Engenharia Industrial de Controle e Automação Engenharia de Produção PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Aula 3 Processamento de Polímeros Prof. Washington Nery
PROCESSAMENTO DE POLÍMEROS INTRODUÇÃO O processamento de termoplásticos (polímeros que amolecem com a temperatura) passa normalmente por etapas que envolvem o aquecimento do material seguida de conformação mecânica. Vários métodos são usados na produção de peças plásticas como extrusão, moldagem por injeção, moldagem por sopro, rotomoldagem, entre outros. Em seguida serão descritos resumidamente os métodos que envolvem o derretimento do polímero. Moldagem Por Injeção O processo de moldagem por injeção consiste essencialmente no amolecimento do material num cilindro aquecido e sua conseqüente injeção em alta pressão para o interior de um molde relativamente frio, onde endurece e toma a forma final. O artigo moldado é então expelido do molde por meio dos pinos ejetores, ar comprimido, prato de arranque ou outros equipamentos auxiliares. Comparando-se com a extrusão, a moldagem por injeção apresentase como um processo cíclico. Um ciclo completo consiste das operações seguintes: 1- Dosagem do material plástico granulado no cilindro de injeção. 2- Fusão do material até a consistência de injeção. 3- Injeção do material plástico fundido no molde fechado. 2
4- Resfriamento do material plástico até a solidificação. 5- Extração do produto com o molde aberto. 3
Produtos sem defeito e propriedades otimizadas serão obtidos: Utilizando-se máquinas injetoras com suficiente capacidade plástica. Usando-se moldes bem projetados e bem acabados. Controlando-se a uniformidade e constância da temperatura e da pressão de injeção. Enchendo rapidamente, de forma racional, as cavidades do molde. Resfriando a massa plástica das cavidades com os devidos cuidados, afim de evitar-se produtos distorcidos ou com tensões internas. O material plástico, injetado, como todo qualquer outro material, (exceto a água) passando do estado líquido (ou pastoso) para o estado sólido, sofre uma contração volumétrica que pode gerar peças defeituosas. Pode-se evitar este inconveniente, mantendo-se elevada pressão durante o resfriamento. Tal pressão de sustentação é produzida pelo parafuso da injetora. Desta maneira pode-se obter produtos sem defeitos comumente verificados, tais como bolhas e rechupes (defeitos na solidificação do material). Condições de Moldagem A moldagem só pode ser satisfatória se houver observância correta da influência das seguintes variáveis que influem sobre a moldagem por injeção: Pressão de injeção: Varia de maneira ampla conforme o tipo de molde ou de máquina. Em geral, deve-se procurar o uso do mínimo de pressão, para a obtenção de artigos moldados, livres de defeitos internos e superficiais. Um excesso de pressão provoca, em geral, escape de material pelas juntas. 4
Temperatura do cilindro: A temperatura é responsável pela plastificação correta ou não de material, e a temperatura do material depende não só da temperatura do cilindro, como também da velocidade com que o material passa através dele. Um aquecimento uniforme do material depende, em suma, de um correto controle da temperatura do cilindro de aquecimento e do controle rigoroso do tempo e duração do ciclo. Tempo do ciclo: Deve ser o mínimo do ponto de vista econômico, porém deve estar também nos limites estabelecidos para a boa qualidade do objeto moldado. A velocidade de injeção é governada fundamentalmente pela viscosidade do material (logo, pela temperatura interna), pela pressão do prato e pelo mínimo de restrições oferecidas ao fluxo de material ao longo de seu caminho. Temperatura do molde: Uma temperatura constante do molde, abaixo do ponto de amolecimento do material, é o objetivo do produtor, e isto, em geral é obtido por circulação de um fluido em temperatura constante através dos canais do molde. Tipos de prensas de injeção Algumas injetoras de pistão são equipadas com um dispositivo de dosagem que permite fornecer ao cilindro a quantidade exata de material para encher o molde. O cilindro injetor pode ser de pistão ou de rosca. As máquinas de êmbolo podem possuir um cilindro de pré-aquecimento de rosca, que proporciona maior rapidez de injeção porque o pistão passa a atuar diretamente sobre o material fundido e não mais sobre o material em grânulos. As máquinas com pré-plastificação de rosca proporcionam ótimos resultados e uma melhor dispersão dos pigmentos misturados a seco. Componentes de uma máquina injetora Os principais elementos componentes das máquinas injetoras são: A unidade injetora que compreende o dispositivo de alimentação e dosagem, plastificação e injeção. A unidade de fechamento incumbida de abrir e fechar o molde. O cilindro de injeção deverá apresentar zonas de aquecimento cuidadosamente termo-reguladas. O torpedo dos cilindros injetores de pistão serve para homogeneizar a massa fundida. Molde de injeção Um bom desenho do molde é um pré-requisito para a produção de artigos moldados de boa qualidade, e nenhum artifício de controle de máquina, 5
por mais original que seja, é capaz de melhorar os produtos obtidos com um molde mal desenhado. Dentre as outras variáveis que influenciam o desempenho do molde, podese citar: 1. Número de cavidades do molde. 2. Peso do material em cada injeção. 3. Ciclo de moldagem. 4. Força de fechamento do molde. 5. Abertura do molde. 6. Alimentação. 7. Resfriamento. 8. Aquecimento. 9. Contração do plástico. 6
Moldagem por Sopro Processo em geral utilizado na obtenção de peças ocas através da insuflação de ar no interior do molde, de forma a permitir a expansão da massa plástica, até a obtenção da forma desejada. Aplicável geralmente à fabricação de frascos a partir de termoplásticos. Os processos de moldagem por sopro podem ser separados em 2 tipos: moldagem por sopro via injeção (e injeção com estiramento) e moldagem por sopro via extrusão. O processo de moldagem por sopro via injeção é constituído das seguintes etapas: 1. Produção de uma peça injetada via moldagem por injeção. 2. Fechamento do molde sobre a peça oca. 3. Introdução de ar comprimido para expandir a peça oca até a forma final. 4. Resfriamento e extração da peça soprada. Na moldagem por sopro via extrusão, o parison é produzido via extrusão, o qual é posteriormente inflado dentro de um molde. O processo pode ser contínuo, onde a pré-forma dentro do molde se move para longe da extrusora e uma nova pré-forma é instalada em um novo molde, ou descontínua. 7
No caso de uma extrusão de tubo vertical (para baixo), as etapas usuais do processo envolvem: 1. Pré-forma desce; 2. Molde fecha; 3. Sopra-se ar por baixo; Resfria-se a peça em contato com a parede fria do molde; 4. Abre-se o molde. A seguir temos a descrição do processo de sopro via extrusão com sopro feito por cima: Parison desce Fechamento do molde Sopro 8
Abertura do molde A diferença entre os processos de moldagem por sopro via injeção para o via extrusão está relacionada com a maneira de se produzir a pré-forma (parison). Algumas das vantagens e desvantagens dos processos de injeção a sopro e do processo de extrusão a sopro aparecem na tabela abaixo: Moldagem por sopro via injeção (e injeção com estiramento) Moldagem por sopro via extrusão Vantagens Moldados sem rebarba. Bom controle de espessura do gargalo e da parede. Mais fácil de produzir objetos não-simétricos. Não há necessidade de acabamento. Moldados com rebarbas. Deforma lentamente. Altas velocidades de produção. Maior versatilidade com respeito à produção. Desvantagens Processo lento. Mais restrito no que concerne à escolha dos moldados. São necessários dois moldes para cada objeto. Mais difícil de controlar a espessura da parede. Necessária a operação de corte. Para a obtenção de um bom produto é aconselhável que o diâmetro da peça não ultrapassasse 3 vezes o diâmetro do tubo. Normalmente, não há necessidade de escapes de ar neste tipo de moldagem, entretanto, quando necessário, em face da oclusão de ar em peças grandes, ou, a causa das superfícies de moldes polidas, são usados orifícios com diferentes diâmetros. 9
É mais interessante econômico o uso de superfícies ligeiramente ásperas ou tratadas com jato de areia do que as superfícies polidas, pois as paredes ásperas permitem o escape fácil de ar. Variáveis que intervêm na operação Temperatura da massa: Esta deve ser mantida num mínimo para reduzir o tempo de resfriamento, mas uma temperatura muito reduzida evitará a plastificação completa e dará margem ao aparecimento de tensões residuais no material, assim como fortes defeitos superficiais. Por outro lado, uma temperatura muito elevada aumenta o tempo de ciclo e pode dar lugar ao afinamento do pré-moldado, especialmente quando se necessita de um ou mais ou menos longo. Temperatura do molde: Devem ser baixas, devido à importância de esfriar rapidamente o molde. Velocidade de fechamento do molde: Uma velocidade demasiadamente elevada pode causar perdas do conteúdo do molde, de modo que se pode adicionar sistemas de retardamento de fecho do molde. Pressão de ar: Para um bom trabalho de moldagem, necessita-se, na prática, de pressões de 5 a 7 kg/cm 2. Outros fatores de importância incluem a eliminação de jatos de ar, pelo perigo de esfriamento local, e a secagem do ar ou eliminação do óleo arrastado pelo ar desde o compressor. ROTOMOLDAGEM A moldagem rotacional, também conhecida como fundição rotacional ou rotomoldagem é um processo de transformação de materiais poliméricos, é muito popular e bastante utilizada na produção de pequenas quantidades de artigos muito grandes. É utilizada para a produção de peças ocas ou abertas, tais como tanques e contentores, bolas, mobiliário para jardim, artigos para lazer, playgrounds, peças técnicas, manequins e brinquedos. O processo de rotomoldagem divide-se em quatro etapas: Carregamento; Aquecimento; Resfriamento; Desmoldagem. 10
1. CARREGAMENTO Consiste na alimentação do molde com uma quantidade de material prédeterminada. O material pode estar na forma pastosa, como PVC, ou na forma de pó, como polietileno, polipropileno e nylon. Após a alimentação, o molde é fechado com auxílio de grampos ou parafusos, e segue para a próxima etapa, o aquecimento. 2. AQUECIMENTO (ROTAÇÃO) Após o carregamento e o fechamento do molde, o mesmo é conduzido para um forno onde inicia um movimento de rotação biaxial. O efeito sinérgico entre o calor recebido do forno e a movimentação biaxial resulta em um aquecimento uniforme do material no interior do molde. Quando a temperatura no interior do molde alcança a temperatura de amolecimento do polímero, o mesmo começará a aderir à superfície do molde, iniciando um processo de sinterização e a formação de uma estrutura reticular tridimensional. Com continuidade do aquecimento o material começará a fundir e a estrutura formada colapsará. Com o colapso da estrutura, o ar que estava junto com as partículas de pó é retido, formando-se bolhas. Estas bolhas, se permanecerem na peça, resultam em perdas nas propriedades mecânicas, principalmente com relação à resistência ao impacto. Portanto, para a eliminação destas bolhas é necessária a continuidade do aquecimento após a fusão do material. A continuidade do aquecimento resulta em uma diminuição da viscosidade do 11
polímero, o que torna mais fácil o processo de dissolução do ar pela matriz polimérica, até que a maioria das bolhas tenha sido eliminada. Se este aquecimento adicional for prolongado, a peça resultante não apresentará bolha, porém exibirá degradação termo-oxidativa na sua superfície interna, com acentuada perda de resistência mecânica. A condição ideal de moldagem será alcançada quando a peça apresentar algumas bolhas próximas à superfície interna, sem apresentar degradação termo-oxidativa. Esta condição de moldagem é determinada, na prática, por tentativa e erro. 3. RESFRIAMENTO O molde ainda em movimento rotacional é conduzido para fora do forno até uma estação de resfriamento. O resfriamento do molde pode ocorrer por ar ambiente, jato de ar, spray, ou por sistemas mais complexos como camisas envoltas no molde. O processo de resfriamento do também possui grande influência sobre as propriedades mecânicas da peça moldada. Se o resfriamento for lento, para materiais semicristalinos como o polietileno, haverá tempo suficiente para o crescimento de cristais, o que resultará em peças com alta rigidez, mas com baixa resistência ao impacto. Pelo contrário, um resfriamento muito rápido resultará em diferenças de temperaturas bruscas na parede da peça, o que provoca variações na estrutura do material, com diferentes níveis de contração do polímero. Estas diferenças de estrutura e níveis de contração resultarão no empenamento da peça. 4. DESMOLDAGEM Após o molde e a peça serem resfriados, o movimento de rotação biaxial é cessado, e o molde é conduzido para uma estação de desmoldagem. A abertura do molde e a extração da peça são feitas manualmente. Depois da extração da peça, o molde é novamente carregado com material e o ciclo recomeça. 12
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IMERSÃO Os corpos ocos podem ser fabricados através de imersão, um processo que também pode ser utilizado no revestimento de tecidos previamente colocados em formas (luvas), de frascos e utilidades domésticas. Moldagem por imersão: este método consiste em mergulhar um molde (em metal, porcelana ou vidro) pré-aquecido a 100-130 C no plastisol durante um curto período e gelificar a camada de pasta depositada em sua superfície. Revestimento por imersão a quente: este método permite o revestimento de objetos como saboneteiras, escorredores, pinças, ganchos, frascos de vidro, para protegê-los contra corrosão, quebra ou para melhorar sua aparência. O objeto a ser recoberto é pré-aquecido antes da imersão. Revestimento por imersão a frio: esta técnica é utilizada principalmente na fabricação de luvas com ou sem suporte de tecidos. A luva em tecido é colocada no molde frio em forma de mão, e depois é imersa em um banho de plastisol. Após escorrido o excesso de pasta, o molde é introduzido em um forno de gelificação. 14
MOLDAGEM Possibilita a aplicação de várias camadas coloridas ou não em um modelo (molde) pré-desenhado. Exemplos deste processo podem ser a produção de etiquetas, tapetes para automóveis e chaveiros. Uma camada de plastisol de determinada cor é aplicada ao molde e levada ao forno para prégelificação. Sucessivas camadas de diversas cores vão sendo então aplicadas às cavidades correspondentes, sendo pré-gelificadas anteriormente à aplicação da camada seguinte. 15
EXTRUSÃO No processo de extrusão, o polímero é alimentado em um canhão aquecido dentro do qual uma ou mais roscas o compactam, fundem e o homogeneízam, alimentando um cabeçote que dá forma ao produto (acabado ou semi-acabado). O cabeçote é desenhado de maneira a dar a forma desejada do produto final. Em seguida, o material trefilado passa por resfriamento em 16
água ou ar e finalmente, é cortado na medida desejada por ferramentas de corte Representação simplificada do canhão e do cabeçote para extrusão. Extrusora 17
Bibliografia http://www.demet.ufmg.br/docentes/rodrigo/processamento.htm http://www.solvayindupa.com/processosdetransformacao http://grupogyros.googlepages.com/rotomoldagem 18