Moldagem por Extrusão

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1 Moldagem por Extrusão Sumário 1) Introdução 2) Equipamento 3) Processo Polímero fundido Polímeros cristalinos: Existe uma alteração descontínua no volume específico à T m. Polímeros amorfos: Sem alteração descontinua na T m. Existe, no entanto, uma aumento da inclinação na T g Polímeros semi-cristalinos: Comportamento intermédio entre os dois anteriores. Volume específco amorfos semicristalinos cristalinos A B C Liquido T g T m Temperatura 1

2 Reação ao calor Amolece ao longo de uma gama de temperaturas As diversas estruturas dos polímeros Linear característico TP Linear ramificada pode ocorrer em TP Fracamente entrelaçada Elastomero Fortemente entrelaçada Termofixos 2

3 Polímero fundido Características dos polímeros Índice de fluidez (IF), também conhecido por índice de fusão: Define-se como sendo a quantidade em gramas de polímero, que flui durante dez minutos através de um orifício calibrado (diâ.=2.09 mm x L=8.0 mm), em condições de força e de temperatura definidas (2.160 Kg e 190ºC). Quanto mais viscoso for o material no estado fundido, maior será o seu peso molecular médio e menor será o valor do índice de fluidez. O peso molecular varia inversamente ao índice de fluidez. 3

4 Características dos polímeros Densidade Esta grandeza está relacionada com a estrutura dos polímeros e condiciona as propriedades das peças moldadas. Indicação da taxa de cristalinidade, que influencia a dureza, a fragilidade, a elasticidade, a resistência ao choque e a resistência à fissuração, entre outros. Quando a densidade aumenta, a dureza e a rigidez também aumentam. No entanto, a resistência ao impacto diminui. Densidade e outras propriedades térmicas Material Calor específico (Cal/g o C) Cond. Térmica (J/s mm o C) ρ (g/cm3) Coef. Expansão térmica, α ( o C -1 x 10-6 ) Ponto de Fusão ( o C) Metais Aço 0,11 0,072 7,87 12 * Alumínio 0,21 0,22 2, Cobre 0,092 0,40 8, Cerâmicas Vidros 2,5 1,8-9,0 * Alumina 0,18 0,029 3,8 9,0 ND Sílica 2,66 NA Polímeros Res. Fenólicas 0,4 0, ,3 60 ** Nylon 1, * Teflon 0,25 0, ,2 100 * Borracha natural 0,48 0, ,2 80 * LDPE 0,5 0, , * HDPE 0,5 0, , * PS 1,05 60 * 4

5 Propriedades para processamento de Polímeros fundidos Para conformar um polímero termoplástico ele deve ser aquecido de forma a amolecer até atingir uma consistência líquida. Nesta forma, ele á chamado de polímero fundido. Propriedades importante dos polímeros fundidos: Viscosidade Viscoelasticidade Viscosidade de Polímeros fundidos Viscosidade (Def.): Propriedade do fluido que relaciona tensão de cisalhamento sofrida durante o escoamento do fluido à taxa de cisalhamento. De forma geral: resistência ao escoamento caracterítico de um fluido. Seria a medida do atrito interno que aumenta quando gradientes de velocidade são impostos ao fluido quanto mais viscoso for o fluido, maior será o atrito interno e maior será a resistência o escoamento. Devido a seu elevado peso molecular, um polímero fundido é um fluido espesso com alta viscosidade 5

6 Viscosidade de Polímeros fundidos A visocisdade pode ser melhor definida usando a figura abaixo F A força F pode ser reduzida a uma tensão, dividindo-a pela área A: F τ = A A tensão de cisalhamento está relaicionada a uma taxa de cisalhamento, definida como a variação na velocidade dv em relação a distância dy dv γ& = dy Viscosidade de Polímeros fundidos A viscosidade decorrente do cisalhamento é a propriedade do fluido que define a relação entre F/A e dv/dy; que é, F A dv = η dy ou τ = ηγ& onde η = uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de viscosidade, Pa-s Para Fluido Newtoniano (exemplos: óleo, água), a viscosidade é constante à uma dada Temperatura Para fluido não-newtoniano, ela varia 6

7 Viscosidade de Polímeros fundidos Maioria dos processos de conformação de polímeros envolve escoamento através de canais pequenos ou matrizes Taxas de escoamento são geralmente altas, levando a altas taxas de cisalhamento e altas tensões de cisalhamento, portanto pressões significativas são necessárias para realizar o processo Viscosidade e Taxa de Cisalhamento Fluido Newtoniano Viscosidade é uma constante a uma dada temperatura, ela não muda com a taxa de cisalhamento τ = η γ (1) Pseudo plástico Viscosidade de um polímero fundido diminui com a taxa de cisalhamento, assim o fluido torna-se menos viscoso com altas taxas de cisalhamento n τ = k γ (2) Figura: Relações de viscosidade para fluido Newtoniano típico e um polímero fundido. τ: tensão de cisalhamento (N/m 2 ) n: coef. Viscosidade N s/m 2 (quando n= 1, a expressão (2) reduz-se a eq. (1) e k se torna η. Um polímero fundido apresenta n<1) : taxa γ de cisalhamento (1/s) 7

8 Viscosidade e Temperatura A Viscosidade decresce com a temperatura, assim o fluido torna-se menos viscoso a altas temperaturas Figura: Viscosidade como função da temperatura para polímeros selecionados a taxas de cisalhamento de 10 3 s -1. Obs.: essa taxa de cisalhamento equivale àquelas encontradas em operações de moldagem por injeção e extrusão em alta velocidade. Viscoelasticidade Definição: é a propriedade de um material que determina a deformação que ele sofre quando submetido a combinações de tensão e temperatura ao longo do tempo. Propriedade pertencente ao polímero sólido e ao fundido. (a) Resposta perfeitamente elástica do material à tensão aplicada ao longo do tempo e (b) reposta de um material viscoelastico sob a mesma condição. O material em (b) sofre uma deformação que é função do tempo e da temperatura. Um modelo simples de viscoelasticidade (pode ser aproximado através da lei de Hooke: σ = E (ε). No caso de um sólido viscoelástico, a relação entre tensão e deformação é dependente do tempo e será expressa assim: σ (t) = f(t) ε. A função tempo pode ser conceitualizada como o módulo de elasticidade que depende do tempo. Poderia-se escrever E(t) e se referi como o módulo de viscoelasticidade. 8

9 Viscoelasticidade Módulo de viscoelasticidade como função da temperatura para polímero termoplástico. Módulo de viscoelasticidae Comportamento Elástico Comportamento Viscoelástico Comportamento Borrachoso Escoamento viscoso Tg Tm Temperatura Viscoelasticidade Exemplo: expansão na matriz durante a extrusão, na qual o polímero quente expande quando passa pela abertura da matriz. Esse efeito seria uma manifestação de memória de forma do polímero. Para minizar esse efeito aumenta-se o comprimento da estricção na matriz Matriz Extrudado Escoamento do polímero Δx 9

10 Moldagem por Extrusão Definição geral: Extrusão: é a produção contínua de um artigo semiacabado, tubos ou filmes/folhas a partir de material polimérico (resina plástica) Moldagem por Extrusão Definição Espec.:Processo de compressão no qual o material é forçado a escoar através do orifício de uma matriz para formar uma peça contínua e longa cuja a forma da seção transversal é determinada pela forma do orifício Amplamente usado para termoplásticos e elastomeros para produção em massa de itens tais como tubos, canos, mangueiras, formas estruturais, filmes e folhas, fibras contínuas e encapamento de fios elétricos Realizado como processo contínuo; o extrudado é cortado em comprimentos pré determinados 10

11 Moldagem por Extrusão Sistema de extrusão é composto por Extrusora, Molde/matriz, Equipamento de calibração/resfriamento Puxador equipamento de corte. Extrusão e Molde Extrusora É a unidade mestre de um sistema de extrusão o qual deve suprir um fundido homogêneo ao molde na quantidade, temperatura e pressão necessária. 11

12 Extrusão e Molde Partes da Extrusora (FIGURA) Base da máquina, Acionamento (motor, caixa de engrenagens, eixos de transmissão) Unidade de plastificação (rosca(s), cilindro, sistema de controle de temperatura); Unidade de controle (lógica de controle, equipamentos de controle, suprimento de energia) Cilindro da extrusora Diâmetro interno na faixa de 25 a 150 mm (1.0 a 6.0 pol.) Razão L/D geralmente em torno de 10 e 30: razão mais alta para termoplásticos, mais baixa para elastomeros. Alimentação feita por gravidade para o interior da rosca cuja rotação transporta o material através do cilindro Aquecedores elétricos fundem a massa polimérica; misturam e trabalho mecânico adiciona calor o qual mantem o fundido 12

13 Extrusão e Molde Extrusão e Molde Atualmente, 4 tipos de extrusoras são aplicados para a maioria das peças extrudadas: Extrusoras monoroscas com zona de alimentação e rosca com três zonas; Extrusoras monoroscas com zona de alimentação ranhurada e rosca com seções de mistura e possivelmente de cisalhamento; Extrusoras com duas roscas co-rotativas; Extrusoras com duas roscas com rotações contrárias. 13

14 Extrusão e Molde Detalhes da rosca da extrusora Extrusão e Molde CILINDRO ROSCA Passo p Direção do escoamento do fundido Filete Canal Detalhes da rosca da extrusora no interior do cilindro 14

15 Extrusão e Molde Detalhes da rosca da extrusora Extrusoras monoroscas com zona de alimentação ranhurada e rosca com seções de mistura e possivelmente de cisalhamento Roscas: canal ranhurado Curva de Pressão e comportamento da passagem através/contrapressão da matriz para uma extrusora com zona de alimentação ranhurada 15

16 Extrusão e Molde Dois tipos: Co-rotativas: Maior cisalhamento Forças de arraste similar às encontradas nas extrusoras com monorosca Extrusão e Molde Contra-rotativas: Mais utilizadas para extrusão de PVC rígido na forma de perfis ou tubos. Material é transportado desde início em câmara fechada (em forma de C) sem contato com a câmara vizinha. Forças de arraste não são necessárias para o transporte, por isso há mínima perda de calor dissipado por indução 16

17 Extrusão e Molde Extrusão e Molde Parafusos As mudanças observadas na geometria ao longo do comprimento servem para satisfazer as múltiplas exigências: alimentação, transporte, plastificação dosagem e homogeneização. (Figura com as roscas com três zonas) 17

18 Extrusão e Molde Parafusos Zona de alimentação: recebe os pellets do funil (por gravidade) e os transporta Zona de compressão: comprime o material transportado da zona de alimentação e o plastifica Zona de dosagem: aqui ocorre a homogeneização do fundido e a elevação da temperatura até o ponto desejado. Em extrusoras convencionais, a pressão é desenvolvida nessa seção da rosca ao mesmo tempo. Ela também determina a saída ( output ) em tais sistemas de extrusão. Classificação dos Parafusos Pode-se classificar as roscas através da razão de compressão, a qual é definido como razão entre a profundidade do canal na zona de dosagem (h2) em relação ao da profundidade da zona de alimentação (h1). Para garantir o preenchimento da rosca, a razão de compressão deve corresponder a pelo menos a razão entre a densidade do substrato na zona de alimentação em relação a densidade do fundido na zona de dosagem. A rosca de dois estágios (liberação de gases): zona de descompressão para liberação de gases e retenção da resina 18

19 Extrusão e Molde Extrusão e Molde Fundido pode aderir à parede do cilindro 19

20 Extrusão e Molde Extrusão e Molde A variação de pressão ao longo do comprimento da rosca é diretamente dependente, dentre outras coisas, da contrapressão na matriz assim como da geometria da rosca (Figura) Na zona de dosagem, o escoamento de arraste e a contrapressão de escoamento são sobrepostas (Figura). Devido a resistência da matriz, este conceito de extrusora apresenta uma contra pressão de escoamento oposta ao escoamento de arraste e assim com o aumento da profundidade do canal, uma maior influência da pressão de escoamento sobre a redução da saída total. Roscas rasas tem menor dependência da contrapressão 20

21 Extrusão Aplicações Específicas das Roscas A rosca com zona de compressão + curta (+rápida), onde a profundidade do canal na zona de alimentação decresce (canal mais profundo) para a região mais rasa, (razão da zona de dosagem passando por essa região curta de compressão) tem sido usada com sucesso para termoplásticos cristalinos. Zona de compressão mais curta Extrusão Aplicações Específicas das Roscas PVC - rosca com seção constante onde o diâmetro da alma da rosca aumenta uniformemente ao longo de todo comprimento. 21

22 Extrusão Aplicações Específicas das Roscas Aspectos sobre as extrusoras e roscas a serem considerados tecnicamente satisfatórios : - Fusão homogênea tanto em termos de temperatura quanto de composição - Operação dentro de limites térmicos, mecânicos e químicos que não provoquem a degradação do material - Diâmetro - D-19 mm (Laboratórios) até 300 mm (especial) - Comprimento - 6D transporte de material previamente fundido até 25D para processamento de elastomeros - Pode-se encontrar com até 30D no mercado. Extrusão- Expansão na matriz Polímero extrudado recupera" sua forma inicial em uma seção transversal maior do extrudador, tenta retornar a ela após deixar o orifício da matriz Figura Expansão na matriz ( die swell ), uma manifestação de viscoelasticidade no polímero fundido, como mostrado aqui na saída da matriz de extrsão. 22

23 Extrusão _ exemplos de Matrizes Figure 13.8 (a) Side view cross-section of an extrusion die for solid regular shapes, such as round stock; (b) front view of die, with profile of extrudate. Die swell is evident in both views. Extrusão _ exemplos de Matrizes Figure Side view cross-section of extrusion die for shaping hollow cross-sections such as tubes and pipes; Section A-A is a front view cross-section showing how the mandrel is held in place; Section B-B shows the tubular cross-section just prior to exiting the die; die swell causes an enlargement of the diameter. 23

24 Extrusão _ exemplos de Matrizes Figure Side view cross-section of die for coating of electrical wire by extrusion. Moldagem por sopro Processo de moldagem no qual o ar pressurizado é usado para inflar plástico no estado fundido mno interior de uma cavidade Importante na fabricação de peças ocas de plástico com paredes finas, tais como garrafas Os produtos fabricados por esse processo recebem aplicação em larga escala 24

25 O processo Moldagem por sopro O processo ocorre em duas etapas: 1)Fabricalção do extrudado, denominado de parison 2) Inflar o parison a té adquirir sua forma final A formação do parison pode se dar tanto através da extrusão como da moldagem por injeção Moldagem por sopro com Extrusão Figure Moldagem por sopro com extrusão: (1) extrusão do parison; (2) parison é pinçado por um molde bipartido e hermeticamente fechado com um bico de ar acoplado; (3) o tubo então infla o ar e expande o polimero até que ele se conforme com a cavidade do molde; e (4) molde é aberto e a peça solidificada é removida. 25

26 Materiais e produtos moldados por sopro A moldagem por sopro se limita aos termoplásticos Materiais: HDPE, polipropileno (PP), polivinilcloridrico (PVC), e polietileno teraftalato Produtos: recipientes descartáveis para bebidas e outros liquidos consumíveis, grandes recipiente (bombonas) para líquidos ou pós (55 galões), Tanques para armazenagem (2000 galões), tanques de gasolina, brinquedo, e cascos para pequenas embarcações Moldagem por sopro com Injeção Figura Moldagem por sopro com Injeção: (1)peça é injetada no interior da cavidade de um molde; (2) a peça é retirada e transferido para o molde onde será soprada; (3) a peça recebe sopro com ar quente para amolecer o polímero e expandir até se conformar com a parede do molde; e (4) O molde é aberto e a peça pronta é removida 26

27 Extrusão - Aplicações Produção de Filmes com sopro saquinho plástico Filme: extrusion co-blow Extrusão - Aplicações Produção de Filmes com sopro Garrafas Filme: blow 27

28 Extrusão - Aplicações Extrusão - Aplicações Máquina de Extrusão com moldagem com sopro 28

29 Extrusão - Aplicações Molde para Extrusão com moldagem com sopro Extrusão Calandragem 29

30 Extrusão Análise do processo D h ϕ Q L W = π D senϕ π. D. tgϕ Q b Direção do transporte Extrusora monorosca Taxa de escoamento volumétrica (Qx): Qx= Qd Qb-Q L Desprezando o escoamento por vazamento Q L, temos Qx = Q d Q b (MODELO - Figura) Q d δ e n Legenda D diâmetro ϕ ângulo de hélice h profundidade do canal n rotação do parafuso W largura do canal e largura do filete δ folga radial Q d volume do escoamento de arraste (d drag flow) Q b contra-pressão de escoamento (b back pressure) Q L pressão de vazamento Extrusão Análise do processo Extrusora monorosca Taxa de escoamento volumétrica (Qx): Q x = Q d Q b -Q L Desprezando o escoamento por vazamento G L, temos Q x = Q d Q b (MODELO - Figura) Essas quantidades dependem da geometria da rosca, assim volume relativo a taxa de escoamento por arraste (Qd) será: Q d = K d. h. n K d = 0,5. π 2.D 2. sen ϕ. cos ϕ Portanto Q d = 0,5. π 2.D 2. h. n. sen ϕ. cos ϕ i.e., Q d ~ h ; ϕ ; D 2 (Parâmetros de Projeto) Obs.:Esta expressão é derivada do modelo das duas placas planas paralelas. Nesse caso a superfície rotativa da rosca corresponde à placa móvel no modelo. 30

31 Extrusão Análise do processo Volume da taxa de Contra-Pressão por Escoamento Q b = K b (p. h 3 ). (η. L) -1 K b = (1/12). π.d. sen 2 ϕ portanto Q b = (1/12) (p. h 3 ). (η. L) -1. π.d. sen 2 ϕ onde, D diâmetro do Cilindro ( mm) tem relação direta com comprimento do cilindro: L/D varia de fator de 5-30 p pressão n velocidade da rosca (rotação) η viscosidade L comprimento da rosca i.e., Q b ~ (p. h 3. D). (η.l) -1 (Parâmetros de processo) Representação gráfica da sobreposição da pressão de escoamento e da pressão de arraste é mostrada na FIGURA para uma extrusora com monorosca com zona de alimentação e rosca com três estágios (extrusora convencional) assim como para extrusora com zona de alimentação ranhurada (extrusora com transporte melhorado). Extrusão Volume do escoamento por arraste (Qd) π. D. tg ϕ e Qd = 0,5. π 2.D 2. h. n. sen ϕ. cos ϕ h ϕ Q s Volume Contra-Pressão de Escoamento (Qb) D W = π D senϕ Q L Q p δ Qb = (1/12) (p. h 3 ). (η. L) -1. π.d. sen 2 ϕ Taxa de escoamento Volumétrica Qx Direção do transporte Extrusora convencional Qx = Qd - Qb Qd±Qb=Qx Extrusora com transporte melhorado - zona de alimentação ranhurada 31

32 Extrusão Se a contra pressão for zero, de maneira que o escoamento do fundido esteja sem restrição na extrusora, então o escoamento igualaria ao escoamento de arraste Qd (Equação). Dado os parâmetros de projeto e de processo, esta é máxima capacidade de escoamento possível da extrusora, assim: Qmax = 0,5. π 2.D 2. h. n. sen ϕ. cos ϕ Por outro lado, se a contra pressão for tão elevada de forma que o escoamento seja zero, então a contra pressão igualaria ao escoamento de arraste: Qx = Gd qb= 0, de forma que Qd = Qb Usando a expressão para Gd e Gb, pode-se encontrar p max p max = 6. π. D. n. h -2. L. η. cot ϕ Os valores de G max e de p max são os pontos sobre os eixos no diagrama conhecidos como Característica da extrusora Extrusão Q max Escoamento do fundido, Q Característica da matriz Ponto de operação Característica da Extrusora p max Pressão 32

33 Extrusão Com a matriz posta na extrusora e o processo em andamento os valores de Q e de p estarão em algum lugar entre os dois extremos, determinados pelas características da matriz. A taxa de escoamento através da matriz depende do tamanho e da forma da abertura e da pressão aplicada para forçar o fundido através dela. Ela pode ser expressa por Qx = K s.p G taxa de escoamento m 3 /s, pressão Pa, Ks fator de forma da matriz (m 5 /Ns). Para uma forma circular da abertura para um dado comprimento de canal, o fator de forma pode ser calculado: Ks = π.d 4 m. (128. η. L m ) -1 Onde D m é o diâmetro de abertura da matriz (m), η é a viscosidade do fundido (N-s/m 2 ), e L m = é o comprimento da abertura(m). Obs.: Para outras formas que não da circular, o fator forma é menor do que para seção circular de mesma área de seção transversal, significando que maior será a pressão necessária para se conseguir uma taxa de escoamento. A Relação entre Qx e p é denominada de Característica da matriz. Extrusão Exemplo1 : Uma extrusora com cilindro com diâmetro D = 75 mm. O parafuso rotaciona a n = 1 rev/s. A profundidade do canal h = 6.0 mm e o ângulo de hélice ϕ= 20º. A pressão p = 7.0 x 10 6 Pa, o comprimento do cilindro é L =1.9 m, e a viscosidade do Polímero fundido é assumida como η =100 Pas. Determine o volume da taxa de escoamento (Gx) do plástico no cilindro. Exemplo2. Considerando a mesma extrusora do exemplo anterior, na qual D= 75 mm, L= 1.9 m, N = 1 rev/s, h = 6mm e ϕ= 20º. O fundido plástico possui uma viscosidade η =100 Pas. Determine: a) Gmax e pmax; b) O fator de forma Ks para uma abertura circular da matriz na qual Dm = 6.5 mm e Lm = 20 mm; c) Os valores de Gx e p no ponto de operação 33