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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PR
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS DE CURITIBA
DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
E DE MATERIAIS - PPGEM
JORGE FRANCISCO DE ARAÚJO
ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DO
POLIPROPILENO MOLDADO POR INJEÇÃO EM
INSERTOS DE RESINAS
MANAUS
FEVEREIRO – 2010
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JORGE FRANCISCO DE ARAÚJO
ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DO
POLIPROPILENO MOLDADO POR INJEÇÃO EM
INSERTOS DE RESINAS
Dissertação apresentada como requisito parcial
à obtenção do título de Mestre em Engenharia,
do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica e de Materiais, Área de
Concentração em Engenharia de Manufatura,
da Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação, do
Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph. D.
Co-orientador: Prof. Paulo André de Camargo
Beltrão, Ph. D.
MANAUS
FEVEREIRO – 2010
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TERMO DE APROVAÇÃO
JORGE FRANCISCO DE ARAÚJO
ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DO
POLIPROPILENO MOLDADO POR INJEÇÃO EM
INSERTOS DE RESINAS
Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia,
área de concentração em Engenharia de Manufatura, e aprovada em sua forma final
pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais.
______________________________
Prof. Giuseppe Pintaúde, Dr.Eng.
(UTFPR)
Coordenador de Curso
Banca Examinadora
_______________________________ __________________________________
Prof. Gilberto García del Pino, Dr.Eng. Prof. Marcos F. de O. Schiefler F., Dr.Eng.
(UEA) (UTFPR)
_______________________________ __________________________________
Prof. Neri Volpato, Ph. D. Prof. Paulo A. de Camargo Beltrão, Ph. D.
(UTFPR) (UTFPR)
Manaus, 25 de fevereiro de 2010
Dedico a minha família: pais, esposa,
filhos, neta e nora; aos meus amigos e a todos
que contribuíram para a conclusão deste Trabalho.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pela minha saúde e a de meus familiares, pela
oportunidade e perseverança na busca do alcance dos objetivos.
Agradeço muito à minha amada esposa Izete, meus adorados filhos Fábio, Nelson e
Luma, minha adorada neta Nicole e minha estimada nora Roseli, pelo apoio e
compreensão nos momentos de dificuldades durante os estudos.
Ao meu orientador, Professor Neri Volpato, pelo apoio e dedicação na condução da
pesquisa, na elaboração e execução das idéias na realização dos trabalhos. Ao meu
co-orientador, Professor Paulo André de Camargo Beltrão, pela ajuda e apoio no
direcionamento das idéias para a realização da pesquisa.
Aos colegas do SENAI-AM, Arlindo, Rodson, Teodório, Ivana, José Carlos Silva, Ana
Cláudia, Zildete, Delfino, Paula, Geraldo, Juan, Cláudio, Sílvio, Henrique, Edy,
Risolda, Elcimar, Williams, Halisson, Daniel, Lucia, Everaldo, Arione, Ilmar e
Delcimar pelo apoio nesta caminhada, em particular aos Srs. Maruoka e Aldemurpe,
Diretores Regional do SENAI-AM.
À UTFPR pela disponibilidade de recursos, aos Professores pela dedicação na
condução do Mestrado e aos colegas Chayene, David, Wilson, Júlio, Victor e Prof.
Foggiatto, pela cooperação e apoio durante o desenvolvimento da pesquisa.
Aos colegas do Mestrado, Cristovão, Sansone, Benedito, Carlão, Aurélio, Laurence,
Orlando, Rodson, Batista, Belo, Ribamar e Emanuel, pelo apoio durante o curso.
Aos colegas do SENAI-SP, Fábio e Kleber, à Escola Mario Amato e à Fundação
Rede Amazônica, aos Srs. Roberto e Raine pela a realização dos ensaios, ao Prof.
Gilberto da UEA pelo apoio.
À Coordenação do MINTER Manaus, Profs. Vicente, Pinheiro, Gutenbergue,
Secretária Maira e às Estagiárias, pela condução do programa e apoio dispensado
aos Mestrandos.
Agradeço do fundo do meu coração a todos aqueles que não foram citados, mas
que contribuíram direta ou indiretamente para a conclusão deste trabalho.
Este trabalho foi desenvolvido no programa de Mestrado Interinstitucional – MINTER
entre a UTFPR e o IFAM, que recebeu financiamento da Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES – através do projeto ACAM
1379/2006 e da Superintendência da Zona Franca de Manaus – SUFRAMA –
através do convênio 084/2005.
O autor deste trabalho foi bolsista do PROGRAMA RH-INTERINSTITUCIONAL da
Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado ao Amazonas - FAPEAM – no ano de
2009.
Nossos sinceros agradecimentos pelo apoio recebido.
vii
JORGE FRANCISCO DE ARAÚJO, ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS
DO POLIPROPILENO MOLDADO POR INJEÇÃO EM INSERTOS DE RESINAS,
2010, Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná,
Manaus, 107 p.
RESUMO
A fabricação de moldes-protótipos para a injeção de plástico através da usinagem de
materiais alternativos (resinas poliméricas), com o auxílio de sistema
CAD/CAM/CNC, visa à obtenção de protótipo funcional a um custo e tempo
reduzidos. Esta alternativa auxilia no Processo de Desenvolvimento de Produtos
(PDP), pois permite a realização de testes de engenharia e a análise da forma final
do produto, antes de construir a ferramenta definitiva. Observa-se que são poucas
as informações sobre as propriedades dos materiais injetados em moldes de resina
que garantam o uso das mesmas no desenvolvimento de novos produtos ou na
produção de pequenos lotes de protótipos. Neste trabalho, foram realizados testes
de injeção de Polipropileno (PP) H301 e ensaios mecânicos de tração, impacto e
dureza, em corpos de prova injetados em moldes de resinas RenCast 6470 e
RenShape 5166. As propriedades destes foram comparadas com as de corpos de
prova injetados em moldes de aço. A idéia é analisar se houve alguma alteração
significativa nas propriedades do moldado quando injetados em moldes de resina.
Adicionalmente, pretende-se auxiliar na composição de um banco de dados que vem
sendo desenvolvido pelo Núcleo de Prototipagem e Ferramental (NUFER) da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), facilitando o uso destes
materiais na fabricação de insertos para moldes. Os resultados obtidos mostraram
variações permitidas dentro das especificações fornecidas em literatura e em outras
pesquisas realizadas. Desta forma, os materiais em estudo podem ser usados como
uma opção viável para a confecção de moldes-protótipos, reduzindo tempo e custo
de fabricação.
Palavras-chave: Ferramental Rápido; Moldes-Protótipos; Protótipo; Injeção de
Plástico.
viii
JORGE FRANCISCO DE ARAÚJO, ESTUDO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS
DO POLIPROPILENO MOLDADO POR INJEÇÃO EM INSERTOS DE RESINAS,
2010, Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná,
Manaus, 107 p.
ABSTRACT
The manufacturing of prototype mold for plastic injection through milling of alternative
materials, with the aid of CAD/CAM/CNC systems, aims to obtain functional
prototype with a reduced cost and time. This alternative aids the product
development process, because permits the realization of engineering tests and the
analysis of the final form of the product, before to build the permanent tool. Few
information is available about the materials properties injected in the resin mold that
assure the use of them in the new product development or in the small lot production.
In this project were made tests of injection with polypropylene (PP) H301 and after
mechanical tests such as: traction, impact, and hardness using body-tests injected in
resin molds RenCast 6470 and RenShape 5166. The properties of these materials
were compared with the PP property injected in steel molds. The idea is to examine if
there was any significant change in the properties of the material when injected in
resin casts. Additionally, it intends to help the composition of a data base that has
been developed by the Prototyping and Tooling Group (NUFER) of the Federal
University of Technology - Paraná (UTFPR), facilitating the use of these materials for
the insert mold manufacturing. The results showed variations permitted inside the
specifications supplied by literature and another research. In this way, the studied
materials can be used as an option for manufaturing of injection molds, reducing time
and cost.
Keywords: Rapid Tooling; Prototype Molds; Prototype; Plastic Injection.
ix
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................... vii
ABSTRACT .............................................................................................................. viii
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. xi
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ xiii
LISTA DE EQUAÇÕES ............................................................................................. xv
LISTA DE SIGLAS.................................................................................................... xvi
1
INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1
1.1
Oportunidade de pesquisa .......................................................................................................3
1.2
Justificativa ...............................................................................................................................4
1.3
Objetivos da pesquisa ..............................................................................................................5
1.3.1
Objetivo geral .......................................................................................................................5
1.3.2
Objetivos específicos ............................................................................................................5
1.4
Estrutura de desenvolvimento do trabalho ...............................................................................6
2
FABRICAÇÃO DE MOLDE-PROTÓTIPO E CARACTERÍSTICAS DO
MOLDADO .................................................................................................................. 7
2.1
Prototipagem rápida .................................................................................................................7
2.2
Ferramental rápido ...................................................................................................................8
2.3
Molde de injeção de plástico ................................................................................................. 10
2.3.1
Sistema de alimentação da cavidade ................................................................................ 11
2.3.2
Sistema de extração .......................................................................................................... 13
2.3.3
Refrigeração do molde ...................................................................................................... 13
2.4
Porta-molde ........................................................................................................................... 14
2.5
Máquina injetora .................................................................................................................... 16
2.6
Processo de injeção .............................................................................................................. 17
2.7
Polímeros .............................................................................................................................. 20
2.7.1
Classificação ..................................................................................................................... 21
2.7.2
Características ................................................................................................................... 22
2.7.3
Polipropileno ...................................................................................................................... 24
2.8
Resinas poliméricas comerciais para fabricação de insertos ............................................... 26
2.9
Características e efeitos do processo de injeção nas propriedades dos moldados ............. 31
2.10
Ensaios mecânicos dos materiais ......................................................................................... 37
2.10.1
Ensaio de resistência a tração .......................................................................................... 38
2.10.2
Ensaio de resistência ao impacto ...................................................................................... 41
2.10.3
Ensaio de dureza ............................................................................................................... 43
2.11
Discussão da literatura .......................................................................................................... 45
3
Materiais e métodos ........................................................................................... 46
3.1
Corpos de prova .................................................................................................................... 47
3.2
Geometria dos insertos ......................................................................................................... 47
3.3
Seleção das resinas para confecção dos insertos ................................................................ 49
3.4
Processo de usinagem dos insertos ..................................................................................... 50
x
3.5
Polímero para injeção ........................................................................................................... 54
3.6
Injeção dos corpos de prova ................................................................................................. 54
3.7
Ensaios mecânicos nos corpos de prova .............................................................................. 57
3.7.1
Ensaio de resistência a tração .......................................................................................... 57
3.7.2
Ensaio de resistência ao impacto ...................................................................................... 58
3.7.3
Ensaio de dureza ............................................................................................................... 60
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................ 61
4.1
Teste de usinagem ................................................................................................................ 61
4.2
Usinagem dos insertos .......................................................................................................... 62
4.3
Montagem dos insertos no porta-molde ................................................................................ 62
4.4
Injeção dos corpos de prova ................................................................................................. 63
4.5
Ensaios de resistência à tração ............................................................................................ 63
4.6
Ensaio de resistência ao impacto .......................................................................................... 68
4.7
Ensaio de dureza................................................................................................................... 70
5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................... 73
5.1
Considerações finais ............................................................................................................. 73
5.2
Conclusões ............................................................................................................................ 74
5.3
Sugestões para trabalhos futuros ......................................................................................... 76
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 77
APÊNDICE A – MATÉRIA-PRIMA PARA FABRICAÇÃO DOS INSERTOS ............. 83
APÊNDICE B- FOLHA DE OPERAÇÃO DE USINAGEM DOS INSERTOS ............. 84
APÊNDICE B - FOLHA DE OPERAÇÃO DE USINAGEM DOS INSERTOS ............ 85
ANEXO A – MÉTODO DA INJEÇÃO PROGRESSIVA ............................................. 86
ANEXO B – BOLETIM TÉCNICO BRASKEM 2009 .................................................. 88
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Etapas do processo de manufatura por camada (VOLPATO et al., 2005).
............................................................................................................................. 8
Figura 2.2 - Molde de injeção destacando os insertos ................................................ 9
Figura 2.3 - Apresentação esquemática do plástico penetrando............................... 10
Figura 2.4 - Bucha de injeção (HARADA, 2004). ...................................................... 11
Figura 2.5 - Sistema de alimentação (HARADA, 2004). ............................................ 12
Figura 2.6 - Extração por placa impulsora (HARADA, 2004)..................................... 13
Figura 2.7 - Refrigeração do molde (HARADA, 2004). .............................................. 14
Figura 2.8 - Molde de injeção de plástico (HARADA, 2004). ..................................... 14
Figura 2.9 - Modelo 3D do porta-molde padrão (VOLPATO et al., 2006). ................. 16
Figura 2.10 - Injetora com as unidades de injeção e fechamento (SENAI – SP, 2006).
........................................................................................................................... 16
Figura 2.11 - Representação esquemática do ciclo de injeção ................................. 17
Figura 2.12 - Reação química no preparo do PP (HARPER, 2000). ......................... 25
Figura 2.13 - Teste de usinagem em Resina RenShape 5166 (DERENIEVICKI,
2007). ................................................................................................................. 28
Figura 2.14 - Gradiente de pressão conforme simulação .......................................... 32
Figura 2.15 - Estrutura esferulítica de peças de PP moldadas em ........................... 36
Figura 2.16 - Corpo de prova de tração (NBR 9622, 1986). ...................................... 38
Figura 2.17 - Diagrama tensão/deformação de corpos de prova em PP ................... 40
Figura 2.18 - Dimensões do corpo de prova – tipo IZOD (NBR 8425, 1984). ........... 42
Figura 2.19 - Localização dos pontos submetidos ao ensaio de dureza ................... 44
Figura 3.1 - Fluxo dos materiais e métodos utilizados no trabalho............................ 46
Figura 3.2 - Inserto da parte superior do molde. ...................................................... 47
Figura 3.3 - Inserto da parte inferior do molde (cavidade). ........................................ 48
Figura 3.4 - Teste de usinagem em resina RenCast 6470. ....................................... 50
Figura 3.5 - Simulação de usinagem dos insertos. .................................................... 51
Figura 3.6 - Centro de usinagem Cincinnati .............................................................. 52
Figura 3.7 - Usinagem dos insertos (DAMEC, 2009). ............................................... 52
Figura 3.8 - Injetora de plástico HAITIAN HTF58X (NUFER/DAMEC, 2009). ........... 55
Figura 3.9 - Corpo de prova injetado em PP. ............................................................ 56
Figura 3.10 - Ensaio de tração em corpo de ............................................................. 58
Figura 3.11 - Desenho de corpo de prova usado no ensaio de impacto. .................. 59
xii
Figura 3.12 - Local grifado de vermelho onde ........................................................... 59
Figura 3.13 - Ensaio de impacto em corpo de ........................................................... 59
Figura 3.14 - Ensaio de dureza em corpo ................................................................. 60
Figura 3.15 - Posição dos pontos de medição de dureza Shore D. .......................... 60
Figura 4.1 - Inserto usinado (DAMEC, 2009). ........................................................... 62
Figura 4.2 - Montagens dos insertos e do molde. ..................................................... 63
Figura 4.3 - Exemplos de corpos de prova injetado em PP. ..................................... 63
Figura 4.4 - Corpos de prova de PP injetados em ..................................................... 64
Figura 4.5 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios .......................................... 64
Figura 4.6 - Corpos de prova de PP injetados em moldes de ................................... 65
Figura 4.7 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios em .................................... 65
Figura 4.8 - Corpos de prova de PP injetados em moldes ........................................ 66
Figura 4.9 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios em corpos ........................ 66
Figura 4.10 - Gráfico de tensão na força máxima em peças injetada em ................. 67
Figura 4.11 - Gráfico de módulo de elasticidade em peças injetada em ................... 67
Figura 4.12 - Gráfico comparativo de peças injetadas em moldes ............................ 70
Figura 4.13 - Ensaios de dureza de corpos de prova de PP, injetados em ............... 71
xiii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais
conhecidos (HARADA, 2004) ............................................................................. 23
Tabela 2.2 - Contração de materiais termoplásticos mais utilizados (HARADA, 2004)
........................................................................................................................... 24
Tabela 2.3 - Propriedades do polipropileno H 301 (BRASKEM, 2009) ..................... 25
Tabela 2.4 - Dados técnicos da resina RenCast 6470 (HUNTSMAN, 2003) ............. 26
Tabela 2.5 - Dados técnicos da resina RenSape 5166 (HUNTSMAN, 2003) ............ 27
Tabela 2.6 - Propriedades de algumas resinas testadas por (VOLPATO et al., 2003)
........................................................................................................................... 28
Tabela 2.7 - Rugosidade média Ra (µm) obtida com velocidade de corte (Vc) em
m/min. ................................................................................................................ 29
Tabela 2.8 - Parâmetros de injeção para o PP a 170 ºC - 1ª etapa (FOGGIATTO,
2005) .................................................................................................................. 31
Tabela 2.9 - Parâmetros de injeção para o PP a 205 ºC - 2ª etapa (FOGGIATTO,
2005) .................................................................................................................. 32
Tabela 2.10 - Parâmetros de injeção para o PP (AHRENS et al., 2002) ................... 33
Tabela 2.11 - Propriedades obtidas do ensaio de tração .......................................... 39
Tabela 2.12 - Valores médios de módulo de elasticidade e resistência a tração para
corpos de prova em PP injetado em inserto de aço e ABS (FOGGIATTO, 2005)
........................................................................................................................... 40
Tabela 2.13 - Média das variações de dureza Shore D, nos pontos do corpo de
prova (AHRENS et al., 2002) ............................................................................. 44
Tabela 3.1 - Parâmetros de corte na usinagem ........................................................ 50
Tabela 3.2 - Dados de usinagem do inserto superior ................................................ 53
Tabela 3.3 - Dados de usinagem do inserto inferior (cavidade) ................................ 53
Tabela 3.4 - Injeção de corpos de prova em PP de: tração, impacto e dureza ......... 56
Tabela 4.1 - Rugosidade Ra (µm) ............................................................................. 61
Tabela 4.2 - Resultado dos ensaios de tração em corpos de prova de PP injetados
em moldes de aço 1045 ..................................................................................... 64
Tabela 4.3 - Resultados dos ensaio de tração em corpos de prova de PP injetados
em moldes de Resina RenCast 6470 ................................................................. 65
Tabela 4.4 - Resultados dos ensaio de tração em corpos de prova de PP injetados
em moldes de resina RenShape 5166 ............................................................... 66
Tabela 4.5 - Resultados dos ensaios de impacto em corpos de prova de PP injetado
em molde de aço ................................................................................................ 69
xiv
Tabela 4.6 - Resultados ensaios de impacto em corpos de prova de PP injetado em
molde de resina RenCast 6470 .......................................................................... 69
Tabela 4.7 - Resultados dos ensaios de impacto em corpos de prova de PP injetado
em molde de resina RenShape 5166 ................................................................. 69
Tabela 4.8 - Resultados dos ensaios de dureza Shore D ......................................... 71
xv
LISTA DE EQUAÇÕES
Eq. 2.1. ...................................................................................................................... 18
Eq. 2.2. ...................................................................................................................... 18
Eq. 2.3. ...................................................................................................................... 19
Eq. 2.4. ...................................................................................................................... 29
Eq. 2.5. ...................................................................................................................... 29
Eq. 2.6. ...................................................................................................................... 30
xvi
LISTA DE SIGLAS
2D - Bidimensional
3D - Tridimensional
ABNT - Associação Brasileira de Normas técnicas
ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno
AFNOR - Association Française de Normalisation
AISI - American Iron and Steel Institute
ASTM - American Standards for Testing and Materials
Bar - Unidade de Pressão
BS - British Standards
CA - Acetato de Celulose
CAB - Aceto-Butirato de Celulose
CAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design)
CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)
CIP - Centro e Injeção Plástica
CNC - Comando Numérico Computadorizado (Computer Numeric Control)
DIN - Deutschs Institut für Normung
DP - Grau de polimerização (Degree of polymerization)
DSC - Calorimetria Diferencial de Varredura
FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas
FDM - Modelagem por Fusão e Deposição
ISO - International Organization for Standardization
KN - Kilo Newton
MF - Melamina-Formaldeído
MINTER - Mestrado Interinstitucional
xvii
NBR - Norma Brasileira Registrada
NUFER - Núcleo de Prototipagem e Ferramental
PA - Poliamida
PBT - Poli(tereftalato de butileno)
PC - Policarbonato
PDP - Processo de Desenvolvimento de Produto
PE - Polietileno
PEAD - Polietileno alta densidade
PEBD - Polietileno Baixa densidade
PF - Fenol-Formaldeído
PIM - Pólo Industrial de Manaus
PMMA - Polimetilmetacrilato
POM - Polioximetileno (acetal)
PP - Polipropileno
PS - Poliestireno
PVC - Cloreto de Polivinila
RMN - Ressonância Magnética Nuclear
RP - Prototipagem Rápida (Rapid Prototyping)
rpm - Rotação por minuto
RT - Ferramental Rápido (Rapid Tooling)
s - Segundo
SAE - Society of Automotive Engineers
SAN - Acrilonitrilo-Estireno
SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
SINPLAST - Sindicato das Indústrias de Material Plástico de Manaus
xviii
STL - STereoLithography
SUFRAMA - Superintendência da Zona Franca de Manaus
UEA - Universidade do Estado do Amazonas
UF - Uréia-Formaldeído
UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina
UP - Poliéster
UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Capítulo 1 Introdução
1
1 INTRODUÇÃO
O avanço tecnológico do setor industrial vem ocorrendo de uma forma muito
rápida com o passar dos tempos. Diante desta evolução as empresas estão sempre
buscando novas idéias para atender as necessidades exigidas pela demanda,
oferecendo produtos com maior qualidade.
Para acompanhar essa evolução, é necessário o estudo de metodologias que
apresentem novas alternativas no desenvolvimento de produtos, na busca pela
redução de custos, melhoria da qualidade, redução do prazo de produção e outros
fatores que são fundamentais para a sobrevivência das empresas (SILVA, 2001).
O uso de protótipos físicos no Processo de Desenvolvimento de Produtos
(PDP), é uma opção que possibilita atingir reduções neste processo e aumenta a
qualidade do projeto, pois os mesmos mostram uma visão geral do que se pretende
produzir (YAN e GU, 1996).
Segundo CARVALHO e VOLPATO (2007), o protótipo de um produto ou
componente é parte essencial no PDP, pois possibilita que a análise de sua forma e
funcionalidade seja feita em uma fase anterior à produção de ferramental definitivo.
Historicamente, as representações físicas dos produtos (ou simplesmente
protótipos) vêm sendo utilizadas desde a antiguidade, evoluindo de manuais, que
ainda são bastante utilizados, para protótipos virtuais nos anos 80, com a
disseminação do sistema CAD (Projeto Auxiliado por Computador – Computer Aided
Design), e mais recentemente, com os protótipos físicos obtidos por Prototipagem
Rápida (RP). Outra possibilidade é o uso de Ferramental Rápido (RT) (AMORIM,
2006 e DERENIEVICKI, 2007).
A RP é um processo de fabricação por adição de material em camadas planas
sucessivas, baseado no princípio de manufatura por camadas planas (DOLENC e
MÄKELÄ, 1996).
Conforme CARVALHO e VOLPATO (2007), um grande diferencial da RP em
relação aos demais processos de adição é a facilidade de sua automatização,
dispensando moldes e ferramentas e diminuindo a intervenção do operador durante
o processo.
Capítulo 1 Introdução
2
As tecnologias de RT utilizam o princípio da RP para a fabricação de
ferramental, sendo uma extensão natural desta. No caso da injeção de plástico são
confeccionados as partes moldantes do molde, conhecidas como insertos. Estes
moldes são normalmente denominados de moldes-protótipos, são empregados para
obtenção de protótipos funcionais, onde os produtos moldados podem ser
empregados em análises visuais ou em testes de funcionamento, possibilitando não
só a visualização da forma física, mas também de uma análise do desempenho do
produto (GIBSON et al., 2007).
Esse molde quando feito em aço tem um custo muito alto e o tempo de
produção muito longo, o que muitas vezes inviabiliza o investimento para a produção
do mesmo.
Os protótipos injetados também podem ser usados em testes de engenharia,
obtendo uma leitura real das propriedades adquiridas após o processo de
manufatura do mesmo (VOLPATO et al., 2006).
Uma opção para se obter moldes-protótipos é por meio do processo de
usinagem com auxílio dos sistemas CAD/CAM/CNC (Computer Aided
Manufacturing/Computer Numeric Control), na produção de insertos (macho e
cavidade) para moldes com material de baixo custo (KING e TANSEY, 2002).
O uso de resinas poliméricas a base de epóxi ou poliuretano na fabricação de
insertos para moldes é uma opção importante, uma vez que o custo das mesmas e
as suas características de fabricação são relevantes no custo total dos protótipos e
no tempo de obtenção dos mesmos (VOLPATO et al., 2006).
Neste sentido, pode-se afirmar que um dos pontos importantes é a
identificação de materiais alternativos (resinas poliméricas) para a fabricação de
insertos, para serem usados em moldes-protótipos. Alguns trabalhos nesta área já
foram realizados, mas observa-se que não foi dada muita ênfase para as
propriedades dos materiais moldados.
VOLPATO et al. (2006) apresentaram uma proposta de um banco de dados
para auxiliar na seleção de materiais para moldes-protótipos obtidos por usinagem.
Segundo os mesmos autores, a geração dos dados para alimentar o banco de
dados deve provir de testes práticos dos pares de material (inserto e moldado), o
Capítulo 1 Introdução
3
que significa uma quantidade grande de experimentos. Uma proposta seria dividir
esta tarefa por vários grupos de pesquisas de instituições interessadas no tema.
Este banco de dados está sendo desenvolvido pelo NUFER - Núcleo de
Prototipagem e Ferramental, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná -
UTFPR.
Entretanto, tão importante quanto conhecer as propriedades das resinas que
serão usadas na confecção dos moldes-protótipos e para qual polímeros podem ser
empregada, é o conhecimento das propriedades dos moldados. Isso por que é por
meio destes dados que se pode afirmar se um determinado material serve para a
fabricação de molde-protótipo, ou para a produção de protótipos para testes
funcionais.
1.1 Oportunidade de pesquisa
A utilização de moldes-protótipos no desenvolvimento de produtos injetados,
tem o propósito de reduzir custo e o tempo de produção de protótipos físicos para
testes de engenharia que irão ajudar na concepção do produto, antes da construção
da ferramenta definitiva.
Na atualidade, vários materiais são utilizados na fabricação de moldes-
protótipos. Os materiais metálicos que, de acordo com suas propriedades, são mais
resistentes que os materiais poliméricos, no entanto, são mais difíceis e demorados
para se trabalhar. Outra opção é o uso de resinas poliméricas a base de epóxi ou
poliuretano, que são oferecidas no mercado para fabricação de insertos (macho e
cavidade). Estas, apesar de uma resistência menor, possibilitam uma fabricação
rápida dos insertos.
Pesquisas realizadas anteriormente deram muita ênfase para as características
técnicas dos materiais do inserto e na identificação de pares de materiais
compatíveis para o processo de injeção. Neste trabalho, busca-se o conhecimento
sobre as propriedades dos produtos moldados em moldes-protótipos de resinas. A
idéia é analisar, por meio experimental, se é possível confiar nas peças injetadas e
Capítulo 1 Introdução
4
verificar se são encontradas variações significativas que possam influenciar nos
testes funcionais.
1.2 Justificativa
Os fatores custo e tempo no PDP têm influencia direta no custo final do
produto. O emprego de moldes-protótipos feitos de resinas tem como objetivo
reduzir estes fatores. No entanto, existe a necessidade de mais informações sobre
as propriedades dos produtos moldados quando injetados em moldes de resinas.
Para a obtenção de um produto que vai ser produzido pelo processo de
injeção, é necessário a disponibilidade de um molde de injeção, com as
características de uma ferramenta de produção, que seja compatível com a
quantidade de peças a ser produzida durante a sua vida útil.
No Pólo Industrial de Manaus (PIM), segundo o Sindicato das Indústrias de
Material Plástico de Manaus (SINPLAST), tanto o pólo de duas rodas quanto o de
eletro-eletrônico demandam produtos transformados pelo processo de injeção de
termoplástico. Entretanto, na concepção de um novo produto as empresas não
utilizam moldes-protótipos no PDP.
O PIM possui 83 empresas de injeção de plástico, produzindo 80 ton/ano, com
1200 máquinas injetoras em operação cada qual com capacidade de fechamento
variando entre 50 a 2500 toneladas. Os polímeros mais processados são:
Polipropileno (PP), Acrilonitrila Butadieno Estireno (ABS), Poliestireno (PS) e Cloreto
de Polivinila (PVC) (SINPLAST, 2009).
De uma forma mais geral, os dados obtidos com este estudo poderão ser
inclusos no banco de dados que vem sedo desenvolvido pelo NUFER. Pretende-se
assim agregar mais informações para o conhecimento científico na área, servindo de
base para o desenvolvimento de novas pesquisas, assim como podendo-se ser
utilizados pelas empresas no seu PDP.
Capítulo 1 Introdução
5
1.3 Objetivos da pesquisa
1.3.1 Objetivo geral
Estudar as propriedades mecânicas em peças de PP H301 por meio de
ensaios de tração, impacto e dureza, produzidas pelo processo de injeção em
moldes de resinas poliméricas (RenCast 6470 e RenShape 5166) e em moldes de
aço ABNT 1045, fabricados com auxílio de sistemas CAD/CAM/CNC.
1.3.2 Objetivos específicos
Fazer testes de injeção usando combinações de materiais poliméricos
(insertos e peça a ser injetada) que ainda não foram estudados;
Definir os parâmetros de injeção do PP em relação aos insertos de resinas
tais como: temperatura de injeção, força de fechamento, tempo do ciclo de injeção,
tempo de resfriamento, velocidade e tempo de recalque, velocidade, pressão e
tempo de injeção;
Realizar ensaios mecânicos nos corpos de provas injetados em
polipropileno, tantos nos moldes de resinas como de aço;
Comparar as propriedades obtidas com as peças injetadas em moldes de
aço e de resinas;
Ampliar as informações sobre as características técnicas do material injetado
em moldes-protótipos, fabricado pelos sistemas CAD/CAM/CNC, agregando mais
informações ao banco de dados do NUFER.
Capítulo 1 Introdução
6
1.4 Estrutura de desenvolvimento do trabalho
O trabalho foi estruturado em cinco capítulos. No primeiro capítulo é feita a
contextualização do assunto apresentando, a oportunidade da pesquisa, a
justificativa e os objetivos propostos.
No segundo capítulo consta uma revisão bibliográfica sobre as metodologias
de fabricação de ferramental rápido, materiais, moldes e injeção de plástico, que
fundamentou o desenvolvimento do trabalho.
O terceiro capítulo apresenta os materiais e métodos utilizados na realização
do trabalho para atingir os objetivos.
No quarto capítulo é apresentado a descrição das atividades desenvolvidas, os
resultados obtidos, as discussões e opiniões sobre os resultados.
No quinto capítulo são apresentados as considerações finais, conclusões, as
contribuições provenientes dos resultados obtidos e as sugestões para trabalhos
futuros.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
7
2 FABRICAÇÃO DE MOLDE-PROTÓTIPO E CARACTERÍSTICAS
DO MOLDADO
Neste capítulo são apresentadas, por meio de uma revisão bibliográfica, as
tecnologias empregadas na obtenção de moldes-protótipos para a produção de
protótipos pelo processo de injeção de plástico e os materiais usados na confecção
dos mesmos. Por fim, abordam-se aspectos relacionados à variação das
propriedades mecânicas dos moldados obtidos neste tipo de molde.
2.1 Prototipagem rápida
Os principais processos de fabricação mecânicos possuem princípios
normalmente derivados de: fusão e posterior moldagem do material (fundição),
remoção de material até ficar na forma desejada (usinagem), conformação, gerando
a geometria final da peça (deformação plástica) e adição de material (junção).
No final da década de 80, um novo processo de fabricação foi desenvolvido
baseado na adição de material, denominado Prototipagem Rápida (RP), com a
característica de este ser por adição de camadas planas (CARVALHO e VOLPATO,
2007).
Um grande diferencial deste, em relação aos demais processos de fabricação é
a facilidade de sua automatização, dispensando molde e ferramentas, minimizando a
intervenção do operador durante o processo. Isto se tornou possível, pelo fato de
que as informações geométricas da peça a ser fabricada são geradas diretamente
do sistema CAD 3D (Tridimensional), passando para uma geometria 2D
(Bidimensional) de forma automatizada (CARVALHO e VOLPATO, 2007).
A RP inicia com modelo em 3D no sistema CAD, que é salvo em formato
padrão, sendo fatiado eletronicamente, obtendo as curvas de níveis 2D que definirão
em cada camada aonde existe ou não material a ser adicionado (Figura 2.1).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
8
Figura 2.1 - Etapas do processo de manufatura por camada (VOLPATO et al., 2005).
Segundo FERREIRA (2003), a tecnologia de RP pode ser empregada para
validar a fase de desenvolvimento de novos produtos ou na produção de pequenas
quantidades de peças, tendo-se em vista que os processos de RP ainda são muito
lentos e limitados nas técnicas.
Apesar da tecnologia de RP ser considerada lenta mesmo assim pode-se tirar
proveitos dos processos que possibilitam uma flexibilidade para lidar com pequenos
lotes de peças e rápidas mudanças no produto independentemente da complexidade
da forma (GIBSON et al., 2007).
O emprego das tecnologias de RP para a obtenção de moldes-protótipos deu
origem à área denominada de Ferramental Rápido (RT). O RT engloba os processos
de fabricação adequados para construir moldes-protótipos, em um tempo reduzido
(KING e TANSEY, 2002).
2.2 Ferramental rápido
Os processos de RT se concentram na obtenção de insertos de um molde
(macho e cavidade), que juntos formam o vazio a ser ocupado pelo material da peça
a ser injetada.
Em alguns casos, somente os insertos são requeridos para se produzir às
peças, pois os esforços envolvidos no processo são baixos (exemplo cavidades
preenchidas por gravidades). Em outros, de acordo com AHRENS e VOLPATO
(2007), os insertos necessitam ser montados em um porta-molde, preparado para
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
9
receber os mesmos antes de serem submetidos ao processo de fabricação (Figura
2.2).
Figura 2.2 - Molde de injeção destacando os insertos
(macho e cavidade) (AHRENS e VOLPATO, 2007).
Ainda segundo AHRENS e VOLPATO (2007), em função da tecnologia estar
em constante desenvolvimento, existem inúmeros processos de RT ainda em fase
de desenvolvimento indisponíveis comercialmente, além de outros já consagrados.
A quantidade e a qualidade dos protótipos moldados são os principais fatores
que definem o processo de RT a ser utilizado, podendo estes serem realizados com
materiais alternativos ou similares ao material final. Nesse sentido, observa-se que
os processos de RT complementam a RP, sendo utilizados no desenvolvimento de
produto quando se deseja obter protótipos para testes funcionais de engenharia
(AHRENS e VOLPATO, 2007).
Os insertos (macho e cavidades) de um molde-protótipo podem ser fabricados
em resinas tanto pelos processos de RP quanto pela usinagem CNC (YANG e RYU,
2001, LANZ et al., 2002 e VOLPATO e DERINIEVICKI, 2005). Tanto a RP quanto a
usinagem CNC são empregadas na fabricação apenas do macho e da fêmea, que
são montados em um porta-molde formando assim a ferramenta para a injeção dos
protótipos.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
10
Uma diferença básica entre um molde-protótipo e um molde de produção é que
o primeiro serve para injetar uma pequena quantidade de peças e o outro para
produção em larga escala.
2.3 Molde de injeção de plástico
O molde de injeção é uma ferramenta capaz de produzir moldagens. Sua
cavidade ou cavidades contêm as formas e dimensões do produto desejado. O
molde é colocado na máquina injetora e recebe, em sua cavidade, o plástico
fundido, que é levado para seu interior por pressão exercida sobre o mesmo (Figura
2.3).
Figura
2.3
- Apresentação esquemática do plástico penetrando
na cavidade (SENAI – SP, 2000).
Existem diferentes tipos de moldes, que são projetados de acordo com as
peças que se deseja produzir e de variáveis como material, tamanho, nível de
qualidade e número de cavidades. Quando a cavidade estiver a parede
perpendicular a linha de separação do molde deve existir uma conicidade adequada
em torno de 1º, para facilitar a extração do produto.
De acordo com HARADA (2004), os moldes podem ser classificados em três
tipos:
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
11
De duas placas: constituído essencialmente de uma cavidade fêmea e outra
com um punção macho;
De três placas: apresentando além das duas placas já conhecidas uma
terceira placa denominada de placa flutuante ou central;
Com partes móveis: que em sua cavidade ou em parte delas apresentam
elementos que se movem em uma segunda direção, geralmente denominadas de
gavetas.
Podem ser classificados de acordo com sistema de alimentação e com o
sistema de extração, esses dois sistemas são influenciados: pela forma do produto,
material a ser injetados e pela máquina injetora. A refrigeração do molde também
tem um papel muito importante no processo de injeção de peças plásticas.
2.3.1 Sistema de alimentação da cavidade
Todo o percurso do material plástico fundido, desde a máquina injetora até a
cavidade do molde, é composto pelo canal de injeção da bucha, canal de
distribuição, entrada ou ponto de injeção, produto e poço frio.
Bucha de injeção é um componente do molde onde por meio do qual o fluxo
de material plástico procedente da máquina injetora caminha até a cavidade do
molde, quando o produto tem uma entrada direta Figura 2.4;
Figura
2.4
- Bucha de injeção (HARADA, 2004).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
12
Canal de distribuição é o responsável pela transferência de material da saída
da bucha de injeção até as entradas da cavidade quando o produto tem entrada
indireta;
Entrada ou ponto de injeção é um canal que liga o sistema de alimentação a
cavidade e possui uma superfície pequena quando comparado ao sistema de
alimentação;
Produto é resultante do modelo existente na cavidade;
Poço frio, em moldes de múltiplas cavidades é recomendável prolongar o
canal, que vem da direção da bucha de injeção que têm as funções de recebe a
primeira porção de plástico mais fria e a retenção do canal da bucha de injeção.
A Figura 2.5 apresenta um sistema de alimentação com seus respectivos
componentes, desde o canal da bucha de injeção até o poço frio.
Figura 2.5 - Sistema de alimentação (HARADA, 2004).
A = Canal de injeção da bucha;
B = Canal de distribuição primário;
C = Canal de distribuição secundário;
D = Entrada ou ponto de injeção;
E = Produto moldado;
F = Poço frio.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
13
2.3.2 Sistema de extração
Sistemas de extração são os meios pelos quais se extrai o produto de um
molde, sem deformá-lo ou danificá-lo. Quando um produto moldado se esfria, na
cavidade do molde, ele se contrai. A contração de um produto moldado que não
tenha forma interna, como por exemplo, um bloco sólido, faz-se das paredes da
cavidade para o centro, permitindo uma técnica simples de extração.
O sistema de extração do produto pode ser por placa impulsora, por ar
comprimido, por núcleo rotativo. A Figura 2.6 apresenta um sistema de extração por
placa impulsora.
Figura
2.6 - Extração por placa impulsora (HARADA, 2004).
2.3.3 Refrigeração do molde
É um meio para reduzir a temperatura do material plástico fundido dentro do
molde, para que o mesmo possa se solidificar rapidamente e permitir que o produto
moldado mantenha a forma e resista à extração sem sofrer deformações,
normalmente o resfriamento é feito por água ou ar.
Em sua maioria, os moldes de injeção são refrigerados com água, através de
condutos existentes nos mesmos. Estes condutos podem ser bloqueados ou,
através de tubos de cobre, alojados nos moldes envolvidos por uma liga de baixo
ponto de fusão.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
14
O resfriamento dos moldes por meio de furos bloqueados é o método mais
comum (Figura 2.7), por ser mais conveniente e econômico. Os furos para circular
água nos moldes, sempre que possível, não devem ficar mais próximos que 25,0
mm da moldagem, por ocorrer, em torno do furo, um severo resfriamento local,
podendo causar restrições ao fluxo do material de moldagem, resultando em marcas
superficiais indesejáveis.
Figura 2.7 - Refrigeração do molde (HARADA, 2004).
2.4 Porta-molde
Porta-molde é um conjunto de peças que segue um princípio típico de
montagem de placas de aço em determinada ordem, para conseguir a estrutura
básica do molde de injeção conforme Figura 2.8.
Figura 2.8 - Molde de injeção de plástico (HARADA, 2004).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
15
Para uma maior clareza, segue abaixo a lista com a nomenclatura utilizada por
(HARADA, 2004), apresentada na Figura 2.8.
1. Placa de fixação inferior; 2. Coluna ou espaçador;
3. Bucha-guia; 4. Coluna-guia;
5. Pino extrator; 6. Extrator do canal;
7. Placa porta-extratores; 8. Placa impulsora;
9. Pino de retorno; 10. Placa-suporte;
11. Postiços (insertos); 12. Bucha de injeção;
13. Anel de centragem; 14. Placa de fixação superior;
15. Placa de montagem de postiços
superior e inferior;
a) cavidade e
b) canal de distribuição
Um porta-molde que vem sendo utilizado para alojar os insertos nos estudos do
NUFER é apresentado na Figura 2.9. O projeto do mesmo foi baseado no porta-
molde que vêm sendo utilizado nos trabalhos do CIMJECT/UFSC (GOMIDE, 2000,
AHRENS et al., 2002). Foram projetados alojamentos diferentes para comportar os
insertos nas placas porta-macho e porta-cavidade.
Neste exemplo de porta-molde, a fixação dos insertos (macho e cavidade)
ocorre através de grampos posicionados nas faces de fechamento de cada um dos
lados do porta-molde. Estes grampos possibilitam a retirada dos insertos sem a
necessidade de remoção do porta-molde da injetora. Caso haja a necessidade da
troca do inserto com geometria diferente, é necessário a retirada de todo o conjunto
da máquina para que se faça também a troca e o ajuste dos extratores (VOLPATO
et al., 2006).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
16
Figura 2.9 - Modelo 3D do porta-molde padrão (VOLPATO et al., 2006).
2.5 Máquina injetora
Uma das formas de processar (conformar) os polímeros é através do processo
conhecido como injeção de plástico, que utiliza uma máquina injetora. As máquinas
injetoras geralmente dispõem de uma câmara cilíndrica aquecida, dotada de
parafuso sem fim, que funciona como plastificador e homogeneizador do polímero
antes que seja injetado sob pressão para dentro da cavidade do molde (MANO e
MENDES, 1999). A Figura 2.10 demonstra esquematicamente o processo de
injeção.
Figura
2.10
- Injetora com as unidades de injeção e fechamento (SENAI – SP, 2006).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
17
2.6 Processo de injeção
Moldagem por injeção é um processo versátil que pode produzir peças tão
pequenas como uma fração de um grama e tão grande quanto 150 kg. Ele permite
produção em massa e de alta precisão. A moldagem por injeção é responsável por
um terço do total consumido em transformação de resinas termoplásticas (HARPER,
2000).
O esquema da Figura 2.11 apresenta as fases relativas de cada etapa do ciclo
de injeção.
Figura 2.11 - Representação esquemática do ciclo de injeção
(HARADA, 2004).
A seguir são apresentados alguns parâmetros de injeção:
Pressão de recalque: ao ser resfriado, o material injetado contrai na
cavidade e, portanto, deve ser introduzido mais material de maneira a manter o
volume da peça constante. Para isso serve a fase de recalque. A pressão sobre a
peça atinge, com o tempo, também um nível constante, uma vez que a peça é
solidifica cada vez mais (MICHAELI et al., 1995);
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
18
Tempo de recalque: é o tempo em que atua a pressão de recalque, que
mantém o volume de material injetado na cavidade (MICHAELI et al., 1995);
Tempo de resfriamento: o tempo de resfriamento se refere ao tempo após o
recalque e termina com a extração. O tempo é ajustado de maneira que a peça
tenha apenas uma temperatura determinada, e, com isso seja geometricamente
estável (MICHAELI et al., 1995);
Curso de dosagem: é a ação realizada pela injetora para transportar o
material do funil em direção ao bico de injeção por meio de um parafuso, que gira
em um cilindro. O material é compactado e fundido, o avanço do material cessa
quando o parafuso atinge uma determinada posição (MICHAELI et al., 1995);
Força de fechamento: é a força desenvolvida por um mecanismo da injetora,
necessária para manter o molde fechado durante o tempo necessário do ciclo de
injeção de plástico (ROSATO et al., 2000). Essa força de fechamento deve ser maior
de 10% a 15% que a pressão de injeção. É calculada pela Equação 2.1.
F = A . P
cav
Eq. 2.1.
Onde:
F = força de fechamento em (toneladas);
A = área projetada em (cm
2)
;
P = pressão interna na cavidade em (bar).
Pressão de injeção: é a pressão necessária para promover o preenchimento
do molde com material plástico fundido. A intensidade da pressão de injeção
depende do tipo de material, temperatura do molde, canais de injeção e pontos de
entrada (ROSATO et al., 2000);
P
inj
= [bar] ou [MPa] Eq. 2.2.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
19
Velocidade de injeção: pode ser traduzida como o tempo de preenchimento
do material fundido. Portanto, quanto maior a velocidade de injeção, mais rápido é o
preenchimento da cavidade (ROSATO et al., 2000);
V
inj
= [cm
3
/ s] Eq. 2.3.
Temperatura de injeção: é a temperatura indicada para o processamento,
cada material (polímero) tem a sua temperatura de processamento. As injetoras têm
diversas zonas de aquecimento do cilindro que deve ser programada de acordo
coma matéria-prima que será usada (HARADA, 2004);
Tempo de injeção: é o intervalo de tempo entre o instante em que a rosca
avança o momento em que a pressão de injeção para de atuar. Geralmente, a
velocidade inicial é de 3,0 cm/s, caindo para 0,1 cm/s quando as cavidades
estiverem cheias, sendo que, posteriormente, a rosca ou o pistão age no sentido de
empacotar o material nas cavidades (HARADA, 2004);
Temperatura do molde: moldes com temperaturas altas reduzem tensões
internas, originam superfícies mais brilhantes e minimizam linhas de junção ou solda
e marcas de fluxo do material. A temperatura mínima recomendada para o molde
está em torno de 20 ºC. A temperatura máxima para termoplásticos amorfos é de
cerca de 70 ºC (HARADA, 2004).
Segundo (VOLPATO et al., 2006), o processo de injeção de plásticos em um
molde-protótipo requer ajustes iniciais mais cuidadosos do que os realizados para
um molde metálico de produção, sob pena de danificar os insertos logo no início do
processo. Em muitos casos, o profissional que opera o equipamento recorre à sua
experiência prática para este ajuste.
Para obtenção dos dados resultantes da injeção em molde-protótipo, uma
metodologia deve ser seguida para que possa repetir o procedimento para todos os
testes. O uso do Método da Injeção Progressiva (short shot), que procura orientar
seqüencialmente os ajustes da máquina, oferece a possibilidade de uma repetição
criteriosa do trabalho (BARRY et al., 1995). Os ajustes são realizados na seguinte
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
20
seqüência: curso de dosagem, checagem da velocidade de injeção, ajuste da
pressão de injeção, ajuste do tempo de injeção e ajuste do tempo de recalque. Este
método foi elaborado para metal e, após a sua aplicação para insertos de resinas
poliméricas, foi verificada a necessidade de apenas alguns pequenos ajustes
(BARRY et al., 1995).
A cada ciclo de injeção em um molde-protótipo os insertos podem ser
resfriados com ar comprimido até uma temperatura padrão que determina o início de
um novo ciclo. A temperatura do molde durante o processo de injeção é ligeiramente
menor do que as temperaturas utilizadas em moldes metálicos. No estudo de inserto
de resina epóxi em molde de injeção, a temperatura do molde utilizada foi de 42ºC,
permitindo uma variação de mais ou menos 2ºC. O controle de temperatura foi
realizada por um termômetro infravermelho com leitura direta e medição em vários
pontos dos insertos, verificando-se a cada ciclo a temperatura do macho e da
cavidade (VOLPATO et al., 2003).
De acordo com (VOLPATO et al., 2006), o tempo de resfriamento do material
dentro da cavidade de um molde de resina, é maior do que em moldes metálicos,
dependendo do material dos insertos e do polímero a ser injetado. Outro fator
relevante na injeção é a vida do inserto. O processo deve ser finalizado assim que
sejam observados os primeiros sinais de danos nos mesmos, normalmente desgaste
por adesão, quebra ou lascamento da geometria dos insertos.
2.7 Polímeros
Polímero é qualquer material orgânico ou inorgânico, sintético ou natural, que
tenha um alto peso molecular e com variedades estruturais e repetitivas, sendo que
normalmente esta unidade que se repete é de baixo peso molecular. A palavra
polímero vem do grego poli, cujo significado é “muito”, e de mero que quer dizer
“parte” ou “unidade” que (se repete). Os meros, para formarem um polímero, são
ligados entre si através de ligações primárias, estáveis MANRICH (2005).
Os polímeros são macromoléculas caracterizadas por seu tamanho, estrutura
química e interações intra e intermoleculares. Possuem unidades químicas ligado
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
21
por covalência repetida regulamente ao longo da cadeia (os meros). O número de
meros da cadeia polimérica é denominado grau de polimerização, DP (degree of
polymerization), conforme MANO e MENDES (1999).
Um polímero pode ser amorfo ou cristalino. Um polímero cristalino é aquele
cujos átomos ou moléculas estão localizados em posições relativamente definidas e
ordenados, que se repetem em 3 dimensões e que formam uma figura geométrica.
Um polímero amorfo é quando os átomos não têm nenhum ordenamento geométrico
(CANEVAROLO, 2004).
De acordo com CHAVES et al. (2002) se uma molécula polimérica possui uma
estrutura regular pode chegar a ordenar-se e alcançar um certo grau de
cristalinidade. Pode-se mencionar que os fatores que afetam a cristalinidade são: a)
a linearidade do polímero b) a ausência de ramificações laterais na cadeia
poliméricas e c) um alto grau regularidade estrutural.
Apesar disto, a presença de regiões cristalinas em um polímero dá origem a
mudanças importantes em propriedades tais como: densidade, rigidez e
transparência.
Para explicar o fenômeno de cristalinidade dos polímeros pode-se lançar mão
de uma teoria que trata da existência de pequenos cristais presentes em certos
polímeros, cristais estes da ordem de poucos angstrons (Å) de comprimento. Os
cristalitos consistem pois em pequenas pilhas de segmentos pertencentes a
diferentes moléculas, as quais se empilham dentro de uma alta ordem de
regularidade. O processo de empilhamento é altamente específico e pode ser visto a
partir de ensaios de difração de Raios X.
Maiores detalhes sobre a caracterização dos polímeros serão apresentados
nas seções 2.9.
2.7.1 Classificação
Segundo HARADA (2004), os materiais polímeros são classificados em dois
grandes grupos: termoplásticos e termoestáveis (ou termofixos). Os termoplásticos
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
22
atingem o estágio de amolecimento ao serem aquecidos, podendo ser moldados.
Esta troca de estado não altera sua estrutura química, o que permite que uma vez
resfriado, ele possa ser novamente aquecido e reaproveitado.
Termoplástico é um polímero que, a uma dada temperatura, apresenta alta
viscosidade podendo ser conformados e moldados. Antes de atingir o estado fundido
passam por uma transição vitria. É um material polimérico sintético, que, quando
sujeito à ação de calor, facilmente se deforma podendo ser remodelado e
novamente solidificado mantendo a sua nova estrutura (HARPER, 2000). Como
exemplo tem-se: polipropileno, polietileno, policloreto de vinil, entre outros.
Os termoestáveis possuem as mesmas propriedades de amolecerem ao serem
aquecidos, sendo posteriormente moldados. No entanto, ele passa por um processo
de cura (transformação química irreversível) tornando-se rígido. Após a cura ele é
infusível e insolúvel. Tem-se como exemplo: baquelite, resina epóxi, entre outros
(CANEVAROLO, 2002).
De acordo com CANEVAROLO (2002), a cura é a mudança das propriedades
físicas de uma resina por reação química, pela ação de um catalisador e/ou calor e
um agente de cura. A cura gera a formação de ligações cruzadas entre as cadeias
poliméricas, formando uma rede tridimensional.
2.7.2 Características
De acordo com HARADA (2004), a maioria dos materiais poliméricos (ou
plásticos) é de natureza orgânica, tendo como principal componente o Carbono
adicionado aos elementos Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogênio e Cloro.
No caso da moldagem por injeção, a forma é dada pela geometria da cavidade
do molde. As Tabelas 2.1 e 2.2 apresentam algumas características de
transformação dos plásticos mais conhecidos.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
23
Tabela 2.1 - Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais
conhecidos (HARADA, 2004)
Termoplásticos
Nome genérico Abreviatura
Massa
esp.
g/cm³
Temp. de
transformação
( °C)
Temp. máx.
de resist. no
serviço (°C)
Acetato de
Celulose
CA 1,34 184 – 230 60
Aceto-Butirato de
Celulose
CAB 1,22 160 – 200 70
Poliamida (Nylon) PA 1,15 180 – 290 100
Cloreto de
Polivinila Rígido
PVC 1,45 175 – 200 65
Cloreto de
Polivinila Flexível
PVC 1,45 175 – 200 65
Polimetilmetacrilato
PMMA 1,18 180 – 230 80
Poliestireno PS 1,04 180 – 210 80
Acrilonitrilo-
Butadieno Estireno
ABS 1,05 180 – 250 80
Acrilonitrilo-
Estireno
SAN 1,08 220 – 240 85
Polietileno Baixa
densidade
PEBD 0,92 150 – 175 90
Polietileno alta
densidade
PEAD 0,96 185 – 220 105
Polipropileno PP 0,91 200 – 220 140
Policarbonato PC 1,20 240 – 290 130
Polioximetileno
(acetal)
POM 1,40 175 – 190 95
Termoestáveis
Fenol-Formaldeído
(baquelita)
PF 1,37 149 – 177 160
Uréia-Formaldeído
(uréia)
UF
1,45 –
1,55
135 – 188 135
Melamina-
Formaldeído
(melamina)
MF
1,40 –
1,55
135 – 188 100
Poliéster
UP 1,6 – 2,1 120 – 180 120
(com fibra de vidro)
A contração é uma característica dos polímeros, que ao serem esfriados, se
contraem resultando em produto final menor que a cavidade do molde. Onde essa
contração acontece de forma volumétrica.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
24
Na confecção da cavidade de um molde, deve-se levar em conta um
coeficiente para compensar a contração, especificadas na Tabela 2.2. Onde as
dimensões da cavidade deve ser maior que as dimensões do produto.
Tabela 2.2 - Contração de materiais termoplásticos mais utilizados
(HARADA, 2004)
Materiais Abreviaturas % de contração
Acetato de Celulose CA 0,3 – 0,7
Acetato-Butirato de Celulose CAB 0,2 – 0,5
Poliamida (Nylon) PA 1,0 – 2,5
Cloreto de Polivinila (rígido) PVC 0,1 – 0,2
Cloreto de Polivinila (flexível) PVC 0,2 – 2,0
Polimetilmetacrilato PMMA 0,2 – 0,8
Poliestireno PS 0,2 – 0,6
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno ABS 0,3 – 0,8
Acrilonitrilo-Estireno SAN 0,2 – 0,5
Polietileno baixa densidade PEBD 1,5 – 3,0
Polietileno alta densidade PEAD 1,5 – 3,0
Polipropileno PP 1,5 – 2,5
Policarbonato PC 0,5 – 0,7
Polioximetileno (acetal) POM 2,5
2.7.3 Polipropileno
O Polipropileno (PP) é um termoplástico, semi-cristalino, pertencentes ao grupo
das poleolefinas. Muitos são os fatores que podem alterar suas propriedades, entre
elas o grau de cristalinidade, a tenacidade e a massa molar.
O PP apresenta resistência excepcional às rupturas por flexão e fadiga,
resistência química e ótimas propriedades elétricas. A temperatura de
processamento 200°C – 220°C. Isso o torna indicado para tanques de produtos
químicos; conexões e válvulas; aparelhos ortopédicos e brinquedos (HARADA,
2004).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
25
Segundo MANO e MENDES (2004), o PP com sua baixa densidade, baixo
custo e a facilidade de moldagem têm proporcionado o crescente uso na indústria
automobilística.
HARPER (2000) relata que o PP é um polímero versátil usado tanto na
extrusão como na moldagem por injeção. Ele é sintetizado pela polimerização de
propileno, um monômero derivado de produtos petrolíferos através da reação
mostrada na Figura 2.12.
Figura 2.12 - Reação química no preparo do PP (HARPER, 2000).
O seu baixo custo aliado a sua versatilidade são aspectos importantes que
propiciam o emprego deste polímero e o conseqüente interesse por desenvolvimento
de pesquisas com este material (MACHADO, 2002).
As aplicações indicadas pelo fabricante são: utilidades domésticas; tampas
com lacre ou flip-top; Tampas injetadas para uso geral. A Tabela 2.3 apresenta
algumas propriedades típicas, segundo boletim técnico BRASKEM (2009). Dados
completos fornecidos pelo fabricante apresentados no Anexo B.
Tabela 2.3 - Propriedades do polipropileno H 301 (BRASKEM, 2009)
Propriedades Unidades Valores
Densidade g/cm³ 0,905
Resistência à Tração no Escoamento MPa 32
Dureza Rockwell (Escala R) - 100
Resistência ao Impacto Izod a 23°C J/m 24
Na seção 2.9 são apresetados maiores detalhes do processamento e
propriedades do polipropileno.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
26
2.8 Resinas poliméricas comerciais para fabricação de insertos
Existe no mercado um número considerável de resinas, geralmente a base de
epóxi ou poliuretano, para ser usado em diversas aplicações tais como: modelagem,
gabaritos, estilos de checagem, conformação de chapas e para a injeção de
plásticos. Uma resina indicada para injeção é a RenCast 6470 feita por HUNTSMAN.
Outras resinas que vem sendo testada em vários trabalhos do NUFER, conforme
(YANG e RYU, 2001, LANZ et al., 2002 e VOLPATO e DERINIEVICKI, 2005).
A RenCast 6470 é um sistema de poliuretano de fundição, rígido, com alta
resistência mecânica, quando utilizado com carga DT 082. Ela é útil para aplicações
de fundição de grandes volumes por apresentar baixa exotermia durante a cura
(HUNTSMAN, 2003). É indicada para ferramentas de conformação de chapas
metálicas, duplicação de gabaritos de fresagem, modelos de fundição, dispositivos
de aferição e controle, ferramentas para termoformagem a vácuo, moldes negativos
e acessórios, além de moldes de grande volume para a indústria de cerâmica. A
Tabela 2.4 apresenta as características da resina RenCast 6470.
Tabela 2.4 - Dados técnicos da resina RenCast 6470 (HUNTSMAN, 2003)
Características Dados Unidade
Cor Conhaque -
Densidade 1,84 g/cm
3
Resistência à compressão 10,1 Kg/mm
2
Resistência à flexão 8,0 Kg/mm
2
Resistência à tração 3,3 Kg/mm
2
Alongamento 0,6 %
Dureza Shore D 86-90 Unidade
A resina RenShape 5166 possui composição a base de poliuretano. É uma
alternativa moderna para produzir modelos de estilo, padrão maquetes, gabaritos de
aferição e controle, ferramentas protótipo para fundição e ferramentas para
conformação de metais. A Tabela 2.5 apresenta as especificações referente à
referida resina.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
27
Tabela 2.5 - Dados técnicos da resina RenSape 5166 (HUNTSMAN, 2003)
Características
Dados
Unidade
Cor Marfim -
Densidade 1,7 g/cm
3
Resistência a flexão 55-65 N/mm
2
Resistência a compressão 90-100 N/mm
2
Dureza Shore D 85-90 Unidade
Estabilidade Dimensional 90-100 °C
LANZ et al. (2002) realizaram um estudo de usinabilidade em um material
comercial (resina epóxi com carga de alumínio) para fabricação de moldes-protótipos
usinado com CNC. Neste estudo foram observadas as forças de corte, acabamento
superficial e o lascamento da resina na saída da ferramenta para a caracterização
da usinabilidade da mesma, onde foi constatado que os parâmetros citados podem
ser considerados os mais importantes na usinagem de resina para a fabricação de
insertos.
Neste trabalho, os autores constataram que em determinadas condições de
corte na usinagem de resina, ocorre lascamento na saída da ferramenta devido a
profundidade de corte e velocidade de avanço da ferramenta afetando também o
acabamento superficial. Segundo os autores, esse problema pode ser minimizado
diminuindo a profundidades de corte e a velocidade de avanço da ferramenta.
Visando identificar resinas poliméricas para compor um banco de dados para
auxiliar na seleção de materiais para moldes-protótipos usinados, VOLPATO et al.
(2003) estudaram as propriedades de densidade, dureza, tensão de ruptura e
resistência à compressão das resinas.
Neste estudo, três resinas do fabricante HUNTSMAN (RenShape 460,
RenShape 5166 e RenShape Express 2000) foram testadas para a injeção de
polipropileno. Dentre as resinas estudadas, apenas a RenShape Express 2000 era
recomendada para fabricação de moldes para injeção. A resina RenSharpe Express
460 não apresentou bons resultados, sendo descartada para uso de injeção de
polímeros.
Foi evidenciada uma diferença considerável nos valores de densidade, dureza
e tensão de ruptura desta em relação às outras Tabela 2.6. As resinas que
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
28
apresentaram melhores resultados foram as que possuem os valores maiores para
as propriedades estudadas. Vale ressaltar que neste trabalho não foi realizado
análise da resistência do moldado em comparação com o injetado em molde de aço.
Tabela 2.6 - Propriedades de algumas resinas testadas por (VOLPATO et al., 2003)
Tipo de Resina RenShape 460 RenShape 5166 Express 2000
Densidade (Kg/m
3
) 770 1660 1800
Dureza (Shore D) 60-64 90 91
Tensão de Ruptura (MPa) 12,4 33,6 62,1
Resistência à Compressão (MPa) 15,2 65,5 251,7
Em outro estudo realizado por VOLPATO e DERENIEVICKI (2005) sobre a
usinabilidade de algumas resinas, observa-se uma preocupação com os resultados
relacionados à rugosidade e ao lascamento dos insertos durante a usinagem.
DERENIEVICKI (2007) estudou um procedimento para testar insertos de
resinas poliméricas: NP 1007, LAB 1000 e RenShape 5166 para a fabricação de
moldes-protótipos usinados pelo sistema CAD/CAM/CNC, para injeção de polímeros.
Nesse trabalho, foram analisadas algumas características das resinas como:
usinabilidade, rugosidade e a dureza da superfície juntamente com o desempenho e
o desgaste dos insertos em função da injeção dos polímeros PP e ABS. Ressalta-se
que neste trabalho também não foi analisada a resistência das peças injetadas
(Figura 2.13).
Figura 2.13 - Teste de usinagem em Resina RenShape 5166 (DERENIEVICKI, 2007).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
29
A média da rugosidade da superfície usinada em Ra (m), do estudo do
DERENIEVICKI (2007), está apresentada na Tabelas 2.7. Nota-se que à medida que
se aumentam os avanços, também os valores de rugosidade aumentam, em ambas
as velocidades de corte.
Tabela 2.7 - Rugosidade média Ra (µm) obtida com
velocidade de corte (Vc) em m/min.
fz Resina RenShape 5166
(mm/faca) Vc = 100 Vc = 157
0,025 0,71 0,67
0,05 0,87 1,20
0,1 1,46 1,38
0,2 1,82 1,78
0,3 2,57 2,11
Profundidade de corte 3mm; fresa de topo reto de Ø10mm
fz = Avanço por faca (mm/faca)
A velocidade de corte V
c
em (m/min.), está representada pela Equação 2.4.
Eq. 2.4.
Onde:
= velocidade de corte (m/min);
= constante aproximada de 3,1415;
D = diâmetro da fresa em (mm);
n = número de rotações/minuto em (rpm).
Eq. 2.5.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
30
O avanço por faca f
z
(mm/faca) é mostrada na Equação 2.6.
Eq. 2.6.
Onde:
f
z
= avanço por faca (mm/faca);
f
f
= avanço da mesa (mm/min.);
n = número de rotações por minuto (rpm);
z = número de dentes da fresa.
O autor observou que a rugosidade da superfície usinada apresenta valores
crescentes à medida que os valores de avanços vão aumentando. Também foi
observado que para os mesmos valores de avanço, quando aplicadas maiores
velocidades de corte os valores de rugosidade reduziram.
VOLPATO e AMORIM (2004) estudaram as limitações do processo de
usinagem pelo sistema CAD/CAM/CNC, de insertos de resina para moldes. Foi
constatado que quando a geometria da peças a ser usinada não é muito complexa a
usinagem a CNC se torna viável.
RAGAERT et al. (2006) estudaram o desempenho de ferramental rápido
(molde híbrido) de material polimérico produzido pelo processo de Sinterização
Seletiva a Laser (Selective Laser Sintering - SLS), para injeção de polipropileno. Os
autores concluíram que o ferramental é viável quando: a geometria do produto é
complexa, para a fabricação de pequeno lote protótipos, mas têm limitações: não
garantem uma precisão dimensional inferior a 0,1mm. O desgaste de ferramenta
acontece mais cedo em relação ao um ferramental convencional, que pode ser
melhorado com um tratamento de revestimento nas cavidades.
BARETA (2007) no estudo de materiais alternativos de moldes híbridos,
definido pelo autor como sendo moldes que fazem uso de técnicas e materiais
diferentes não convencionais usados na construção dos insertos (macho e cavidade)
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
31
(alumínio, zamak ou resina epóxi), é demonstrado que a usinagem CNC é viável
quando a geometria da peça não é complexa.
2.9 Características e efeitos do processo de injeção nas propriedades dos
moldados
Nesta seção são apresentados alguns estudos realizados sobre características
dos moldados no processo de injeção realizados em moldes-protótipos.
FOGGIATTO et al. (2004) pesquisaram a aplicação de moldes de ABS
fabricado pela tecnologia de prototipagem rápida denominado de Modelagem por
Fusão e Deposição (FDM), na moldagem por injeção de termoplásticos PP e PEBD.
Os autores concluíram que a moldagem por injeção de termoplásticos em
moldes de ABS mostrou-se viável para a produção de pequenos lotes de peças com
geometrias simples em PEBD e PP. Os estudos em corpos de prova de PP injetados
em ABS revelaram pequenas diferenças de orientação e de cristalinidade, no
entanto, suas propriedades mecânicas não foram afetadas, sendo estas similares às
injetadas em moldes convencionais.
Em outro trabalho, FOGGIATTO (2005) estudou os procedimentos de injeção
em PP moldado em insertos de ABS fabricado pelo processo FDM. O procedimento
de ajuste da injetora Arburg Allrounder 320S 50T de moldagem por injeção utilizado
foi o método de preenchimento incompleto (short shot method), dividido em duas
etapas Tabelas 2.8 e 2.9.
Tabela 2.8 - Parâmetros de injeção para o PP a 170 ºC - 1ª etapa (FOGGIATTO, 2005)
Parâmetros de injeção Inserto de ABS Inserto de aço
Pressão de injeção (Bar) 270 310
Pressão de recalque (Bar) 160 155
Tempo de recalque (s) 7 12
Velocidade de injeção (m/s) 0,12 0,11
Temperatura do cilindro (ºC) 170, 165, 160, 155, 150 180, 175, 165, 160, 155
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
32
Tabela 2.9 - Parâmetros de injeção para o PP a 205 ºC - 2ª etapa (FOGGIATTO, 2005)
Parâmetros de injeção Inserto de ABS Inserto de aço
Pressão de injeção (Bar) 220 250
Pressão de recalque (Bar) 120 200
Tempo de recalque (s) 15 30
Velocidade de injeção (m/s) 0,15 0,05
Temperatura do cilindro (ºC) 200, 195, 190, 185, 180 205, 200, 195, 190, 185
Segundo este autor, o uso do método de preenchimento incompleto durante a
determinação dos parâmetros de injeção não se mostrou adequado para inserto em
ABS, pois são utilizadas pressões muito altas, sobrecarregando o inserto já na fase
de otimização dos parâmetros de injeção (tryout).
BARETA et al. (2006) em seus estudos sobre moldes híbridos utilizaram um
simulador computacional (software Moldflow MPI), para um estudo preliminar sobre
o processo de injeção, onde parâmetros como tempo de injeção, tempo de recalque
e ciclo, pressão de injeção e recalque foram obtidos através das simulações e
aplicados na máquina injetora de acordo com a Figura 2.14.
Figura 2.14 - Gradiente de pressão conforme simulação
no Moldflow (BARETA et al., 2006).
Quatro materiais diferentes foram utilizados na confecção dos insertos machos:
aço AISI P20, Alumínio, Zamak e resina epoxídica, no inserto onde é feita a
cavidade o material utilizado foi de aço.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
33
Nesse trabalho, foi analisada a influência dos materiais (aço-P20, Alumínio,
Zamak, resina epoxídica) empregados no “macho” do molde, em conjunto com a
variável de temperatura das cavidades (30 ºC, 50 ºC e 70 ºC) durante a injeção.
Os resultados mostraram, que em sua maioria, não houve maiores diferenças
entre os aspectos dimensionais. Contudo, a resistência mecânica das peças
injetadas foi influenciada pelos diferentes tempos de ciclos usados. Esses tempos de
ciclo foram configurados devido às diferentes características térmicas dos materiais
empregados nos machos (condutividade e coeficiente de expansão térmica).
HOPKINSON e DICKENS (2000) estudaram o comportamento de molde de
resina fabricado pelo processo de prototipagem rápida e molde de alumínio pelo
processo de usinagem para a injeção de polipropileno. Os autores constataram que
a pressão de fechamento foi 12,5% menor e a pressão de injeção foi 25% menor no
molde de resina em relação ao molde de alumínio. O tempo de resfriamento foi 25%
maior no molde de resina que no molde de alumínio, isso se deve, segundo os
autores, ao fato da baixa difusividade térmica da resina. O trabalho concluiu que
dentro das condições estudadas o molde de resina é viável para a produção de um
pequeno lote de peças.
AHRENS et al. (2002) estudaram as propriedades de peças injetadas em
insertos de ABS fabricado pelo processo FDM e por usinagem via Comando
Numérico Computadorizado (CNC), em resina epóxi e aço. A Tabela 2.10 apresenta
os parâmetros de injeção utilizados neste estudo para os de aço e de resinas.
Tabela 2.10 - Parâmetros de injeção para o PP (AHRENS et al., 2002)
Parâmetros de injeção
ABS
Resina
Aço
Pressão de injeção (MPa)
27
28
31
Pressão de recalque (MPa)
16
16
15,5
Velocidade de injeção (m/s)
0,12
0,12
0,11
Tempo de recalque (s)
7
14
12
Temperatura do cilindro (ºC)
170,165,160,
155,150
175,170,165,
160,155
180,175,165,
160,155
Os resultados mostraram uma redução na resistência mecânica, de 6,8% nas
peças injetadas em moldes de ABS e resina, e 2,8% em molde de aço, em relação
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
34
aos valores informados nas literaturas. Os autores concluíram que essas reduções
encontradas principalmente nos moldes de resinas se deram em função da baixa
difusividade térmica dos materiais.
No estudo da influência do desempenho térmico de moldes de resina para
injeção de PP, SALMORIA et al. (2008) analisaram também a resistência a tração e
dureza das peças moldadas em molde de epóxi/alumínio e em aço. Neste estudo, o
comportamento dos corpos de prova foram semelhantes, tantos os injetados em
molde de resina como em molde de aço.
BRITO e SÁNCHEZ, 2000 explicam que a baixa difusividade térmica dos
materiais poliméricos decorre dos baixos valores de condutividade térmica
encontrados na maioria dos materiais poliméricos. No caso de molde, quando macho
e cavidades são de materiais diferentes, a difusão da temperatura também é
diferente, afetando as propriedades dos produtos moldados.
Uma explicação dada por JARUGA e BOCIAGA (2007) que pode ser
considerada para as variações obtidas nos resultados se deve ao fato dos pares de
insertos não serem do mesmo material. Como conseqüência a difusividade térmica
também é diferentes, o que propicia diferença de temperaturas nos insertos do
molde, afetando a cristalinidade do moldado e conseqüentemente as propriedades
dos mesmos.
MARTINHO et al. (2009) estudaram as influências dos materiais utilizados em
moldes híbridos utilizaram três combinações de materiais diferentes para a
confecção moldes: macho/fêmea (aço), macho/fêmea (resina/aço) e macho/fêmea
(resina), fabricado pelo processo de usinagem, para injeção de polipropileno.
Conservando os parâmetros de injeção com os mesmos valores como: pressão e
velocidade de injeção, tempo de recalque, com pressão de recalque de 36 MPa
moldes aço/aço e resina/aço, 14 MPa molde resina/resina e tempos de
resfriamentos de 12s, 25s e 44s na ordem anterior, os valores de contrações interna
do produto variaram em 1,68%, 2,10% e 2,00% seguindo a mesma ordem.
Os autores concluíram que é viável economicamente a construção de moldes
para a produção normal de pequeno lote, assim como para teste de validação de
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
35
processo e/ou produto. A variação das contrações se deve ao fato da difusividade
térmica dos materiais serem diferentes.
Em CALLISTER (2002), encontra-se relatado que diversos fatores estruturais e
de processamento possuem influências marcantes sobre o comportamento
mecânico dos materiais poliméricos. Como por exemplo, peso molecular, grau de
cristalinidade, pré-deformação (estiramento) e tratamentos térmicos.
Ainda segundo CALLISTER, (2002), o grau de cristalinidade de um polímero
depende da taxa de resfriamento durante o processo de solidificação, bem como da
configuração da cadeia. Durante a cristalização com o resfriamento por meio da
temperatura de fusão, as cadeias, que por sua vez são altamente aleatórias
encontram-se entrelaçadas e embaraçadas no líquido viscoso, precisam assumir
uma configuração ordenada, que nem sempre é possível.
De acordo com MACHADO (2002), o grau de cristalinidade de um polímero
semi-cristalino pode ser definido como a razão entre a quantidade do componente
cristalino e a quantidade total da amostra constituída por porções cristalinas e
amorfas. O grau de cristalinidade constitui um importante parâmetro associado aos
aspectos morfológicos em polímeros semi-cristalinos. Seu valor é dependente da
história térmica e mecânica do mesmo. De acordo com MANRICH (2005), as
propriedades mecânicas são afetadas pela cristalinidade dos polímeros injetados
que apresentam em sua estrutura um arranjo das moléculas chamado de esferulito,
onde a cristalização depende da temperatura e o tempo de resfriamento do material
moldado, que ocorre a partir do estado fundido do polímero.
Esferulito é um arranjo cristalino disposto ordenadamente em relação ao
núcleo. A partir de um núcleo que se forma durante a cristalização, ocorre o
crescimento de outros cristalinos orientados radialmente. Entre os cristalinos existe a
região amorfa, formando uma fase contínua. Os cristais se ordenam de tal maneira
formando fibras que convergem para o centro do esferulito. Como o crescimento do
esferulito é tridimensional, o formato deste tende a ser uma esfera perfeita. Mas um
esferulito em crescimento encontra-se a outro, igualmente em crescimento,
formando uma interface plana de interesferulito, aparecendo ao microscópio como
uma linha reta (MANRICH, 2005).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
36
JARUGA e BOCIAGA (2007) observaram que peças moldadas em cavidades
diferentes no mesmo molde, quando as temperaturas nas cavidades do molde são
diferentes, também a estrutura esferulítica são deferentes conforme mostrado na
Figura 2.15, alterando o grau de cristalinidade das pecas injetadas. Neste estudo o
material utilizado no molde foi o aço.
Figura 2.15 - Estrutura esferulítica de peças de PP moldadas em
cavidades distintas de um molde (JARUGA e BOCIAGA, 2007).
O grau de cristalinidade dos produtos moldados pelo processo de injeção é
diretamente afetado pela temperatura do molde, que conseqüentemente tem
influência nas propriedades mecânicas das peças moldadas. Se a temperatura nas
paredes da cavidade do molde é diferente, isso resulta em problemas com a
qualidade das peças como encolhimento diferente, empenamento e outras
propriedades que são afetados pelo grau de cristalinidade (JARUGA e BOCIAGA,
2008).
De acordo com POSTAWA et al. (2008), o tempo de ciclo no processo de
moldagem por injeção depende do resfriamento da peça, o que é facilitado pelos
canais de arrefecimento no molde de injeção. Quando a temperatura no interior das
cavidades do molde não está distribuída uniformemente compromete as
propriedades das peças moldada. O resfriamento eficiente no molde é importante
porque não só afeta o tempo de ciclo, mas também a qualidade da peça.
JARUGA e BOCIAGA (2007) ressaltam que quando a injeção é feita em
moldes de varias cavidades o sistema de alimentação deve ser projetado de modo
que as cavidades sejam preenchidas simultaneamente. Tendo em vista que a
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
37
diferença de estrutura das peças moldadas são causadas pelas condições térmicas
tanto do molde como do material que também influencia o fluxo nas cavidades
durante a fase de moldagem.
Segundo os mesmos autores, a variação possível da estrutura do polímero
como função do processo de injeção, afeta as seguintes propriedades principais,
resistência atração, módulo de elasticidade, resistência ao impacto, dureza,
instabilidade dimensional entre outros.
Ressalta-se que ainda não foram encontrados estudos das propriedades do PP
injetados em moldes de resinas RenCast 6470 e RenShape 5166.
2.10 Ensaios mecânicos dos materiais
Os ensaios visam determinar valores numéricos que caracterizam as
propriedades mecânicas dos materiais. Estas determinações são feitas com auxílio
de máquinas apropriadas que, ao mesmo tempo em que aplicam o esforço, acusam
a sua intensidade.
O ensaio pode ser feito na peça ou em corpos de prova. Neste último caso, os
resultados obtidos representam as propriedades mecânicas do material da peça e
não propriamente as da peça em si, como um todo.
As propriedades dos materiais poliméricos são de grande importância e
interesse científico e tecnológico, devido aos requisitos e/ou exigências que os
diversos polímeros existentes devem atender na maior parte de suas aplicações.
Valores de propriedades mecânicas tais como resistência a tração, módulo de
elasticidade, alongamento entre outros, podem servir como base de comparação do
desempenho mecânico dos diferentes polímeros (CANTO e PESSAN, 2004).
Ainda conforme CANTO e PESSAN (2004), em termos práticos, a análise das
propriedades dos materiais é umas das considerações essenciais a serem feitas no
processo de seleção dos materiais poliméricos para o projeto de uma peça ou um
produto.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
38
O comportamento de deformação mecânica do polímero está fundamentado na
viscoelasticidade desse material. O termo viscoelasticidade está associado à
resposta elástica e viscosa, simultânea ou não, apresentado pelos polímeros
(MANRICH, 2005).
2.10.1 Ensaio de resistência a tração
Em termos de propriedade mecânica dos materiais, o ensaio de tração é o
mais representativo de todos, pois traduz a resistência mecânica destes materiais
(MANRICH, 2005).
A norma NBR 9622 apresenta três tipos de corpos de provas diferentes sendo
tipo 1 para materiais à base de resinas termofixas com baixos alongamentos à
ruptura; tipo 2 se aplica em materiais que tenham alongamentos relativamente
elevados a ruptura e tipo 3 são aplicados para materiais termofixos de moldagem.
Para os materiais cujo alongamento à ruptura é relativamente grande são
recomendados os corpos de prova do tipo 2. Neste caso, quando moldados,
extrudados ou estampados por meio de uma matriz, a espessura dos mesmos deve
ser de 1,0 mm a 2,0 mm, as outras dimensões estão especificadas na Figura 2.16.
Figura
2.16
- Corpo de prova de tração (NBR 9622, 1986).
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
39
O detalhamento do dimensional do CPD da Figura 2.16 é apresentado a seguir
A – comprimento total =115,0 mm;
B – largura das extremidades = 25,0 mm ± 1;
C – comprimento da parte calibrada = 33,0 mm ± 2;
D – largura da parte calibrada = 6,0 mm ± 0,4;
E – raio menor = 14,0 mm ± 1;
F – raio maior = 25,0 mm ± 2;
G – distância inicial entre as marcas de referências 25,0 mm ± 1;
H – distância inicial entre as garras = 80,0 mm ± 5;
I – espessura = variando entre 1,0 a 2,0 mm ± 0,2.
Os ensaios de tração podem fornecer dados para controle de qualidade e
homologação ou rejeição a título de especificação, pesquisa e desenvolvimento,
projetos técnicos ou outras realizações.
CARVALHO e SANTOS (2007) realizaram um estudo sobre caracterização do
PP utilizado na fabricação de cadeiras de plástico, através de ensaios de tração.
Onde as propriedades estudadas foram: módulo de elasticidade, coeficiente de
Poisson, tensão de escoamento e tensão de ruptura Tabela 2.11.
Tabela 2.11 - Propriedades obtidas do ensaio de tração
Tensão de escoamento do material (MPa) 27
Tensão máxima suportada pelo material (MPa)
32
Módulo de elasticidade (MPa) 333
Coeficiente de Poisson 0,41
O estudo também foi realizado utilizando-se o Método dos Elementos Finitos,
nas cadeiras moldadas pelo processo de injeção. Foram executadas simulações nos
softwares SolidWorks COSMOSWorks do comportamento do corpo de prova com as
mesmas condições dos ensaios. Os resultados obtidos nas simulações reproduziram
satisfatoriamente os ensaios em laboratório.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
40
Com estes resultados, é possível se observar que os valores da tensão de
escoamento, tensão máxima suportada pelo material e coeficiente de Poisson se
aproximam bastante dos valores que são apontados pelas bibliografias pesquisadas.
Entretanto, o valor do módulo de elasticidade ficou abaixo dos apresentados nas
bibliografias. Neste estudo o material do molde foi metálico.
FOGGIATTO (2005) investigou se as propriedades mecânicas das peças
injetadas nos moldes de aço e de ABS, através do ensaio de tração Figura 2.17
teriam sido afetadas pela diferença de orientação em sua estrutura. A Tabela 2.12
mostra os valores médios do módulo de elasticidade e resistência a tração para
corpos de prova em PP obtidos nos ensaios.
Figura 2.17
- Diagrama tensão/deformação de corpos de prova em PP
injetados a 170 °C em moldes de aço e de ABS (FOGGIATTO, 2005).
Tabela 2.12 - Valores médios de módulo de elasticidade e resistência a tração para
corpos de prova em PP injetado em inserto de aço e ABS (FOGGIATTO, 2005)
Corpo de prova em PP Módulo de elasticidade
(MPa)
Resistência a tração
(MPa)
Inserto de aço
Valor médio 698 27,8
Desvio padrão 29 0,27
Inserto de ABS
Valor médio 641 27,5
Desvio padrão 20 0,25
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
41
FOGGIATTO et al. (2004) no estudo de moldes de ABS em relação ao molde
aço para injeção de termoplásticos PP e PEBD. Onde uma amostra das peças
injetada foi submetida a ensaios de resistência à tração demonstrando que os limites
de resistência à tração, para os corpos de prova injetados nos dois tipos de moldes,
tiveram valores bastante próximos (27,8 para molde aço e 27,5 MPa para molde
ABS). Sugerindo não existir diferenças marcantes nas propriedades mecânicas das
peças injetadas em moldes de ABS se comparadas às injetadas em moldes de aço.
BARETA et al. (2006) em seus estudos sobre moldes híbridos realizaram
ensaios de resistência à tração nas peças injetadas. Aonde as conclusões obtidas
nesses ensaios foram tomadas de forma comparativa com o aço AISI P20.
Observou-se que a resistência à tração das peças injetadas em resina apresentaram
uma força máxima suportada cerca de 14% menor que nas peças injetadas em aço
AISI P20, seguidas pelas injetadas em alumínio (10% inferior) e em Zamak-5 (6%
inferior).
No estudo da influência do desempenho térmico de moldes de resina para
injeção de PP, SALMORIA et al. (2008) analisaram também a resistência a tração,
tendo como resultado do ensaio de tração 32,6 MPa para peças moldadas tanto em
moldes de resina como em aço. Nesse estudo, o comportamento dos corpos de
prova foi semelhante, tantos os injetados em molde de resina como em molde de
aço.
2.10.2 Ensaio de resistência ao impacto
O corpo de prova indicado na NBR 8425 deve ter dimensões conforme Figura
2.18. Para material moldado a largura é de 12,7 mm com espessura variando de 3,2
mm a 12,7 mm.
HARADA (2004) alerta que, quando o produto a ser moldado é muito espesso
forma vazios (bolhas) interno, isso acontece devido à contração final da região
central puxará a superfície da peça para dentro. Essa tendência é mais evidente em
materiais com alta contração térmica, que exigem altas temperaturas de processo e
possuem baixo coeficiente de transmissão de cloro, como por exemplo, o PP.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
42
BRITES et, al. (2008), em seus estudos de materiais alternativos para moldes-
protótipos (resinas), utilizaram cavidades de corpos de prova de impacto com
espessura de 12,7 mm, onde os mesmos apresentaram bolhas na região centra da
peça molda tanto dos injetadas em moldes de aço como em moldes de resina sendo
que nesse caso o material injetado foi o PBT.
Figura 2.18 - Dimensões do corpo de prova – tipo IZOD (NBR 8425, 1984).
A resistência ao impacto é uma das propriedades mais requisitadas para a
especificação do comportamento mecânico de polímeros, principalmente os
plásticos, a habilidade de um material polimérico em suportar choques acidentais
pode decidir sobre o sucesso ou fracasso do seu uso em determinada aplicação
(HAGE, 2007).
Nos ensaios de impacto Izod, segundo HAGE (2007), as normas mais
utilizadas que regulamentam este tipo de ensaio para plásticos são: ASTM D256,
ISO 180 e NBR 8425. O corpo de prova utilizado neste tipo de ensaio deve ser
entalhado. O entalhe tem a finalidade de produzir um grau padronizado de
concentração de tensões.
GONDAK et al. (2006) relatam que a resistência ao impacto, bem como, a
tensão máxima sob tração não sofreram grandes modificações em função do curso
de almofada. Foi comprovado uma pequena variação na contração da amostra que
se utilizou uma almofada de 5,0 mm, podendo-se observar uma melhor
reprodutibilidade de ensaios para os corpos de prova onde foi utilizada uma
almofada de 10,0 mm.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
43
BARETA (2007), em seu estudo sobre materiais alternativos para moldes-
protótipos, observou uma redução da resistência ao impacto de 15% dos moldados
em molde de resina. Nesse trabalho, os corpos de prova para ensaio de impacto
foram extraídos de uma peça injetada, com dimensões fora das estabelecidas na
norma. Segundo o autor essa redução pode ser explicada através da análise da
morfologia das peças moldadas, como por exemplo, a forma, tamanho e orientação
do esferulito. Pois, quanto maior tamanho do esferulito a resistência ao impacto é
menor. Esse aumento do esferulito é gerado pelo resfriamento lento. Onde o tempo
de resfriamento foi maior no molde de resina do que no molde metálico.
2.10.3 Ensaio de dureza
A norma NBR 7456 descreve o método da determinação da dureza por
penetração dos materiais poliméricos por meios de dois tipos de durômetros (A e D).
O tipo A é utilizado para materiais mais flexíveis e do tipo D para materiais mais
rígidos.
O ensaio de dureza é um dos ensaios mecânicos mais difundidos que existem,
pela soma de pelo menos três razões (CHIAVERINI, 1986):
A dureza é uma propriedade muito importante, uma vez que a ela pode estar
associada desde as mudanças na composição química, até mudanças na estrutura
do material;
É talvez o teste mais rápido que existe;
O durômetro, equipamento que mede dureza, é um dos equipamentos de
ensaio mais baratos e fáceis de manusear.
AHRENS et al. (2002) estudaram os processos de fabricação dos insertos de
ABS, resina epóxi RenShape 460 e aço 1045, onde o polímero para injeção
polipropileno PP H301. A geometria da peça moldada foi corpo de prova de tração
ASTM D 638 tipo IV Figura 2.19 que foi utilizada para avaliar a variação da
resistência mecânica em função do tipo de inserto e das condições de
processamento.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
44
Figura 2.19 - Localização dos pontos submetidos ao ensaio de dureza
(AHRENS et al., 2002).
A Tabela 2.13 mostra a variação de dureza para cada ponto Figura 2.19,
alcançada para 5 corpos de prova injetados em ABS, resina e aço.
Os resultados de dureza obtidos para as peças injetadas em aço apresentaram
uma dureza média igual de 69 Shore D, com uma pequena variação entre os pontos
selecionados.
Para as peças injetadas nos moldes de ABS e resina a dureza média
encontrada foi igual a 68 Shore D, sendo que a variação entre os pontos foi maior do
que aquelas apresentadas nas peças injetadas no inserto de aço.
Tabela 2.13 - Média das variações de dureza Shore D, nos pontos do corpo de prova
(AHRENS et al., 2002)
Dureza Shore D
Pontos
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
ABS 66
68
70
68
70
70
67
69
70
71
70
69
69
68
68
69
68
66
66
70
70
66
68
66
65
Resina
66
68
68
68
69
69
67
68
67
68
68
68
70
70
70
67
65
68
65
72
70
67
69
70
68
Aço 67
68
69
68
70
71
68
69
69
70
70
70
70
71
70
70
70
70
69
70
70
69
69
69
69
FOGGIATTO et al. (2004) no estudo de injeção de PP e PEBD, em moldes de
ABS e de aço. Também realizaram ensaios de dureza, onde as amostras
submetidas aos ensaios revelaram valores médios bastante próximos (68 em molde
ABS e 69 Shore D em molde de aço), sendo estes um pouco inferiores aos valores
comumente encontrados em literaturas para moldados de PP (71 a 73 Shore D).
SALMORIA et al. (2008) também estudaram a dureza de peças injetadas em
molde de epóxi/alumínio e em aço com o fluido de resfriamento na temperatura de
75 °C foram ligeiramente superiores às durezas das peças injetadas com o fluido de
resfriamento na temperatura de 15 °C e 32 °C. O valor da dureza média dos corpos
de prova injetados no molde de aço a 75 °C foi de 73 Shore D, foi ligeiramente
superior ao obtido nas peças injetadas em molde epóxi/alumínio de 72 Shore D.
Capítulo 2 Fabricação de molde-protótipo e características do moldado
45
2.11 Discussão da literatura
As tecnologias de RP e RT oferecem várias técnicas de fabricações de moldes-
protótipos usados no processo de injeção de plástico. No entanto, a tecnologia de
fabricação de moldes usinados em resina pelo sistema CAD/CAM/CNC é uma boa
opção para se obter moldes-protótipos, com redução custo e tempo de fabricação do
molde. Isso porque envolvem tecnologias que estão acessíveis.
As resinas poliméricas a base de epóxi ou poliuretano, mesmo com suas
propriedades inferiores aos aços, oferecem vantagens na produção de molde para
obtenção de protótipos funcionais para testes de engenharia ou produção de lotes
pequenos. Isso deve-se ao fato de que o tempo de fabricação do inserto é menor do
que o do material usualmente empregado para moldes, como é o caso dos aços.
Os estudos realizados demonstraram uma grande preocupação com os
materiais dos moldes-protótipos, onde o objetivo principal não era determinar as
propriedades dos moldados e sim a resistência do material do molde, que sem
dúvida, é um fator relevante para a decisão do uso de um determinado material.
Um trabalho em particular, estudou a propriedade do PP num molde híbrido em
que o material do macho era uma resina e o da cavidade em aço P20. Esta opção
pode ter influenciado os resultados por envolver um material com alta condutividade
térmica com um material de baixa condutividade térmica.
Dentre os estudos realizados anteriormente não foram encontrados estudos
realizados sobre as propriedades mecânicas de peças em PP, injetadas em moldes-
protótipos de materiais já usados como a resina RenShape 5166, assim como em
moldes de resina RenCast 6470.
Desta forma, a decisão para o desenvolvimento deste trabalho partiu da
observação de que os estudos realizados até então com resinas não deram muita
ênfase as propriedades mecânicas dos moldados, sendo que este é fator importante
na identificação dos materiais tanto dos insertos, como dos polímeros a serem
injetados.
Capítulo 3 Materiais e métodos
46
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentadas as tecnologias para o desenvolvimento deste
estudo, onde foram empregados vários métodos para sua realização, sendo que a
Figura 3.1 mostra, de forma esquemática, os matérias e métodos utilizados para o
alcance dos objetivos.
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Figura 3.1 - Fluxo dos materiais e métodos utilizados no trabalho.
Capítulo 3 Materiais e métodos
47
3.1 Corpos de prova
Os corpos de prova foram dimensionados de acordo com as especificações
contidas nas normas ABNT. NBR 9622 - plástico para a determinação das
propriedades mecânicas à tração, NBR 8425 - plástico rígido para determinação da
resistência ao impacto Izod e NBR 7456 - plástico para determinação de dureza
Shore.
Os resultados dos ensaios de tração, impacto e dureza serão comparados aos
dos produtos moldados em moldes de materiais alternativos (resinas), também serão
comparados com os resultados obtidos em moldes de aço.
3.2 Geometria dos insertos
As formas e os dimensionamentos dos insertos foram definidos conforme os
alojamentos do porta-molde (Figura 2.9). As dimensões e geometrias dos insertos
foram modelados no sistema CAD Solid Edge V19, e podem ser observadas nas
Figuras 3.2 e 3.3.
Figura 3.2 - Inserto da parte superior do molde.
Capítulo 3 Materiais e métodos
48
Figura
3.3
- Inserto da parte inferior do molde (cavidade).
Quanto ao canal de alimentação do molde, segundo ROSATO et al. (2000),
existem algumas formas geométricas, onde a mais eficiente é a forma circular, isso
se deve ao fato de que a área de contato do material fundido durante o
deslocamento em direção a cavidade é menor.
Nesse trabalho a geometria escolhida foi a semi-circular mesmo sendo
apontadas como menos eficiente que a forma circular, vem tendo um bom
desempenho em estudos anteriores realizados pelo NUFER, conforme apresentados
no capítulo 2, como por exemplo: VOLPATO et al. (2003), VOLPATO et al. (2006) e
DERENIEVICKI (2007).
Na seção 2.3 são apresentados mais detalhes sobre projeto de moldes.
Capítulo 3 Materiais e métodos
49
A área projetada total entre produto e canal de alimentação é
aproximadamente 22,40 cm
2
.
3.3 Seleção das resinas para confecção dos insertos
Os materiais selecionados para a fabricação dos moldes-protótipos foram as
resinas RenCast 6470 e a RenShape 5166. Conforme observado no capítulo
anterior, ainda não se têm muitas informações sobre os produtos moldados nestes
materiais.
O sistema poliuretano fundível (RenCast 6470) é normalmente fornecido em
dois componentes (resina e endurecedor) para ser preparado pelo usuário. Como
não se tinha experiência na preparação do mesmo, nem um laboratório apropriado
com câmara de pressão para retirar as bolhas, esta resina foi solicitada já
preparada/curada pelo pessoal que fornece este material no mercado nacional.
Os componentes usados na preparação da resina RenCast 6470 foram: base
de poliuretano e carga de Alumínio DIN 100. Este material foi fabricado na proporção
80:100:150pp (Resina+Endurecedor+Al), e fornecido em bloco de 65,0 x 95,0 x
150,0 mm pelo fabricante.
A resina RenShape 5166 é fornecida em placas pelo fabricante. Com esta
resina já foram desenvolvidos vários trabalhos para a confecção de moldes-
protótipos usinados para a injeção de plástico. Esta resina foi selecionada para ser
usada neste trabalho em função de já ter sido desenvolvido vários outros estudos
pelos pesquisadores do NUFER (conforme relatado no capítulo de revisão), sendo
que ainda não se tinha dado ênfase para as propriedades mecânicas das peças
moldadas.
Também foi utilizado um par de insertos de aço 1045 na injeção de corpos de
prova, tendo em vista que este material já foi usado em outros trabalhos, servindo
como referência na comparação dos resultados obtidos com os ensaios feitos nas
peças injetadas em moldes de resinas.
Capítulo 3 Materiais e métodos
50
Conforme HARADA (2004), o aço 1045 pode ser usados como insertos (macho
e cavidade) de moldes para baixa ou média produção de peças, na injeção de
polímero com baixa abrasividade como o PP.
3.4 Processo de usinagem dos insertos
Antes da fabricação dos insertos de resina RenCast 6470, foram realizados
teste de usinagem (Figura 3.4), onde foram usinados vários canais em um bloco com
diferentes parâmetros de cortes (Tabela 3.1), visando adquirir informações sobre o
comportamento do referido material, que servisse como base para a usinagem das
cavidades.
Figura 3.4 - Teste de usinagem em resina RenCast 6470.
Tabela 3.1 - Parâmetros de corte na usinagem
Teste com velocidade de corte 94 m/min.
fz
(mm/faca)
fz
(mm/faca)
fz
(mm/faca)
fz
(mm/faca)
fz
(mm/faca)
0,03 0,05 0,07 0,08 0,10
Teste com Velocidade de corte 125 m/min.
0,03 0,04 0,05 0,06 0,08
Profundidade de corte 3,0 mm; fresa de topo reto de Ø10,0 mm
fz = Avanço por faca (mm/faca)
Capítulo 3 Materiais e métodos
51
Posterior ao processo de usinagem foi realizado a medição da rugosidade Ra
(µm) nos canais usinados, a leitura dos valores da rugosidade forma feitas com o
acabamento resultante da usinagem. O equipamento utilizado foi o rugosímetro
portátil modelo Surtronic S25 Taylor/Robson e o cut-off adotado foi de 0,8mm.
Nos canais usinados foram feitas 3 medições para cada canal e pego a média
das rugosidades Ra (µm). Também foi feito análise visual da superfície usinada.
Os parâmetros de usinagem estão especificados nas Tabelas 3.3 e 3.4. A
usinagem do contorno externo dos insertos assim como das cavidades e mostrada
na Figura 3.7.
Neste trabalho não foi feito teste de usinagem da resina RenShape 5166, pois
este já foi estudado por DERENIEVICKI (2007) (ver Figura 2.13 e Tabela 2.7). Os
parâmetros de cortes testados por este autor serviram como base para a usinagem
dos insertos do referido material.
O sistema CAM utilizado na usinagem dos insertos foi o PowerMill 6.0. Ele
permite, por meio de criações de fronteiras, estabelecer regiões que serão usinadas
de maneiras diferentes, de forma a otimizar o processo. Empregando-se simulações,
que possibilitam visualizar a trajetória das ferramentas empregadas, foi possível
definir a melhor estratégia para desbaste e posterior acabamento das cavidades.
A Figuras 3.5 mostra as simulações de usinagem dos insertos.
Figura 3.5 - Simulação de usinagem dos insertos.
Para a usinagem dos insertos foi utilizado um Centro de Usinagem Cincinnati
Milacron Arrow 500, de 3 eixos com comando FANUC, do Departamento de
Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR (Figura 3.6).
Capítulo 3 Materiais e métodos
52
Figura 3.6 - Centro de usinagem Cincinnati
Milacron Arrow 500 (DAMEC, 2009).
Os blocos utilizados na fabricação dos insertos foram dimensionados e
esquadrejados conforme especificados no Apêndice “A”.
Após a preparação da máquina deu-se início a usinagem dos insertos que
ocorreu em duas fases. Primeiramente foi fixando o bloco de resina na morsa,
seguindo as orientações pré-estabelecidas nas simulações realizadas no sistema
CAM. Foi referenciado o zero peça na máquina e em seguida realizou-se a
usinagem em uma das faces do bloco. Posteriormente, foi seguido o mesmo
procedimento para o outro lado do bloco, conforme Apêndice “B” e Figuras 3.7.
Figura 3.7
- Usinagem dos insertos (DAMEC, 2009).
Os blocos utilizados na fabricação dos insertos foram dimensionados e
esquadrejados conforme especificados no Apêndice “A”.
Após a preparação da máquina deu-se início a usinagem dos insertos que
ocorreu em duas fases. Primeiramente foi fixando o bloco de resina na morsa,
Capítulo 3 Materiais e métodos
53
seguindo as orientações pré-estabelecidas nas simulações realizadas no sistema
CAM. Foi referenciado o zero peça na máquina e em seguida realizou-se a
usinagem em uma das faces do bloco. Posteriormente, foi seguido o mesmo
procedimento para o outro lado do bloco, conforme Apêndice “B” e Figuras 3.7.
Tabela 3.2 - Dados de usinagem do inserto superior
Etapa Estratégia
Ferramenta
(mm)
Vel. Corte
(m/min.)
Avanço
(mm/min.)
Desbaste
Desbaste
Raster
Fresa de
Topo Ø20
99.91 191
Acabamento
Superior
Acabamento
por Offset 3D
Fresa de
Topo Ø20
99,91 191
Acabamento
Lateral
Acabamento
Z Constante
Fresa de
Topo Ø20
99,91 191
Desbaste Canal
Desbaste por
Offset
Fresa ponta
esférica Ø 4
31,40 300
Acabamento
Canal
Acabamento
Z Constante
Fresa ponta
esférica Ø 4
31,40 600
Tempo de fabricação
56 min.
Ferramentas utlizadas:
Fresa de topo de aço rápido, 4 cortes e Ø 20,0 mm;
Fresa de topo de aço rápido, ponta esférica de 2 cortes e Ø 4,0 mm.
Tabela 3.3 - Dados de usinagem do inserto inferior (cavidade)
Etapa Estratégia
Ferramenta
(mm)
Vel. Corte
(m/min.)
Avanço
(mm/min.)
Desbaste
Desbaste
Raster
Fresa de
topo Ø20
99,91 191
Acabamento
Superior
Acabamento
por Offset 3D
Fresa de
topo Ø20
99,91 191
Acabamento
Lateral
Acabamento
Z Constante
Fresa de
topo Ø20
99,91 191
Desbaste Canal
Desbaste por
Offset
Fresa ponta
esférica Ø 4
62,80 300
Acabamento
Canal
Acabamento
por Offset 3D
Fresa ponta
esférica Ø 4
62,80 600
Desbaste
Cavidade
Desbaste
Raster
Fresa de
topo Ø 4
62,80 300
Acabamento
Cavidade
Acabamento
Raster Plano
Fresa de
topo Ø 4
62,80 600
Tempo de fabricação 01 h 11 min.
Capítulo 3 Materiais e métodos
54
Ferramentas utilizadas:
Fresa de topo de aço rápido, 4 cortes e Ø 20,0 mm;
Fresa de topo de aço rápido, 4 cortes e Ø 4,0 mm;
Fresa de topo de aço rápido, ponta esférica de 2 cortes e
Ø
4,0 mm
.
Após a usinagem dos insertos de resina foi necessário fazer um acabamento
para ajustar os mesmos nos alojamentos do porta-molde. O ajuste foi realizado com
auxílio de lixa de gramatura 220, para remoção de material nas laterais externas e
nos raios do inserto. O par de insertos de aço utilizado neste estudo foi o já existente
no NUFER, utilizado/fabricado em trabalhos anteriores.
3.5 Polímero para injeção
O polipropileno (PP) usado na injeção dos corpos de prova foi o H 301, do
fabricante BRASKEM. Este é um polímero de médio índice de fluidez, com
distribuição normal de peso molecular e aditivado para uso geral. É indicado para
processos de moldagem por injeção. Este produto apresenta excelente
processabilidade com boa estabilidade do fundido, bom balanço rigidez/impacto e
baixa transferência de odor e sabor BRASKEM (2009).
Outros fatores preponderantes para a escolha do PP para a injeção dos corpos
de prova para a realização dos ensaios é que das 80t/ano transformada pelo
processo de injeção no PIM, 40% é de polipropileno os outros 60% estão divididos
entre ABS, PS, PVC e outros SINPLAST (2009) e também a existem vários
trabalhos na literatura com este material como os citados nas seções 2.9.
3.6 Injeção dos corpos de prova
No desenvolvimento do processo de injeção foi utilizada uma injetora de
plástico - HAITIAN HTF58X, alocada no Laboratório de Processamento de Polímeros
– NUFER/DAMEC do Campos Curitiba da UTFPR (Figura 3.8).
Capítulo 3 Materiais e métodos
55
Figura
3.8
- Injetora de plástico HAITIAN HTF58X (NUFER/DAMEC, 2009).
Dados técnicos da injetora:
Diâmetro da rosca: 30 mm;
Volume teórico de injeção (PS): 88 cm
3
;
Capacidade de injeção (PS): 80 g;
Velocidade de injeção: 127 mm/s;
Capacidade de plastificação: 9,3 g/s;
Pressão máxima de injeção: 184 MPa;
Velocidade da rosca: 0 ~ 225 rpm;
Força de fechamento: 580 KN;
Curso de abertura: 270 mm;
Espaço entre colunas: 310 mm x 310 mm;
Altura mínima do molde: 120 mm;
Altura máxima do molde: 320 mm;
Curso do extrator: 70 mm;
Força do extrator: 22 KN.
No processo de regulagem da máquina injetora foi utilizado o método da
injeção progressiva, conhecido também por Short Shot Method, apresentados no
Capítulo 3 Materiais e métodos
56
anexo A. Por meio deste método é possível o ajuste dos parâmetros de injeção
passo a passo (BARRY et al., 1995).
Apesar de não ser um método mais indicado para fazer a regulagem dos
parâmetros de injeção em moldes-protótipos poliméricos (conforme FOGGIATTO,
2005), o mesmo serviu de base, pois no momento da realização do trabalho, não se
tinha outro método disponível. Uma opção poderia ter sido a utilização de um
software de simulação tipo o Moldflow para fazer uma definição prévia dos
parâmetros de injeção, como o utilizado por (BARETA et al., 2006).
Para início da produção de peças boas, foram realizados em tornos de 20
ciclos para o par de inserto de resina RenCast 6470 até a estabilização do ajuste
utilizado na injeção dos corpos de prova (Figura 3.9). Para os pares de insertos de
resina RenShape 5166 e aço, os parâmetros usados como base foram os mesmos
utilizados na resina RenCast 6470. Neste caso foram necessárias algumas
variações nos parâmetros de injeção, conforme apresentadas na Tabela 3.5
Figura
3.9
- Corpo de prova injetado em PP.
Tabela 3.4
- Injeção de corpos de prova em PP de: tração, impacto e dureza
Parâmetros
Insertos
Aço 1045
Resina Ren
Cast 6470
Resina Ren
Shape 5166
Temperatura de injeção (º C) 200 200 200
Pressão de fechamento (MPa) 40 30 30
Pressão injeção (MPa) 35 27 25
Velocidade de injeção (mm/s) 20 22 20
Tempo de injeção (s) 5 5 5
Pressão de recalque (MPa) 23 20 20
Tempo de recalque (s) 3 3 3
Tempo de resfriamento (s) 5 10 10
Pressão de dosagem (MPa) 80 80 80
Curso de dosagem (mm) 11,15 15 15
Temperatura nas zonas de aquecimento (º C): 200, 195, 190, 185
Capítulo 3 Materiais e métodos
57
A força de fechamento do molde calculada utilizando a Equação 2.1, foi
aproximadamente 4 toneladas, onde a área projetada da cavidade e do canal de
alimentação é 22,4 cm
2
e a pressão na cavidade é 180 bar.
Segundo MANRICH (2005), a força de fechamento do molde de injeção tem
que ser maior que a pressão de injeção para garantir que o molde não abra durante
a injeção do material. Visualiza-se na Tabela 3.5 que a pressão de fechamento é
superior em torno de 10% em relação a pressão de injeção, o que garante a
estabilidade do fechamento no ato da injeção, atendendo a recomendação
especificada na seção 2.6.
No processo de injeção, após a regulagem da máquina, foram injetados 20
corpos de prova de tração para cada molde-protótipo (resinas e aço). Destes, alguns
corpos de prova foram selecionados para a realização dos ensaios descritos a
seguir. Esta seleção foi de forma aleatória.
3.7 Ensaios mecânicos nos corpos de prova
Os ensaios foram realizados objetivando a verificação das especificações das
propriedades mecânicas analisadas através dos ensaios de tração, impacto e dureza
em corpos de prova injetados em três moldes de materiais diferentes. Os corpos de
prova foram ensaiados na atmosfera de 23 ºC. Neste estudo foram usados cincos
corpos de prova para cada tipo de ensaio. Ou seja, cinco corpos de prova para cada
par de inserto.
3.7.1 Ensaio de resistência a tração
Os ensaios de tração foram realizados, conforme especificados na norma NBR
9622, em uma máquina universal de ensaios de tração EMIC DL 3000 com célula de
30 KN Figura 3.10, pertencente à Escola SENAI Mario Amato - São Paulo. A
obtenção dos ados resultantes dos ensaios foi através do software Mtesc versão
2.02.
Capítulo 3 Materiais e métodos
58
A velocidade utilizada no ensaio foi de 50 mm/min., esta é uma das
velocidades permitidas entre outras especificadas na norma NBR 9622, para ensaios
de polímeros no ensaio de tração. BARETA (2007), usando um equipamento similar,
também usou a velocidade de 50 mm/min., para ensaios de tração.
Figura
3.10
- Ensaio de tração em corpo de
prova injetado em PP (SENAI/SP, 2009).
3.7.2 Ensaio de resistência ao impacto
Os corpos de prova de impacto foram dimensionados fora das especificações
da NBR 8425, com exceção do entalhe que ficou conforme especificado na norma
(Figura 2.18). Como o estudo é comparativo, as peças moldadas têm que ter a
mesma espessura variando apenas dentro da tolerância permitida.
Desta forma, para fazer os ensaios de impacto também foram usados os
corpos de prova de tração, sendo que foi feito uma adaptação através de usinagem
para que os mesmos pudessem ser testados. O corpo ficou com a geometria
retangular, dimensões: 32,0 mm de comprimento x 12,7 mm de largura x espessura
de 2,2 mm (Figura 3.11), sendo retirado da parte mais larga do corpo de prova de
tração conforme Figura 3.12. As superfícies usinadas foram os topos do
comprimento e da largura.
Capítulo 3 Materiais e métodos
59
Figura 3.11
- Desenho de corpo de prova usado no ensaio de impacto.
Figura 3.12
- Local grifado de vermelho onde
foi extraído o corpo de prova de impacto.
Para a realização dos ensaios foi utilizado uma máquina de ensaio EMIC Elco
modelo N34 – 45BR, sendo realizados ensaios de impacto Izod, com energia
nominal do pêndulo de 2,70 J e velocidade de impacto de 3,45 m/s (Figura 3.13).
Este equipamento cedido pelo Centro de Injeção Plástica (CIP) da Fundação Rede
Amazônica/Manaus.
Figura
3.13
- Ensaio de impacto em corpo de
prova em PP (CIP, 2009).
Capítulo 3 Materiais e métodos
60
3.7.3 Ensaio de dureza
Na execução dos ensaios de dureza foram utilizados três corpos de prova
sobrepostos na realização dos ensaios. A razão pela qual foi utilizado mais de um
corpo de prova para o ensaio de dureza é que, segundo a norma NBR 7456, o corpo
de prova deve ter no mínimo 3,0 mm de espessura. Como o corpo de prova tinha
uma espessura de 2,2 mm, foi utilizado três corpos de prova sobrepostos.
O método de determinação da dureza por penetração dos materiais plásticos
foram seguidos de acordo com a prescrição na norma NBR 7456. O equipamento
utilizado foi o Durômetro Shore D – Zwick da Escola SENAI Mario Amato - São
Paulo. A Figura 3.14 mostra o posicionamento do corpo de prova na máquina de
medir dureza.
Figura
3.14
- Ensaio de dureza em corpo
de prova em PP (SENAI/SP, 2009).
Nos ensaios de durezas foram feitas 7 medições de acordo com a Figura 3.15.
Em todos os ensaios (tração, impacto e dureza) foram utilizados 5 corpos de prova
para cada material do molde.
Figura
3.15
- Posição dos pontos de medição de dureza Shore D.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
61
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos durante a realização
dos testes que servirão como embasamento para as discussões e conclusões deste
trabalho.
4.1 Teste de usinagem
Na análise visual da usinagem observou-se que na saída da ferramenta em
determinadas velocidades de avanço, aconteceu o lascamento, conforme Figura 3.4.
Analisando questões como rugosidade do canal e visualmente o lascamento de
material, pode-se definir qual a melhor velocidade de corte e avanço para o material,
visto que este é um material novo no mercado e as informações sobre suas
condições de corte ainda não estão bem definidas (Tabela 4.1).
Tabela
4.1
- Rugosidade Ra (µm)
Teste com Velocidade de corte 94 m/min
fz 1ª Medição 2ª Medição 3ª Medição Média Desv. Pad.
0,03 0,814 0,835 0,952 0,867 0.074
0,05 1,022 0,954 1,110 1,028 0.078
0,07 0,961 1,281 1,184 1,142 0.164
0,08 1,120 1,210 1,065 1,131 0.073
0,10 1,250 1,160 1,060 1,156 0.095
Teste com Velocidade de corte 125 m/min.
fz 1ª Medição 2ª Medição 3ª Medição Média Desv. Pad.
0,03 1,060 1,080 1,140 1,09 0,041
0,04 1,200 1,140 1,120 1,15 0,042
0,05 1,010 1,340 1,200 1,18 0,165
0,06 1,037 1,160 1,170 1,12 0,074
0,08 1,000 1,135 1,170 1,10 0,090
Profundidade de corte 3,0 mm; fresa de topo reto de Ø10,0 mm
Capítulo 4 Resultados e Discussões
62
4.2 Usinagem dos insertos
A Figura 4.1 apresenta a cavidade do inserto de resina RenCast 6470 usinada
pelo CNC com auxílio do sistema CAD/CAM, seguindo os parâmetros estabelecidos
no teste de usinagem.
Figura
4.1
- Inserto usinado (DAMEC, 2009).
Ressalta-se que a superfície da cavidade não foi polida pós-usinagem, ela foi
utilizada no processo de injeção só com o acabamento resultante do processo e
usinagem. Este procedimento foi o mesmo tanto para o molde de aço como os
moldes de resinas: RenCast 6470 e RenShape 5166.
4.3 Montagem dos insertos no porta-molde
Os insertos após o processo de usinagem, foram montados no porta-molde e
posteriormente o molde montado na injetora de plástico, conforme mostrado na
Figura 4.2.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
63
Figura 4.2 - Montagens dos insertos e do molde.
4.4 Injeção dos corpos de prova
Após o ajuste da máquina detalhados na (seção 3.6) foram injetadas 20 peças
em cada par de inserto, do modelo de corpos de prova de tração de acordo com a
especificação da norma NBR 9622 (Figura 4.3). Estes corpos foram usados nos
ensaios de tração, impacto e dureza.
Figura 4.3 - Exemplos de corpos de prova injetado em PP.
4.5 Ensaios de resistência à tração
Os resultados referentes aos ensaios de tração estão apresentados nas
Tabelas 4.2, 4.3 e 4.4 e nas Figuras 4.4 a 4.11 pode-se observar o comportamento
dos corpos de prova quanto a estiramento na tração. Os ensaios foram realizados de
acordo com o procedimento prescrito na NBR 9622.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
64
Tabela 4.2 - Resultado dos ensaios de tração em corpos de prova de PP injetados em
moldes de aço 1045
Parâmetro
Tensão
Força Máxima
Tensão
Ruptura
Def. Espec.
Força Máx.
Def. Espec.
Ruptura
Módulo de
Elasticidade
Unidade (MPa) (MPa) (%) (%) (MPa)
CP 1 36,81 20,35 11,78 17,78 548,1
CP 2 33,44 13,87 11,44 37,30 500,1
CP 3 30,85 15,94 10,24 49,11 492,9
CP 4 33,31 23,85 13,20 21,46 447,2
CP 5 34,48 23,72 11,66 21,15 519,5
Média 33,78 19,55 11,66 29,36 501,6
Desv. Padrão 2,156 4,523 1,055 13,39 37,15
Figura 4.4 - Corpos de prova de PP injetados em
moldes de aço após os ensaios de tração.
Figura 4.5 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios
em corpos de prova injetado em moldes de aço.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
65
Tabela 4.3 - Resultados dos ensaio de tração em corpos de prova de PP injetados em
moldes de Resina RenCast 6470
Parâmetro
Tensão Força
Máxima
Tensão
Ruptura
Def. Espec.
Força Máx.
Def. Espec.
Ruptura
Módulo de
Elasticidade
Unidade (MPa) (MPa) (%) (%) (MPa)
CP 1 35,71 23,67 11,63 17,12 514,6
CP 2 34,14 21,17 10,05 17,67 531,2
CP 3 35,36 29,28 9,835 12,51 515,1
CP 4 33,25 20,62 11,59 23,50 465,8
CP 5 33,83 24,50 11,47 17,66 446,9
Média 34,46 23,85 10,92 17,69 494,7
Desv. Padrão
1,041 3,448 0,893 3,90 36,28
Figura 4.6 - Corpos de prova de PP injetados em moldes de
resinas RenCast 6470 após os ensaios de tração.
Figura 4.7 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios em
corpos de prova injetado em molde de resina RenCast 6470.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
66
Tabela 4.4 - Resultados dos ensaio de tração em corpos de prova de PP injetados em
moldes de resina RenShape 5166
Parâmetro
Tensão
Força Máxima
Tensão
Ruptura
Def. Espec.
Força Máx.
Def. Espec.
Ruptura
Módulo de
Elasticidade
Unidade (MPa) (MPa) (%) (%) (MPa)
CP 1 33,88 25,48 12,76 16,84 426,7
CP 2 33,31 25,41 12,54 17,00 481,7
CP 3 33,15 23,51 11,37 15,90 438,7
CP 4 32,87 23,87 11,59 18,51 409,5
CP 5 32,94 22,79 11,22 15,74 454,5
Média 33,23 24,21 11,90 16,80 442,2
Desv. Padrão
0,403 1,191 0,705 1,107 27,54
Figura 4.8 - Corpos de prova de PP injetados em moldes
de resinas RenShape 5166 após os ensaios de tração.
Figura 4.9 - Gráfico de tensão x deformação de ensaios em corpos
de prova injetados em molde de resina RenShape 5166.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
67
A Figura 4.10 demonstra uma análise comparativa do comportamento dos
corpos de prova durante o ensaio de tração, tomando como parâmetro a tensão na
força máxima.
Figura 4.10 - Gráfico de tensão na força máxima em peças injetada em
moldes de aço 1045, resina RenCast 6470 e resina RenShape 5166.
A Figura 4.11 apresenta uma análise do comportamento dos corpos de prova
durante o ensaio de tração, onde o parâmetro observado é o Módulo de Elasticidade
em peças em PP moldadas pelo processo de injeção.
Figura 4.11 - Gráfico de módulo de elasticidade em peças injetada em
moldes de aço 1045, resina RenCast 6470 e resina RenShape 5166.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
68
Analisando os dados obtidos verificou-se que a maior variação entre as
propriedades aconteceu na deformação específica, Tabelas de 4.2 a 4.4. Esta é
medida através da deformação de um segmento previamente marcado, com
comprimento de 25,0 mm (Figura 2.16), na região mais fina do corpo de prova. Esta
medida indica em porcentagem o valor de alongamento da região inicial da peça até
a ruptura.
Conforme apresentados nas Tabelas 4.2, 4.3 e 4.4, neste trabalho os valores
médios dos corpos de prova nos ensaios de tração variaram em torno de 2,0%, para
menos do molde de aço em relação ao molde de resina RenCast 6470, 1,6% para
mais do molde de aço para o molde de resina RenShape 5166 e 3,5% para mais do
molde de resina RenCast 6470 para o molde de resina RenShape 5166.
Os valores de tensão máxima suportada pelo corpo de prova de tração estão
dentro da faixa de tensão comumente encontrada para PP injetado de acordo com
CALLISTER (2002), que varia de 31 MPa a 41,4 MPa. O menor valor encontrado foi
33,31 MPa para o inserto de resina 5166 e o maior foi 36,69 MPa para o inserto de
aço.
Neste trabalho houve uma elevação nos valores obtidos nos ensaios de tração
em referência ao valor de referência especificado pelo fabricante BRASKEM (Tabela
2.3) que é de 32 MPa.
Os resultados apresentados neste estudo, relativos aos valores e ao
comportamento dos gráficos, estão próximos dos valores aceitáveis, com base em
estudos anteriores e literaturas, em maiores detalhes nas seções de 2.8 a 2.10.
4.6 Ensaio de resistência ao impacto
As Tabelas 4.5, 4.6 e 4.7 apresentam os dados obtidos no ensaio de impacto.
Ressalta-se que as dimensões dos corpos de prova utilizados nesses ensaios
ficaram fora das especificações da norma NBR 8425, conforme mostrado na Figura
3.11.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
69
Tabela 4.5 - Resultados dos ensaios de impacto em corpos de prova de
PP injetado em molde de aço
Parâmetro Resistência ao Impacto Energia absorvida
Unidade J/m J
CP 1 20,28 4,32
CP 2 18,40 3,92
CP 3 18,40 3,92
CP 4 18,40 3,92
CP 5 19,34 4,12
Média
18,96 4,04
Desv. Padrão
1.063 0,218
Tabela 4.6 - Resultados ensaios de impacto em corpos de prova de PP
injetado em molde de resina RenCast 6470
Parâmetro Resistência ao Impacto Energia absorvida
Unidade J/m J
CP 1 20,47 4,32
CP 2 18,58 3,92
CP 3 19,53 4,12
CP 4 19,53 4,12
CP 5 17,68 3,75
Média
19,16 4,05
Desv. Padrão
1.063 0,218
Tabela 4.7 - Resultados dos ensaios de impacto em corpos de prova de PP
injetado em molde de resina RenShape 5166
Parâmetros Resistência ao Impacto Energia absorvida
Unidades J/m J
CP 1 13,36 2,94
CP 2 13,36 2,94
CP 3 15,18 3,34
CP 4 15,18 3,34
CP 5 14,27 3,14
Média
14,27 3,14
Desv. Padrão
0,919 0,200
O gráfico da Figura 4.12 faz uma comparação do comportamento do material
durante o ensaio de impacto, em corpos de prova injetados em PP.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
70
Figura 4.12 - Gráfico comparativo de peças injetadas em moldes
de aço 1045, resina RenCast 6470 e resina RenShape 5166.
Observa-se que houve uma redução dos valores obtidos nos ensaios de
impacto, em relação ao valor de referência especificado pelo fabricante BRASKEM
(Tabela 3.3), que é de 24 J/m. Comparando-se os valores médios obtidos nos molde
de aço e de resinas, houve uma redução aproximada de 21% para os moldados em
molde aço, 20% em molde de resina RenCast 6470 e 40% em molde de resina
RenShape 5166.
BARETA (2007), em seu estudo sobre materiais alternativos para moldes-
protótipos, também observou uma redução da resistência ao impacto dos moldados
em molde de resina, mas esta foi em torno 15%. Segundo o autor essa redução
pode ser explicada por meio da análise da morfologia das peças moldadas, como
por exemplo, a forma, tamanho e orientação dos esferulitos.
O comportamento dos corpos de prova moldados em molde de aço e resina
RenCast 6470 estão aproximadamente iguais. No entanto, os moldados na resina
RenShape 5166 apresentaram uma redução de 6 MPa.
4.7 Ensaio de dureza
A Tabela 4.8 apresenta os valores obtidos durante os ensaios de dureza. Estes
ensaios foram realizados seguindo orientação dos procedimentos prescritos na
norma NBR 7456.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
71
Tabela 4.8
- Resultados dos ensaios de dureza Shore D
Corpo de prova Aço 1045 RenCast 6470
RenShape 5166
CP 1 69 71 68
CP 2 71 72 69
CP 3 71 72 68
CP 4 70 71 68
CP 5 71 72 67
Média 70 72 68
Desv. Padrão 0,800 0,490 0,632
A Figura 4.13 apresenta uma comparação dos resultados dos ensaios de
dureza realizados nos corpos de prova em PP.
Figura
4.13
- Ensaios de dureza de corpos de prova de PP, injetados em
moldes de aço 1045, resina RenCast 6470 e resina RenShape 5166.
Conforme já citado na seção 3.7.3 e apresentado na Figura 3.14, foram usadas
três peças sobrepostas, que também é aceitável nos casos de espessura inferior ao
permitido.
Observa-se que houve uma pequena variação nos valores obtidos nos ensaios
de dureza, onde o maior e menor valor encontrados nos moldados foram: em molde
de aço 71 e 69 Shore D, em molde de resina RenCast 6470, 72 e 71 Shore D e em
molde de resina RenShape 5166, 67 e 68 Shore D. Comparando-se os valores
obtidos neste estudo aos encontrados em estudos anteriores apresentados a seguir,
demonstram que há variação dentro de uma faixa de valores encontrados.
Capítulo 4 Resultados e Discussões
72
Os resultados obtidos nos ensaios de dureza, quando comparados entre os
corpos de prova injetados em moldes de resina, observa-se que a variação ficou em
torno de 5,5% para mais nos moldados em resina RenCast 6470 em relação a resina
RenShape 5166. Os valores também estão variando dentro dos valores encontrados
em outros estudos realizados.
SALMORIA et al. (2008) estudaram as propriedades mecânicas por meio do
ensaio de dureza das peças injetadas de PP em molde de epóxi/alumínio e em aço
com o fluido de resfriamento na temperatura de 75 °C. O valor médio da dureza dos
corpos de prova injetados em molde de aço é 73 Shore D, foi ligeiramente superior
ao obtido nas peças injetadas em molde epóxi/alumínio que foi 72 Shore D.
FOGGIATTO et al. (2004) também estudaram as propriedades mecânicas por
meio de ensaios de dureza em peças de PP injetadas em moldes de ABS e aço.
Onde os valores médios apresentados são entre 68 e 69 Shore D, sendo estes
inferiores aos valores comumente encontrados para peças injetadas em PP que são
de 71 a 73 Shore D.
AHRENS et al. (2002) estudaram os processos de fabricação dos insertos de
ABS, resina epóxi e aço 1045, utilizando o mesmo polímero para injeção. O corpo de
prova moldado foi o de tração, utilizado para avaliar a variação da resistência
mecânica através da dureza. O valor para os injetados em moldes de aço foi de 69
Shore D e nos moldes de ABS e resina a dureza média foi de 68 Shore D.
Analisando os resultados apresentados verifica-se que os valores variam
dentro das tolerâncias permitidas especificadas nas literaturas e em pesquisas
realizadas em outros trabalhos.
No caso das variações encontradas, mesmo dentro das tolerâncias permitidas,
as mesmas podem ser justificadas com considerações de vários autores citados
neste trabalho, que encontraram em suas pesquisas diferentes estruturas em termos
de grau de cristalinidade e tipo de fases cristalinas no PP. Isto pode influenciar nos
resultados dos ensaios de peças injetadas em moldes de aço e assim como em
moldes de resinas.
Capítulo 5 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
73
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Nesse capítulo apresentam-se as considerações finais sobre os resultados
obtidos, ressaltando a importância dos estudos realizados, as conclusões do
trabalho e as recomendações para trabalhos futuros, que irão dar sustentação as
hipótese levantadas.
5.1 Considerações finais
Este trabalho avaliou o comportamento mecânico de peças obtidas pelo
processo de injeção de polímeros, moldados em moldes-protótipos de aço 1045,
resina RenCast 6470 e resina RenShape 5166 produzidos por usinagem, por meio
do sistema CAD/CAM/CNC. Essa avaliação foi feita por ensaios de tração, impacto e
dureza em corpos de prova de polipropileno.
Conhecer o comportamento mecânico de peças obtidas pelo processo de
injeção em moldes de materiais alternativos não se constitui em tarefa fácil. Há
variáveis no processo, que influenciam no desempenho dos produtos injetados,
como por exemplo, os parâmetros de injeção utilizados nos moldes de resina. È
importante, que esses parâmetros estejam o mais próximo possível, dos usados em
molde de aço, para poder fazer as comparações dos resultados dos ensaios
mecânicos
Os corpos de prova foram injetados normalmente, tanto no molde de aço como
nos moldes de resinas. Com referência aos ensaios mecânicos observou-se uma
variação muito grande, na deformação específica na ruptura, conforme resultado do
ensaio de tração apresentados nas Tabelas 4.2, 4.3 e 4.4, onde o produto moldado
em moldes de aço estirou mais do que os injetados em moldes de resina.
O fenômeno de maior estiramento ocorrido nos moldados em molde de aço,
apresentando características, que os levaram a esse comportamento, cuja menção
não havia sido feita nos estudos pesquisados neste trabalho, pode ter acontecido
em função das propriedades térmicas do material que foi utilizado.
Capítulo 5 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
74
Observou-se também uma redução muito grande dos valores encontrados nos
ensaios de resistência ao impacto Tabelas 4.5, 4.6 e 4.7, em relação ao valor de
referência da Tabela 2.3, isso pode ter ocorrido em função do dimensionamento do
corpo de prova de impacto conforme seção 3.7.2.
Para este trabalho foram utilizadas duas resinas, RenShape 5166 e RenCast
6470, a primeira é fornecida em forma de placa a outra em dois componentes (resina
e endurecedor) para ser preparada pelo usuário em ambiente apropriado. Como não
se tinha experiência na preparação desta resina, e nem laboratório apropriado com
câmara de pressão para retirar as bolhas, foi solicitada ao fabricante HUNTSMAN, a
resina já preparada/curada.
Nos testes realizados os objetivos foram atendidos, no entanto, as variações
encontradas nos ensaios mecânicos podem estar vinculados ao impacto do
comportamento térmico dos materiais usados nos moldes e no material do moldado,
como o grau de cristalinidade e tamanhos dos esferulitos, causado pelo resfriamento
lento das peças injetadas. Estas hipóteses poderão ser confirmadas em trabalhos
futuros.
5.2 Conclusões
Nos ensaios de resistência a tração do PP moldado em moldes de resinas e de
aço conclui-se que a variação dos valores foi muito pequena, quando aplicada a
tensão na força máxima (conforme as tabelas 4.2, 4.3 e 4.4).
Quando comparados aos moldados em molde de aço, os corpos de prova
moldados em molde de resina RenCast 6470 tiveram uma tensão máxima de 2,0%
maior;
Já os moldados em resina RenShape 5166, a tensão máxima foi 1,6% menor
em relação aos corpos de prova moldados em aço;
Quando a comparação foi feita entre os produtos injetados nas duas resinas,
observou-se que a tensão máxima dos moldados em resina RenCast 6470 foi 3,5%
maior que os corpos de prova moldados em resina RenShape 5166;
Capítulo 5 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
75
Constatou-se que essas variações não comprometem os produtos moldados
em moldes-protótipos de resina RenShape 5166 ou RenCast 6470, pois essas
variações estão dentro de faixa aceitável, conforme as tabelas de dados do
fabricante BRASKEM, como também verificado em outros estudos e na literatura.
Nos ensaios de resistência ao impacto do PP injetados em moldes de aço e de
resinas, conclui-se que houve redução nos valores (conforme Tabelas 4.5, 4.6 e 47),
considerando os valores de referência do fabricante BRASKEM (Tabela 2.3).
Para moldados em moldes de aço, a redução da resistência ao impacto foi 21%
em relação ao valor de referência;
Nos moldados em molde de resina RenCast 6470 a redução da resistência ao
impacto foi 20% comparando-se ao valor do fabricante;
Já a resistência ao impacto dos corpos de prova moldados em molde de resina
RenShape 5166 a redução foi 40% em relação ao valor de referência;
Na resistência ao impacto dos corpos de prova moldados em molde de resina
RenCast 6470, quando comparada com os moldados em aço, o valor foi 2% maior;
Quando a comparação é feita entre os corpos de prova injetados nas duas
resinas, a resistência ao impacto nos moldados em resina RenCast 6470 foi de 26%
maior em relação os moldados em resina RenShape 5166.
Embora tenha-se observado que a resistência ao impacto tenha apresentado
redução dos valores em relação aos de referência, quando comparadas entre si, os
produtos moldados em resina RenCast 6470 teve maior resistência, que os
moldados em aço e resina RenShape 5166. Ressalta-se que em outro estudo
apresentado na seção 2.10.2, utilizando corpos de prova fora do padrão da norma,
também apresentou redução de resistência ao impacto.
Nos ensaios de dureza Shore D do PP, tomando-se como referência a
resistência a deformações dos corpos de prova injetados em molde de aço 1045, em
comparação aos moldados em moldes de resinas observa-se que a variação dos
valores de dureza foi pequena (conforme a Tabela 4.8).
Quando comparando com a dureza dos corpos de prova moldados em molde
resina RenCast 6470 , o valor foi 2,7% menor;
Capítulo 5 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
76
Quando comparada aos corpos de prova moldados em molde de resina
RenShape 5166 a dureza foi 1,5% maior;
Já dureza comparada entre os moldados em moldes de resina o resultado é
6,0% maior para os corpos de prova injetados em resinas RenCast 6470 em relação
a resina RenShape 5166.
No ensaio de dureza conclui-se que, assim como nos ensaios de resistência a
tração e resistência ao impacto, os corpos de prova moldados em resinas RenCast
6470 apresentaram melhor desempenho.
Esse estudo mostrou que, de um modo geral, as resinas RenCast 6470 e
RenShape 5166 têm um bom desempenho na moldagem por injeção de PP,
tornando-se viáveis suas aplicações para insertos de moldes. Desta forma, conclui-
se que estas resinas podem ser usadas em moldes-protótipos usinados para a
injeção de PP, tanto no desenvolvimento de novos produtos, quanto na produção de
pequenos lotes de peças.
5.3 Sugestões para trabalhos futuros
Com a realização deste trabalho foi identificada a possibilidade de
desenvolvimento de novos trabalhos. A seguir, são apresentadas algumas
sugestões consideradas importantes para a continuidade das pesquisas:
Fazer novo estudo de propriedade mecânica por meio de ensaio de flexão
em corpos de prova de PP, injetados em molde de resina RenCast 6470;
Estudar o comportamento térmico dos produtos moldados em moldes-
protótipos, principalmente relacionados a cristalinidade do moldado, comparando os
resultados com os obtidos em moldes de aço;
Analisar as propriedades mecânicas em corpos de prova de PP injetados em
moldes-protótipos usinados feitos de outras resinas poliméricas, fazendo a
comparação com os dados obtidos com moldes de resinas, utilizadas neste trabalho.
Realizar outros estudos para entender o comportamento do estiramento dos
moldados em molde de aço em relação aos injetados em moldes de resinas.
Capítulo 6 Referências
77
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Apêndice A - Matéria-Prima para Fabricação dos Insertos
83
APÊNDICE A – MATÉRIA-PRIMA PARA FABRICAÇÃO DOS
INSERTOS
Nome da Peça:___Inserto ___ Programador:___Wilson Gaebler____
Data:_____21/05/09____ Material da peça: __Resina _____
Programa(s):_______________ Máquina: Cincinnati Milacron ARROW 500_
Instruções ao Operador e Observações:
- A materia-prima deve ser pre-usinadas nas dimensões conforme especificadas
no croqui com uma tolerância de ± 0,5mm.
Apêndice B - Folha de Operação de Usinagem dos Insertos
84
APÊNDICE B- FOLHA DE OPERAÇÃO DE USINAGEM DOS
INSERTOS
Nome da Peça:___Inserto ___ Programador:__ Wilson Gaebler ____
Data:_____21/05/09____ Material da peça: __Resina ____
Programa(s):_________ Máquina: Cincinnati Milacron ARROW 500_ Fase: 1
X
Z
Calços
6
0,5
Ponto referência
do Zero Peça
x
z
X
Y
Ponto referência
do Zero peça
37,5
65
Mordente Fixo
x
y
Instruções ao Operador e Observações:
- Referenciar o Zero Peça conforme croqui – utilizar lateral do mordente
fixo da morsa como referência.
- Relação de ferramentas: 4 fresas de topo de ponta esférica Ø 2mm; 3 frases de
topo Ø 4mm e 2 fresas de topo Ø 20mm
Apêndice B - Folha de operação de usinagem dos insertos
85
APÊNDICE B - FOLHA DE OPERAÇÃO DE USINAGEM DOS
INSERTOS
Nome da Peça:___Inserto ___ Programador:__ Wilson Gaebler ____
Data:_____21/05/09____ Material da peça: __Resina _______
Programa(s):_________ Máquina: Cincinnati Milacron ARROW 500_ Fase: 2
X
Z
6
Ponto referência
do Zero Peça
x
z
Calços
37,5
X
Y
65
x
y
Mordente Fixo
A
DETALHE A
Ponto referência
do Zero Peça
Instruções ao Operador e Observações:
- Girar 180° em relação ao eixo X para nova fixação.
- Referenciar o Zero Peça conforme croqui – utilizar lateral do mordente
fixo da morsa como referência.
- ZP em Z feito na parte superior do calço.
- Utilizar uma régua para alinhar a parte usinada às laterais dos
mordentes.
- Utilizar as mesmas ferramentas da fase 1
Anexo A - Método da Injeção Progressiva
86
ANEXO A – MÉTODO DA INJEÇÃO PROGRESSIVA
Este método, também denominado por “Short shot method” foi traduzido e adaptado
de BARRY et al, (1995). Com o auxílio deste método é possível o ajuste dos
parâmetros de injeção passo a passo (BUSATO, 2004).
Procedimento inicial:
1. Assuma que a temperatura do molde já foi determinada na máquina;
2. Assuma que a temperatura de injeção do polímero já está determinada;
3. Os passos devem ser seguido na ordem como segue abaixo.
Passos:
1. AJUSTANDO O CURSO DE DOSAGEM (volume de material a ser injetado na
cavidade):
a) Ajuste a pressão de recalque igual a “Zero”;
b) Ajuste o tempo de recalque igual a “Zero”;
c) Ajuste a velocidade de injeção de MÉDIA para ALTA;
d) Ajuste o tempo (1º estágio) para um valor maior do que o necessário para
preencher o molde;
e) Ajuste a pressão (1º estágio) para um valor maior do que o necessário para
preencher o molde;
f) Ajuste o valor do curso do fuso (volume de material) para um valor menor do que o
necessário para preencher a cavidade do molde;
g) Injete uma peça – o resultado deve ser uma peça incompleta;
h) Continue injetando peças, aumentando gradualmente o curso do fuso (volume de
material) – quando a peça estiver entre 95-98% preenchida, é sinal que o curso do
fuso (volume de material) está OK. (Aviso: O parafuso deve estar no seu fim de
curso nesse estágio. Não deve existir COLCHÃO).
2. CHECAGEM DA VELOCIDADE DE INJEÇÃO (volume de material a ser
injetado na cavidade):
a) Injete algumas peças conforme as condições descritas no item “1.h”, e cheque se:
(i) Se próximo do “ponto de injeção” houver queima ou descoloração do material, ou
se a peça ficar muito mole após a extração – então reduza a velocidade de injeção
até os problemas desaparecerem.
Anexo A - Método da Injeção Progressiva
87
(ii) Se próximo do “ponto de injeção” houver marcas de fluxo (marca fria), então
aumente a velocidade de injeção até que o problema desapareça.
3. AJUSTANDO A PRESSÃO DE INJEÇÃO:
a) Continuando do passo 2.a., ajuste a pressão de injeção (1º estágio) para um valor
insuficiente para preencher o molde;
b) Injete uma peça – o resultado deve ser uma peça incompleta;
c) Continue injetando peças. AUMENTANDO gradualmente a pressão de injeção –
quando a peça estiver entre 95-98% preenchida, se a aparência da peça estiver
compatível com a do passo 2.a., então a pressão está OK. (Aviso: O parafuso de
injeção deve estar no seu fim de curso. Não deve existir material para ser injetado).
4. AJUSTANDO O TEMPO DE INJEÇÃO:
a) Continuando do passo 3.c, ajuste o tempo de injeção (1º estágio) para um valor
insuficiente para preencher o molde;
b) Injete uma peça – o resultado deve ser uma peça incompleta;
c) Continue injetando peças. AUMENTANDO gradualmente o tempo de injeção –
quando a peça estiver entre 95-98% preenchida, se a aparência da peça estiver
compatível com a do passo 3.c., a pressão de injeção (1º estágio) está OK.
(Aviso: O parafuso de injeção deve estar no seu fim de curso. Não deve mais existir
material para ser injetado).
Obs: Máquinas CNC fornecem valores reais de tempo de injeção que podem ser
visualizadas no passo 3.
5. AJUSTANDO TEMPO DE RECALQUE:
a) Continuando do passo 4.c., aumente o CURSO DE DOSAGEM em 5-10%;
b) Injete uma peça – ela deveria parecer com a do passo 4.c., mas agora um
COLCHÃO está presente;
c) Ajuste a pressão de recalque (2º estágio) para 50-60% da pressão de injeção (1º
estágio). Certifique-se o tempo de recalque ainda é ZERO.
d) Injete uma peça – a peça deveria ainda permanecer igual a do passo 5.b.
e) Continue injetando peças, aumentando gradualmente o tempo de recalque. Pese
a peça para cada incremento de tempo, até o peso parar de aumentar
significativamente. Quando o peso da peça não mais variar, o tempo de recalque
está OK.
Anexo B – Boletim Técnico Braskem 2009
88
ANEXO B – BOLETIM TÉCNICO BRASKEM 2009
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