O alto custo do ferramental convencional usado na moldagem por injeção é um dos motivos pelos quais a fabricação de produtos usando esse processo muitas vezes só vale a pena para médios e grandes lotes de peças. Só é possível considerar o custo de forma relativa a partir da quantidade de peças que serão produzidas. Cada alteração que será feita em uma peça moldada por injeção vai requerer retrabalho no ferramental, o que implica alto custo ou a confecção de um novo molde, o que pode não ser viável para lotes pequenos. Uma alternativa para resolver esse problema pode ser o uso de insertos no molde, eventualmente parciais. Assim, a manufatura aditiva, baseada em resinas sintéticas, é uma alternativa rápida e economicamente interessante.

Embora os insertos de molde feitos por manufatura aditiva tenham vida útil significativamente mais curta do que os feitos com metal, eles podem proporcionar vantagens como custos de produção mais baixos, maior flexibilidade e liberdade de design. A adequação básica de algumas resinas sintéticas selecionadas é tratada a seguir.

 

A moldagem por injeção e expansão prolonga a vida útil dos insertos de molde

O uso de insertos de molde feitos por manufatura aditiva e usando fotopolímeros já foi testado^{(1- 3)}. Seu maior potencial se encontra na confecção rápida e com baixo custo de protótipos de ferramental. O processo de manufatura aditiva denominado Digital Light Processing, DLP (ou processamento digital por luz, em tradução livre), possibilita a realização de ciclos de troca de ferramental em um dia⁽²⁾. Sua aplicação em associação com a moldagem por injeção e expansão de resina termoplástica está sendo investigada⁽³⁾. É um processo particularmente adequado devido à menor pressão reinante na cavidade, uma vez que a vida útil dos insertos de molde feitos de plástico é menor sob solicitações de alta pressão.

Em um estudo feito na Escola Superior de Ciências Aplicadas de Coburg (Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg) foram fabricados insertos para molde de injeção por manufatura aditiva usando três fotopolímeros, que foram submetidos a cinquenta ciclos de moldagem. Foram então avaliadas as alterações ocorridas nos insertos do molde e nas peças moldadas por injeção. O componente usado no teste tinha geometrias típicas de peças moldadas por injeção (figura 1). O núcleo e as nervuras da peça moldada são arredondados, mas o gancho para o encaixe não é. Isso leva a uma verificação básica e simultânea da sensibilidade ao entalhe. O componente também apresenta ângulo de desmoldagem de dois graus

 

Fig. 1 – Estrutura da peça moldada por injeção com ângulo de desmoldagem de dois graus (Hochschule Coburg)

 

Confecção do ferramental por polyjet modelling e por estereolitografia

Foram usados dois processos de manufatura aditiva para fabricar os insertos do molde: polyJet modelling (PJM) e estereolitografia (SLA) (figura 2). Baseados no uso de resina sintética, eles são particularmente adequados para essa aplicação, pois apresentam alta resolução e qualidade superficial. Conforme suas fichas técnicas, os materiais Digital ABS Plus Ivory (da Stratasys, para o processo PJM), Somos Taurus e Somos PerForm Reflect (da Royal DSM, ambos para a estereolitografia) apresentam propriedades termomecânicas particularmente adequadas (tabela 1). A temperatura de deflexão sob calor significativamente mais alta e a resistência à tração do Somos PerForm Reflect são impressionantes em comparação com os outros dois materiais. Entretanto, seu alongamento total é muito baixo; os materiais Digital ABS Plus Ivory e Somos Taurus são significativamente mais dúcteis.

 

Fig. 2 – Inserto de molde constituído por duas peças, feito com o material Digital ABS Plus Ivory, com o lado do ejetor na posição de desmoldagem à esquerda, e o lado do bocal à direita (Hochschule Coburg)

 

 

50 ciclos de moldagem por injeção para três insertos de molde 

Os insertos de molde, que foram elevados em 0,25 mm na parte posterior, para garantir uma vedação segura, foram testados em uma injetora com força de fechamento de 250 kN (modelo: sistema ergotech 25/280-120, da Sumitomo (SHI) Demag). Foi usado um molde intercambiável (modelo: FW, da Meusburger) para acomodar os insertos de molde na injetora. A desmoldagem da peça foi feita com auxílio de vários pinos ejetores.

Foi realizada uma série de testes usando polietileno de alta densidade (PEAD) (grau: Hostalen ACP 6541A UV, da Lyondellbasell) com cada um dos três materiais usados na fabricação dos insertos de molde. Após cada ciclo de injeção, os insertos foram resfriados com ar comprimido até que sua superfície tivesse temperatura de 50 °C. Foi aplicado desmoldante isento de silicone no início e após cada décimo ciclo de injeção para a desmoldagem das peças. Um estudo sobre o preenchimento do molde, feito antes deste trabalho, forneceu os parâmetros de processo (tabela 2).

 

 

Recomendação: bordas arredondadas

Nos testes feitos com insertos de molde confeccionados com Digital ABS Plus Ivory houve formação crescente de rebarbas na geometria externa a partir da décima segunda peça moldada por injeção (figura 3). No 28° ciclo de injeção também foi constatada uma trinca na área do núcleo com bordas agudas da geometria do gancho para encaixe no inserto ao lado do bocal. Após o 34° ciclo de injeção o núcleo arredondado apresentou deformações visíveis. Quando foram testados os insertos feitos de Somos Taurus, foi constatada uma formação crescente de rebarbas no componente desde o primeiro ciclo de injeção. A partir do segundo ciclo ocorreu a formação de pequenas trincas no inserto do molde, mas que não exerceram nenhuma influência perceptível na qualidade do componente. No 35° ciclo de injeção, o núcleo do gancho de encaixe se rompeu. Ao final dos testes, as metades do inserto do molde, bem como as peças moldadas por injeção, tinham deformação significativa. Já nos testes usando inserto de molde feito de Somos PerForm Reflect, não foi observada nenhuma formação de rebarbas nos componentes. Após o primeiro e o 35° ciclos de injeção foram constatadas apenas duas trincas, quase imperceptíveis a olho nu, em ambas as metades do inserto de molde. Entretanto, elas permaneceram inalteradas e não afetaram as peças moldadas por injeção. De maneira geral, em todos os materiais foram encontradas trincas em grau mais ou menos severo nucleadas a partir de arestas vivas. Por isso, todas as geometrias dos insertos do molde devem ser suficientemente arredondadas para que o efeito de entalhe seja reduzido.

 

Fig. 3 – 50ª peça moldada por injeção usando o inserto de molde feito com o material Digital ABS Plus Ivory, a qual apresenta uma rebarba na geometria externa do componente (Hochschule Coburg)

 

Diferenças significativas na deformação e no surgimento de rebarbas

A espessura máxima das rebarbas foi analisada para poder avaliar o grau de adequação dos três materiais para os insertos de molde. Esse parâmetro foi considerado para cada componente e comparado com os demais valores obtidos após o 50º ciclo de injeção. Assim, nos insertos feitos com Somos PerForm Reflect, nenhuma rebarba pôde ser constatada. Já as peças produzidas com Digital ABS Plus Ivory e Somos Taurus apresentaram rebarba com 0,45 mm de espessura. A deformação dos insertos do molde também foi mapeada por medição óptica, antes e depois dos testes, com um escâner tridimensional (modelo: Atos III Rev.02.1, da GOM GmbH) (figura 4).

 

Fig. 4 – Resultado da medição óptica do inserto do molde de Somos Taurus após o 50º ciclo de injeção usando digitalização 3D. Podem ser vistas deformações significativas no plano de separação, o que leva à formação de rebarbas na peça moldada por injeção (Hochschule Coburg)

Devido às altas solicitações de pressão durante o processo de moldagem por injeção, a resina fundida se introduziu no vão entre as superfícies dos insertos, causando a formação de rebarbas na peça moldada. O aumento da pressão superficial na área de separação entre os insertos resultou em sua deformação irreversível, principalmente no caso dos materiais mais dúcteis (figura 5). De maneira geral, Somos PerForm Reflect é o material mais promissor para esta aplicação e para o procedimento adotado. Mesmo após o 50º ciclo de injeção, quase não houve deformação, assim como nenhuma rebarba. O uso deste material torna possível a produção de um maior número de peças moldadas. Já o Digital ABS Plus Ivory e o Somos Taurus apresentaram deformação significativa e rebarbas. Pode-se supor que os parâmetros aplicados no teste não foram selecionados de maneira ideal para esses materiais.

 

Fig. 5 – Comparação entre as respectivas deformações máxima dos insertos de molde após o 50º ciclo de injeção, com base na medição óptica (Fonte: Hochschule Coburg; Gráfico: Hanser)

 

Peças moldadas por injeção produzidas em grande escala

A fabricação de protótipos moldados por injeção ou de pequenos lotes de peças usando insertos de molde feitos por impressão 3D também é possível para os materiais aqui investigados, assim como para a individualização de itens moldados por injeção produzidos em larga escala. Foi estudada a aplicação de um inserto para molde feito parcialmente por manufatura aditiva, usando estrutura híbrida de molde, especificamente para a fabricação de um abridor de garrafas moldado por injeção (figura 6). Por ser um ferramental experimental, as placas do molde foram feitas com alumínio de alta resistência, sendo o trabalho de fresagem realizado em um centro de usinagem de cinco eixos (modelo: DMU 50, da DMG Mori).

Os insertos de molde foram parcialmente feitos com o Digital ABS Plus Ivory. Foi inserida uma ranhura correspondente no ferramental, na qual os insertos de molde foram inseridos e fixados com parafusos sem cabeça. A substituição do inserto é feita através de dois pinos ejetores de deslocamento (atrás do inserto) com curso máximo do ejetor. Isso possibilita uma substituição simples e rápida. Um agente químico de expansão (marca: Tracel IM 2220, da Tramaco) foi incorporado à formulação de ABS usada para fabricar as peças moldadas por injeção (grau: Terluran GP-22-ABS, da Ineos Styrolution), visando proporcionar as vantagens atribuídas à moldagem por injeção e à expansão. Isso possibilita que a pressão da cavidade seja significativamente reduzida, o que aumenta a vida útil dos insertos feitos por manufatura aditiva. Os testes demonstraram que o abridor de garrafas foi preenchido com resina de forma limpa, exibindo alta qualidade (figura 6). Mas, na região da inscrição dos caracteres, foi constatada a presença de uma borda de separação entre o inserto parcial do molde e a ferramenta para troca do inserto, o que representa um ponto de partida para uma otimização adicional.

 

Fig. 6 – Configuração híbrida de ferramental para moldagem do abridor de garrafas em forma de chave de boca, moldado por injeção individualizada (Hochschule Coburg)

 

Conclusão

Os testes mostraram que há grande potencial para a aplicação de insertos feitos por impressão 3D confeccionados com o Somos PerForm Reflect. Nenhuma rebarba foi encontrada nas peças moldadas, mesmo após a fabricação de 50 unidades. A deformação dos insertos também foi mínima. Portanto, eles também podem ser considerados para a produção de peças em pequenos lotes. Além disso, foi analisada a aplicação baseada em projeto de ferramental híbrido usando insertos parciais de molde feitos por manufatura aditiva. O design apropriado do ferramental e do inserto de molde permite que estes sejam trocados de forma rápida e fácil, bem como viabiliza a personalização de artigos moldados por injeção produzidos em larga escala.

 

Agradecimentos

Os resultados mostrados aqui foram parcialmente gerados no projeto “Roadmap: flexPro” do Fundo Europeu para o Desenvolvimento Regional (Europäischer Fonds for regionaler Entwicklung, E.F.R.E.). Este projeto foi financiado por essa instituição e pelo Ministério da Ciência e Arte da Baviera (Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst). Os autores também gostariam de agradecer à firma Cutworks GmbH, que forneceu gratuitamente os insertos de metal confeccionados por laser.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

As referências bibliográficas deste artigo pode ser encontradas no endereço eletrônico: www.kunststoffe.de/onlinearchiv