UNIVERSIDADE DA REGIÃO DE JOINVILLE UNIVILLE PROGRAMA DE ... · para a alta ineficiência de...

UNIVERSIDADE DA REGIO DE JOINVILLE UNIVILLE PROGRAMA DE

MESTRADO EM ENGENHARIA DE PROCESSOS

ESTUDO EXPERIMENTAL E DE SIMULAO COMPUTACIONAL PARA

ANLISE E MELHORIA DA EFICINCIA DE UM MOLDE DE INJEO DE

TERMOPLSTICOS

DIEGO ALVES DE MIRANDA

Joinville SC

2017

DIEGO ALVES DE MIRANDA

ESTUDO EXPERIMENTAL E DE SIMULAO COMPUTACIONAL PARA

ANLISE E MELHORIA DA EFICINCIA DE UM MOLDE DE INJEO DE

TERMOPLSTICOS

Dissertao apresentada ao Programa de Mestrado em Engenharia de Processos da Universidade da Regio de Joinville UNIVILLE como requisito final para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia de Processos. Orientador: Prof. Dr. Andr Loureno Nogueira

Joinville SC

2017

Catalogao na publicao pela Biblioteca Universitria da Univille

Miranda, Diego Alves de M672e Estudo experimental e de simulao computacional para anlise e melhoria da

eficincia de um molde de injeo de termoplsticos/ Diego Alves de Miranda;

orientadora Dr. Andr Loureno Nogueira. Joinville: UNIVILLE, 2017.

112 f. : il. ; 30 cm

Dissertao (Mestrado em Engenharia de Processos Universidade da Regio de Joinville)

1.Injeo de plsticos - Simulao por computador. 2. Plsticos -

Moldagem. 3. Termoplsticos. I. Nogueira, Andr Loureno (orient.). II. Ttulo.

CDD 668.412

"No desampare a sabedoria e ela te guardar, ame-a e ela te conservar. Exalte-a e ela te exaltar, abrace-a e ela te honrar. Pois a sabedoria a coisa principal, adquiri o conhecimento em troca tudo o que possuis."

(Provrbios 4: 5 - 7)

AGRADECIMENTOS

Inicialmente, gostaria de agradecer a Deus, por ter primeiramente o privilgio

de estar vivo, e consequentemente, abenoado com a oportunidade de descrever

este trabalho.

Agradeo tambm ao professor Dr. Andr Loureno Nogueira, meu orientador

que tanto me ajudou neste projeto e entrou a fundo comigo neste trabalho.

Aos meus pais que sempre me apoiaram e esto comigo em todas as quedas

e conquistas. A minha esposa Poliana Linzmeyer, a quem tem me compreendido por

disponibilizar mais tempo aos estudos do que para ela. Ao meu filho Pietro

Linzmeyer, o qual tenho lhe dado todo amor, carinho, afeto e dedicao, se tornando

o maior presente que Deus me proporcionou, para unir esta famlia que est se

formando agora e que tanto amo.

Aos professores do Mestrado em Engenharia de Processos que tambm

contriburam para a realizao deste projeto. Universidade da Regio de Joinville e

todos os amigos que sempre se ajudaram para passar nas matrias, enfim todos os

que, direta ou indiretamente, contriburam para a realizao deste projeto.

RESUMO

Na fabricao de produtos oriundos do processo de injeo de termoplsticos, busca-se constantemente otimizar as condies de processamento para reduzir custos e melhorar a qualidade do produto. Para que erros de fabricao do molde sejam corrigidos ainda na fase de projeto, a simulao da injeo de termoplsticos uma ferramenta essencial, porm atualmente utilizada por uma minoria de empresas transformadoras de plsticos e ferramental. No presente trabalho, um estudo experimental e de simulao foi realizado buscando compreender as razes para a alta ineficincia de injeo de um molde de um copo com duas cavidades que no passou por um estudo de simulao antes de ser fabricado, e gerava uma grande quantidade de refugos quando em operao. O software Solid Works Plastics foi utilizado para realizar as simulaes do processo de injeo dos copos utilizando o termoplstico GPPS (General Purpose Polystyrene). Variando-se alguns parmetros operacionais (presso de injeo, temperatura de injeo e temperatura do molde) nos ensaios experimentais e de simulao, identificou-se que o aprisionamento de gases era o principal fator responsvel pela ineficincia das injees, caracterizadas principalmente por preenchimento insuficiente das cavidades do molde. Visando resolver o problema do processo, sadas de gases foram includas no projeto virtual do molde e testadas via simulao computacional. Com base nos resultados simulados de melhora de eficincia do processo, as sadas de gases foram executadas no molde real, e os resultados experimentais obtidos corroboraram as predies do modelo. Consequentemente, conseguiu-se um significativo aumento da eficincia da injeo, assim como uma significativa reduo na gerao de refugo e no custo energtico do processo. O modelo matemtico utilizado pelo software foi validado comparando-se as mdias das massas injetadas experimentalmente com as massas simuladas. Uma anlise estatstica baseada em planejamento experimental foi realizada, e os resultados demonstraram que a presso de injeo o parmetro mais importante do processo, seguido pela temperatura de injeo e pela temperatura do molde. A realizao deste estudo possibilitou ainda identificar as faixas de valores para os parmetros de injeo capazes de otimizar o processo estudado, tanto do ponto de vista econmico quanto de qualidade do produto.

Palavras-chave: moldagem por injeo; molde; termoplstico, aprisionamento de gases; simulao.

ABSTRACT

The constant increase of the worldwide consumption of plastics products made by injection moulding, associated to the strong market competition, has motivated engineers and researchers to sought to optimize the processing conditions aiming to reduce costs and enhance the quality of the product. Computational simulation of injection processes is a powerful tool that can be used to identify and correct mistakes in injection molds in the phase of its project. Although the inherent advantages, only few companies in the field of plastic processing and mold manufacturing uses processes simulation. The present study developed an experimental and a simulation study to identify and understand the reasons for the low efficiency of an injection mold that has not been submitted to a simulation study before its construction. As a consequence, the mould was generating large amounts of scraps. The software Solidworks Plastics was used to perform the simulations of the injection of glasses with the thermoplastic GPPS (General Purpose Polystyrene). The results obtained experimentally and mainly in the simulations by varying the process parameters (injection pressure and temperature, and mould temperature) revealed that main cause for the low process efficiency was the gas trapping in the mould. This problem was causing an incomplete filling of the mould cavities by thermoplastic. In order to reduce or solve the problem, gases exits were included in the virtual project of the mould and hereafter computationally simulated to evaluate the process performance. Once the simulation findings showed a significant increase of the process efficiency, the gases exits were made in the real mould. The experimental results obtained with the modified mould corroborated the simulation findings and, consequently, there was a significant improvement of the process efficiency as well the reduction of the scrap production and energy costs. The mathematical model used by the software was validated by comparing the injected masses experimentally obtained with those generated by simulation. A statistical analysis based on a design of experiment was performed and the results revealed that the injection pressure is the most important parameter of the process, followed by the injection temperature and the mould temperature. On the basis of the findings obtained in this study, it was possible to identify the range of values for the studied process parameter in which is possible to optimize the process from the economical and product quality point of view. Keywords: injection moulding, mould, thermoplastic, air trapping, simulation

LISTA DE EQUAES

Equao 1 Forma geral da conservao de massa ............................................... 21

Equao 2 Forma geral da quantidade de movimento. .......................................... 37

Equao 3 Forma geral da quantidade de energia. ............................................... 37

Equao 4 Fluxo de calor expresso pela lei de Fourier. ......................................... 38

Equao 5 Simplificao da equao da conservao de massa. ......................... 38

Equao 6 Simplificao da equao da quantidade de movimento. .................... 38

Equao 7 Simplificao da equao da quantidade de energia. .......................... 38

Equao 8 Forma geral da taxa de cisalhamento. ................................................. 39

Equao 9 Tenso de cisalhamento de lei das potncias . .................................... 39

Equao 10 Conservao de massa introduzida no software. ............................... 21

Equao 11 Quantidade de movimento introduzida no software. .......................... 21

Equao 12 Quantidade de energia introduzida no software.. ............................... 21

Equao 13 Fluidez. ............................................................................................... 40

Equao 14 Gradiente de Presso. ....................................................................... 40

Equao 15 Velocidades no eixo x. ..................................................................... 40

Equao 16 Velocidades no eixo y. ..................................................................... 40

Equao 17 Taxa de cisalhamento. ....................................................................... 40

Equao 18 Valores iniciais de velocidades. .......................................................... 40

Equao 19 Valores iniciais de temperatura. ......................................................... 40

Equao 20 Razo inicial da presso pela viscosidade. ........................................ 40

Equao 21 Velocidade do fluido na camada congelada. ...................................... 40

Equao 22 Temperatura das extremidades. ......................................................... 40

Equao 23 Temperatura da camada congelada. .................................................. 41

Equao 24 Eficincia de injeo. .......................................................................... 56

Equao 25 Desvio da simulao. ......................................................................... 62

Equao 26 Energia consumida pela bomba fixa. ................................................. 65

Equao 27 Energia consumida pelo motor eltrico. ............................................. 65

Equao 28 Energia consumida por zona trmica. ................................................ 65

Equao 29 Consumo de energia por ciclo de injeo........................................... 65

Equao 30 Custo da matria prima por produto. .................................................. 66

Equao 31 Custo de energia consumida por injeo. .......................................... 66

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Etapas do processo de fabricao de um produto termoplstico. ............ 17

Figura 2 Estruturao do trabalho. ......................................................................... 19

Figura 3 Consumo de transformados plsticos no Brasil em milhes de toneladas.

.................................................................................................................................. 22

Figura 4 Consumo de plsticos no Brasil em 2015 por tipo de resina. .................. 22

Figura 5 Esquema de uma mquina injetora convencional. ................................... 24

Figura 6 Representao de um ciclo de injeo. .................................................... 25

Figura 7 Esquema da formao de uma bolha de ar devido a presena de um

obstculo (gravura) no percurso do polmero. ........................................................... 31

Figura 8 Fora de cisalhamento resultante do escoamento de um polmero. ........ 35

Figura 9 Representao de uma cavidade retangular e seu domnio, como base

das simulaes executadas pelo software Solid works plastics. ............................... 39

Figura 10 Malha de elementos finitos. .................................................................... 41

Figura 11 Aprisionamento de gases oriundos dos compostos usados para

pigmentao. ............................................................................................................. 42

Figura 12 Contrao do PLA, com atuao dos canais de refrigerao................. 43

Figura 13 Tempo de preenchimento. a) Canal de injeo com seo transversal

redonda, b) canal de injeo com seo transversal elptica. ................................... 44

Figura 14 Fluxograma das etapas executadas no presente trabalho. .................... 45

Figura 15 Amostras retiradas do processo de injeo do molde do copo. a)

amostra injetada em baixas presses e temperaturas de injeo, b) amostra retirada

em altas presses e temperaturas de injeo, c) pea considerada boa para

comercializao.. ....................................................................................................... 46

Figura 16 Falhas de injeo de peas que preencheram totalmente as cavidades.

a) Frisos internos, b) bolhas de ar. ............................................................................ 42

Figura 17 Perodo das etapas de injeo do molde do copo injetado em GPPS nas

melhores condies de processamento.. .................................................................. 48

Figura 18 Modelo do produto copo. ..................................................................... 49

Figura 19 Detalhes das cavidades do projeo do molde. a) extrao da cavidade

superior, b) extrao da cavidade inferior. ................................................................ 51

Figura 20 Localizao do ponto de injeo. ........................................................... 52

Figura 21 Cavidade inferior (fmea). a) Cavidade usinada, b) cavidade projetada.

.................................................................................................................................. 53

Figura 22 Vista em corte do posicionamento dos termopares na cavidade do

molde......................................................................................................................... 52

Figura 23 Casca do produto escalonado (domnio das simulaes). ..................... 52

Figura 24 refinamento de malha triangular. a) vista ampliada da borda do copo, b)

tamanho do vrtice 5 mm, c) tamanho do vrtice 2 mm, d) tamanho do vrtice 1 mm,

e) tamanho do vrtice 0,5 mm. .................................................................................. 58

Figura 25 Definio do material injetado. ............................................................... 59

Figura 26 Definio do material das cavidades. ..................................................... 59

Figura 27 Definio dos parmetros de processamento. ....................................... 60

Figura 28 Definio da localizao e dimetro do ponto de injeo. ...................... 61

Figura 29 Representao do motor eltrico e a bomba fixa de uma mquina

injetora convencional. ................................................................................................ 64

Figura 30 Amostras ineficientes (refugo) do processo de injeo do copo. a)

amostra com baixssima eficincia, b) amostra com baixa eficincia. ....................... 49

Figura 31 Eficincias de injeo variando as presses e temperaturas de injeo.

a) temperatura do molde de 20 C, b) temperatura do molde de 30 C, c)

temperatura do molde de 40 C, d) temperatura do molde de 50 C . ....................... 73

Figura 32 Influncia do tamanho de malha nos resultados das simulaes, nas

condies, a) condio de menor eficincia de injeo, b) condio com a maior

eficincia de injeo. ................................................................................................. 75

Figura 33 Comparao qualitativa da simulao com o processo real em condies

de iguais. a) massa simulada de 122,75 g, b) massa injetada 114,90 g.. ................. 79

Figura 34 Desvios das simulaes variando as presses e temperaturas de

injeo. a) temperatura do molde de 20 C, b) temperatura do molde de 30 C, c)

temperatura do molde de 40 C, d) temperatura do molde de 50 C. ........................ 80

Figura 35 Aprisionamento de gases. ...................................................................... 82

Figura 36 Representao da gravura acumuladora de gases. ............................... 83

Figura 37 Alteraes mecnicas da cavidade inferior: sadas de gases. ............... 84

Figura 38 Perodo das etapas de injeo do molde do copo com sadas de gases,

injetando nas melhores condies. ........................................................................... 87

Figura 39 Produto de boa qualidade para comercializao.................................... 88

Figura 40 Eficincias de injeo variando as presses e temperaturas de injeo,

considerando o molde modificado. a) temperatura do molde de 20 C, b) temperatura

do molde de 30 C, c) temperatura do molde de 40 C, d) temperatura do molde de

50 C. ........................................................................................................................ 89

Figura 41 Desvios das simulaes variando as presses e temperaturas de injeo

considerando o molde modificado. a) temperatura do molde de 20 C, b) temperatura

do molde de 30 C, c) temperatura do molde de 40 C, d) temperatura do molde de

50 C. ........................................................................................................................ 91

Figura 42 Grficos 3D dos perfis de preenchimento mssico das cavidades do

molde em funo da presso e temperatura de injeo, considerando a temperatura

do molde de 40 C e com o molde sem as alteraes realizadas: a) Massas

simuladas, b) mdias das massas de amostras de injeo....................................... 93



do molde de 40 C e com o molde sem as alteraes realizadas: a) Massas




do molde de 40 C e com o molde com as alteraes realizadas: a) Massas




do molde de 40 C e com o molde com as alteraes realizadas: a) Massas


Figura 46 Diagrama de Pareto do planejamento fatorial 33 com um nvel mnimo de

95% de confiana. ..................................................................................................... 99

Figura 47 Superfcie de resposta da interao das variveis independentes na

eficincia mssica de injeo. a) presso de injeo (MPa) e temperatura de injeo

(C), b) presso de injeo (MPa) e temperatura do molde (C), temperatura de

injeo (C) e temperatura do molde (C).. ............................................................. 100

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Propriedades do ao P20. ....................................................................... 30

Tabela 2 Ficha tcnica do GPPS. .......................................................................... 50

Tabela 3 Caractersticas da mquina injetora HAITIAN PL 860/270 C. .............. 51

Tabela 4 Parmetros de injeo utilizados nos testes experimentais e nas

simulaes. ............................................................................................................... 55

Tabela 5 Nveis para os fatores e seus valores codificados para planejamento fatorial 33. . ................................................................................................................................. 63

Tabela 6 Leitura das temperaturas da parede do molde em diferentes pontos das

cavidades.. ................................................................................................................ 68

Tabela 7 Valores mdios das massas injetadas com seus respectivos desvios

padro, injetadas variando a presso e temperatura de injeo, e utilizando uma

temperatura de molde de 20 C................................................................................. 68




Tabela 9 Valores mdios das massas de injeo com seus respectivos desvios



Tabela 10 Valores mdios das massas de injeo com seus respectivos desvios



Tabela 11 Resultados das simulaes da injeo do copo no Solid works Plastics,

variando a presso e temperatura de injeo, considerando a temperatura do molde

de 20 C. ................................................................................................................... 76

Tabela 12 Resultados das simulaes da injeo do copo no Solid works Plastics,


de 30 C. ................................................................................................................... 77

Tabela 13 Resultados das simulaes da injeo do copo no Solid Works Plastics,


de 40 C. ................................................................................................................... 78

Tabela 14 Resultados das simulaes da injeo do copo no Solid Works Plastics,


de 50 C. ................................................................................................................... 79










Tabela 18 Tabela 17 - Valores mdios das massas injetadas com seus respectivos

desvios padro, injetadas variando a presso e temperatura de injeo, e utilizando

uma temperatura de molde de 50 C. ........................................................................ 88

Tabela 19 Resultados das mdias das amostras de injeo e seus desvios

padres no planejamento fatorial 33, com as variveis independentes codificadas e

reais........................................................................................................................... 98

Tabela 20 Valores utilizados nos clculos de custo de injeo para o molde sem

alteraes. ............................................................................................................... 101

Tabela 21 Comparao dos indicadores de processo antes e aps as alteraes

realizadas. ............................................................................................................... 103

Tabela 22 Comparao dos custos de processamento e receita gerada antes e

aps as alteraes realizadas.. ............................................................................... 103

.

LISTA DE SIGLAS

PS Poliestireno

GPPS Poliestireno Cristal (General Purpose Polystyrene)

CAD Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)

CAE Engenharia Auxiliada por Computador (Computer Aided Engineering)

3D Trs Dimenses

PE Polietileno

PP Polipropileno

EVA Acetato-vinilo de Etileno (Ethylene Vinyl Acetate)

AISI Instituto Americano de Classificao de Metais (American Iron and Steel

Instituite)

PVC Policloreto de Polivinila (Polyvinyl Chloride)

ASTM Orgo de Normatizao de Materiais (American Society for Testing and

Materials)

ISO Organizao Internacional de Padronizao (International Organization for

Standardization)

IF ndice de Fluidez

PLA Termoplstico de cido Polilctico (Polylactic Acid)

LISTA DE SMBOLOS

Viscosidade (Pas)

Densidade (kg/m3)

Gradiente

Derivada

Velocidade (m/s)

t Tempo (s)

P Presso (Pa)

Tenso de cisalhamento (Pa)

g Acelerao da gravidade (m/s2)

CV Calor especfico em volume

constante (J/kg.K)

T Temperatura (K)

q Fluxo de calor (W)

K Condutividade trmica (W/m.K)

CP Calor especfico presso

constante (J/kg.K)

Taxa de cisalhamento (s-1)

S Fluidez (m3.s/kg)

Q Vazo mssica (kg/s)

w Largura (m)

L Comprimento (m)

Altura (m)

Eixo x

Eixo y

Eixo z

Eficincia de injeo (%)

Desvio de simulao (%)

Massa simulada (g)

Mdia de massas injetadas (g)

Massa total estimada (g)

Consumo de energia por

injeo (W)

Temperatura de injeo (C)

Presso de injeo (MPa)

Presso de recalque (MPa)

Temperatura do molde (C)

Consumo de energia da bomba

fixa (W)

Consumo de energia de cada zona

trmica da injetora (W)

Custo do material utilizado para

fabricar um produto (R$)

Custo por injeo (R$)

Tempo do ciclo de injeo (s)

Custo da energia fornecida pela

estatal (R$/KWh)

Custo da matria prima (R$/kg)

Nmero de cavidades do molde

Velocidade de injeo (cm3/s)

SUMRIO

LISTA DE EQUAES ............................................................................................. 6

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. 7

LISTA DE TABELAS ............................................................................................... 10

LISTA DE SIGLAS .................................................................................................. 12

LISTA DE SMBOLOS ............................................................................................ 13

SUMRIO ................................................................................................................ 14

INTRODUO......................................................................................................... 17

2. OBJETIVOS ................................................................................................... 20

2.1 Objetivo geral .................................................................................................. 20

2.2 Objetivos especficos ......................................................................................... 20

3 REVISO DA LITERATURA .......................................................................... 21

3.1 Plsticos.......................................................................................................... 21 3.1.1 Poliestireno Cristal de Propsito Geral (GPPS General Purpose Polystyrene) ........................................................................................................ 23

3.2 Processo de injeo ........................................................................................ 23 3.2.1 Mquina injetora .................................................................................... 24

3.2.2 Ciclo de injeo ..................................................................................... 25

3.2.3 Parmetros de injeo ........................................................................... 26

3.2.3.1 Temperatura de injeo ......................................................................... 26

3.2.3.2 Temperatura do molde .......................................................................... 27

3.2.3.3 Presso de injeo ................................................................................ 27

3.2.3.4 Presso de recalque .............................................................................. 27

3.2.3.5 Velocidade de injeo ............................................................................ 27

3.3 Molde de injeo ............................................................................................. 28 3.3.1 Projeto de um molde de injeo de termoplsticos ............................... 28

3.3.2 Cavidades do molde .............................................................................. 28

3.3.3 Ponto de injeo .................................................................................... 29

3.3.4 Materiais (ao P20) ................................................................................ 29

3.3.5 Avano da frente de enchimento ........................................................... 30

3.3.6 Camada congelada ................................................................................ 30

3.4 Falhas de injeo ............................................................................................ 30 3.4.1 Aprisionamento de gases ...................................................................... 31

3.4.2 Tenses residuais .................................................................................. 32

3.4.3 Refugo ................................................................................................... 32

3.5 Propriedades e caractersticas dos polmeros fundidos .................................. 32 3.5.1 Reologia................................................................................................. 33

3.5.2 Viscoelasticidade ................................................................................... 33

3.5.3 Viscosidade ........................................................................................... 33

3.5.4 ndice de fluidez ..................................................................................... 34

3.5.5 Tenso de cisalhamento ........................................................................ 34

3.5.5 Taxa de cisalhamento ............................................................................ 35

3.6 Simulao nmerica aplicada a processo de injeo ..................................... 35 3.6.1 Pacotes comerciais Simuladores do processo de injeo de termoplsticos ..................................................................................................... 36

3.6.2 Modelo matemtico utilizado pelo Solid Works Plastics ........................ 37

3.7 Estado da arte ................................................................................................. 42

4 MATERIAIS E MTODOS .............................................................................. 45

4.1 Problemtica ................................................................................................... 46

4.2 Anlise do projeto inicial do produto ............................................................... 48 4.2.1 Geometria e complexidade do produto .................................................. 48

4.2.2 Material do produto a ser injetado ......................................................... 49

4.2.3 Contrao do produto a ser injetado ...................................................... 50

4.2.4 Nmero de cavidades do molde ............................................................ 50

4.2.5 Mquina injetora para produzir o produto ............................................. 51

4.3 Projeto do molde de injeo............................................................................ 52 4.3.1 Ponto de injeo .................................................................................... 52

4.3.2 Materiais das cavidades e tratamento trmico....................................... 53

4.4 Ensaios experimentais de injeo dos copos de GPPS.................................. 53

4.5 Simulao do processo de injeo ................................................................. 56 4.5.1 Gerao do domnio (casca escalonada) .............................................. 56

4.5.2 Gerao de malha ................................................................................. 57

4.5.3 Definio de polmero ............................................................................ 59

4.5.4 Definio do material das cavidades ..................................................... 59

4.5.5 Introduo dos parmetros de injeo no software ............................... 60

4.5.6 Definio do ponto de injeo................................................................ 61

4.6 Metodologia de validao do modelo matemtico usado nas simulaes ...... 62

4.7 Planejamento experimental............................................................................. 62 4.7.1 Planejamento Fatorial 33........................................................................ 63

4.8 Energia consumida por ciclo de injeo .......................................................... 64 4.8.1 Clculos do custo por ciclo de injeo ................................................... 64

5 RESULTADOS E DISCUSSES ................................................................... 67

5.1 Ensaios experimentais da injeo dos copos ................................................. 67

5.2 Resultados das simulaes ............................................................................ 74

5.3 Melhorias de projeto ....................................................................................... 83

5.4 Injeo das amostras com o molde modificado .............................................. 84

5.5 Consideraes finais sobre o modelo matemtico usado nas simulaes ..... 93

5.6 Planejamento experimental............................................................................. 97

5.7 Otimizao energtica de processamento .................................................... 101

CONCLUSES...................................................................................................... 105

REFERNCIAS ..................................................................................................... 107

17

INTRODUO

A moldagem por injeo de termoplsticos um processo de custo muito

elevado, com moldes fabricados em ao-ferramenta. Neste processo, o material

termoplstico alimentado, atravs de um funil, em um canho aquecido contendo

uma rosca recproca, onde ser fundido e submetido a um processo de mistura na

presena de aditivos (ELIAS, 2003). O resultado desta etapa de mistura gera uma

resina no estado fundido que injetada nas cavidades do molde matriz (LESKO,

2004).

Nas ltimas dcadas, o consumo de termoplsticos vem crescendo conforme

as demandas por produtos inovadores, e com o aumento do desenvolvimento de

peas e componentes em setores como o de eletrodomsticos, moveleiro e

automobilstico (LPEZ et. al, 2016). At que um produto final feito em material

termoplstico esteja pronto para comercializao, ele deve passar pelas etapas de

fabricao apresentadas na Figura 1.

Figura 1 Etapas do processo de fabricao de um produto termoplstico.

Fonte: Primria, 2017.

Atualmente, a engenharia de projetos de moldes de injeo tem garantido

grande preciso na fabricao destes componentes, tendo em vista a existncia de

ferramentas computacionais capazes de simular o processo de injeo de

termoplsticos, o que tem gerado resultados que auxiliam o desenvolvimento e a

execuo destes moldes (ZHUANG et al., 2016). Desta forma possvel,

desenvolver processos mais eficientes e produtos de melhor qualidade (GOMEZ-

LPEZ et al., 2013).

18

Para desenvolver projetos ou executar melhorias em moldes de injeo,

ferramentas do tipo CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided

Engineering) e CAM (Computer Aided Manufacturing) vm sendo utilizadas para se

avaliar computacionalmente o desempenho do processo. Os softwares CAD

dispem de modelos volumtricos em trs dimenses (3D) que possibilitam projetar

moldes de injeo, e permitem ter o acompanhamento do dimensionamento exato

de todas as medidas, cotas, estruturas etc (OLIAEI et al., 2016). Estas ferramentas

computacionais so as mais indicadas para esta tarefa, pois alm de auxiliarem e

facilitarem significativamente a construo de moldes de injeo, tambm reduzem o

tempo de desenvolvimento do projeto do molde (SOUZA, 2004; BEAUMONT, 2004).

De acordo com Blasio (2007), em casos nos quais empresas fabricantes de

moldes de injeo de termoplsticos no utilizam a engenharia de simulao como

ferramenta de projeto, as indstrias transformadoras de plsticos detectam falhas no

produto injetado somente depois de testar o molde fabricado. Essas falhas podem

ocorrer devido a um preenchimento incompleto das cavidades, ponto de alimentao

ou canais de injeo mal localizados, bolhas de ar, defeitos causados por

refrigerao inadequada das cavidades ou degradao do material injetado

(HARADA, 2004). Isso implica que o molde deve ser repensado e retrabalhado

recorrentemente at que o mesmo seja capaz de injetar peas sem falhas. O projeto

de moldes de injeo de termoplsticos pode ainda estar inapropriado para a

mquina injetora, ou at mesmo ao material injetado (MANRICH, 2013).

Estudos de simulao computacional do processo de injeo com defeitos

podem fornecer importantes informaes sobre os fatores causadores de ineficincia

de processamento (KIM e TURNING, 2004). Com base nas informaes geradas por

simulaes do processo injeo, alternativas de melhoria no projeto do molde ou at

mesmo do produto podem ser executadas para se aumentar a produtividade do

processo e minimizar a gerao de refugos.

Dentro deste contexto, neste estudo utilizou-se uma ferramenta de simulao

numrica do tipo CAE, o Solid Works Plastics, para estudar o comportamento de um

molde de injeo de termoplsticos utilizado na produo de copos em poliestireno

cristal (GPPS General Purpose Polystyrene) que, em condies normais de

operao, apresentava falhas de injeo no produto causadas principalmente pelo

no preenchimento total das cavidades em ciclo normal (baixa eficincia de injeo).

Este problema resultava na ineficincia de produo (elevados ciclos de injeo) e

19

grande gerao de refugos em uma empresa transformadora de plsticos da regio

de Joinville - SC. Anlises da influncia de alguns parmetros na eficincia do

processo foram realizadas e, com base nos resultados obtidos, modificaes no

molde foram propostas e executadas. Um estudo estatstico utilizando planejamento

fatorial foi desenvolvido depois das alteraes realizadas no molde com o objetivo

de identificar os principais parmetros de processamento que mais influenciam na

eficincia de injeo. A execuo do presente estudo ocorreu em parceria com uma

empresa transformadora de polmeros da regio de Joinville. A estruturao do

documento, com as principais etapas do desenvolvimento deste estudo, est

apresentada resumidamente na Figura 2.

Figura 2 Estruturao do trabalho.

Fonte: Primria, 2017.

De acordo com a Figura 2, a na fase inicial do trabalho realizado uma

introduo e sero mostrados os objetivos. Na segunda parte feita a

fundamentao do trabalho com a reviso bibliogrfica, seguida da metodologia

realizada no estudo. Em seguida so demonstrados os resultados com o

desenvolvimento do trabalho, encerrando com as concluses e referncias do

trabalho.

Fase Inicial

Introduo

Objetivos

Fundamentao

Assuntos Abordados

Referencial Terico

Metodologia

Problemtica

Anlise do Produto

Metodologia Experimental

Mtodo de Validao

Anlise Estatstica

Desenvolvimento

Resultados Experimentais

Simulaes

Proposta de Soluo

Validao

Otimizao do Processo

Consideraes Finais

Concluses

Referncias

20

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Avaliar experimentalmente e por simulao computacional o comportamento

do processo de injeo de copos em GPPS, visando identificar as causas da

ineficincia do mesmo e propor melhorias no projeto do molde para otimizar o

processo real e reduzir a gerao de refugos.

2.2 Objetivos especficos

Como este estudo envolve diferentes etapas, os seguintes objetivos

especficos foram definidos:

Analisar experimentalmente a influncia de parmetros do processo no

comportamento de um molde de injeo empregado na fabricao de copos

em poliestireno cristal (GPPS);

Identificar os fatores responsveis pelos problemas de preenchimento

ineficiente das cavidades do molde;

Simular o processo de injeo do GPPS no molde para copos utilizando uma

ferramenta CAE (Solid Works Plastics) para avaliao virtual do

comportamento do processo;

Validar o modelo matemtico usado nas simulaes utilizando dados

experimentais do processo;

Efetuar melhorias virtuais no projeto do molde utilizando o software CAD de

engenharia Solid Works, para reduzir a quantidade de refugos gerada;

Aplicar na prtica as alteraes propostas para melhoria do projeto do molde

de injeo;

Revalidar o modelo confrontando os resultados de simulao os obtidos no

processo industrial no qual o estudo est baseado;

Identificar os parmetros de injeo que possuem maior influncia na

eficincia de injeo empregando um planejamento experimental.

Mapear a faixa de valores dos parmetros de processo capaz de otimizar o

custo do processo de injeo do termoplstico poliestireno cristal (GPPS).

21

3 REVISO DA LITERATURA

No presente captulo ser apresentada uma reviso conceitual sobre os

materiais plsticos, o processo de injeo destes materiais, assim como os moldes

usados neste processo. Sero apresentadas ainda as ferramentas de simulao

comercialmente disponveis e que podem ser utilizadas para suportar o projeto de

moldes de injeo e avaliar o comportamento dos mesmos quando em operao.

3.1 Plsticos

Segundo Oswald et al. (2006), plsticos so materiais formados pela unio de

grandes molculas chamadas de cadeias polimricas. Essas cadeias so

constitudas por vrias molculas de monmeros ligadas entre si, que se repetem ao

longo da estrutura molecular do polmero. Os plsticos podem ser classificados de

distintas maneiras com relao suas caractersticas de processamento, estes

materiais podem ser classificados em termoplsticos e termorrgidos (CALISTER Jr.

e RETHWISH, 2012). Os termorrgidos so plsticos cuja rigidez no se altera com a

temperatura, diferente dos termoplsticos que amolecem e fundem-se quando

adequadamente aquecidos. Diferentemente dos termoplsticos, uma vez aquecidos

em altas temperaturas, os polmeros termorrgidos se decompem, no podendo ser

novamente fundidos e remoldados.

Pelo fato dos materiais plsticos terem densidade menor que os metais e as

cermicas, diversos setores industriais, como o de transportes, embalagens,

equipamentos esportivos e etc., tm investido constantemente no desenvolvimento

de peas plsticas que sejam capazes de substituir os tradicionais e mais pesados

materiais em diversas aplicaes, sem que as propriedades necessrias ao produto

final sejam comprometidas (ARAJO, 2010).

De acordo com a Associao Brasileira de Plsticos (ABIPLAST), somente no

ano de 2015, foram consumidas cerca de 7 milhes de toneladas de transformados

de plsticos no Brasil (Figura 3).

22

Figura 3 - Consumo de transformados plsticos no Brasil em milhes de toneladas.

Fonte: adaptada de ABIPLAST, 2016.

Conforme informaes da ABIPLAST (Figura 4), as resinas termoplsticas

com maior consumo em 2015 foram as poliolefnicas (PP e PE), seguidas pelo PVC.

Enquanto a maioria das outras resinas foi consumida em propores relativamente

equilibradas, com exceo do EVA.

Figura 4 Consumo dos plsticos no Brasil em 2015 por tipo de resina.

Fonte: ABIPLAST, 2016.

De acordo com a Figura 4, somente a resina de poliestireno representou 5%

do consumo total em 2015, que se comparada com os valores da Figura 3,

representa cerca de aproximadamente 350 mil toneladas de poliestireno.

7,12

7,42

7,01

7,81 7,79 7,92 7,93

7,75

6,99

6,8

7,05

7,3

7,55

7,8

8,05

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Milh

e

s d

e T

on

ela

da

s

Consumo de Transformados Plsticos ao Longo dos Anos

23

3.1.1 Poliestireno cristal de propsito geral (GPPS General Purpose Polystyrene)

O poliestireno, tambm chamado de PS, um polmero termoplstico que tem

uma estrutura molecular predominantemente amorfa. Apesar de ser um dos tipos de

polmeros menos utilizados como material de engenharia, principalmente devido a

sua fragilidade (WIEBECK e HARADA, 2004), bastante utilizado em outras

aplicaes, como em brinquedos, isolantes eltricos, partes de refrigeradores e

embalagens.

Em 2015, conforme dados da ABIPLAST, o PS representou 5% das

aplicaes de resinas plsticas no pas (Figura 4). Mesmo representando apenas

5% do consumo nacional em 2015, cerca de 350 mil toneladas de PS foram

industrializadas e transformadas em produtos (valor calculado com base no

consumo de transformados plsticos contido na Figura 3).

A maior parte do poliestireno produzido comercialmente obtida pelas

tcnicas de polimerizao em massa ou suspenso. O poliestireno cristal,

especificamente, produzido continuamente pela polimerizao em massa do

estireno iniciada termicamente (HARPER, 2000). O PS cristal conhecido

internacionalmente como GPPS (General Purpose Polystyrene), sendo

comercializado na forma de pellets de uma resina transparente ou em cores opacas

(JARM, 2012).

Algumas das principais caractersticas do GPPS incluem seu fcil

processamento, fcil colorao, baixo custo, elevada resistncia a cidos e lcalis,

baixa densidade e absoro de umidade, alm de baixa resistncia a solventes

orgnicos (NESTLE et al., 2007). Os processamentos usualmente empregados a

este termoplstico incluem a injeo, extruso e termoformagem.

3.2 Processo de injeo

De acordo com Tonolli (2003), a injeo um processo intermitente (no

contnuo), que segue uma sequncia de etapas que constituem um ciclo de injeo.

O polmero fundido s entra no molde de injeo quando ele se encontra fechado e

vazio. Na sequncia do ciclo, o molde preenchido de polmero aquecido e

devidamente amolecido/fundido, sob condies controladas de presso e

temperatura (THOMAZI, 2009; DAR, 2001). Depois do preenchimento e

24

pressurizao do molde, uma presso de compensao, tambm dita presso de

recalque, deve ser empregada para garantir que todos os espaos vazios da

cavidade do molde sejam adequadamente preenchidos pelo polmero (GUILONG et.

al, 2010). Concomitantemente, o molde resfriado por um sistema de refrigerao

interno para solidificar a pea. Em seguida, a pea plstica final, devidamente

resfriada e solidificada, ejetada da mquina injetora com a forma geomtrica da

cavidade do molde (KERZNER, 2002). A retirada do produto pode ser realizada por

extrao mecnica ou pneumtica. Na mecnica, o molde aciona os pinos extratores

para expulsar as peas de dentro das cavidades, e na pneumtica, a pea ejetada

por vlvulas que permitem a passagem de ar comprimido (MANRICH, 2013).

3.2.1 Mquina injetora

A mquina injetora possui um sistema capaz de amolecer, fundir,

homogeneizar e injetar o polmero fundido em um molde. Para isso, essa mquina

utiliza uma rosca recproca, que pode ser acionada por sistemas mecnicos,

eltricos, pneumticos e hidrulicos (CARNEIRO, 2006). Na Figura 5 apresentado

um esquema de uma mquina injetora, assim como as partes/peas/componentes

principais de funcionamento.

Figura 5 - Esquema de uma mquina injetora convencional.

Fonte: LESKO, 2004.

25

No esquema representado na Figura 5, os termoplsticos so introduzidos

pelo funil de alimentao e so empurrados pela rosca reciproca da injetora. No

meio deste percurso, as resistncias de aquecimento amolecem o polmero que

entra lquido nas cavidades do molde fechado. Em seguida, acionado o sistema de

refrigerao interna do molde que promove a solidificao do polmero. S ento as

cavidades se abrem e o processo de extrao promove a ejeo da pea pronta

(LESKO, 2004).

3.2.2 Ciclo de injeo

De acordo com Cruz (2002), o processo de injeo um processo contnuo,

mas sim processo intermitente, ou seja, contem etapas que compe o ciclo de

injeo. Nos ciclos de injeo existem estgios nos quais podem ocorrer paradas ou

eventos que s acontecem aps o trmino de um evento antecessor.

O ciclo de injeo subdividido em dois ciclos menores, um decorrente da

rosca recproca e outro decorrente do molde, sendo ainda os dois interdependentes

(OSSWALD; LIH-SHENG & GRAMANN, 2008). Na Figura 6 so representadas as

etapas de um ciclo de injeo completo em funo do tempo.

Figura 6 - Representao de um ciclo de injeo.

Fonte: Adaptada de KAZMER, 2007.

Conforme representado na Figura 6, o ciclo de injeo se inicia quando o

molde se fecha, em seguida a rosca reciproca empurra o polmero para o processo

de injeo das cavidades. Antes que do preenchimento se concluir, acionada uma

presso de recalque para que o polmero no retorne pelo canal de injeo, aps o

fim da injeo, o sistema de refrigerao acionado para iniciar a solidificao do

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ejeo do Produto

Abertura do Molde

Solidificao do Produto

Sistema de Refrigerao

Presso de Recalque

Processo de Injeo

Fechamento do Molde

Tempo (s)

26

polmero. Quando o molde se abre a pea pronta ejetada finalizando o ciclo de

injeo, que retorna a iniciar quando o molde se fecha novamente.

3.2.3 Parmetros de injeo

Para se obter um produto termoplstico injetado com qualidade,

extremamente importante utilizar valores adequados dos parmetros de

processamento. Estes parmetros variam inicialmente entre o tipo de molde e o tipo

de mquina injetora (BRITO et al., 2004). Entretanto, cada mquina possui limites

distintos, como a presso de fechamento do molde, o torque para giro da rosca, as

presses exercidas pelo pisto sobre a massa fundida, entre outras caractersticas.

O conjunto destes parmetros conhecido como parmetros de injeo (KAZMER,

2007).

3.2.3.1 Temperatura de injeo

Segundo Hassan e colaboradores (2010), a temperatura de injeo a

temperatura na qual o polmero entra nas cavidades do molde atravs do canal de

injeo. Porm, a temperatura do polmero fundido varia enquanto escoa pelo

caminho percorrido durante o preenchimento das cavidades. Quanto mais baixas

forem as temperaturas de injeo, maior ser a viscosidade da massa polimrica

fundida e, consequentemente, maiores sero as dificuldades de escoamento da

massa viscosa (BRETAS e DAVILA, 2000). Porm, se ele for processado em

temperaturas muito elevadas, o polmero sofre tenses residuais excessivas, o que

pode dificultar o escoamento do mesmo pelos canais das cavidades. Se o polmero

possuir elementos de pigmentao, esses elementos podem ser liberados na forma

de gases que atrapalham o escoamento do polmero e, consequentemente, o

preenchimento das cavidades do molde (BRITO et al., 2004).

3.2.3.2 Temperatura do molde

De acordo com Carneiro (2006), a temperatura do molde no momento de

preenchimento das cavidades est diretamente ligada aos canais de refrigerao.

Portanto, no projeto de um molde de injeo, o sistema de refrigerao deve ser

considerado para que haja uniformidade na temperatura do molde (CATIC et

27

al., 2006). Para minimizar os efeitos de contrao do polmero, recomendvel que

a diferena de temperatura entre o lado macho e a cavidade do molde no

ultrapassem 10 C (SACCHELLI, 2002).

3.2.3.3 Presso de injeo

Segundo Ptsch e Michaeli (2008), durante o preenchimento do molde, a

presso exercida pelo pisto sobre o material injetado conhecida como presso de

injeo. Esta presso dependente da viscosidade do material e da geometria da

pea. Ela tambm a presso necessria para preencher o molde. Desta forma, a

presso de injeo a mnima presso exercida para que o polmero preencha

totalmente as cavidades do molde (CUNHA, 2004)

Com temperaturas baixas de processamento, a presso de injeo pode

originar tenses internas na rea de entrada das peas injetadas, dificultando o

restante do caminho percorrido pelo polmero entre as cavidades. Com presses de

injeo muito altas, o excesso de presso pode produzir rebarbas na pea ou

bloquear o molde, de modo que o mesmo no possa ser aberto pela fora hidrulica

exercida no lado mvel do molde (BRETAS e DAVILA, 2000).

3.2.3.4 Presso de recalque

a presso aplicada aps a presso de injeo para que o material no

retorne para o bico injetor. Utiliza-se na presso de recalque presses menores que

a presso de injeo, evitando, desta forma, tenses internas no polmero e,

consequentemente, possveis falhas de injeo (FERNANDES et al., 2011).

3.2.3.5 Velocidade de injeo

A velocidade de injeo dada pela quantidade em volume que entra nas

cavidades do molde por meio do bico de injeo na fase de preenchimento (cm3/s).

Mesmo se tratando da vazo volumtrica do material que entra nas cavidades do

molde, esta conhecida como velocidade de injeo. Esta velocidade est baseada

no movimento do pisto da injetora (MALLOY, 2000).

28

3.3 Molde de injeo

O molde o principal componente de um processo de injeo, e suas

caractersticas influenciam de forma significativa o processo como um todo. Contudo,

para o bom desempenho deste processo, devem ser estabelecidas as condies

operacionais que melhor se adquem s demandas e caractersticas do produto

injetado, assim como deve ser feita uma avaliao de todos os benefcios futuros que

sero obtidos com a construo do molde (CORAZZA, 2012).

O molde de injeo deve ser fixado na injetora conforme as especificaes e

geometrias do equipamento. Estes fatores geomtricos devem ser cuidadosamente

analisados antes que o molde seja confeccionado, pois a empresa que fabrica o

molde geralmente no a mesma que efetuar a injeo do polmero para a

obteno da pea plstica moldada (FERREIRA, 2002).

3.3.1 Projeto de um molde de injeo de termoplsticos

Um molde de injeo de termoplsticos uma ferramenta muito complexa e

cara de ser fabricada, pois conforme a exigncia do produto a ser injetado, o mesmo

necessitar de diversas informaes de engenharia que devem ser levadas em

considerao (CRUZ, 2002). Existe certa complexidade na execuo do projeto de

um molde de injeo, pois as informaes da engenharia do molde so

fragmentadas em diversas reas, como por exemplo, o tipo da mquina injetora,

suas capacidades e dimensionamento, o tipo de produto e suas propriedades fsicas,

qumicas e mecnicas, alm do ciclo de injeo envolvido (SACCHELLI, 2007).

Um projeto bem dimensionado do molde de injeo e do produto a ser injetado

resulta na eficincia do processo de transformao. Sendo assim, parmetros como

tempo de ciclo, velocidade de injeo e presso de recalque, proporcionam a

qualidade dos produtos associados ao termoplstico a ser injetado (STEINKO, 2004).

3.3.2 Cavidades do molde

Um molde de injeo possui duas ou mais cavidades com o formato da pea

desejada. Para chegar at essas cavidades, o polmero deve percorrer os canais de

injeo, chegando at o ponto de injeo por onde ele ser alimentado nas

29

cavidades. Estas cavidades geralmente so construdas de ao-ferramenta, mais

endurecido que os demais aos utilizados nas outras peas do molde de injeo. Em

certas ocasies, estes aos ferramenta recebem um tratamento trmico especfico

para que melhorem suas propriedades mecnicas, pois um molde de injeo

submetido a altas presses, e ciclicamente isto pode desgastar as reas de

fechamento do molde (DIMLA, 2005). Para produzir estas cavidades, preciso um

estudo de engenharia detalhado, pois uma nica cavidade envolve vrios processos

como: preenchimento, injeo, refrigerao, extrao, fechamento e fixao

(SACCHELLI, 2007).

3.3.3 Ponto de injeo

O ponto de injeo influencia vrios fatores. Primeiramente, quanto mais

estreita for rea de entrada, menor deve ser a marca deixada na pea acabada.

Porm, a massa polimrica tende a cisalhar muito quando flui dos canais at o ponto

de injeo (SMITH et. al, 2008). A dimenso do ponto de injeo deve ser

proporcional ao tamanho da pea, a espessura das paredes e tambm funo

direta do polmero injetado. Porm, materiais com tendncia degradao trmica

devem ter pontos de injeo mais amplos, como o caso do PVC e de outros

polmeros de engenharia (MANRICH, 2013).

3.3.4 Materiais (ao P20)

Cada tipo de molde de injeo fabricado de acordo com o material

selecionado (ao ferramenta), conforme a necessidade do produto. O ao P20 um

ao ferramenta usado em grande escala na construo de cavidades de moldes de

injeo (SANTANNA, 2011).

A American Iron and Steel Institute (AISI) classifica os aos ferramenta para

moldes com o smbolo P. Sua composio principal cromo-nquel-molibidnio (Cr-

Ni-Mo), fabricado por degaseificao a vcuo, tempervel e com dureza na faixa de

30-34 HRC. A Tabela 1 rene as principais propriedades do ao P20.

30

Tabela 1 - Propriedades do ao P20.

Propriedade Valor

Densidade (mg/m) 7,80

Calor especfico (J/kg.K) 460

Condutividade trmica (W/m.K) 29

Coeficiente de expanso trmica (K-1) 12 x 10-6

Mdulo de elasticidade (GPa) 200

Fonte: BARETA et al., 2007.

O ao P20 muito utilizado por sua eficaz usinabilidade e soldabilidade, alm

de ter uma boa uniformidade e dureza tanto no estado recozido quanto beneficiado.

Por isso, ele alcanou o patamar de ao mais vendido para fabricao de moldes no

Brasil, chegando a mais de 80% dos casos, tendo ainda qualidade e melhor relao

custo/benefcio no projeto de moldes de injeo (MACHADO, 2006).

3.3.5 Avano da frente de enchimento

O avano da frente o caminho que o polmero percorre durante o

preenchimento da cavidade do molde. Existem pontos nos quais o polmero escoa

mais rapidamente e outros que ele leva certo tempo para percorrer. Desta forma, o

avano da frente de enchimento influenciado pela espessura da parede das

cavidades, temperatura de injeo e pela velocidade de injeo (KOVACS &

BERCSEY, 2005).

3.3.6 Camada congelada

A camada congelada a espessura do polmero congelado em contato com a

parede do molde. Este fenmeno ocorre pela perda de calor atravs do sistema de

refrigerao do molde (CHEN et. al, 2009). Durante o escoamento do polmero, no

podem ocorrer altos valores de temperatura na camada congelada, pois isto indica

que existe uma alta resistncia do fluxo, podendo afetar o tempo de injeo,

aumentar a presso de injeo e modificar as propriedades da pea (CATIC, 2006).

3.4 Falhas de injeo

Segundo Blasio (2007), existem trs principais causas que provocam falhas

31

de injeo: mquina, molde ou material injetado. Cada fator pode ter at dezenas de

causas associadas, ou ainda pode ter uma soma de fatores diferentes. Essas falhas

podem ocorrer devido a um preenchimento incompleto das cavidades, rechupe,

linhas de solda, tenses residuais, ponto de alimentao ou canais de injeo mal

localizados, bolhas de ar, defeitos causados por refrigerao inadequada das

cavidades ou degradao do material injetado (MOAYYEDIAN; ABHARY e MARIAN,

2015).

3.4.1 Aprisionamento de gases

O aprisionamento do ar ocorre quando a cavidade do molde tem paredes

finas e espessas em vrias reas do produto, favorecendo o preenchimento das

paredes espessas e dificultando a passagem do polmero nas regies mais finas

(SACCHELLI, 2002).

Como o ar se encontra comprimido dentro das cavidades do molde,

dependendo da presso e da velocidade de injeo, pode ocorrer a queima ou a

degradao do material (carbonizao). Quando as cavidades do molde contm

alguma gravura ou canal em sua geometria, mesmo sendo no incio do caminho do

escoamento percorrido pelo polmero, estes perfis rebaixados (gravuras) podem

desencadear o aprisionamento de gases, dificultando o processo de injeo e

ocasionando bolhas como falhas de injeo (GOODSHIP, 2010). Na Figura 7

demonstrado como estas bolhas se formam com o avano da frente de fluxo em

regies com gravuras, e atrapalham a eficincia processo de injeo.

Figura 7 Esquema da formao de uma bolha de ar devido presena de um obstculo (gravura) no percurso do polmero.

Fonte: GOODSHIP, 2010.

A ineficincia de injeo e a formao de bolhas tambm so a

consequncia de situaes nas quais o polmero injetado em altas temperaturas,

32

pois o ar quente se mistura com o polmero homogeneizado. Nestes casos, aps a

pea estar totalmente solidificada, as bolhas aprisionadas s sero perceptveis em

peas confeccionadas com polmeros transparentes (MANRICH, 2013).

3.4.2 Tenses residuais

Quando o polmero submetido a altas presses e temperaturas de injeo,

estas condies geram elevadas tenses resultantes da frico entre as camadas de

material que escoam, conhecidas como tenses residuais (STRONG, 2005). As

tenses residuais so decorrentes de acomodamento inapropriado das

macromolculas em um espao determinado, o que reduz as propriedades fsico-

mecnicas, trmicas e qumicas. Tendendo a atrapalhar inicialmente o escoamento,

fazendo uma fora contrria frente de fluxo, estas tenses tambm ocorrem

quando as paredes internas da cavidade do molde esto com temperaturas

prximas as da massa polimrica. Alm disso, este fenmeno tambm pode ser

decorrente de baixas temperaturas de processamento, ou pelo uso de baixas

temperaturas da parede do molde (XIAO; HUANG e YANG, 2016). Nestes casos, a

camada do material que entra em contato com estas paredes resfria e se solidifica

muito rapidamente, no dando tempo para que as macromolculas se acomodem

adequadamente.

3.4.3 Refugo

Refugo considerado como sendo todo o material inutilizvel resultante de

um processo de produo. Uma vez que este material esteja fora das especificaes

e das caractersticas de produto, impossibilitando assim a continuidade do processo

ou comercializao, ele considerado refugo. A vantagem dos materiais

termoplsticos, que quando uma pea considerada refugo, esta pode ser

incorporada ao processo e reprocessada (JARM, 2012).

3.5 Propriedades e caractersticas dos polmeros fundidos

Sabe-se que todos os materiais fluem, uns mais facilmente do que os outros,

necessitando de pouco tempo e energia para isto, enquanto outros podem

33

necessitar de grandes quantidades de energia e um longo perodo para se

deformarem e flurem (LAKKANA, KUMAR e KADOLI, 2016). Na deformao de

cada tipo de material, comportamentos especficos se manifestam, podendo estes

serem elsticos, viscosos, viscoelsticos e viscoinelsticos. No caso dos polmeros

fundidos, por exemplo, a maioria destes se comporta como fluidos viscoelsticos

(tanto no estado slido como lquido), podendo ainda apresentar comportamentos de

fluidos pseudoplsticos (MANRICH, 2013).

3.5.1 Reologia

De acordo com Bom e Lees (2008), a reologia estuda o fluxo e a deformao

da matria, analisando respostas para possveis tenses e deformaes de

materiais indiferentes de seu estado fsico. A massa molar, assim como a

distribuio da massa molar so propriedades que afetam diretamente o

comportamento reolgico do polmero durante seu processamento, assim como

suas propriedades mecnicas finais (FARIAS, 2014). Os materiais polimricos

podem ser considerados um tipo especial de material, pois apresentam ao mesmo

tempo caractersticas de materiais slidos e lquidos (BRETAS e DAVILA, 2000).

3.5.2 Viscoelasticidade

A viscoelasticidade um comportamento correspondente deformao

ocasionada pelas tenses exercidas durante o escoamento de fluidos. No caso dos

polmeros fundidos, no momento do escoamento, o material deformado se torna

menos viscoso com o aumento das tenses, ou seja, o corpo deforma e no

recupera a deformao sofrida depois de retiradas as tenses (GOODSHIP, 2010).

Em contrapartida, seu comportamento elstico retorna normalmente depois de

removidas as tenses. Estes dois tipos de comportamento dos polmeros ocorrem

simultaneamente (MANRICH, 2013).

3.5.3 Viscosidade

Segundo Strong (2005), a viscosidade a resistncia ao fluxo ou

deformao exercida pelo material quando submetido a um escoamento. Um fluido

Newtoniano tem viscosidade constante em temperaturas e presses constantes.

34

Entretanto, a viscosidade no constante se as estruturas intermoleculares do

sistema forem alteradas pela ocorrncia de fluxo, ou pela dimenso da energia

geradora do fluxo ou deformao (FOX et al., 2014).

Quando a viscosidade diminui com o aumento da tenso ou da taxa de

cisalhamento, este fluido denominado pseudoplstico, amolecendo com o aumento

do cisalhamento devido a novos rearranjos moleculares (XIAO; HUANG e YANG,

2016). Quando polmeros so submetidos a um processo de injeo, a

reestruturao das cadeias polimricas ocorre devido orientao das mesmas no

sentido do fluxo, o que diminui as barreiras oriundas dos perfis das cavidades nas

interaes entre elas, facilitando o escoamento (MANRICH, 2013).

3.5.4 ndice de fluidez

O ndice de fluidez (IF) uma medida que controla a qualidade da matria

prima dos polmeros, servindo tambm como padro para classificar as resinas de

polmeros termoplsticos quanto ao seu processamento (TELLES, 2001). Para medir

o IF dos polmeros, estes so colocados em um barril aquecido com um pisto

acionado com um peso padro, no qual o polmero escoa por um capilar

padronizado. O valor de IF a massa que flui pelo capilar durante 10 minutos

(MANRICH, 2013). O ndice de fluidez inversamente proporcional viscosidade do

polmero, ou seja, valores baixos de IF esto relacionados a valores altos de

viscosidade do polmero naquela temperatura e taxa de cisalhamento (SALVADOR e

COSTA, 2007).

3.5.5 Tenso de cisalhamento

Segundo Calister e Rethwish (2012), quando o polmero forado a passar

entre as paredes de um duto (cavidade), a velocidade do escoamento junto da

parede pequena, e aumenta medida que o polmero se aproxima do centro. O

polmero, quando escoa, se comporta como um composto de camadas, e estas

camadas deslizam umas sobre as outras. Para que ocorra o deslizamento de uma

camada sobre a outra, estas devem vencer uma tenso que conhecida como

tenso de cisalhamento (BARETA et al., 2007).

35

3.5.6 Taxa de cisalhamento

A taxa de cisalhamento definida como a variao de velocidade das

camadas em relao distncia entre essas camadas, ou seja, reflete o quanto o

polmero se deforma durante um determinado tempo (MANRICH, 2013). Esta

propriedade est relacionada tenso de cisalhamento a partir da viscosidade. Em

lquidos em que a viscosidade no varia com a temperatura (fluido Newtoniano), a

tenso de cisalhamento diretamente proporcional taxa de cisalhamento

(CARNEIRO, 2006). Na Figura 8 mostrada uma representao da fora da rosca

da injetora atuando sobre um polmero, resultando na taxa de cisalhamento.

Figura 8 - Fora de cisalhamento resultante do escoamento de um polmero.

Fonte: Adaptada de MANRICH, 2013.

No processo de injeo, o polmero sofre uma variao de taxa de

cisalhamento (), e esse comportamento pode ser representado pela lei das

potncias. Resumidamente, os polmeros fundidos somente apresentam

comportamento Newtoniano quando esto escoando em taxas de cisalhamento

muito baixas (baixas presses de processamento, 0), ou quando as taxas de

cisalhamento so extremamente elevadas (altas presses de processamento,

). As taxas de cisalhamento dos polmeros no momento da injeo no so

constantes e, por isso, o escoamento ocorre com comportamento no-Newtoniano

(BRETAS e DAVILA, 2000).

3.6 Simulao numrica aplicada a processos de injeo

A simulao numrica tem como principal objetivo avaliar o comportamento

de determinado processo e a influncia das variveis deste de forma virtual. Com

base nos resultados de simulao, possvel antecipar quaisquer problemas de

processos e produtos ainda em suas fases iniciais de desenvolvimento. Isso permite

36

que alteraes de projeto possam ser realizadas com baixo custo e, desta forma,

evitam-se futuros problemas de ajustes do projeto acabado mediante tcnicas

empricas de tentativa e erro (NISHIMOTO, 2001).

Para que seja possvel simular um processo, necessrio modelar

matematicamente todos os fenmenos envolvidos no sistema, o que usualmente

resulta num conjunto de equaes diferenciais. A soluo numrica destas

equaes diferenciais gera um conjunto de dados numricos que devero ser

posteriormente confrontados com dados reais/experimentais para que o modelo

desenvolvido possa ser validado (FRANKFURT, 2008).

Os pacotes de simulao comercialmente disponveis discretizam o domnio

do problema em uma infinidade de elementos volumtricos, nos quais as equaes

diferenciais devero ser numericamente integradas e resolvidas de forma a produzir

resultados condizentes com a realidade (ROCCA, 2000). Atualmente, a simulao

da injeo de termoplsticos, por auxiliar de maneira significativa no

desenvolvimento de projetos de moldes, tem sido uma ferramenta muito utilizada por

vrias indstrias fabricantes de moldes para otimizar o processo de fabricao ainda

na fase inicial (OLIAEI et al., 2016).

Algumas empresas do segmento de transformao de plsticos que

produzem peas para as indstrias automotivas e eletroeletrnicas exigem que as

empresas contratadas do setor metal-mecnico que fabricam os moldes de injeo,

utilizem a simulao numrica da injeo dos termoplsticos, pois entende-se que a

simulao ferramenta fundamental para reduzir custos e prazos de fabricao do

molde (NISHIMOTO, 2001).

3.6.1 Pacotes comerciais - Simuladores de processos de injeo de termoplsticos

Existem diversos pacotes comerciais que contm ferramentas tipo CAE

capazes de realizar a simulao numrica do processo de injeo de termoplsticos.

Os softwares C-mold, Moldex e o Moldflow figuram entre os mais conhecidos e

utilizados destes pacotes. O software Solid Works sempre se destacou por ser uma

excelente ferramenta CAD para a execuo de desenhos e projetos detalhados de

mquinas e equipamentos. Desde 2013, o Solid Works apresenta um pacote de

simulao do tipo CAE embutida dentro do prprio software CAD, capaz de simular

a injeo de termoplsticos em moldes de injeo, conhecido como Solid Works

37

Plastics (MOAYYEDIAN; ABHARY e MARIAN, 2015). O acoplamento de

ferramentas CAD e CAE num mesmo software favorece o usurio, pois no existe a

necessidade de elaborar em um software especfico a geometria do domnio a ser

simulado e, posteriormente, transferi-la para outro software para executar a

simulao. Alm disso, quando houver a necessidade de alterao do projeto, o

usurio no depende de outro software para executar as mudanas e as simulaes.

As alteraes previstas podem simplesmente ser realizadas diretamente na

mesma janela de CAD. Outra caracterstica importante a facilidade para realizar

simulaes, pois com apenas poucos comandos possvel executar a simulao de

um processo de injeo. Um ponto chave para esta praticidade o grande banco de

dados de materiais inseridos na ferramenta, o que facilita significativamente a

rapidez e a preciso das simulaes.

3.6.2 Modelo matemtico utilizado pelo Solid Works Plastics

O Solid Works Plastics realiza a simulao da injeo de termoplsticos nas

cavidades dos moldes calculando simultaneamente as equaes da conservao de

massa, energia e de movimento. Para executar estes clculos na fase de

preenchimento das cavidades, preciso assumir um fluxo no-isotrmico de um

fluido no-Newtoniano, tendo como base as equaes de conservao. Estas

equaes, nas suas formas gerais, so apresentadas a seguir (SOLIDWORKS,

2016).

Equao da conservao de massa:

( ) (1)

Equao da quantidade de movimento:

[ ] [ ] (2)

Equao da quantidade de energia:

*

+ ( ) (

) ( ) (

) (3)

Em que:

- densidade (kg/m3)

- velocidade (m/s)

38

t - tempo (s)

P - presso (Pa)

- tenso de cisalhamento (Pa)

g - acelerao da gravidade (m/s2)

Cv - calor especfico em volume constante (J/kg.K)

T - temperatura (K)

q - fluxo de calor (W)

Usualmente, as seguintes hipteses so assumidas para se conduzir

simulaes de processos de injeo de termoplsticos:

a) escoamento laminar;

b) foras gravitacionais desprezveis;

c) fluxo de calor expresso pela lei de Fourier:

(4)

onde o fluxo de calor proporcional ao gradiente de temperatura, e k a

condutividade trmica (W/m.K);

d) densidade, calor especfico e condutividade trmica podem ser considerados

constantes;

e) escoamento quasi-estacionrio: devido ao nmero de Reynolds caracterstico

do processo de injeo ser muito baixo, os efeitos convectivos provenientes

da equao de quantidade de movimento podem ser desprezados.

Baseando-se nessas hipteses, pode-se fazer as seguintes ponderaes para

cada equao:

Equao da conservao de massa;

(5)

Equao da quantidade de movimento;

[ ] (6)

Equao da quantidade de energia;

(7)

Na equao da quantidade de energia (Equao 7), o calor especfico

presso constante (CP) substitui o calor especfico a volume constante (CV) pelo fato

destes valores serem iguais em casos de fluidos incompressveis. Consideram-se

tambm as equaes de estado reolgico, que relacionem a tenso de cisalhamento

39

( ) com a taxa de deformao. Como o escoamento no processo de injeo

cisalhante, a propriedade reolgica relevante a viscosidade em regime permanente

de cisalhamento (), desprezando as tenses normais e os efeitos elsticos.

A taxa de cisalhamento inicial ( ) pode ser calculada de acordo com o ndice

de fluidez do polmero, sendo:

(

) (8)

Contudo, como base de simulao, utilizada a equao da lei das potncias

na equao da conservao da quantidade de energia:

(9)

Onde:

a viscosidade do polmero (Pa.s)

a taxa de cisalhamento exercida pela tenso de cisalhamento (s-1)

Considerando que o escoamento quasi-estacionrio ocorre por paredes

estreitas, a Figura 9 demonstra a representao dimensional base dos modelos

matemticos inseridos no software Solid Works Plastics.

Figura 9 - Representao de uma cavidade retangular e seu domnio, como base das simulaes exercidas pelo software Solid Works Plastics.

Fonte: Adaptada de SOLIDWORKS, 2016.

Desta forma, as equaes simplificadas, inseridas no modelo usado para

retratar o comportamento do preenchimento das cavidades de um molde so:

Equao da conservao da massa;

(10)

Equao da conservao da quantidade de movimento;

(

) (

) (11)

40

Equao da conservao de energia;

(

)

(12)

Equao da fluidez;

(13)

Equao do gradiente de presso;

(

)

(

) (14)

Equao das velocidades no eixo x;

( )

(15)

Equao das velocidades no eixo y;

( )

(16)

Equao da taxa de cisalhamento;

(

) (

)

(17)

Em que:

S a fluidez do polmero (m3.s/kg);

Q a vazo mssica (kg/s).

As condies iniciais e de contorno usadas pelo modelo matemtico

implementado no software so dadas por:

a) no ponto de injeo (x = 0) a presso inicial dada pela presso de injeo, e

a temperatura uniforme e igual temperatura de injeo, no qual o

escoamento dado por:

( ) ( ) (18)

( ) (19)

b) nas paredes do molde, a velocidade e a presso so nulas na chamada

camada congelada, portanto:

(20)

( ) (21)

( ) (22)

41

( ) (23)

Para resolver as equaes das presses no processo de preenchimento do

polmero, o Solid Works Plastics resolve as equaes pelo mtodo dos elementos

finitos por meio de elementos triangulares. A Figura 10 demonstra um exemplo de

elementos criados a partir de ns.

Figura 10 - Malha de elementos finitos.

Fonte: MALISKA, 2004.

Neste mtodo dos elementos finitos, as derivadas so aproximadas para cada

elemento, criando equaes algbricas aproximadas. As equaes so geradas em

um domnio e um sistema de equaes que criado para resoluo dos valores

(MALISKA, 2004).

Na equao da energia utiliza-se o mtodo das diferenas finitas, onde

utilizada a expanso de srie de Taylor para as aproximaes das derivadas. A

conveco e a viscosidade so tratadas de forma explcita, ou seja, os resultados

calculados no termo anterior so tratados como termo fonte (SOLIDWORKS, 2016).

O avano da frente de fluxo determinado utilizando o mtodo de volume de

controle, onde para cada n um volume associado (SOLIDWORKS, 2016). Estes

volumes so formados por polgonos obtidos pela unio de pontos mdios dos lados

de cada elemento triangular com seu centroide (MALISKA, 2004). Quando a

equao de presso calculada, estimada a vazo em cada n, de forma que a

frente de avano pode ser calculada. Como o incremento no tempo conhecido,

testa-se se o n est cheio de fluido viscoso para a frente avanar. Quando a

temperatura do polmero for menor que a temperatura de solidificao, ento a

frente de fluxo termina de avanar (SOLIDWORKS, 2016).

42

3.7 Estado da arte

O principal objetivo de qualquer da simulao de processos de injeo,

antecipar possveis problemas na fase inicial da elaborao de uma pea, no qual a

modificao do projeto ainda representa pouco investimento e nenhum atraso na

data de lanamento do produto. Dentro deste contexto, foram desenvolvidos

diversos estudos cientficos que utilizaram a simulao numrica com o objetivo de

estudar e compreender processos de injeo, e resolver problemas relacionados a

estes processos.

Kim e Turnig (2004), atravs de estudos e simulaes realizadas,

comprovaram que a temperatura do molde tem grande influncia na eficincia de

injeo. Com um sistema de aquecimento do molde contendo resistncias eltricas

e canais de refrigerao para passagem de gua, obtiveram o controle da

temperatura do molde para controlar o fluxo de calor gerado entre as cavidades e o

polmero, mapeando faixas de valores em que a temperatura da parede facilitava o

escoamento do polmero.

Estudos realizados por Xiao et al. (2016), demonstram que em altas

temperaturas de processamento, os elementos de pigmentao adicionados para

conferir colorao aos polmeros so liberados na forma de gases. Estes gases

acabam aprisionados nas cavidades, interferindo diretamente no fluxo de

escoamento do molde. A Figura 11 ilustra como os gases interferem na frente de

escoamento, se misturando com o polmero homogneo.

Figura 11 - Aprisionamento de gases oriundos dos compostos usados para pigmentao.

Fonte: Adaptada de KIM e TURNING, 2004.

43

De acordo o esquema apresentado na Figura 11, em altas temperaturas de

processamento, os polmeros tendem a liberar mais gases que os j existentes, e

quando no possuem uma liberao adequada, acarretam em falhas de ineficincia

de injeo.

Lpez et al. (2016) executaram um estudo de caso em um molde com

geometrias complexas. Eles aplicaram um mtodo no qual alteravam os parmetros

de injeo e mensuravam as massas das peas injetadas do produto para obteno

de uma mdia ponderada. Foram mensuradas as massas injetadas do produto

variando-se a temperatura e a presso de injeo. Com base nestes experimentos,

tabelas com as mdias das massas injetadas em funo de cada parmetro de

injeo foram elaboradas. A partir dos resultados coletados, mapeou-se a faixa de

valores dos parmetros de processo estudados nas quais a maior mdia mssica do

produto foi obtida e, com isso, melhoraram a eficincia do processo.

Oliaei et al. (2016) realizaram simulaes no software Moldflow com objetivo

de minimizar as exageradas contraes em um molde de injeo de colheres

injetadas com polmeros biodegradveis. Nas simulaes, buscou-se alterar os

parmetros de injeo (temperatura do molde, presso e temperatura de injeo)

com objetivo de minimizar as contraes dos materiais. Outro parmetro estudado

pelos autores foram os canais de refrigerao, sendo executadas simulaes

avaliando-se a distncia entre os canais de refrigerao em relao s paredes das

cavidades das colheres. A Figura 12 ilustra o comportamento da contrao do

material poli(cido lctico) (PLA), com os canais de refrigerao agindo sobre as

cavidades do molde de injeo.

Figura 12 Contrao do PLA, com atuao dos canais de refrigerao.

Fonte: Adaptada de OLIAEI et al., 2016.

44

De acordo com a Figura 12, ao trmino do ciclo de injeo, que durou 33,55

segundos, o PLA teve pontos (base dos cabos das colheres) onde as contraes

atingiram o pico mximo de 9,724%. Com mudanas de parmetros de injeo,

somadas a mudanas dos canais de refrigerao, Oliaei et al. (2016) reduziram as

contraes para 5,071%, demonstrando a importncia de um estudo de simulao

previamente elaborao do molde de injeo.

Moayyedian et al. (2015) utilizaram o CAD Solid Works para realizar uma

melhoria de projeto moldes de injeo que utilizam canais de injeo sem cmara

quente com o objetivo de reduzir as sucatas geradas por estes tipos de moldes. Eles

simularam o escoamento dos dois canais projetados, utilizando o mdulo CAE do

Solid works Plastics para calcular a velocidade de escoamento e o tempo de

preenchimento das cavidades antes e depois das alteraes realizadas.

Inicialmente, foram projetadas duas cavidades circulares planas de espessura

de 1,0 mm, com o canal de injeo padro (seo transversal circular). Como estes

canais so quebrados depois da injeo, virando sucata (modos e reprocessados),

os autores projetaram e desenvolveram um canal de injeo com o volume reduzido,

utilizando uma seo transversal elptica para os canais. A Figura 13 demonstra o

resultado das simulaes executadas pelo software Solid Works Plastics.

Figura 13 - Tempo de preenchimento: a) canal de injeo com seo transversal redonda, b) canal de injeo com seo t

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