Cálculos para Moldes de injeção Plástica. Curso Técnico em Plástico

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1 Escola SENAI Conde Alexandre Siciliano Cálculos para Moldes de injeção Plástica Curso Técnico em Plástico Disciplina: Projeto de Moldes Prof.: Valdir Carlos Meneguello

2 Índice Cálculos para molde de Injeção Plástica... 4 Balanceamento de cavidades... 4 Capacidade de injeção:... 5 Capacidade de Plastificação... 6 Força de Injeção... 7 Força de Fechamento... 7 Força de Agarre... 8 Ciclo de Operações Cálculo de Resistência da Cavidade Placa Suporte Canais de Distribuição Cálculo dos Canais Refrigeração Cálculo do resfriamento com água Requisitos para um esfriamento uniforme Bibliografia:

3 Índice de Tabelas Tabela - 1 Densidade, Fator Volumétrico, Calor específico e contração Tabela 2 - Temp. de Inj. / Pressão de Inj. / Temp. do Molde... 9 Tabela 3 Tensão de Tração e Flexão dos aços Tabela 4 - Tensão Admissível dos Aços Tabela 5 - Valores práticos do conteúdo total de calor do material plastificado

4 Cálculos para molde de Injeção Plástica Balanceamento de cavidades Quando temos que moldar peças diferentes mo mesmo molde, este deve ser balanceado evitar o seu empenamento. A pressão de injeção aplicada sobre uma área gera força. F = P A Se as peças forem diferentes, teremos forças diferentes aplicadas em diferentes pontos do molde. O cálculo a seguir, equilibra as forças em relação ao centro do molde. Seqüência: Posicionar todas as peças no molde menos uma. Posicionar eixos X e Y coordenados com um centro coincidente com o centro do molde. Calcular as áreas das figuras envolvidas Determinar as coordenadas dos centros das áreas (x1; y1), (x2; y2)... Calcular as coordenadas das figuras que não foram posicionadas. x = A1 x1 + A2 x2 + A3 x3 + = 0 y = A1 y1 + A2 y2 + A3 y3 + = 0 4

5 Capacidade de injeção: As máquinas injetoras são freqüentemente avaliadas de acordo com a quantidade de determinado material plástico que injetam em um ciclo. Essa capacidade pode ser medida em gramas e utiliza o PS (poliestireno) como material Padrão. Quando injetamos um material diferente do PS, devemos calcular a capacidade de injeção da injetora para o material desejado, considerando a densidade e o fator volumétrico (Fv), então temos: CIx = CIps densidade mat x densidade do PS Fv do PS Fv do mat x Chamamos de peso total de moldagem (PM), a quantidade de material necessária para injetar peça, canal de injeção, canais de distribuição e eventuais rebarbas, sendo que a injeção só será possível se: CI > PM Exemplo: Verificar se é possível injetar uma peça de PP que pesa 170 g em uma injetora com capacidade para 180 g. Sabe-se: Material Densidade (g/cm³) Fv PS 1,04 2,02 PP 0,9 1,94 CIx = CIps densidade densidade mat x do PS Fv do PS Fv do mat x 2,02 = 180 0,9 1,04 1, 94 = 162,19 g CI < PMσ R: Não será possível a injeção nesta máquina, pois a CI é menor que o PM, devemos utilizar uma injetora com capacidade de injeção maior que 180 g. 5

6 Tabela - 1 Densidade, Fator Volumétrico, Calor específico e contração. SIGLA Peso específico Calor específico Contração Fv (densidade) g/cm³ Kcal/Kg ºC % PS 1,04 2, ,2 a 0,6 PA 1,14 2, ,7 a 1,0 PP 0,9 1, ,5 PEAD 0,95 1, ,0 a 5,0 PEBD 0,92 2, ,0 a 5,0 ABS 1,05 1, ,4 a 0,6 PVC 1,35 2,3 92 2,5 PMMA 1,18 1, ,2 a 0,8 SAM 1,05 2, ,4 a 0,6 PC 1,2 1, ,4 a 0,8 Capacidade de Plastificação A quantidade máxima de material padrão (Poliestireno) que a máquina consegue amolecer por hora, para ser moldado. Normalmente, sua capacidade máxima padronizada em poliestireno. O peso específico e fator volumétrico dos materiais plásticos são diferentes, por isso quando for injetar material plástico que não seja poliestireno, deve-se usar a seguinte fórmula: Caloria do PS CP = CpPS Caloria do mat. a ser injetado Na prática, devemos usar apenas 80%da capacidade da máquina, portanto: Caloria do PS CP = CpPS 0,8 = Kg / h Caloria do mat. a ser injetado Onde: CP= Capacidade de plastificação em kg/hora Caloria dos materiais = Calor específico (tabela 1). 6

7 EXEMPLO: Determinar a capacidade de plastificação para injetar Nylon (PA), sendo que a capacidade de plastificação da máquina é de 40 kg/h em poliestireno. Caloria do PS 135 CP = CpPS 0,8 Cp = 40 0,8 Cp = 13, 29 Kg / h Caloria do mat. a ser injetado 325 Força de Injeção É a força que surge na cavidade de moldagem quando se aplica a pressão de injeção à área projetada da peça sobre a cavidade. F i F i = P A Onde: Pi i p A p = Força de injeção = Pressão de injeção = Área da peça Área Projetada: É a área representada pela sombra da peça na linha de fechamento, conforme mostrado abaixo. Força de Fechamento Durante o processo de injeção o material plástico deve ser injetado dentro da cavidade com pressão suficiente para preencher a cavidade. A esta pressão chamamos de Pressão de injeção, que varia de: P = 700 a 1400 kgf/cm 2 i 7

8 Como o processo de injeção depende de vários fatores, consideramos para cálculo sempre o maior valor. O material plástico para chegar até a cavidade percorre canais, sofre mudanças de direção e estrangulamento que provocam perdas na carga; então a pressão dentro da cavidade é: Ou seja: P 1 = 2 a 2 3 c P i P 2 = 3 c P i Pelo princípio básico da hidráulica, toda pressão que é aplicada a um fluído sobre uma área, gera uma força; ou seja: P = F A nesse caso, temos: F c = P F f > F c c A p Onde: F c P c = Força das Cavidades = Pressão nas cavidades A p = Área Projetada F f = Força de fechamento Força de Agarre A força de agarre é aquela que se forma na superfície de contato do plástico com o aço e que é muito evidente quando a peça fica em tomo de um macho, ou superfície de gavetas. E é dada por: F a = A a 10 Kg cm 2 Onde: F a = Força de agarre = Área de agarre A a (superfície de contato) 8

9 Tabela 2 - Temp. de Inj. / Pressão de Inj. / Temp. do Molde Material Temperatura de Injeção (ºC) Pressão de Injeção kg/cm² Mín. Máx. Temperatura do Molde (ºC) Polietileno de alta desnsidade Polietileno de média densidade Polietileno de baixa densidade Polipropileno Poliestireno de alto impacto Poliestireno Natural Poliestireno Acrilonitrila ABS Nylon Nylon 6/ Acrílico Poliacetal Policarbonato PVC Rígido PVC Flexível PVC Copolímero

10 Ciclo de Operações A quantidade de injeção feita por hora ou por minuto. Depende da capacidade da máquina injetora e do peso de moldagem. Pode ser determinada por: 1º) Injeção por hora (IH) Capac. de plastif. do material a injetar ( Kg / h) IH = = Injeções / hora Peso de moldagem do material a injetar ( Kg) 2º) Injeção por minuto (IM) IH IM = = Injeções /min 60 3º) Tempo do ciclo (TC) 60 TC = = segundos IM EXEMPL0: Uma injetora tem capacidade de injeção de 120 g em poliestireno, com capacidade de plastificação e 8 kg/hora. Querendo-se injetar 100 g em NYLON, verificar se possível usar esta máquina, quantas injeções serão feitas por hora e qual será o tempo do ciclo? 1º) Capacidade de Injeção densidade mat x Fv do PS CIx = CIps = 120 = 129,6 g densidade do PS CI > PM 129, 6> 100 É possível usar esta máquina. Fv do mat x 1,14 2,02 1,04 2,05 10

11 2º) Capacidade de Plastificação Caloria do PS 135 CP = CpPS 0,8 CP = 8 0,8 CP = 2, 658 Kg / h Caloria do mat. a ser injetado 325 3º) Número de injeções por hora Capac. de plastif. do material a injetar 2,658 IH = IH = = 26,58 Injeções / hora Peso de moldagem 0,1 4º) Injeções por minuto IH 26,58 IM = IM = = 0,443 Injeções / min º) Tempo do ciclo TC = TC = = 135segundos = 2 min e15 segundos IM 0,443 Cálculo de Resistência da Cavidade Para cavidade cilíndrica: (medidas em cm) Onde: d = Ø da cavidade PC = pressão na cavidade t σ = Tensão de Tração (material da cavidade) σ f = Tensão de Flexão (material da cavidade) e = 0, 625 d PC σt d PC h = 1, 2 2 σt 11

12 Para Cavidade Retangular ou Quadrada: (medidas em cm) Onde: Z = / L l = Largura da cavidade L = Comprimento da cavidade hl = Altura da cavidade h = Espessura do fundo σ f = Tensão de Flexão σ t = Tensão de Tração e el = 0, 5 = 0, 5 l hl L hl PC σt PC σt 2 h = 0,66 l 1,2 2 l Z PC σf Tabela 3 Tensão de Tração e Flexão dos aços MATERIAL σ f (kg/cm²) σ t (kg/cm²) AÇO AÇO AÇO AÇO AÇO AÇO Temperado

13 Placa Suporte É o elemento do molde que sofre todo o esforço devido à moldagem, isto é, a forma de compressão (Fc). A placa suporte está apoiada sobre calços, deve resistir à força de compressão (Fc) sem se deformar (por flexão). Se ocorrer às deformações inconvenientes, o produto terá rebarbas e alterações dimensionais indesejadas. Então temos: e = 0,75 Fc L σ a l e = espessura mínima da placa podendo ser arredondado o valor para um número inteiro superior. Onde: = força de compressão F c l = vão entre os calços L = comprimento do molde σ = tensão admissível de trabalho da placa superior a Tabela 4 - Tensão Admissível dos Aços SAE SAE SAE Kgf/cm² 1000 Kgf/cm² 1250 Kgf/cm² 13

14 Canais de Distribuição Para o material chegar até as cavidades o mesmo tem que percorrer um caminho que é chamado de "CANAL" de distribuição. Além deste, usa-se também o canal de corte que serve para destacar a peça dos canais. Então temos: Obs.: O canal de distribuição deve ser feito na forma cilíndrica, porque o material esfria de fora para dentro. Cálculo dos Canais Área de secção transversal do canal de distribuição (Ad) A d = 0,3875 P = mm 2 Onde: P = peso do produto em gramas. Área da secção transversal do canal de corte (Ac): A c = 0,1875 P = mm 2 14

15 Refrigeração A refrigeração em um molde é feita normalmente com água que pode estar na temperatura ambiente, gelada ou aquecida (para aquecimento usa-se também óleo). Os furos nas placas do molde devem estar próximos à superfície onde se formará o produto, mas não tão próximo a ponto de causar rechupes. O diâmetro do furo de refrigeração deve ser o maior possível, para que a área de troca de calor seja a maior possível. Levando-se em consideração que as conexões têm o diâmetro interno de 6 ou 8 mm, a vazão aproximada será de 20 litros por minuto. O líquido refrigerante deverá passar pela placa em caminhos o mais curto possível para que a diferença entre a temperatura de entrada e de saída seja o menor possível. 15

16 Cálculo do resfriamento com água A quantidade de calor a ser extraída do molde é dada por: Q c [ C ( t t ) L] = G m 1 2 m + onde: Q - quantidade de calor a ser retirada [ kcal/h ] c G - quantidade de material injetado por hora [ kg/h ] m C - calor específico do material plástico [ kcal/kg C ] 1 m t - temperatura de injeção do material [ C] t - temperatura da ferramenta [ C] 2 L - calor latente de fusão do material [ kcal/kg ] (onde o material se transforma em fundido) Alternativamente, se o calor total por quilograma do material plástico for conhecido, teremos: Q c = G m q Onde: q - quantidade total específica de calor [ kcal/kg ] (Valor de L na tabela abaixo) A quantidade de H 2 O para o resfriamento é dado por: Q a = Qc K t t ( ) 4 3 Onde: Q a t 3 t 4 - Quantidade de Água [kg/h] - Temperatura de entrada [ C] - Temperatura de saída [ C] K - coeficiente de eficiência 16

17 Valores de K : K = 0,64 - Circulação feita na cavidade ou núcleo do macho K = 0,50 - Circulação feita na placa porta matriz K = 0,10 - Circulação em tubos de cobre Obs.:- 1 litro = 1 kg Tabela 5 - Valores práticos do conteúdo total de calor do material plastificado Materiais abreviaturas Materiais nome L Kcal/kg Temp. Molde ºC CA ACETATO DE CELULOSE a 45 CAB BUTIRATO ACETATO DE CELULOSE a 45 PA NYLON a 120 PVC PVC a 60 PMMA METIL METACRILATO a 100 PS POLIESTIRENO a 70 ABS ACRILONITRILA BUTADIENO ESTIRENO a 65 SAN ACRILONITRILA ESTIRENO a 65 PEBD POLIETILENO BAIXA DENSIDADE a 60 PEAD POLIETILENO ALTA DENSIDADE a 100 PP POLIPROPILENO a 90 POM ACETAL 180 Máx

18 EXEMPLO: Calcular a quantidade de água que deverá circular no molde para refrigerá-lo. DADOS: Material a ser injetado: PVC rígido Capacidade de plastificação: 80 kg/hora Temperatura de saída (Ts) = 45 C Temperatura de entrada (Te) = 15 C Tipo de refrigeração: Circulação feita nas placas 1) Cálculo da quantidade de calor retirado do molde Qc = Gm q = = 7200 Kcal / h 2) Cálculo da quantidade de água que circulará no molde Qc 7200 Qa = = = 375 Kg / h K ( t t ) 0,64 ( 45 15) 4 3 Requisitos para um esfriamento uniforme. O fluxo do refrigerante é turbulento. A área dos canais de esfriamento é suficiente. A diferença de temperatura através da capa de refrigerante/metal deve ser da ordem de 2 a 5 C. A diferença de temperatura entre a saída e a entrada do canal é conveniente que seja da ordem de 2 a 3 C Para se controlar as temperaturas nas paredes do macho e cavidade é preciso dispor adequadamente os canais de esfriamento, com distancia calculadas, as superfícies da peça. 18

19 Bibliografia: Apostila Curso Técnico em Plástico - SENAI Apostila de Projeto de moldes SENAI Proenza, Eng Francisco - Moldes para plástico. Harada, Júlio Moldes para injeção de termoplástico. Moldes Art-Mec 19