Processos de Engenharia de Materiais 4
Processamento de Termoplásticos
1. Introdução •
Definição
•
Fatores que influenciam o processamento de polímeros
•
Processamento de Termoplásticos
•
Moldagem por extrusão
•
Moldagem por injeção
•
Termoformação
•
Sopro
•Bibliografia •Morton-Jones D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, 1993.
•Oswald T. A Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser Publishers
CONCEITOS FUNDAMENTAIS Estrutura atômica arranjo eletrônico, composição
Estrutura
Arranjo atômico estrutura cristalina ou amorfa. Microestrutura - tamanho e formado dos grão, esferulitos, cristais únicos poliméricos.
Extrusão Injeção Calandragem
Macroestrutura
Termoformagem Compressão Moldagem por transferência
Aplicações
Mecânicas óticas densidade
Processamento
Propriedades
térmica elétrica química
Condições de processamento
Introdução à Materiais Poliméricos • • • • • • • •
Definição Classificação dos Polímeros Estrutura molecular Propriedades mecânicas Termoplásticos e termofixos Cristalinidade de polímeros Morfologia Peso Molecular e Distribuição de Peso Molecular Métodos de Preparação • Conceito de reciclagem • Referência bibliográfica: • F. Bilmeyer, Textbook of Polymer Science, Ed. Wiley, 2 ed. 1971. • E. B. Mano, Introdução a Polímeros, Ed. Edgard Blucher, 1985. • Sebastião Canevarolo Jr., Ciência dos Polímeros Um texto básico para tecnólogos e engenheiros, ed. Artliber, 2002.
Vantagens e Desvantagens do emprego de polímeros em Engenharia Vantagens Facilidade de conformação Menor densidade Alta Resistência à corrosão Isolação elétrica Isolação térmica Baixa permeabilidade a vapores
Desvantagens Baixa resistência Instabilidade dimensional Baixa resistência térmica Degradação Dificuldade de recuperação de peças Baixa resistência química Baixa resistência à intempéries
Transparência Problema de queima (liberação de gases tóxicos)
Propriedades Mecânicas de Alguns Materiais
43,5
Metais
Liga de cobalto
Compósitos
Aço de AR
Epoxi/FC 29,0
Ligas de aço
Epoxi/Kevlar
Tensão
Ligas de Cu-Be Ligas de Niquel
(MPa)
Ligas de Titãnio
Cerâmicas 14,5
SiC
Poliimida/FC
Si3N4
Ligas de Alumínio Ligas de Zinco
Polímeros Nylon Polietileno
ZrO2 Al2O3
Poliester/FV
Resumo do Comportamento mecânico de Metais, Cerâmica e Polímeros:
Tipo de Material
σ Tração
Fratura
Módulo
Impacto
Fadiga
Cerâmica
Média
Frágil
Alto
Baixa
Alta
Metais Polímeros Compósitos
Alta Baixa Alta
Dúctil D/F Dúctil
Alto Baixo Alto
Alta alta
Baixa Média alta
Propriedades Físicas Propridade Física
Material
Densidade (g/cm3)
Polímeros – 0.9 –1.4 Metais – 2.5- 10 Cerâmicas – 3.4 – 6
Condutividade Elétrica (S/cm)
Polímeros – 10-19 – 10-12 Cerâmicas – 10-17 – 10-12 SiC 10-1 a 10-2 B4C – 1 a 2 Metais – 105 Polímeros – 10-4
Condutividade Térmica (Cal/cm.s.K)
Cerâmica – 10-1 a 10-4 Metais – 0.5 a 0.05
Corrosão
Polimeros - Alta Cerâmicos – Alta Metais – Baixa
Resitência à Intempéries
Polímeros – Baixa Cerâmicos – Alta Metais – Alta
Propriedades Óticas
Pol. amorfos - Transparentes Polímeros semi-crist. opacos
Condutividade Elétrica de Alguns Materiais 108
Metais P
104
Semi-Condutores
1
Cerâmicas
Condutividade elétrica 10-4 (S/cm)
10-8 10-12 10-14
tijolo de sílica
Polímeros Fenol Formaldeído Nylon, Borracha Teflon
10-16 10-20
Polietileno
Cristais SiO2 Al2O3 Diamante Vidro de SiO2
Germânio Silício
O L Í M E R O C O N D U T O R
Cu Alumínio Ferro Aço
Tipo de Material
Aplicações
Propriedades
Cobre
Fio elétrico
Alta condutividade elétrica, boa flexibililade
Ferro cinza
Bloco de motores de automóveis
Boa resistência à temp, à vibração
Ligas de Aço
Quadro de bicicleta
Excelente propriedades mecânicas
SiO2-Na2O-CaO
Vidro
Boas prop. óticas e térmicas
Al2O3, MgO, SiO2
Refratários para moldes metálicos
Isolante térmico, Alta temperatura de fusão,material inerte
Titanato de Bário
Transdutores para aparelhos eletrônicos
Prop. Piezoelétrica –transformação de energia mecânica em elétrica
GaAs
Sistemas de fibra ótica
Converte sinal elétrico em luz
Silício
Transistores e circuitos integrados
Comportamento elétrico
Metais
Cerâmicas
Semicondutores
Polímeros e compósitos poliméricos Polietileno
Embalagem de alimentos
Filme fino, flexível e transparente
Epoxi
Encapsulamento de circuitos integrados
Bom isolamento elétrico eboa resit. À intempéries
Epoxi-fibra de carbono
Componente aeronáuticos
Alta resistência, baixo peso
ESTRUTURA MOLECULAR NO ESTADO SÓLIDO
Amorfo
Semicristalino
Tg
Tg e Tm
Estrutura esferulítica de um polímero resfriado a partir do fundido
Relação Estrutura - Propriedades - Processamento Em Polímeros Semicristalinos
Morfologia dos Cristais
Método de Obtenção
Parâmetros Estruturais Fração volumétrica de cristais (Vc)
Esferulito
Resfriamento a partir do fundido Tamanho do Cristal (Tc)
Controle dos Efeito nas Parâmetros de Propriedades Processamento Mecânicas Maior Menor rigidez velocidade de menor módulo resfriamento Maior Menor Vc Tenacidade Maior velocidade de resfriamento Menor Tc
maior tenacidade, maior resistência mecânica
Efeito nas Efeito nas Dimensões Propriedades das Peças Óticas menor densidade, maior maior transparência volume livre Nenhum
maior transparência
Técnicas de processamento de polímeros
Termoplástico
Elastômero
Termofixo
Temperatura
Reação química
e pressão
substância de Baixa MM
Solúveis e fusíveis
Polímero reticulado
Re-processados Temperatura de uso restrita a Tg/Tm Reciclagem
Insolúvel e infusível maior estabilidade dimensional
Termofixos ou termorígidos
Rede tridimensional
Reologia - Ciência que estuda o fluxo e a deformação da matéria
Fluido de lei das potências
η = m γn-1 m - é a consistência n índice da lei das potências η - viscosidade
Variação da viscosidade de termofixos durante o processamento
tempo gel
Resina epoxi
Moldagem por injeção Características do processo
• Processo empregado para termoplásticos ou termofixos; •Produção de peças pequeno a grande porte;
•Processo intermitente, alta produção, peças com excelente acabamento superficial e de formatos complexos, custo de mão-de-obra é relativamente baixo, o processo pode ser automatizado, peças requerem pouco ou nenhum acabamento e as peças podem ser moldadas com insertos metálicos Os moldes são muito caros, a qualidade das peças é depende dos parâmetros de injeção; •Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.
Máquinas de moldagem por injeção Êmbolo
Os elementos da Unidade de Injeção são : - Funil de Alimentação; - Canhão (Cilindro); - Válvula de Não-Retorno (na extremidade da rosca); - Bico de Injeção; - Aquecimento do Canhão; -Guia e Acionamento da Unidade de Injeção.
Máquinas de moldagem por injeção por parafuso
Principais Elementos de Injetoras Horizontais
Em geral, as máquinas de moldagem de injeção consistem de quatro entidades funcionais: 1.
Unidade de Injeção
2. Unidade de Fechamento 3. Acionamento Hidráulico 4. Sistema de Controle
Relação L/D da rosca pequena: Rosca (Parafuso) -menor tempo de residência no cilindro, •plastificar - ocupa menos e injetar espaço. materiais poliméricos. - requer menos torque para movimentar a rosca (motor menos potente) •Transporte -menor custo eficiente inicial(baixo de investimento tempo de residência); e para substituição de peças. •Efetiva capacidade de plastificação e mistura (assegurar homogeneidade de temperatura e aditivos); -Relação L/D da rosca grande: - permite uma maior produção. •Boa capacidade de limpeza; - produção mais uniforme e maior mistura. - a rosca fornece maior pressão.- maior plastificação com menor cisalhamento e maior condutividade térmica do cilindro.
Rosca para Termofixos Roscas para processamento de termofixos têm menor profundidade de filete e são utilizadas sem válvula de não-retorno. Seu design deveria prevenir o aquecimento do material curável indevidamente por cisalhamento para evitar a reação no espaço entre os filetes. As roscas para termofixos são mais curtas que para termoplásticos. A razão L/D é de 12:1 a 15:1.
Rosca para Elastômeros Elastômeros têm sido processados em máquinas de moldagem por injeção desde o início da década de 60. Enquanto que no transporte de material não surge nenhum problema, o perfil de temperatura e o tempo de residência apresentam dificuldades. Eles devem ser selecionados de tal maneira que o composto de borracha não vulcanize prematuramente nos filetes, no espaço na frente da rosca ou no bico.
Válvulas de Não-Retorno Previne o retorno do material plastificado, devendo apresentar as características: - alta eficiência - curto tempo de fechamento - alta resistência mecânica -auto-limpante A eficiência das válvulas de não-retorno situa-se na faixa de 95 a 97 % em relação ao volume plastificado previamente. 3 a 5 % do material flui de volta em direção ao funil quando a válvula estiver fechada durante a fase de injeção e recalque.
Bico de Injeção O bico de injeção se ajusta na bucha de injeção do molde. O bico de injeção é forçado contra a bucha de injeção do molde antes da injeção produzindo uma força de fechamento onde se evitam vazamentos.
Bicos Abertos Os bicos abertos usualmente têm um único canal que vai afilando na direção o fluxo. Levando-se em consideração somente o fluxo, o bico aberto é o de melhor solução pois têm a menor queda de pressão e o menor comprimento.
Bicos Fechados Os bicos fechados são utilizados para evitar vazamento do fundido e tornar possível a plastificação com o canhão recuado.
O Bico deslizante é aberto pela força aplicada na unidade de injeção contra o molde. Este bico fecha automaticamente quando a pressão é aliviada durante o recuo da unidade de injeção.
2. UNIDADE DE FECHAMENTO Funções da Unidade de Fechamento •Fixar o molde e movimentá-lo durante a abertura e fechamento; •Manter o molde fechado e travado durante as etapas de injeção e recalque; •Providenciar a ejeção das peças; •Mecânica e Hidráulica.
n.E.A.∆L onde: L F: Força de Fechamento (kN)
F=
N: Número de Colunas (usualmente quatro) E: Módulo de Elasticidade do Aço (210 kN/mm2) A: Área da Seção Transversal da Coluna (mm2) ∆L: Elongação das Colunas L: Comprimento das Colunas
b) Fechamento Hidráulico O êmbolo de acionamento hidráulico é diretamente responsável pela movimentação do molde e pela requerida força de fechamento.
Melhor controle da força de fechamento Melhor controle do posicionamento da placa móvel Velocidade de fechamento da placa móvel apresenta-se mais constante Maior consumo de energia, principalmente para manter o molde travado
As pressões envolvidas são da ordem de 140 a 200 MPa.
Moldes Os moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) até US$ 2.000.000,00 (moldes para peças automotivas). Os moldes são fabricados com materiais de alta dureza e resistência à degradação por fricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço são alguns materiais usados.
Moldes de duas placas
Sistema de canais - polímero flui até chegar na cavidade do molde. i) aumentar a velocidade de resfriamento em pontos localizados, ii) aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidade do polímero para preencher o molde e iii) facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.
Moldes de três placas
Evitar perda excessiva de material, elimina-se estes canais que pode ser feita através da injeção direta. Injeção com câmara quente. No sistema de canal quente todo sistema de alimentação ou parte dele é mantido aquecido de forma que o material permaneça preparado para entrar no molde no próximo ciclo de injeção. Vantagens : • ciclo mais rápido, •redução de perda de refugos, • eliminação de separação da peça e maior qualidade do injetado. Desvantagens: custo do equipamento maior
FASE DE CONFORMAÇÃO
A taxa de cisalhamento alcança valores de 104 s-1
No processo de injeção, a conformação do material na cavidade do molde pode ser dividida em três etapas: 1 – Fase de preenchimento do molde: o polímero é empurrado para as cavidades do molde, preenchendo. O material ainda está quente e completamente expandido e após seu resfriamento o polímero irá encolher. Nesta etapa há envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessária para preencher totalmente o molde. 2 – Fase de pressurização ou compactação: é necessário forçar mais material para dentro do molde para que a peça mantenha um volume constante. Normalmente, a pressão de injeção nesta fase é máxima e é enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento. 3 – Fase de recalque ou compensação: ocorre envio restante de polímero, se necessário para compensar a contração de material. Além disso, a massa polimérica é mantida sob pressão dentro do molde para que não ocorra retorno de material.
EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NA QUALIDADE DA PEÇA INJETADA
Parâmetros que afetam a qualidade
Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque
Temperatura do fundido Temperatura do molde Pressão na cavidade Pressão de recalque
Velocidade de injeção Temperatura do fundido Temperatura do molde
Pressão temperatura
Propriedades afetadas
Propriedades mecânicas
Precisão dimensional
Qualidade superficial
Outros aspectos
Qualidade das peças injetadas
CAPACIDADE DE INJEÇÃO Quantidade de material que uma máquina é capaz de injetar em um ciclo. O PS é utilizado como material padrão.
Peso total de moldagem (PM)
Quantidade necessária de polímero para injetar uma peça, sendo possível quando CI > PM
É possível injetar uma peça de 170 g de PEBD em uma injetora com capacidade de 180 g?
NÃO SERÁ POSSÍVEL INJETAR A PEÇA NESSA INJETORA
CAPACIDADE DE PLASTIFICAÇÃO (CP)
Quantidade máxima de material padrão que uma máquina consegue fundir/amolecer por hora para ser conformado. Normalmente deve-se usar 80 % da capacidade da máquina
Cálculo do tempo de ciclo de injeção (TC)
Considere uma injetora com capacidade de injeção e plastificação de 120g de PS e 8 Kg/hora. Um estagiário quer injetar uma peça de 90g de PP. Verifique se há possibilidade de usar esta máquina. Quantas injeções serão feitas por hora e qual é o tempo de ciclo?
Termoformagem Características do processo
• Processo empregado para termoplásticos;
•Produção de peças pequeno a grande porte;
•Processointermitente, alta produção, peças com excelente acabamento superficial e de formatos complexos;
•Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.
•Alto custo de produção dos moldes.
Termoformagem
Termoformagem
Termoformagem
Moldagem por compressão
Seqüência de operações na moldagem por compressão
Moldagem por transferência Características do processo
• É um processo empregado para termofixos.
•Forçar o material termorrígido por meio de um êmbolo, de uma cavidade de carga, através de um canal alimentador, a uma cavidade de moldagem aquecida. •Produção de peças complexas, bom acabamento superficial, alta produção. •ciclos de moldagens curtos, menor custo de acabamento.
Desvantagens •Maior custo do ferramental •perda de material, tensões residuais internas no moldado.
Representação do processo de moldagem por transferência
Estágios de moldagem por transferência
Moldagem por Sopro
Figura 27 – Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a) extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d) estiramento, sopro e resfriamento e (e) extração.
Figura 28 – Representação do processo de sopro via injeção em máquinas que sopram o frasco logo após a injeção da pré-forma.
Moldagem por extrusão Características do processo
• Processo empregado para termoplásticos e elstômeros termofixos;
•Processo bastante utilizado na produção de chapas, filmes, tubos, sacos, cobertura de arames.
•Processo contínuo, alta produção, baixo custo, peças com excelente acabamento superficial;
Seqüência do processo de injeção
1 2
3
1 - Funil de alimentação; 2 - Sistema motriz; 3 - Cilindro; 4 - Sistema de aquecimento resfriamento;
Rosca
Sistema de tela ou disco quebra fluxo
Cabeçote ou Matriz
Extrusão de chapas e filmes planos
Influência das condições de processamento por extrusão de chapas na estrutura e propriedades de polímeros
• Temperatura de processamento, •Taxa de cisalhamento (velocidade da rosca) •Temperatura da calandra, •Velocidade de puxamento da chapa, •Abertura da calandra
Extrusão de Filmes
Coextrusão
Processo de Laminação
