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MÉTODO MANUAL PARA PREVISÃO DE PREENCHIMENTO DE MOLDE PARA INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

 

Por: CHRISTIAN DIHLMANN

 

Método manual para previsão de preenchimento de molde para injeção de termoplásticos.

 

Com importância fundamental no desenvolvimento de um bom projeto de produto e de molde, a análise do preenchimento de cavidades no processo de injeção de termoplásticos, ainda é pouco utilizada. O método apresentado é uma alternativa de baixo custo para aplicação em produtos de pouca complexidade, além de familiarizar o leitor com o uso e benefícios da tecnologia.

O comportamento do fluxo do material no preenchimento da cavidade deve ser determinado na fase de projeto da peça e de seu molde. Os procedimentos que permitem uma análise qualitativa e quantitativa do processo de escoamento da matéria plástica no interior da cavidade são conhecidos como Análise Reológica*.

Por análise qualitativa entende- se a geração de uma representação gráfica do escoamento do material dentro do molde. Esta representação deve fornecer as informações sobre:
• Tipo e posição mais favoráveis e quantidade de pontos de injeção;
• Capacidade de preencher as regiões de escoamento;
• Posição de linhas de solda;
• Posição de eventuais bolsas de ar e;
• Direção de orientação principal do fluxo.

* Reologia: nome dado à ciência que estuda a mecânica dos materiais deformáveis, abrangendo desde os materiais não completamente sólidos até os quase líquidos .

Como meios de apoio para a representação do preenchimento, podem ser utilizados procedimentos manuais e programas para computadores com recursos gráficos.

Na análise quantitativa dispõe- se de equações que, levando em conta o comportamento do material e condições de moldagem, permitem calcular grandezas que surgem durante o processo de injeção, tais como, pressão de injeção, temperaturas do material e do molde, velocidade de cisalhamento, percentual de camadas solidificadas, tensões internas, força de fechamento do molde, taxa de cisalhamento, entre outras. A avaliação quantitativa requer a aplicação de sistemas de equações complexas, sendo quase impossível utilizá-la manualmente, devido à exigência de um tempo elevado para resolução de tais equações. Os programas computacionais utilizam estas equações resolvendo-as com grande velocidade e capacidade de processamento.

O procedimento manual aqui apresentado é conhecido como método da imagem de enchimento e fornece apenas uma avaliação qualitativa do processo. A representação do material escoando é feita por linhas isócronas (tempos iguais), que simulam a posição, para um dado instante em que o plástico se encontra dentro da cavidade. Estas linhas são denominadas de frentes de onda.

Uma representação do escoamento serve para determinar o avanço do material em diferentes tempos do processo de injeção, em áreas distintas da cavidade. A representação teórica do escoamento equivale à fabricação de peças parcialmente injetadas em moldes prontos através da injeção progressiva (com volumes escalonados). A Figura 1 mostra uma comparação entre a injeção progressiva de uma experiência prática e a representação teórica (método da imagem de enchimento).

Os fabricantes de peças de plástico e de moldes podem obter informações importantes sobre o comportamento reológico do plástico, através da determinação prévia da frente de escoamento no molde, pelo método da imagem de enchimento. Com este método, tem se disponível um procedimento para previsão do escoamento do plástico no interior de cavidades em moldes para injeção sem o uso do computador. Quando essa técnica é aplicada na fase de projeto, antes do dimensionamento final do molde e do posicionamento do ponto de injeção, podem ser evitados erros que certamente implicariam em elevados custos.

Figura 1 – a) injeção progressiva de caixa;  b) imagem de enchimento de caixa

Correções, tais como alterações em regiões específicas da peça ou mudança do posicionamento e do número de pontos de injeção, são ainda facilmente executáveis nesta fase, sem que isso incorra em grandes custos.

A localização de linhas de solda e bolsas de ar fica bastante clara. No caso de serem detectados tais defeitos, pode-se verificar se é possível eliminá-los ou reduzi-los através da variação da posição, do tipo e do número de pontos de injeção ou por meio da variação da posição de componentes do molde ou das espessuras de paredes ou ainda pela inserção de meios que facilitem ou dificultem o escoamento. Além disso, este é um método de simulação extremamente barato, uma vez que não necessita da utilização de computadores, sendo realizável apenas com régua e compasso.

Todavia, para produtos de geometria complexa é recomendável o uso de sistemas computacionais, que com recursos avançados permitem:
• Visualizar o preenchimento das cavidades, identificando aprisionamentos de ar e linhas de solda;
• Analisar o resfriamento do molde;
• Verificar a contração e o empenamento do produto injetado e;
• Quantificar valores de forças e tensões inerentes ao processo de injeção.

Ao iniciar o desenvolvimento de um novo projeto, o projetista deve ter em mente questões como:
• Força necessária para que a máquina injetora possa preencher a cavidade;
• Número de pontos de injeção;
• Posicionamento dos pontos de injeção e dimensionamento dos canais de alimentação para que o preenchimento seja simultâneo e homogêneo em moldes com cavidades múltiplas;
• Posicionamento dos pontos de injeção para que as linhas de solda não fiquem em áreas críticas da peça;
• Poucas e curtas linhas de solda, se possível;
• Inclusão de saída de gases;
• Solicitação térmica e mecânica uniforme e aceitável do material injetado e;
• Possibilidades de contração da peça.
O método aqui abordado tem sido usado, na prática, há vários anos, como auxílio para responder a tais dúvidas. Foi utilizado pela primeira vez em 1979. Após o desenvolvimento dos princípios básicos em uma universidade alemã, o método foi aplicado na indústria. Devido à necessidade de redução do tempo e da realização de tarefas complexas, iniciou-se o seu aperfeiçoamento. Procedimentos como planificação da peça e simplificação de certas geometrias, para facilitar o desenvolvimento do projeto, fazem parte da evolução da metodologia. A soma destas possibilidades faz com que o método da imagem de enchimento seja ainda hoje, com os recursos computacionais existentes, um importante instrumento para solução de questões reológicas.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DO MÉTODO DA IMAGEM DE ENCHIMENTO

Como já mencionado, o método manual representa graficamente as frentes de onda, em diferentes intervalos de tempo, durante o preenchimento da cavidade.
O modelo que representa o escoamento do plástico, a partir do ponto de injeção, ao longo da cavidade do molde, é baseado na teoria de propagação das ondas de Huygens. Por ela, cada ponto, em uma frente de onda, pode ser visto como gerador de uma nova onda, conhecida por onda elementar. A nova frente de onda é composta pela união de todas as novas ondas elementares e o raio de cada onda elementar é igual ao avanço da nova frente de onda, como representado na Figura 2.

Figura 2 – Teoria de propagação de ondas

 

O desenvolvimento matemático que fundamenta o método não será apresentado neste trabalho. A experiência, hoje acumulada, mostra que a representação teórica das frentes de onda equivale, de forma bastante confiável, à grande maioria dos casos práticos já testados, mesmo com os mais diversos materiais.

Casos básicos de construção da imagem de enchimento

A construção das frentes de onda baseia-se no conhecimento de alguns casos básicos. Esta técnica também pode ser utilizada em peças complexas, uma vez que sejam aplicados corretamente esses casos, entretanto o esforço dispendido será elevado. As frentes de onda podem ser alteradas por uma barreira frontal ou pela passagem de uma espessura de parede para outra. São quatro os casos básicos:
1. Uma placa de espessura constante com um furo quadrado;
2. Uma placa de espessura constante com um furo redondo;
3. Uma placa com duas espessuras de parede diferentes e injeção na área mais espessa e;
4. Uma placa com duas espessuras de parede diferentes e injeção na área mais fina.

A seguir é descrita a maneira como são representados estes casos básicos.

Caso 1 – Placa de espessura constante com um furo quadrado
Este caso representa um paralelepípedo de forma quadrangular inserido em uma cavidade de espessura constante. Para a geração da imagem de enchimento traçam-se, a partir do ponto de injeção (PI), arcos de circunferência concêntricos, com raio qualquer, como mostra a Figura 3a. Eles representam as frentes de onda em determinados intervalos de tempo. Quando a massa fundida encontrar a parede, representada pelo paralelepípedo (espaço vazado no produto injetado), são construídas as linhas auxiliares l1, l2, l3 e l4 para determinar as regiões de sombra, conforme a Figura 3b. A partir dos pontos A, B, C e D, traçar novos arcos como demonstrado na Figura 3c. A linha tracejada representa o encontro das frentes de onda, que formam assim uma linha de solda.
É importante notar aqui, que perda de carga deve ser igual para um mesmo caminho percorrido, ou seja, até cada frente de onda. Considerando que a perda de carga, devido a alteração da direção em um obstáculo, é muito inferior que por atrito do material com parede fria, pode-se adotar mesma distância entre as frentes de onda.

Caso 2 – Placa de espessura constante com um furo redondo
O segundo caso é representado por um inserto em forma cilíndrica que atravessa a cavidade de espessura constante. O princípio utilizado é o mesmo do caso anterior e a construção é muito semelhante, exigindo apenas um pouco mais de trabalho.


Figura 3 – a) frentes de onda concêntrica;  b) linhas de auxílio;

c) frentes de onda e Linha de solda nas regiões de sombra

Inicialmente o fluxo avança concentricamente ao ponto de injeção (PI), como mostra a Figura 4a. As linhas I1 e I2 tangentes ao círculo, limitam a região de sombra, da mesma forma como no primeiro caso. Mede-se, então, a distância entre o ponto de tangência da reta com o círculo e a frente de onda 5.

A seguir divide-se este comprimento em segmentos, por exemplo, de 4 partes. Estes segmentos são desenhados sobre a circunferência e, em cada ponto sobre o círculo, traçam se as linhas tangentes I3,I4 e I5 ,como mostrado na Figura 4b. Inicia-se, a partir do primeiro ponto de tangência, a traçar arcos cada vez menores até que estes encontrem as linhas tangentes conforme a Figura 4c. Desta forma obtém-se a frente de onda na região não diretamente alcançada pelo fluxo principal.
Como já mencionado, a distância até cada ponto na frente de onda é idêntica. A linha tracejada mostra o encontro das frentes de fluxo (linha de solda).

Caso 3 – Placa com duas espessuras de parede diferentes e injeção na área mais espessa

Este caso pode ser visto como o escoamento do material de uma região espessa para uma região mais fina. Quando o material avança, por exemplo, 20 mm no lado mais espesso, o caminho será de 10 mm para uma espessura igual a metade desta. A Figura 5 mostra a representação em corte do escoamento em uma cavidade com duas espessuras de parede diferentes, onde H1 é igual ao dobro de H2.

 

 

Figura 5 – Escoamento em duas regiões
de espessuras diferentes H e H 1 2

A maneira de construir a imagem de enchimento pela frente de onda 3 está mostrada na Figura 6. Até a frente de onda 2 o material avança concentricamente ao ponto de injeção na região mais espessa (I). Deve-se fazer com que a frente de onda 2 coincida com a linha de variação da espessura LVE, tal como mostra a Figura 6a.

A seguir traça-se um arco de circunferência para a frente de onda 3 na região espessa (I). A intersecção deste círculo com a LVE determina dois pontos auxiliares A e B para a construção da nova frente na região mais fina (II). Determina-se um terceiro ponto auxiliar C sobre a perpendicular à linha de variação da espessura passando pelo ponto de injeção.

Em um exemplo numérico com H1 igual a 4mm na região I e H2 igual a 2 mm na região II, se o material escoa 20 mm da frente 1 até a frente 2 na região I, então na região II avançará apenas 10 mm. Esta medida é traçada na perpendicular partindo do ponto de intersecção com a LVE. Com isso tem-se 3 pontos da nova rente de onda como indicado na Figura 6b. Traça-se então uma linha do ponto A ao C e do B ao C.

Estas linhas representam a frente de onda 3 na região mais fina. Procede-se da mesma maneira com as outras frentes de onda, tal como representado na Figura 6c. Esta forma de traçar as frentes de onda é denominada método das tangentes.

 

 

Figura 6 – Método das tangentes:
a) frentes de onda concêntricas; b) pontos auxiliares;
c) frentes de onda na região delgada

Uma forma mais refinada de apresentar os resultados pode ser obtida pelo método dos pontos de centro, demonstrado na Figura 7. Parte-se do resultado obtido no método anterior e traça se uma perpendicular pelo centro da linha AC até encontrar a linha que cruza o ponto PI, como demonstra a Figura 7a. Este ponto de intersecção será o centro da circunferência que passa pelos pontos A e C definindo a nova frente de onda mostrada pela Figura 7b. Nota-se claramente que a representação das frentes de onda é mais adequada quando apresentada por este método, uma vez que as linhas são mais suaves e traduzem, de forma melhor, o comportamento natural do escoamento.

 

 

Figura 7 – Método dos pontos de centro:
a) definição do centro da frente de onda;
b) frentes de onda na região delgada

Caso 4 – Placa com duas espessuras de parede diferentes e injeção na área mais fina

Neste último caso, semelhante ao anterior, tem-se o ponto de injeção na região mais fina da cavidade. Será apresentado a seguir um exemplo numérico para melhor entendimento do método. Para tal serão definidos:

L1p = distância percorrida na região I
L1r = distância a percorrer na região I
L2p = distância percorrida na região II
L2r = distância a percorrer na região II
H1 = espessura da região I
H2 = espessura da região II
p1 = passo da frente de onda na região I
p2 = passo da frente de onda na região II

Assumindo que a espessura H1 é igual a 2 mm, que H2 vale 4 mm e que o passo p1 na região de injeção I é de 10 mm, inicia-se a execução do método. Do ponto de injeção (PI) partem frentes de onda concêntricas até a LVE. Traçam-se linhas auxiliares a partir de PI, neste caso l1 e l2, como mostra a Figura 8a. Sobre alinha que passa por PI perpendicular a LVE, a frente de onda 3 desloca-se de um valor dado pela equação:

 

 

Figura 8 –
a) frentes de onda concêntricas e linhas de auxílio;
b) ponto na região II;
c) frente de onda na região II

Aplicando os valores, temos p2= 20 mm. Traça-se, portanto, o primeiro ponto da nova frente de onda (Figura 8b). A frente de onda 3 avançou sobre l1, até atingir a LVE, uma determinada distância L1p= 2mm.Restaria ainda percorrer:

O que nos fornece:

É possível obter o valor do caminho a ser percorrido pela frente de onda na região II, pela equação:

De onde tira-se:

Esta será a distância a ser per corrida pela frente de onda 3 na região II sobre a linha l1.Com centro na intersecção da linha l1 e LVE, traça-se um arco com raio igual a L2 (Figura 8c).

A Figura 9 mostra detalhadamente a forma como deve ser traçada a frente de onda 3.

É possível notar, na Figura 10a, pelas frentes de onda 3 e 4, que o material injetado retorna da região mais espessa para a região mais fina.

Esse fato também pode ser representado graficamente. Sobre a LVE, marca-se o centro do segmento de reta AB, entre a frente de onda 4 nas regiões I e II. Com centro em A, traça-se um arco com raio igual a metade do segmento AB.O mesmo procedimento deve ser executado para a frente de onda 3 (Figura10b). A partir de B, tangenciando o arco anteriormente gerado, tem-se a linha que representa o refluxo da massa fundida da região II para a região I. Nessa zona é caracterizada a formação de uma linha de solda, representada pela linha tracejada na Figura 10c.

 

 

Figura 9
Determinação da frente de onda 3 na região mais fina

Há um caminho, onde a massa fundida atinge seu ponto mais distante na região II. Ele é representado por uma linha, chamada de feixe principal (FP), e é dado por: onde H2 > H1 . Na Figura 11 a linha l2 representa o feixe principal.

 

Figura 10
a) refluxo da região II para I;
b) arco para traçagem da linha de refluxo;
c) linha de refluxo e de solda

UTILIZAÇÃO SIMULTÂNEA DOS MÉTODOS

É possível ainda utilizar-se o método das tangentes juntamente com o método dos pontos de centro. A aplicação conjunta desses métodos está apresentada na Figura 12a para um exemplo do 3º caso e na Figura 12b para o 4º caso.

RECOMENDAÇÕES PARA APLICAÇÃO DOS MÉTODOS

Baseadas em várias experiências de simulação, com peças retiradas de casos práticos, pode-se utilizar, de forma a facilitar a traçagem da imagem de enchimento de casos complexos, as seguintes recomendações:

• O método das ondas elementares é ideal para a determinação das frentes de onda em regiões de espessura constante. Ele pode ser usado sempre, mas deve ser aplicado principalmente quando os outros métodos apresentarem dificuldades;

• O método dos pontos de cen-tro é recomendado para aplicação em casos onde há variação de espessura. É mais preciso que o método das tangentes, mas também mais trabalhoso;

• O método das tangentes deve ser usado, quando há retorno do fluxo de uma região mais espessa para uma região mais delgada, no sentido transversal ao fluxo na região mais espessa. O método dos pontos de centro também pode ser utilizado neste caso, embora exija muito mais trabalho;

• O passo da frente de onda deve ser escolhido de tal forma que atinja exatamente o(s) ponto(s) na cavidade onde haverá alteração na forma de construção da imagem de enchimento. Estes pontos podem ser linhas de variação da espessura, regiões de sombra, posições onde há refluxo da região mais espessa para a mais fina ou encontro de frentes de onda que causem linhas de solda e/ou inclusões de ar.


 

Figura 11
Determinação da posição do feixe principal FP [7]

Figura 12 – Utilização conjunta do
método dos pontos de centro e das tangentes:
a) para o 3º caso;
b) para o 4º caso [2]

PREPARAÇÃO DE UMA SIMULAÇÃO COM O MÉTODO MANUAL

A verificação do fluxo do plástico, em uma cavidade, através do método da imagem de enchimento, deve ser realizada de uma forma seqüencial, pelas seis etapas seguintes:

1. Análise da geometria da peça;
2. Simplificação da geometria real;
3. Planificação da peça;
4. Determinação do número e posição de pontos de injeção;
5. Construção do método da imagem de enchimento e;
6. Avaliação da imagem de enchimento construída.

As etapas de 4 a 6 devem ser repetidas até que seja obtido um resultado aceitável. De uma boa execução da etapa 3 dependerá a confiabilidade do resultado obtido, isto é, a forma como a peça será cortada deve garantir uma planificação perfeita ou, pelo menos, com pequenos erros. Para obtenção da planificação são necessárias, essencialmente, três operações geométricas:

1. O corte de uma superfície ao longo da aresta do sólido;
2. O rebatimento da superfície cortada sobre um eixo fixo do sólido e;
3. A segmentação de uma superfície curva.

As seguintes considerações e simplificações servem para execução da planificação e facilitarão a construção da imagem de enchimento:

• Dentro do possível, deve-se dividir a peça real em partes que se deixem planificar facilmente (corte nas arestas). A seqüência do desenho planificado é marcada pelas arestas de ligação ou através de pontos (Figura 13);
• Deve-se iniciar o método com a(s) superfície(s) que possuir (em) o(s) ponto(s) de injeção ou com aquela (s) que contiver (em) o maior caminho a ser percorrido;
• Superfícies que não puderem ser rebatidas sobre o desenho plano devem ser traçadas a parte. Exemplos podem ser as nervuras, como mostra a Figura 13;

 

 

Figura 13 – Exemplos de planificação [2]

• Pontos de ligação de superfícies desenhadas a parte devem ser nomeados de maneira a não deixarem dúvidas;
• Com peças complicadas há a possibilidade da confecção de um modelo em papel que será posteriormente planificado. O processo inverso também é possível, isto é, a partir do desenho planificado montar um modelo tridimensional, sobre o qual ficará clara a representação do escoamento da massa fundida.

ANÁLISE DE ÁREAS CRÍTICAS

As áreas críticas possíveis de serem detectadas com este método são as linhas de solda e as bolsas de ar, descritas a seguir.

Linhas de solda

As linhas de solda aparecem quando diferentes frentes de onda se encontram. Elas serão geradas sempre que houver um desvio e posterior reencontro do fluxo e quando houver mais do que um ponto de injeção. No procedimento da imagem de enchimento podem-se reconhecer como pontos da linha de solda os “joelhos” formados pelas frentes de onda. A linha de solda é representada pela união destes pontos. Quanto menor for o ângulo de encontro entre as frentes de onda, tanto mais acentuada será a marca da linha de solda e, conseqüentemente, menor a qualidade mecânica e visual da junção (Figura 14). Uma das propriedades mecânicas mais afetadas pela formação de linhas de solda é a resistência ao dobramento, que cai consideravelmente.

 

 

Figura 14 – Linha de solda:
a) fortemente marcada, baixa qualidade;
b) fracamente marcada, qualidade superior

Linhas de solda próximas ao ponto de injeção são menos críticas do que as posicionadas ao longe, pois estão a uma temperatura relativamente alta e podem ainda ser perturbadas pelo material injetado que está entrando na cavidade, proporcionando, desta forma, uma agregação maior do material. Em linhas de solda distantes do ponto de injeção podem surgir uniões fracas devido a má soldagem causada pelo resfriamento do material injetado.

Bolsas de ar

Bolsas de ar ou inclusões de ar podem surgir no encontro de mais do que duas frentes de onda ou em cantos da cavidade, quando o ar não pode escapar pela linha de junta ou por outro caminho natural (Figura 15). O ar é então aprisionado, comprimido e aquecido. Tal fato pode ter como conseqüência, dependendo da pressão e velocidade de injeção, a queima do material pelo efeito Diesel.



Figura 15 – Bolsas de ar:
a) situação crítica;
b) situação favorável

A Figura 16 mostra um exemplo de formação de uma bolsa de ar em uma placa com rebaixamento cilíndrico.
Possíveis soluções para evitar a formação de inclusões de ar são o polimento adequado da superfície de separação do molde, além da utilização de recursos, tais como, a adição de superfícies de saída suplementares, colocação de extratores na região de ocorrência provável da bolsa de ar, inserção de pinos de aeração, reposicionamento do(s) ponto(s) de injeção e alteração da espessura de parede da peça.


Figura 16 – Exemplo de formação de bolsa de ar

LIMITAÇÕES DO MÉTODO MANUAL

O método é limitado para uma relação de espessuras com fator maior que 2 ou se a injeção for muito lenta [10, 12]. Nestes casos é possível prever-se a posição de linhas de solda com o uso de programas para calculadoras de bolso, que permitem determinar o valor da perda de pressão, para a geometria da cavidade, em relação à velocidade de injeção.

Diferenças entre as frentes de onda teóricas e práticas não devem ser sempre atribuídas às medidas simplificativas adotadas no método da imagem de enchimento. Outros motivos práticos podem causar tais distorções, entre eles, variações das espessuras de parede fabricadas em relação às projetadas, utilização de máquinas com pouca capacidade de injeção, entrada não simultânea no caso de múltiplos pontos de injeção e movimento relativo do molde causado por forças não simétricas, durante o preenchimento, acarretando alteração parcial das espessuras da cavidade. Esses fatores têm normalmente mais influência sobre a exatidão da simulação do que as próprias simplificações adotadas na representação teórica do escoamento.
Medições práticas em peças reais mostraram que há freqüentemente variações de até 20% entre a espessura de parede projetada e a fabricada. Os erros de fabricação nas espessuras de parede influenciam, na mesma proporção, sobre as posições das frentes de onda na representação teórica.

No geral, não se deve esquecer que o método da imagem de enchimento é um procedimento que, com um pouco de trabalho, deve fornecer uma análise suficiente para prever o preenchimento da cavidade. Ele tem se comportado de forma aceitável, ao longo dos anos, indicando a posição de áreas críticas, principalmente, se comparado à forma anterior de avaliação reológica, baseada apenas na sensibilidade e experiência do projetista.

Adicionalmente, o entendimento do método serve como passo inicial para que o usuário adentre no universo da análise reológica computacional, bem mais eficaz quando utilizada de maneira correta.

Fonte: Revista Ferramental

 

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