2.3 Fase Plasticizacao Termoplasticos

PROCESSAMENTO DE POLÍMEROSAULA 2.3 – FASE DE PLASTICIZAÇÃO DO CICLO

MOLDAÇÃO POR INJEÇÃO DE POLÍMEROSTERMOPLÁSTICOS e TERMOENDURECÍVEIS

Agenda e introdução

Moldaçãopor injeção

Termoplásticos e Termoendurecíveis

Carlos Eduardo Ramos Gomes

Generalidades

Ciclo de moldação por injeção

Unidade de plasticização

Elementos de plasticização

Mecanismos de plasticização

Exercícios

Carlos Eduardo Ramos Gomes – Processo de moldação por injeção – termoplásticos e termoendurecíveis

Objetivos para o nível de aquisição de conhecimentos nestes slides

Moldaçãopor injeção

Termoplásticos e Termoendurecíveis

Carlos Eduardo Ramos Gomes

Conhecer o ciclo e a fase em que se insere a fase de plasticização

Conhecer as funcionalidades da unidade de plasticização

Conhecer a importância da fase de plasticização para a qualidade geral da peça e do ciclo de moldação

Conhecer os principais mecanismos presentes no momento de plasticização do material

Conhecer os elementos da fase de plasticização e relacioná-los com os principais polímeros usados



Unidade deplasticização

Mecanismosde plasticização

Ciclo demoldação ExercíciosGeneralidades Elementos de

plasticização

CARACTERÍSTICAS INERENTES AOS POLÍMEROS(INFLUENCIAM A INJEÇÃO)

• Baixa densidade;• Baixa rigidez;• Boa resistência química;• Elevado coeficiente de expansão térmica;• Baixa condutividade térmica e elétrica;• Baixa resistência mecânica.

VANTAGENS

• Possibilidade de obter um produto final sem operações de acabamento;

• Elevada relação resistência/peso;• Facilidade de processamento;• Possibilidade de escolha em termos de cores.

DESVANTAGENS

• Temperatura de serviço baixa;• Elevada contração.


Formação dos polímeros

Cada molécula individual do polímero é um clipe, que se junta para formar uma molécula maior;

Estas ligações são formadas por reações químicas denominadas: polimerização;

O tamanho de cada molécula é essencial para as propriedades do plástico.




plasticização


Tipo de cadeia dos polímeros Forma como se juntam as

moléculas, é essencial para as propriedades finais e características do polímero:

• Propriedades mecânicas;• Resistência química;• Forma e dimensões da peça;• Facilidade de processamento;• Contração e empeno nas

peças.




plasticização





plasticização

Principal característica dos polímeros





plasticização

Características inerentes aos polímeros

CARACTERÍSTICAS INERENTES AOS POLÍMEROS(INFLUENCIAM A PLASTICIZAÇÃO)

Forma de fundir/plasticizar o polímero é uma conjugação de:• DISSIPAÇÃO VISCOSA (rotação do fuso e a viscosidade) + AQUECIMENTO POR

CONDUÇÃO DE CALOR (resistências elétricas no cilindro).

DISSIPAÇÃO VISCOSA

𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑥𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒2CONDUÇÃO DE CALOR



Mecanismosde plasticizaçãoGeneralidades ExercíciosCiclo de

moldaçãoElementos deplasticização


Ciclo de injeção - plasticização





Ciclo de injeção - plasticização• Fuso roda e recua;

• Plasticiza uma quantidade de material: volume das moldações + canais de alimentação + jito + almofada;

• Pode ser feito o chamado atraso na plasticização;

• Reduzir ao mínimo o tempo de residência;

• Controlar com cuidado a contra-pressão.





Ciclo de injeção – plasticização - almofada





Fase decompactação

Fase deinjeçãoGeneralidades Fase de

arrefecimentoCiclo de injeção Fase deplasticização

Ciclo de injeção – plasticização - almofada

• Evitar que o fuso contacte com o injetor do molde e impedir o seu desgaste em cada ciclo;

• Controlar o processo: se conhecermos a quantidade de material que fica entre o injetor e o fuso, temos um controlo das fases de injeção, curso e da quantidade de material que entra na cavidade;

• Deve compreender uma quantidade de material de 5 a 10 mm ou 5% do curso de dosagem.


Ciclo demoldação

Mecanismosde plasticizaçãoGeneralidades ExercíciosUnidade de

plasticizaçãoElementos deplasticização

Elementos constituintes da unidade de plasticização:o Cilindro oco;o Fuso;o Válvula de não-retorno;o Resistências;o Sondas;o Tremonha e equipamento

de estufagem do polímero;o Bico de injeção.

Elementos adjacentes:o Motor elétrico;o Bomba hidráulica.


Figura * - Elementos funcionais de uma MMI.


Ciclo demoldação




Figura * - Elementos de uma unidade de plasticização.

Elementos constituintes da unidade de plasticização:o Cilindro oco;o Fuso;o Válvula de não-retorno;o Resistências;o Sondas;o Tremonha e equipamento

de estufagem do polímero;o Bico de injeção.

Elementos adjacentes ou opcionais:o Motor elétrico;o Bomba hidráulica.


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização Elementos constituintes da

unidade de plasticização:o Cilindro oco;o Fuso;o Válvula de não-retorno;o Resistências;o Sondas;o Tremonha e equipamento de

estufagem do polímero;o Bico de injeção.

Elementos adjacentes ou opcionais:o Motor elétrico;o Bomba hidráulica.


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - funções 1.ª FUNÇÃO – plasticizar uma

determinada quantidade de material:o Perfil de temperaturas no cilindro (a

temperatura depende das zonas de aquecimento do cilindro);

o Velocidade de rotação do fuso (rpm);o Binário de rotação do fuso (torque usado

para mover o fuso);o Curso de dosagem (distância percorrida

pela material, depende sobremaneira do volume das peças);

o Contra-pressão (quantidade de pressão necessária para plasticizar o material).

2.ª FUNÇÃO – injetar uma determinada quantidade de material:o Pressão de injeção (pressão aplicada no

fundido durante o enchimento do molde);

o Pressão de compactação (pressão hidráulica depois do molde estar completamente preenchido para compensar a contração do material);

o Velocidade de injeção (taxa a que o polímero fundido entra na cavidade vazia);

o Programação da injeção (forma como é variada a velocidade de injeção)


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - funções Válvula de não-retorno é necessária para assegurar

eficiência e precisão durante um ciclo de moldação. Embora isto não seja definido como um controlo (à semelhança, p.e., de uma velocidade), a negligencia no manuseamento coloca grandes problemas no processamento. Os restantes controlos da unidade de plasticização são:o Bico de injeção (usado para impedir que o polímero

flua pela frente do cilindro);o Descompressão (forma de recuo do fuso depois do

processo de plasticização estar terminado, ajuda a impedir que o polímero fundido escoe pelo bico);

o Recuo da unidade de plasticização (impedir que o bico do cilindro toque o injetor do molde, impedir a solidificação da frente de fundido – chamado de gota fria).


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - funções A fusão do polímero acontece nas zonas de

alimentação e de compressão, mas sobretudo na zona de transição entre estas duas zonas funcionais;

A distância entre o fuso e o cilindro é diminuída e os grânulos são empurrados para a parede interior do cilindro, isto, leva à sua fusão e a uma melhor condução de calor;

Quando se aumenta a velocidade de rotação do fuso, a dissipação viscosa aumenta, para além do caudal do sistema, quando se aumenta demasiado a N podemos ter um processo de plasticização inadequado.

Figura * - Velocidade e transporte dos grânulos.


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - funçõesNormalmente é usado uma máquina com um parafuso

alternativo, como vantagens pode-se considerar:o A taxa de corte baixa a viscosidade, facilitando o fluxo;o Uma melhor mistura resulta num fundido com melhor qualidade;o O fluxo não é laminar;o O tempo de residência no cilindro é de aproximadamente 3 ciclos, comparando com

8 a 10 da máquina de êmbolo;o A maior parte do calor é colocado nos grânulos;o Devido ao facto de que pouco calor é transferido pelas resistências, podemos

retardar a purga de material;o Podemos usar materiais termicamente sensíveis como o PVC;o O risco de degradação do polímero é menor;o A câmara de plasticização está na frente do cilindro;o A manutenção e limpeza é muito mais fácil.


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - funções

Figura * - Máquina de parafuso alternativo.


Ciclo demoldação



Unidade de plasticização - especificaçõesNo momento de especificação de

uma unidade de plasticização é necessário apontar os seguintes requisitos:

o Tipo: fuso em forma de êmbolo ou parafuso alternativo;

o Diâmetro do fuso;o Rácio L/D (aspeto mais importante);o Peso máximo em kg de PS num ciclo, ou o

volume de material por ciclo;o A capacidade de plasticização;o Pressão máxima de injeção;o Outras especificações determinadas pelo

fabricante do equipamento.


A fase de plasticização começa no momento em que termina a fase de compactação;

Logo que termina esta fase começa a nova plasticização de mais material para um novo ciclo;

Pode ser usado o chamado atraso na plasticização;

Peça-chave para se obter um ciclo de injeção estável e com boa qualidade de fundido.

Fase de plasticização

Generalidades Ciclo demoldação

Mecanismosde plasticização ExercíciosElementos de

PlasticizaçãoUnidade de

plasticização


As características fundamentais para se conhecer sobre os polímeros e que determinam a fase de plasticização são:

o Densidade;o Coeficiente de atrito;o Entalpia;o Condutividade térmica;o Viscosidade;o Estabilidade térmica.


Mecanismosde plasticização ExercíciosElementos de

PlasticizaçãoUnidade de

plasticização



O processo de plasticização, resume-se a:

DISSIPAÇÃO VISCOSA vs CONDUÇÃO DE CALOR

Velocidade de rotação do fuso x quadrado da

viscosidade

Capacidade de transmissão de calor x temperaturas do

cilindro

Generalidades Ciclo demoldação ExercíciosUnidade de

plasticização



Elementos dePlasticização




plasticizaçãoElementos

de plasticizaçãoMecanismos de

Plasticização

Desde a década de 1950 que se tem feito avanços significativos na modelação do processo de plasticização;

Considera-se que o polímero é transportado pela diferença de velocidades entre o fuso e o cilindro (chamado de velocidade relativa);

Imagine-se que se acompanha a rotação do fuso, a velocidade circunferencial aparente é dado por,

𝑣=𝜋 𝐷𝑁 Onde, D – representa o diâmetro do fuso; N – representa a velocidade de rotação do fuso.

Figura * - Vetores de velocidades em função dos eixos.

Figura * - Velocidade de retração.






Plasticização

A velocidade circunferencial relativa pode ser dividida em duas componentes ortogonais uma na direção da hélice e outra na direção perpendicular, como sendo,

Figura * - Velocidade de retração.Velocidade circunferencialVelocidade perpendicular

Onde, – representa o ângulo de hélice.

Estes dois componentes representam um significado físico: a velocidade na direção z representa a movimentação dos grânulos e a velocidade x representa a circulação dos grânulos para a frente do cilindro.





Plasticização

Colocar neste local uma forma de plasticização dos grânulos, filme de fundido, poço de fundido, etc… Não sei onde está este esquema, deve-se pesquisar e coloca-lo neste local, isto pode ser considerado como o aspeto mais fundamental…





Plasticização

Poço de fundido

Figura * - Formação do poço de fundido.

Poço de fundido: presença de material plástico fundido. Nas primeiras zonas do fuso, resulta na formação de um filme de fundido. Este filme forma-se junto à parede do cilindro.

Uma análise pode ser feita a este processo de formação do filme,

𝜹𝟐=𝟐 .𝒌𝒎 . (𝑻 𝒃−𝑻𝒎 ) .𝒕 𝒔

𝝆𝒔 .¿¿ Onde, – representa a espessura do filme; - representa a espessura inicial do filme; - representa a densidade do sólido; - representa o tempo de formação do poço de fundido.





Plasticização

Poço de fundido Comentários à equação anterior: esta equação

indica que se a espessura inicial do filme for zero, o crescimento é rápido. Mas se a espessura inicial do filme for grande, o crescimento do filme é pequeno.

A fusão de material por condução de calor vai sendo cada vez menor, à medida que a espessura de filme cresce;

Quando se aumenta a espessura do filme, temos uma redução na dissipação viscosa, devido à menor taxa de corte (velocidade).





Plasticização

Mecanismo de fusão dos grânulosa – TRANSPORTE DE

SÓLIDOS: a secção de alimentação inicia o transporte dos sólidos. Baixa fricção, pouca condução de calor;

b – COMPACTAÇÃO: na zona de transição, polímero começa a compactar. Forma-se um filme junto à parede interior do cilindro;





Plasticização

Mecanismo de fusão dos grânulos c – FORMAÇÃO DE FILME DE

FUNDIDO: à medida que se avança, existe mais compressão. A fusão dá-se nesta zona de transição. 3 zonas: zona de sólidos e compactada, um filme de fundido e um poço de fundido. A fusão dá-se por fricção;

d – FORMAÇÃO DO POÇO DE FUNDIDO: A profundidade decresce à medida que se chega à zona de medição. Poço de fundido aumenta, zona de sólidos diminui;





Plasticização

Forma de fusão dos grânulos e – FUSÃO: a zona de sólidos diminui cada vez

mais, como cubos de gelo em água. Fricção entre a camada de sólidos e o cilindro;

f - FUSÃO COMPLETA: zona de medição, o fundido deve ser o mais homogéneo possível, tanto em termos de temperatura como de viscosidade. A profundidade do canal deve ser constante nesta zona. Não deve existir grânulos por fundir.

Recomendações globais: o coeficiente de atrito deve ser baixo na superfície do fuso e alto na camada interior do cilindro, se isto não for conseguido o polímero roda com o fuso e não avança.





Forma de fusão dos grânulos





Plasticização

Misturas e dispositivos de fusão Um fuso que não tenha elementos de

misturas como barreira, pode ser uma boa solução, pois tem uma taxa de corte uniforme. A mistura tanto pode ser distributiva como dispersiva ou ambas;

Na mistura deve-se verificar o seguinte:o A região do fuso onde acontece a mistura

deve sujeita a grande tensão;o Esta região de alta tensão apenas deve

acontecer num curto espaço de tempo;o Todo o elemento do fluido deve estar sujeito

à mesma tensão, para acontecer uma mistura uniforme.

Do mesmo modo, deve ser seguido a mesma regra na mistura, a queda de pressão é mínima na secção de mistura;

Em misturas do tipo barreira. Dispositivos de misturas são usados para melhorar a performance. Estes dispositivos são mais usados em extrusoras. No entanto, o fuso da MI é normalmente universal.


Mecanismos de plasticizaçãoOs 3 processos que regem a

plasticização são:o Rotação do fuso: a rotação do fuso

desenvolve um mecanismo semelhante às extrusoras monofuso;

o Aquecimento estático: períodos de tempo em que o fuso está parado, transmitindo calor pelas resistências do cilindro;

o Injeção: aquecimento por dissipação viscosa e por efeito do esforço cortante imposto pelo avanço do fuso.




Plasticização





Plasticização

Expressões matemáticas relevantes Na análise assume-se as seguintes premissas:

o Não existe atrito entre o material e as paredes do fuso;o O material é quasi-newtoniano;o Para cada secção analisada, o fluxo é isotérmico.

Materiais Estático DinâmicoPMMA/PMMA 0,8 0,8

PMMA/aço 0,4 a 0,5 0,4 a 0,5

PS/PS 0,5 0,5

PS/aço 0,3 a 0,35 0,3 a 0,35

PE/aço 0,2 -

Tabela * - Valores de coeficientes de atrito para alguns polímeros.





Plasticização

Expressões matemáticas relevantes A descrição geométrica do fuso é baseada nos parâmetros

apresentados na figura abaixo.





Plasticização

Expressões matemáticas relevantesa) O caudal volumétrico na zona de transporte de sólidos pode ser definido como,

𝑄𝑠=𝜋2 .𝐻 .𝐷𝑐 . (𝐷𝑐−𝐻 ) . 𝑡𝑔𝜙 . 𝑡𝑔𝑡𝑔𝜙+𝑡𝑔 .𝑤𝑤+𝑡

Em que, – representa o ângulo de transporte do material;N – representa a velocidade angular do fuso (rps).





Plasticização

Expressões matemáticas relevantesb) O caudal de sólidos, , é proporcional a,

Que varia entre 0 e senθ.cosθ, à medida que toma valores entre 0 e π/2-θ. Assim, o caudal máximo de sólidos é dado pela expressão,

𝑞=𝑡𝑔 𝜙 .𝑡𝑔𝑡𝑔𝜙+𝑡𝑔

𝑄𝑠𝑚𝑎𝑥=𝜋 2 .𝐻 .𝐷𝑐 . (𝐷𝑐−𝐻 ) .𝑠𝑒𝑛𝜃 .𝑐𝑜𝑠𝜃 . 𝑤𝑤+𝑡 .𝑁





Plasticização

Expressões matemáticas relevantesc) A eficiência da operação pode ser quantificada por,

d) Que na prática pode também ser estimado por,

𝜀=𝑄𝑠

𝑄𝑠𝑚𝑎𝑥

𝜀=𝐺𝑠

𝑁 .𝑉 𝑠 . ρ𝑎𝑝Em que,– representa o caudal mássico; – representa o volume do canal; - representa a massa volúmica aparente do polímero.





Plasticização

Considerações globais na unidade de plasticização

O projeto de unidades de plasticização deve maximizar o valor de ϕ;

Deve também maximizar-se o atrito entre o polímero e o cilindro;

Deve minimizar-se o atrito entre o fuso e o polímero;

Na prática isto é conseguido usando-se paredes interiores do cilindro, rugosas;

O fuso pode também ser arrefecido, através da circulação de um fluido interior;

A fase de plasticização na MI é muitas vezes negligenciada, na extrusão a fase de plasticização é a mais importante.


Exercícios1. A fase de plasticização do ciclo de moldação é importante para se fazer uma

correta mistura entre polímero e seus componentes, neste sentido:a) Indique o entende por mistura dispersiva e mistura distributiva;b) Indique como procederia para melhorar a performance de mistura de um

determinado sistema de polímeros mais aditivos.

2. Uma das unidades funcionais de uma MMI é a chamada unidade de plasticização ou também denominada de injeção. Indique quais são os elementos constituintes de uma unidade de plasticização/injeção. Indique também a sua funcionalidade.

3. Explore as funções da unidade de plasticização, indique qual a sua funcionalidade e a sua importância para as fases do ciclo, quer na injeção quer, principalmente na fase de plasticização do ciclo de moldação.




Elementosde plasticização Exercícios


Exercícios4. Aponte 5 vantagens no uso de um parafuso do tipo alternativo na unidade de

plasticização.

5. A forma de plasticização é importante para um determinado ciclo de moldação, desta forma,a) Indique as 3 formas de plasticização presentes num determinado processo de injeção;b) Diga o que entende por dissipação viscosa.

6. A forma de fusão dos grânulos dentro do cilindro de plasticização é feita em etapas, que podem ser dividas em 6 etapas distintas. Faça um esquema com o que acontece no interior do cilindro durante a fusão dos grânulos. Explore e legende cada uma destas etapas.






Exercícios

7. Comente a afirmação, ‘em peças transparentes a plasticização tem grande influência na produtividade’.

8. Comente a afirmação, ‘em peças de paredes finas, o desempenho da unidade de plasticização tem grande influência na produtividade’.






Bibliografia recomendada1. Site dos fabricantes de matérias-primas, Bayer, BASF, Dupont, Lanxess, Ticona,

Sabic;2. Injection Molding Handbook, Rosato;3. Plastic part design for injection molding, Malloy;4. Sites de troca de documentos, ebah, scribd;5. Handbook of molded part shrinkage and warpage, Fisher;6. Sites da especialidade, relacionados com injeção de polímeros, polímeros, moldes

para injeção de polímeros, ciclo de injeção, máquinas de moldação por injeção;7. Sites de fabricantes de maquinaria para injeção polímeros, Arburg, Ferromatik-

Milacron, Demag, Engel, Krauss-Maffei.

Bibliografiarecomendada

2.3 Fase Plasticizacao Termoplasticos

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