao aplicar a entrada capilar, não é possível fazer com que a frente de fluxo encontre, imediatamente, um obstáculo, é possível, desde que o desenho de conjunto (montagem) do produto final possa absorver, criar-se uma aba que funciona como obstáculo ao fluxo. Esta solução é recomendada onde a separação entre galho e peça seja automática ou a mais fácil possível, porém sem que marcas estejam visíveis em superfícies aparentes. A aba realiza a função de suavizar o fluxo, antes turbulento, de maneira a torná-lo suave (laminar), eliminando manchas e tensões que pudessem ser causadas pelo cisalhamento entre o material já resfriado (proveniente da primeira frente de fluxo turbulento esguicho ) e o material fundido que preenche a cavidade de maneira mais suave. Figura 28: Entrada em aba e recomendações de dimensionamento Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 140) Figura 29: Exemplos de fluxo turbulento e fluxo laminar Fonte: Harada (2004, p. 161)

46 Entrada submersa A entrada submersa (ou submarino), como sugerido pelo nome, promove um ponto de injeção por sob a linha de partição do molde, permitindo a injeção por uma parede perpendicular ao plano de abertura e fechamento. Recomendado para peças de paredes mais finas e materiais de baixa viscosidade ou alta resistência ao cisalhamento, sua maior vantagem se dá pela possibilidade de tornar o ponto de injeção menos evidente, ou até mesmo ocultá-lo realizando a injeção através de um pino extrator, como demonstrado na figura 29, além de tornar a separação entre canal de distribuição e peça automática pelo movimento de abertura do molde ou extração da peça após o resfriamento. Para o caso de injeção pelo pino extrator, este, caso demandado pelo produto ou aplicação final, deve ser removido manualmente ou com auxílio de dispositivos. Figura 30: Exemplos de entrada submersa Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 142) Entrada banana ou unha de gato Similar a entrada do tipo submersa, a entrada do tipo unha de gato permite posicionar o ponto de injeção sob uma superficie paralela ao plano de fechamento

47 32 do molde. Este sistema é utilizado em casos similares ao da injeção submersa e em materiais de baixo módulo de flexão e elevada elasticidade, pois este necessita um alto grau de deformação para extração sem que se rompa em pontos que não o desejada para a separação automática entre canal e produto. Figura 31: Entrada tipo unha de gato e seeu funcionamento Fonte: Bayer (2000, p. 143) Entrada por disco e diafragma São entradas aplicadas em peças de formado cilindrico com furo vazado central, onde não são permissíveis marcas de linhas de emenda (junção de frente de fluxo). Na entrada do tipo diafragma, a injeção é realizada a partir do centro avançado para as extremidades do produto, enquanto que na injeção por disco o sistema é o inverso, das extremidades para o centro, conforme demonstrado nas figuras 30 e 31 respectivamente. São aplicados, na maioria dos casos, em peças técnicas que serão submetidas a elevados esforços mecânicos, como engrenagens onde as linhas de emenda representam um ponto de fragilidade, ou de requisitos óticos em que quaisquer tipos de marcas não são aceitadas. Demandam dispositivos para processo posterior de remoção do canal de injeção para um bom acabamento, sendo necessários investimentos adicionais para sua aplicação, os quais devem, todos, ser justificados pelo atendimento aos requisitos técnicos do produto final.

48 33 Figura 32: Entrada tipo diafragma Fonte: adaptado de Bayer (2000, p. 145) Figura 33: Entrada em disco Fonte: Harada (2004, p. 163)

49 Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos A seguir, apresenta-se uma tabela com o resumo de aplicações, vantages e desvantagens dos diferentes tipos de entradas de material Tipo de entrada Restrita Leque Capilar Submersa e "Unha de gato" Anel Diafragma Vantagens Tipo de entrada com baixo cisalhamento Aplicável a grande maioria das geometrias de peças Restringe o fluxo evitando jateamentos Aplicável a moldes de multiplas cavidades Otimizado para espessuras de parede médias e elevadas Pode ser posicionado fora da zona de aparência do produto Tipo de entrada com baixo cisalhamento Aplicável a grande maioria das geometrias de peças Pode ser separado manualmente e o acabamento feito uso de facas Pode ser posicionado fora da zona de aparência do produto Otimizada para moldes de uma ou múltiplas cavidades Bom para peças de parede finas e grandes áreas Separsação automática entre canal e peça, sem necessidade de acabamento posterior Boa para peças pequenas (massa inferior a 0,9kg) Separação automática entre canal e peça, sem necessidade de acabamento posterior Ótima para moldagem sobre núcleos em peças cilindrícas Elimina ar na cavidade que poderia causar linhas de emenda Reduz a deformação do macho do molde causaria variações na espessura de parede Ótimo para moldagem de geometrias simples com furos circulares no centro Fluxo otimizado sobre o macho do molde Reduz a deformação do macho do molde causaria variações na espessura de parede Desvantagens Separação entre canal e peça é dificultada Pode requerer dispositivos para separação ou uso de facas Apresenta dificuldade de separação em materiais flexíveis Pode incrementar o % de perdas devido ao acabamento manual Reduz a janela de processo por possuir elevada taxa de cisalhamento Reduz a janela de processo por possuir elevada taxa de cisalhamento Pode ocasionar perdas de pressão consideráveis Potencial de jateamento, causando acabamento superficial pobre Pode fragilizar pontos de emenda de fluxo (linhas de junção) Requer equipamentos especiais para separação entre canal e peça Requer equipamentos especiais para separação entre canal e peça

50 35 Direta Aba Ótima para peças grandes Custo de molde reduzido devido a menor complexidade de usinagem e componentes Desenho de canal simplificado Ótima para peças grandes Previne jateamento na peça Permite que área de elevada tensão seja retirada da peça Necessário ferramenta para separação do canal devido ao grande diâmetro Deixa grande vestígio do ponto de injeção no produto Deve ser dimensionada com 40 a 50% da espessura de parede da peça Em espessuras maiores que as recomendadas requer dispositivo para remoção do canal Tabela 3: vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de entrada Fonte: adaptado de Harper (2006, p. 34) 5.3 Aplicação de softwares de simulação para definições do sistema de injeção A previsão manual do preenchimento de uma cavidade necessita a aplicação de maiores tempo e esforço a medida em que a peça torna-se mais complexa, ao ponto de torná-la inviável. Desenvolvida há quase três décadas, a simulação computadorizada de injeção tornou-se uma tecnologia com vasta aplicabilidade no processo de desenvolvimento de um componente plástico injetado, desde sua concepção até sua fabricação. Através de sua utilização é possível obter a quantidade ideal de pontos de injeção e seu posicionamento ótimo de modo a garantir uma melhor confiabilidade de preenchimento, com menores perdas de pressão e em menor tempo. Atualmente esta ferramenta é disponibilizada através da compra de um software ou da aquisição do serviço de análise especificamente para o porduto ou conjunto em desenvolvimento. Estas opções devem ser devidamente considerada devido aos custos apresentados em cada uma das possibilidades. Os resultados apresentados pelo software, demonstração, de maneira detalhada e otimizada, as possibilidades para que os pontos apresentados sejam cumpridos considerando-se a geometria proposta de produto e as diferente possibilidades de formato de fluxo. É importante considerar que o software de simulação não apresenta ferramentas que tomem em conta requisitos estéticos, como o posicionamento do ponto de injeção em regiões de aparência, desempenho mecânico do produto, como linhas de emenda ou tensões em regiões de grandes solicitações mecânicas, ou custo / complexidade de ferramental, demandando uma análise critica dos responsáveis pelo desenvolvimento (tanto de produto quanto de ferramental e processo) para a tomada de decisão que objetive o melhor ponto de equilibro entre entre os fatores não considerados na análise de maneira que os requisitos sejam cumpridos a contento no menor prazo e investimento possíveis.

51 36 6. Determinação do número de cavidades Como um dos fatores de maior impacto sobre o custo final de um molde, o número de cavidades deve ser definido considerando-se o custo final da peça injetada, e a produção necessária em um certo período. Cada unidade adicional de capacidade resulta em um ponto de descontinuidade (ou quebra) de custos fixos 2, isto é, um gasto adicional passa a ser incorrido na operação. A operação tem, por isso, pouca probabilidade de ser rentável com volumes de produção muito baixos. Finalmente, assumindo que os preços sejam maiores do que os custos marginais 3, a receita excederá os custos totais. Contudo, o nível de rentabilidade no ponto no qual o nível de produção é igual à capacidade da operação pode não ser suficiente para absorver todos os custos fixos extras de um incremento adicional na capacidade. Isso poderia tomar a operação não rentável em algumas etapas de sua expansão. (SLACK, Administração da produção, 2002, pg. 193) O número de cavidades de um molde deve ser definido tomando-se em conta: Demanda de produção total; Disponibilidade de máquinas injetoras; Tamanho e complexidade da peça desejada; Montante disponível para investimento / retorno financeiro do investimento; Custo final da peça desejada; Ao definir-se um molde de múltiplas cavidades deve-se tomar em consideração o impacto sobre o custo da peça, haja visto que quanto maior o número de cavidades, maior será o tamanho do molde e a força de fechamento necessários. Disto resulta que o valor por hora da máquina injetora e investimento no molde serão maiores, pois é necessária a utilização de uma máquina de maior porte e maiores quantidades de aço e horas de usinagem para confecção do molde, no entanto, a produção horária obtida também será maior, podendo diluir, ou não, o aumento de custo em função da demanda conforme demonstrado na tabela 4 e gráfico 3. 2 Custos Fixos: Custos que não variam com a quantidade produzida. Exemplo: aluguel de um galpão 3 Custos Marginais: custo extra no qual a empresa incorre ao produzir um produto ou serviço. Por exemplo, se há instalações, mão de obra, maquinários e disponibilidade para produzir um determinado item, seu custo marginal será o custo de matéria-prima

52 37 Tabela 4: comparativo de custo final de produto Fonte: adaptado de Harada (2004, p. 135; 136; 137; 138) Gráfico 4: comparativo de custo final de produto Fonte: adaptado de Harada (2004, p. 135; 136; 137; 138) Além dos fatores de custo e investimento, a capacidade de produção do molde deve ser suficiente para que a demanda no período seja suprida, com capacidade excedente tal que que comporte os períodos de manutenção de máquina e molde, além de tempo de setup 4, ou eventualmente um acréscimo na demanda, como demonstrado no exemplo abaixo: Suponha-se que o produto A tenha uma demanda mensal de peças e uma empresa de injeção deva fabricar um molde para este produto e produzir a demanda mensal de peças injetadas operando em 3 turnos de trabalho diário (21 horas por dia e 26 dias por mês). Para este caso, tem-se que: 4 Tempo de Setup: Tempo de troca de ferramenta ou modelo em produção. Tempo entre a última peça aprovada do modelo antrerior e a primeira peça aprovada do novo modelo desejado

53 38 Tempo trabalhado por mês (21 horas X 26 dias): 546 horas / mês Ciclos por hora para um molde de 1 cavidade: 100 Peças por hora (ciclos por hora X número de cavidades): 100 Capacidade de produção mensal (100 peças por hora X 546 horas): peças Nïvel de ocupação do molde em % (demanda / capacidade X 100: 146% (capacidade inferior a demanda) necessário aumento do número de cavidades Ciclos por hora para um molde de duas cavidades: 90 Peças por hora: 180 Capacidade de produção mensal: peças Ocupação: 81% (capacidade superior a demanda) Para o caso apresentado, o ideal é a utilização de um molde de duas cavidades, o qual tem capacidade para atendimento da demanda necessária e superior em 19%, possibilitando paradas neessárias para manutenção ou, até mesmo, um incremento de demanda. 7. Cálculo da força de fechamento necessária e determinação da máquina injetora ideal Força de fechamento é a característica da máquina injetora que a permite manter o molde fechado durante a fase de injeção e compactação. É expressa em toneladas força, ou, mais comumente, somente toneladas. A FORÇA DE FECHAMENTO DE MOLDE da injetora deverá ser capaz de manter o molde fechado durante a injeção da resina fundida para o interior do molde. (GERMANO, Apostila Processamento de Polímeros, 2010, pg. 04) Quando o polímero fundido é injetado no molde, a pressão gerada pelo cilindro injetor sobre o polímero (pressão específica) é transferida para a cavidade do molde, atuando no sentido de que o molde se abra. A força de fechamento é a força, gerada pela máquina injetora, que se opõe a abertura do molde, devendo mantê-lo fechado durante todo o preenchimento da cavidade, evitando, assim, o surgimento de rebarbas no contorno da linha de fechamento do molde. Devido a forma construtiva do cilindro de injeção, somente 30% da pressão aplicada pelo cilindro injetor sobre o material chega efetivamente a cavidade, sendo esta a pressão conhecida como pressão na cavidade. Para determinação da força de fechamento, é necessário tomar em conta algumas dimensões do porduto desejado como: Espessura de parede predominante no produto Área projetada (em cm 2 ) Distância entre ponto de injeção e extremidade mais distante do produto Razão de fluxo da peça

54 39 Gráfico 5: Diagrama simplificado da pressão na cavidade pela razão de fluxo Fonte: Cardenal (2009, p. 2) Além das informações relevantes ao produto, deve-se tomar em conta as informações sobre o polímero aplicado, pois estas têm influência sobre a força de fechamento necessária. O fator de viscosidade do material implica em maior ou menor dificuldade no preenchimento de paredes de menor espessura, tornando, assim necessária a utilização de pressões de injeção maiores ou menores respectivamente. PS PE PP ABS PC PA PMMA POM CA PVC-W 1,0 1,0 1,0 1,35 1,80 1,30 1,60 1,30 1,35 1,0 Tabela 5: Tabela empírica do fator de viscosidade Fonte: Cardenal (2009, p. 1) Finalmente, a força de fechamento será obtida pela fórmula: PxAxVxCx1,2 F = 1000 Onde: F = Força de Fechamento P = Pressão na cavidade A = Área projetada da peça V = Fator de viscosidade do material C = Número de cavidades do molde 1,2 = Constante de fator de segurança considerando área do canal de injeção (20%)

55 40 Tomemos uma caixa plástica para embalagens diversas como exemplo para cálculo da força de fechamento e os dados abaixo: Material: PP Altura: 120 mm Largura: 160 mm Comprimento: 320 mm Espessura: 1,5 mm Cavidades no molde: 1 Ponto de injeção localizado ao centro Maior comprimento de fluxo: = 300 mm (representado pela linha vermelha na figura 33) Figura 34: Caixa para exemplo de cálculo da força de fechamento Fonte: Cardenal (2009, p. 1) Primeiramente, deve-se calcular a área projetada, que representa a área projetada sobre o plano de fechamento do molde (perpendicular ao sentido de abertura) uma vez que o sentido de extração já foi definido. A = L X C = 16 cm X 32 cm = 512 cm 2 Considerando-se a espessura de parede da caixa de 1,5 mm, teremos a razão de fluxo de: 300 mm 1,5 mm = 200 Uma vez obtida a razão de fluxo (200:1), para determinarmos a pressão na cavidade, deve-se utilizar a curva correspondente no gráfico 4 (vermelha) para localização do ponto de interseção entre a espessura de parede de 1,5mm (eixo X) e a respectiva pressão na cavidade em bar (eixo Y). Para o caso apresentado: 450 bar

56 41 Aplicando os valores obtidos a fórmula: PxAxVxCx1,2 F = 1000 F = 450x512x1,0 x1x1,2 = 276t 1000 Temos, portanto, uma força de fechamento necessária de 276 toneladas. Em casos de maquinário já existente, deve-se optar pela injetora imediatamente superior a força calculada, observando-se que a massa do produto mais os canais de injeção e distribuição estejam localizados entre 30% e 80% da capacidade de injeção da máquina, normalmente fornecida em gramas de PS. Para tanto, utiliza-se a tabela 6 para obtenção dos valores em gramas para os diferentes tipos de materiais pela diferença de densidade. PS ABS SAN SB CA PA PC PE PMMA POM PP PVC 0,94 0,88 0,88 0,90 1,02 0,91 0,97 0,71 0,94 1,15 0,73 1,07 Tabela 6: Fator de conversão do volume de injeção Fonte: Germano (2010, p. 3) Para um cálculo otimizado da força de fechamento é possível a utilização de softwares de simulação de injeção, os quais consideram, com maior precisão, as caracterísitcas de produto, canais de injeção e distribuição, características de materiais e de processamento para o cálculo preciso da força de fechamento necessária. 8. Análise de viabilidade da aplicação de sistemas de câmara quente Sistemas de câmara quente são canais aquecidos dentro do molde que servem para transportar o material fundido dentro do molde, podendo levá-lo diretamente à cavidade ou a um canal de distribuição / alimentação. Este sistema é aplicado quando se deseja reduzir ou eliminar o canal de injeção. Sua aplicação em um molde traz aumento nos custos de construção e manutenção e, eventualmente, uma maior dificuldade no início de produção, porém permite uma redução de tempo de ciclo, ainda mais sensível a peças de ciclo rápido, distribuição uniforme de fluxo entre diversas cavidades com menor perda de pressão e menor perda de temperatura e, em alguns casos, viabiliza localizações desejadas do ponto de injeção, antes não acessíveis pelo sistema de canais frios. A exceção de casos que demandam a aplicação de um sistema de câmara quente como meio de viabilizar a localização desejada do ponto de injeção, não existe um sistema preciso que defina a viabilidade de sua aplicação, como forma

57 42 matemática de comparação entre custo e benefício. No entanto, existem critérios que, somados, indicam uma maior viabilidade na aplicação de um sistema de câmara quente a um molde. No ANEXO A apresenta-se uma ficha de avaliação proposta como sistema metódico para tomada de decisão sobre a aplicação ou não de um sistema de câmara quente. Alguns pontos devem ser considerados préviamente de maneira a não distorcer o resultado obtido e levar a uma decisão nem sempre adequada. Fluidez do material: A diferenciação entre fluidez alta, média ou baixa deve ser analisada com cautela, pois sempre os materiais de maior viscosidade apresentam maiores tensões de cisalhamento quando comparados a materiais de menor viscosidade, principalmente durante a passagem pelos canais de distribuição e alimentação. Janela de processo: materiais com faixa de temperatura de processo ampla permite maior flexibilidade na variação dos parâmetros de processo, enquanto um material de faixa mais estreita tende a degradar com maior facilidade variando-se os parâmetros de processo. Aplicação de material moído: a existência de canais de distribuição pressupõe o reaproveitamento destes na forma de material moído ou regranulado, no entando, devido as caracterísitcas de solicitações mecânicas do produto final, seu uso pode ser restrito ou proibido, devendo ser considerado como fator de viabilização do sistema ou incremento de custo no produto para que os canais gerados sejam devidamente destinados. Geometria da peça: o sistema de câmara quente permite uma redução da pressão de injeção necessária para vencer a perda de carga gerada pela passagem do material pelos canais de distribuição. Além disto, a possbilidade de aproximar o bico de injeção do produto, ou mesmo utilizar-se de um sistema de injeção direta, permite um recalque mais efetivo e melhor controlado, o que resulta em uma melhor estabilidade dimensional, além da redução do tempo de injeção pelas menores distâncias percorridas até que o material atinja a cavidade do molde. Acabamento superficial: sistemas de câmara quente podem permitir injeção por múltiplos pontos e até de maneira sequencial, sendo uma condição importante para peças que demandam um acabamento superficial isento de marcas de solda fria ou linhas de junção. Demanda de produção: a rentabilidade de um sistema de câmara quente, assim como o número de cavidades de um molde, está diretamente relacionada a demanda de produção. Da mesma maneira, sistema que viabilizam a injeção direta no produto não demandam aplicação de mão de obra para atividades que agregam valor ao produto final, como corte e acabamento do ponto de injeção, por exemplo.

58 43 Para avaliação dos resultados da ficha de avaliação, soma-se os resultados das três colunas e verifica-se em que faixa de valores encontra-se, orientando a tomada de decisão. 9. Definição do tipo de extração, elementos e acionamento. Sistema de extração é o sistema pelo qual a peça será expulsa da cavidade após seu resfriamento. Este deve ser definido, prioritáriamente, baseando-se no desenho de produto, pois é este quem, através dos ângulos de saída e sentido de extração, determina a superfície onde os elementos extratores devem estar posicionados, a necessidade de movimentos para extração de detalhes negativos ou a aplicação de elementos auxiliares a extração. Tipicamente, os moldes têm seu sistema de extração construídos na parte móvel do molde e, mais comumente, acionados pelo pistão de extração da máquina injetora que é conectado a placa extratora do molde por um varão. Através deste sistema, é possível controlar tanto curso, quanto velocidade e pressão com que o movimento deverá expulsar a peça já resfriada da cavidade. Existem vários elementos que podem extrair uma peça moldada da cavidade e sua escolha deve se basear nas marcas, similares a marca da linha de fechamento e abertura do molde, que os elementos de extração deixam no produto, e os requisitos estéticos e funcionais impostos pela aplicação a que o produto se destina (requisitos do cliente). Seu dimensionamento (quantidades e dimensões) ocorre já na fase de projeto, no entanto, é importante que a especificação do molde apresente ao orçamentista e ao projetista o conceito inicial que deve considerar eventuais restrições da máquina injetora (como a disponibilidade de circuitos hidráulicos adicionais para movimentos especiais por exemplo), ou guiá-lo na utilização de materiais padronizados com o intuito de tornar mais fácil a reposição em manutenções. 9.1 Pinos extratores De aplicação mais comum, o pino extrator de seção tranversal circular é a opção mais econômica no mercado para aplicação como elemento de extração, acionado pela placa impulsora. Também é empregado como elemento de segurança para o retorno da placa extratora no reinício do ciclo de injeção, este item é comprado já em dimensões padronizadas (diâmetro e comprimento) e ajustado a necessidade do molde, o que reduz se custo drasticamente em relação a outras opções. Seu ajuste, na montagem do molde, deve ser preciso de maneira a evitar a ocorrência de rebarbas e a marca anelar apresentada no produto, no ponto onde este foi posicionado, seja a menos evidente quanto possível.

59 44. Construído de material de elevada dureza superficial e núcleo resistente, porém de dureza inferior, apresenta a maior durabilidade e resitstência em relação aos demais sistemas existentes. Figura 35: Pino extrator convencional Fonte: Catálogo Digital Polimold (2010, p. 2) 9.2 Lâminas extratoras Similar ao pino extrator, apresenta seção transversal retangular, o que a torna mais frágil e sucetível a quebras. Este elemento é recomendado como elemento auxíliar no balanceamento da extração em arestas mais finas da peça, como na extração de nervuras bem como ocultar o vestígio deixado pelo extrator em paredes finas que não comportam o pino de seção circular. Figura 36: Lâmina extratora Fonte: Catálogo Digital Polimold (2010, p. 4) 9.3 Buchas extratoras Possibilitam maior área de contato, consequentemente uma extração melhor balanceada, em peças cilindricas ou detalhes cilindricos como buchas para parafusamento posterior ( castelos ).

60 45 Figura 37: Exemplo de extração por bucha extratora Fonte: Bayer (2000, p. 128) 9.4 Extração por placa Aplicável quando o produto deve ser isento de marcas de extratores, a placa é responsável pela moldagem da aresta da peça, unindo-se a linha de fechamento e abertura do molde. Também acionada pela placa impulsora, é empregada, na maioria dos casos em peças cilindricas ou geometrias similares a caixas ou baldes quando estas apresentam arestas vivas. Figura 38: Exemplo de extração por placa Fonte: Bayer (2000, p. 128) 9.5 Elementos auxiliares a extração Muitas vezes a geometria do produto ou seus requisitos demandam elementos auxiliares a extração, para desmoldagem de detalhes negativos a extração, como roscas internas, nervuras ou elementos de montagem, bem como o auxílio de ar comprimido (figura 39) como forma de eliminar o vácuo existente entre peça e molde no momento da extração. Estes componentes podem ser acionados pelo próprio movimento de abertura e fechamento do molde, como gavetas acionadas por pinos de arraste (figura 40), pelo movimento de extração ou ação de molas como extratores articulados ou lifters (figura 41) ou hidraulicamente, dependendo de seu tamanho e posicionamento. Roscas podem ser geradas por machos colapsíveis (figura 42), por

61 46 cremalheiras acionadas pelo movimento de abertura e fechamento do molde (figuras 43a e 43b) ou motores hidráulicos acionados por critcuitos hidráulicos adicionais. Figura 39: Exemplo de extração pneumática para expulsão ou alívio de vácuo Fonte: Bayer (2000, p. 130) Figura 40: Exemplo de gaveta acionada por pino de arraste Fonte: Bayer (2000, p. 126) Figura 41: Exemplo de extração articulada ( lifter ) acionado por mola Fonte: Bayer (2000, p. 126)

62 47 Figura 42: Exemplo de extração por macho colapsível Fonte: Bayer (2000, p. 127) Figura 43a: Exemplo de extração de roscas por cremalheira Fonte: Harada (2004, p. 182) Figura 43b: Detalhe da extração de roscas Fonte: Harada (2004, p. 183)

63 Seleção de aços e materiais A seleção de aços ou outras ligas para a fabricação de moldes de injeção de termoplásticos deve considerar diversos fatores para que a melhor relação de custo benefício seja atingida. Propriedades como dureza, usinabilidade, soldabilidade, condutibilidade térmica, dureza superficial, estrutura homogênea, resposta a tratamentos térmicos, estabilidade dimensional e propriedades anti-corrosivas devem ser observadas de acordo a necessidade da ferramenta para uma seleção adequada tanto para os elementos que compõem o conjunto porta molde, quanto para machos e cavidades. Estes fatores podem resultar em maiores ou menores custos de fabricação do molde e peça injetada, pois aços mais nobres (elevadas dureza e resistência a tensões), além de apresentarem maiores custos para compra, apresentam maior dificuldade em sua usinagem, demandando mais horas de trabalho para construção do molde. As propriedades de dureza e resistência a tensões e ductibilidade são desejadas devido às altas pressões empregadas durante o ciclo de injeção, podendo variar desde 300 a kgf/cm 2, bem como cargas de compressão que demandam elevada resistência de núcelo de aço enquanto se mantém uma dureza superficial adequada para que o molde apresente o menor desgaste possível pela erosão causada pela abrasividade do material plástico e mantenha seu grau de polimento desejado, facilitando a extração do produto com um bom acabamento. Finalmente, tais propriedades conferem ao molde resistência ao desgaste e porporcionam maior vida útil, característica desejada para moldes de elevada produção. Como regra geral as partes do molde em contato com o material plástico ou que suportam atrito com outras partes do molde devem ser tratadas. A escolha do tipo de tratamento varia com o aço escolhido, dureza desejada e complexidade ou dimensões e precisão do molde. Os métodos de tratamento mais aplicados são a têmpera a vácuo, a ar, a óleo, a cementação e a nitretação. A têmpera a é empregada para que se obtenha a menor deformação possível, enquanto a cementação e nitretação resultam na maior dureza superficial, bastante desejada para elementos de atrito ou em contato com materiais altamente abrasivos. As têmperas a óleo ou a vácuo, resultam num maior grau de limpeza, facilitando o polimento posterior para obtenção de uma extração de produto facilitada e manutenção do polimento ao longo da produção desejada do molde. Os aços são classificados segundo normas ABNT de acordo com seu teor de Carbono: Aço de baixo teor de Carbono ABNT 1008 a 1010 Aço de médio teor de Carbono ABNT 1020 a 1045 Aço de elevado teor de Carbono ABNT 1050 a 1090 Aços especiais

64 49 Os diferentes elementos produzem caracterísitcas às ligas de aço, devendo ser observados de acordo com as propriedades desejadas ao molde, conforme demonstrado na tabela 7. Elemento Efeito Silício Carbono Manganês Níquel Cromo Vanádio Molibdênio Tungstênio Dureza Endurecedor Desoxidante Tenacidade e resistência Dureza, melhora polimento Purificador, aumenta resistência a fadiga Amplia margem de tratamento térmico Dureza e resistência ao calor Tabela 7: Elementos e propriedades conferidas às ligas de aços Fonte: Harada (2004, p. 200) No processo de injeção de plásticos, existe uma ampla variedade de materiais e geometrias de produtos, bem como suas vidas úteis desejadas, portanto, torna-se, praticamente, inviável, uma combinação padronizada de poucos tipos de aços e tratamentos. A abrasividade do material plástico, bem como seus volumes de produção e complexidade, em termos de movimentos auxiliares a extração, são fatores determinantes na aplicação de aços mais nobres e tratamentos térmicos, assim como requisitos especiais, como, por exemplo, no processamento de Poli Cloreto de Vinila (PVC) onde características anti corrosão são desejadas devido a liberação de ácido clorídrico (HCl) no processamento deste material, ou no caso do processamento de materiais com carga de fibra de vidro, que apresentam elevada abrasividade, é recomendada a aplicação de aços de maior dureza e tratamentos superficiais para uma maior vida útil.

65 50 Abrasividade Material PEBD PEBDL PEAD PP PS Baixa HIPS PA6, PA6.6 POM ASA SAN ABS PET Média PBT PPO PC PEEK Alta PPS ASA/PC Materiais com cargas minerais (Fibra de vidro, microesfera de vidro, talco, Carbonato de Cálcio CaCO3, Dióxido de Titânio, aditivos antichama Tabela 8: Abrasividade dos polímeros Fonte: adaptado de Harada (2004, p. 201) Nas tabelas 9 e 9.1 apresentam-se guias para seleção de aços e tratamentos térmicos, combinando os fatores de produção, abrasividade do polímero e requisitos especiais.

66 51 Recomendação para seleção de aços, tratamentos térmicos e tratamentos de superfície Produção desejada Baixa Média Alta Seleção Padrão Abrasividade do produto Baixa Média Alta Aço: ao carbono (1020 / 1045) TT: nenhum TS: nenhum Aço: ao carbono (1020 / 1045) TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: Classe Precipitation Hardening (PH) TT: Envelhecimento TS: Nitrocarbonetação Nitretação a plasma Aço: ao carbono (1020 / 1045) TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: ABNT 4340 ou P-20 (1020 / 1045) TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: ABNT H13 TT: Têmpera a vácuo TS: Nitrocarbonetação PVD Aço: ABNT 4340 ou P-20 (1020 / 1045) TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: Classe Precipitation Hardening (PH) TT: Envelhecimento TS: Nitrocarbonetação Nitretação a plasma PVD Aço: ABNT H13 TT: Têmpera a vácuo TS: Nitrocarbonetação PVD Polibilidade Aço: P20 ou ABNT420 (ESR) Requisitos especiais Corrosão Baixa deformação TT: Nenhum (P20) / Têmpera a vácuo (ABNT 420) TS: PVD Aço: P20 ou ABNT420 (ESR) TT: Nenhum (P20) / Têmpera a vácuo (ABNT 420) TS: PVD Aço: P20 ou ABNT420 (ESR) TT: Nenhum (P20) / Têmpera a vácuo (ABNT 420) TS: PVD Tabela 9: Recomendações para seleção de aços, tratamentos térmicos e tratamentos de superfície Fonte: Harada (2004, p. 202)

67 52 Aço Equivalências Características Dureza de utilização SAE 1020/1045 Aço carbono comum Utilizado no estado de fornecimento (recozido) AISI 4340 VM40 (Villares) Aço carbono baixa liga. Utilizado no estado de 4340 (Gerdau) Fornecimento no estado prébeneficiado com durezas de 28/32 HRC fornecimento pré-bene ficiado AISI P20 VP20IM (Villares) P20 (Gerdau) Aço ferramenta, específico para moldes plásticos Utilizado no estado de fornecimento, pré-beneficiado IMPAX (Uddeholm) Alta polibilidade com durezas de 28/32 HRC Fornecido no estado prébeneficiado M200 (Boehler) THYROPLAST 2311 (Thyssen) Classe PH VPSOIM (Viuares) Aços ferramenta endurecíveis por tratamento térmico de VP50IM e M261EXTRA 38/42 HRC ADINOX 41 VAR precipitação ADINOX41 38/42 HRC (Thyssen) Elevada polibilidade CORRAX 46/48 HRC M261EXTRA(Boehler) CORRAX e Adinox 41 são Todos após tratamento inoxidáveis térmico de envelhecimento CORRAX (Uddeholm) Deformação no TT menor do que nos temperáveis AISI H13 VHISIM (Villares) Aço ferramenta para trabalho a quente Utilizado no estado temperado para 50/52 HRC W302 (Boehler) Endurecível por têmpera ORVAR (Uddeholm) H13 (Gerdau) THYROTHERM 2344 (Thyssen) AISI 420 VP420IM (Villares) Aço inoxidável martensítico Utilizado no estado temperado para 50/52 HRC M310 ISOPLAST (Boehler) Alta polibilidade (varia de acordo com a qualidade) STAVAX (Uddeholrn) Endurecivel por têmpera 420 (Gerdau) THYROPLAST 2083 (Thyssen) Tabela 9.1:Aços padrão para injeção de plásticos Fonte: Harada (2004, p. 203) A polibilidade varia de acordo com o processo de tratamento térmico e a qualidade do aço Outras ligas especiais podem ser aplicadas em pontos específicos para a obtenção de melhores resultados em zonas desejadas do produto, tais como ligas de Cobre-berílio (BeCu) que têm excelente coefíciente de troca térmica. A aplicação destes maiteriais em zonas de concentração de calor no produto resultam em menores tempos de resfriamento e menores deformações, no entanto possuem propriedades mecânicas inferiores quando comparados a ligas de aços, o que demanda cuidados em sua aplicação, principalmente quando em contato com elementos móveis (extatores ou pinças) ou em áreas de fechamento.

68 Uso de elementos padronizados Ainda no momento da especificação de um molde, é importante que se destaque a preferência pelo uso de elementos padronizados, como pinos extratores, centralizadores, guias de deslizamento, colunas, buchas anéis de vedação e, quando aplicáveis, sistemas de câmara quente através de seus fornecedores homologados. A aplicação de elementos padronizados permite a intercambiabilidade, tornando mais fácil a reposição de elementos desgastados e/ou danificados, reduzindo custos e prazos de manutenção. Caberá ao projetista adequar a aplicação dos elementos, de acordo com as variações ofertadas, ao projeto do molde, garantindo a robustez desejada e seu funcionamento adequado. 11. Orientações para o sistema de refrieração Responsável pelo controle, estabilidade e uniformidade da temperatura das superfícies do molde durante o funcionamento, a concepção do sistema de resfriamento tem grande impacto nos resultados obtidos por um molde de injeção de termoplásticos, seja sob o aspecto de estabilidade dimensional do produto obtido ou mesmo na redução dos tempos de ciclos, uma vez que o tempo de resfriamento representa a maior parcela de um ciclo completo de injeção conforme demonstrado na figura 2. É importante destacar que além do efeito dimiensional e de tempo de ciclo, a temperatura das superfícies das cavidades tem efeito sobre a aparência do produto final. Moldes com superfície aquecida tendem a diminuir a viscosidade do material em sua camada externa de fluxo, diminuindo o cisalhamento durante o preencimento das cavidades e promovendo uma mais fiel dos detalhes do molde como texturas ou superfícies brilhantes. Em materiais reforçados com fibra de vidro, a utilização de superfícies aquecidas permite a formação de uma camada superficial externa mais rica em polímero (reduz o afloramento das fibras) produzindo uma superfície de produto mais homogênea e com menor aparência (manchas) da fibra de vidro, bem como resultar em melhores propriedades mecânicas devido ao acomodamento das molécuals do polímero ser permitido pela retirada gradual de calor que resultam em menores tensões internas. Portanto, deve-se considerar que o sistema de refrigeração tem por objetivo não de apresentar a menor temperatura possível com a intenção de congelar, imediatamente, o material plástico, mas, sim, retirar de maneira uniforme, e tão rápido quanto o material polimérico e as caracteristicas desejadas de produto permitam, o calor do material fundido e permitir sua extração no menor tempo possível garantindo-se o acabamento superfícial e propriedades mecânicas e dimensionais desejados. Na grande maioria dos casos, os moldes de injeção são refrigerados pela circulação de água, em diferentes temperaturas, dentro de canais perfurados diretamente no molde ou feitos em tubos de cobre ou alumínio alojados dentro deste nas menores distâncias que as propriedades mecânicas do aço selecionado permitam. Esta avaliação deve ser realizada pelo projetista do molde de forma a

69 54 garantir uma refrigeração uniforme e adequada, juntamente com espessuras de aço que garantam a não deformação ou trincas causadas pela pressão do material polimérico fundido ao preencher a cavidade, como demonstrado nas figuras 44 e 45. Figura 44: Distanciâncias recomendadas para canais de refrigeração Fonte: Bayer (2000, p. 155) Figura 45: Exemplo de refrigeração otimizada Fonte: Bayer (2000, p. 157) Para a especificação, finalmente, devem ser informados ao orçamentista e projetista de molde as zonas de dimensional crítico de acordo com o desenho de

70 55 produto e suas caracterísitcas estéticas e de aplicação que devem orientar o projeto de forma a garantir a maior aproximação possível para os resultados desejados Aplicação de softwares de simulação para definição dos pontos críticos de refrigeração Assim como para a simulação de preenchimento das cavidades, determinação da força de fechamento necessária, posicionamento das linhas de junção e outras caraterísticas de processamento, softwares de simulação podem fornecer, como saída de suas análises, as zonas de maior concentração de calor, que devem orientar o responsável pela especificação e projetista de molde nas definições sobre tipo de material, posicionamento e tipo de refrigeração a serem aplicados ao molde a fim de garantir o resfriamento uniforme e eficaz do produto para manutenção de suas características desejadas. Figura 46: Exemplo de simulação de injeção análise de zonas de concentração de calor Fonte: acervo pessoal É possível, também, simular seu funcionamento uma vez que o projeto do molde seja finalizado de forma a avaliar se o projeto como um todo, produz os efeitos desejados em termos de zonas de concentração de calor, contração desuniforme e deformações de produto pós extração.

71 56 Figura 47: Exemplo de simulação de injeção análise de refrigeração sobre projeto do molde Fonte: acervo pessoal 12. Revisão do projeto de molde Dentre os objetivos da correta especificação de um molde de injeção, tem-se como seus dados de saída, os orçamentos para construção de dado molde, assim como seu projeto. Como em qualquer projeto de qualquer produto, este é concebido e revisado antes de sua aprovação, e o mesmo deve ser realizado para o molde de injeção, por uma equipe composta pelo projetista do molde, projetista do produto, responsável pela produção do item injetado, e responsável pela manutenção preventiva e corretiva do molde, com o objetivo de que alguma caraterística desejada que não tenha sido atendida seja corrigida antes que isto implique em custos ou atrasos causados por modificações uma vez que o molde esteja pronto para teste. Esta revisão deve ser guiada por um check list (ANEXO B) que contenha a verificação dos itens de acordo com os padrões vigentes em cada empresa e ter como premissas a propria especificação de maneira a garantir o atendimento completo dos requisitos dos usuários do molde, tanto em termos de produtividade e qualidade, como em termos de facilidade de manutenção, bem como as características desejadas de produto, objetivo ao qual se destina toda a sistemática apresentada.

72 57 Esta revisão deve ser realizada como forma de aprovação do projeto e liberação da construção do molde, como forma de assegurar que todos os pontos relevantes, aspectos explícitos e implícitos tenham sido considerados. 13. Validação do molde através de prova real Uma vez que a construção do molde está concluída, deve-se testá-lo, antes do inicio de produção, como forma de garantir que os requisitos de produto, qualidade e processo foram atendidos, bem como fornecer amostras em condições de produção do item desejado para seus respectivos testes. Este teste, assim como a revisão de projeto do molde, deve ser guiado por um check list (APÊNDICE A) onde devem constar os pontos de interesse de avaliação sob perspectivas de funcionamento do molde e atendimento aos padrões estabelecidos. A partir deste teste, os parâmetros de processo são definidos através de uma ficha técnica de injeção, bem como a metodologia de trabalho para a produção do item desejado. 14. Conclusão: A demanda pelo desenvolvimento ágil de novos produtos com redução dos prazos e custos de desenvolvimento, bem como nos valores de investimento, impulsionados pela indústria de bens de consumo tais como as indústrias automotiva, de linha branca e eletrônicos, requerem decisões acertadas desde seu momento de concepção que levem a redução, ou até mesmo, a eliminação de ações corretivas posteriores dentro do processo de desenvolvimento de um produto pela não consideração de requerimentos explícitos ou implícitos de produto e processo de injeção de peças plásticas. Neste aspecto o uso da ferramenta da especificação de molde, elaborada através dos conceitos demosntrados neste trabalho, mostra-se uma ferramenta capaz de trazer tanto ao orçamentista quanto ao projetista de um molde, todos os dados de entrada para uma concepção de projeto que englobe todas as necessidades do cliente final de maneira clara resultando, como saída do processo, uma ferramenta que atenda a todos os requerimentos para o melhor desempenho de produção e de produto. Da mesma maneira, os custos de produção podem ser otimizados através do melhor desempenho do molde fabricado, tanto em menores valores de investimento, que representam menor impacto de amortização, quanto através da performance de produção mais adequada a demanda e menores custos de manutenção, trazendo vantagens economicas e diferenciais perante seus clientes através de preços mais competitivos e menores prazos na entrega de novos produtos. Em alguns casos, a demanda por desenvolvimentos mais ágeis pode não disponibilizar ao responsável pela especificação e desenvolvimento de um molde de injeção, o tempo necessário para todas as análises requeridas, sendo este o caso de um maior nível de padronização das informações através de um caderno de

73 encargos para a construção de moldes. Este deve conter toda a informação sobre os padrões possíveis para construção de moldes de injeção de propriedade ou uso de referida empresa, cabendo ao responsável por especificação e desenvolvimento, uma análise mais detalhada sobre os aspectos de produto que demandam cuidado para o atingimento dos resultados desejados. 58

74 59 Referências GERMANO, Renato. Apostila 1: Máquinas e Ferramentas para Plásticos. Sorocaba, 2010 MANDRICH, Silvio. Processamento de termoplásticos. Edição I, São Paulo, Artliber, HARADA, Julio. Moldes para injeção de termoplásticos. Edição I, São Paulo, Artliber, HARPER, Charles. Handbook of plastic processes. Edição 1, Timonium-MD, Wiley Interscience, SLACK, N.; CHAMBERS, S.; JOHNSTON, R.. Administração da produção. Edição 2, São Paulo, Atlas, 2002 BAYER. Part and Mold Design. A design guide. Pittsburgh, GARCIA, Mauro. Apostila: Fundmentos de projeto de Ferramentas. Moldes de injeção para Termoplásticos. Pelotas, 2008 SANTANA, Herto. Apostila: Moldes de injeção. Joinville, 2002.

75 60 ANEXO A: Ficha de avaliação de viabilidade do uso de câmara quente Fonte: Revista Ferramental (Julho 2005, p. 30)

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