Cavidade de ABS é avaliada na injeção de termoplásticos

A fabricação de produtos termoplásticos cresce a cada ano e o seu tempo de introdução no mercado é cada vez menor. Visto isso, a busca pela melhoria de processos para reduzir o tempo de fabricação é de grande importância para as indústrias desse ramo. O conceito de molde híbrido, em que se faz uso de técnicas ou materiais não convencionais na fabricação das cavidades, surge para auxiliar neste processo. Este trabalho tem como objetivo descrever a confecção de uma cavidade de ABS (acrilonitrila butadieno estireno) pelo processo de FDM (modelagem por fusão e deposição) e analisar o desgaste dela no processo de injeção de PP, bem como o comportamento da peça injetada. Após a verificação da cavidade por máquina de medição por coordenadas e análise das peças injetadas, foi obtido como resultado o pouco desgaste da cavidade e uma quantidade de ciclos acima do esperado.


M. A. Buzzi, A. de C. Fernandes e V. da Silva.

Data: 25/02/2017

Edição: PI Janeiro 2017 No 221

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Fig. 1 - Desenhos CAD 3D. a) Produto; b) Cavidade

Atualmente, a procura por produtos que se originam dos processos de transformação de materiais plásticos vem crescendo, e o processo de injeção ocupou em 2013 o segundo lugar em maior demanda no Brasil, com 30%(1). Dentro deste contexto, as empresas fabricantes de moldes de injeção devem otimizar seus processos de manufatura para atender à demanda do mercado. Desta forma, a necessidade de se produzirem pequenos lotes com uma elevada diversificação de produtos torna-se uma crescente exigência e uma alternativa é a fabricação de moldes híbridos ou moldes protótipos que, comparados com moldes convencionais, têm um custo inferior, pois utilizam materiais não convencionais na construção dos insertos (macho e fêmea). O conceito híbrido consiste em um molde com insertos obtidos por técnicas ou materiais não convencionais

Os materiais utilizados para o desenvolvimento de moldes híbridos são de fácil manufatura como, por exemplo, o alumínio, resinas poliméricas carregadas com cargas metálicas ou cerâmicas, entre outros, que ocasionam um ganho na sua produção (2).

Dentre as tecnologias disponíveis para a produção dos moldes híbridos, tem-se o processo de FDM (modelagem por fusão e deposição), que utiliza um sistema de construção combinando a ação de uma plataforma que se desloca na direção Z (vertical) com o movimento de um cabeçote extrusor nas direções X e Y no plano horizontal(4). O movimento gerado para o eixo Z é determinado pela espessura que é programada para as devidas camadas de construção. Quanto menor esta camada, melhor será o acabamento superficial. Camadas mais espessas diminuem o tempo de construção, porém a qualidade superficial é prejudicada(5).

O presente trabalho tem como proposta confeccionar uma cavidade de ABS pelo processo de FDM e analisar o desgaste dela no processo de injeção de PP, assim como o comportamento da peça injetada.

Materiais e métodos

Fig. 2 – Medidas das peças avaliadas

O produto escolhido para a realização deste trabalho foi um corpo de prova tipo V conforme a norma ASTM (Sociedade Americana para Testes e Materiais) D638, que tem como objetivo normatizar o método de ensaio padrão das propriedades de tração de plásticos. A tabela 1 representa a nomenclatura das dimensões do corpo de prova.

Com referência à norma, foi desenhado o produto e consequentemente a cavidade em modelo CAD 3D, conforme mostra a figura 1. Com o arquivo 3D da cavidade, ele foi enviado para a manufatura pelo processo de FDM.

O equipamento de FDM utilizado para a manufatura da cavidade em ABS foi o Dimension Elite da fabricante Stratasys, disponibilizado pelo Instituto Senai de Inovação em Sistemas de Manufatura.

Após a construção da cavidade pelo processo de FDM foi efetuada a sua medição. Em um segundo momento o mesmo equipamento foi utilizado para medir a cavidade após processo de injeção para análise do desgaste. Para inspeção da cavidade foi utilizada uma máquina de medição por coordenadas de modelo QM-Measure 353, da fabricante Mitutoyo, existente na Faculdade de Tecnologia Senai.

A máquina usada para a injeção dos corpos de prova foi da fabricante Romi, de modelo Primax 100R. Este equipamento pertence à Faculdade de Tecnologia Senai. Esta máquina possui uma força de fechamento de 100 toneladas; a altura mínima e máxima do molde permitida são respectivamente 150 e 410 mm, o curso de abertura do molde máxima é de 460 mm. O volume máximo de injeção da máquina é de 350 cm3. Os parâmetros de injeção são apresentados na tabela 2.

O material usado para a injeção dos corpos de prova foi o polipropileno H201, fornecido pela Braskem. Este polímero apresenta alto índice de fluidez e boa estabilidade durante o processamento, sendo indicado para a moldagem por injeção(3).

Fig. 3 – a) Produto injetado; e b) Cavidade após o processo de injeção

Para analisar o desgaste da cavidade, foi efetuada a sua medição após o processo de injeção. Entretanto, as medições dos produtos injetados também foram efetuadas para acompanhar o desgaste gerado na cavidade durante o processo de injeção. Os produtos avaliados foram contados a partir do momento em que o processo de injeção permaneceu estável. Foram determinas duas medidas para avaliação das peças: a largura A e a espessura B, conforme mostra a figura 2.

As medidas avaliadas foram determinas pelo fato de serem importantes para o ensaio de tração e fazem parte da secção da peça onde ocorre o rompimento durante o ensaio de tração. As medições foram realizadas na máquina de medição por coordenadas já citada.

Resultados e discussão


Fig. 4 – Nomenclatura das medidas avaliadas

• Manufatura da cavidade

A cavidade proposta neste trabalho foi confeccionada pelo processo de FDM, sua fabricação exigiu o tempo 12 h e 30 min, consumindo aproximadamente 170 cm3 de material polimérico ABS plus.

O filamento de material polimérico utilizado para o processamento da cavidade possui diâmetro de 1,75 mm e é fornecido pelo próprio fabricante do equipamento. Os parâmetros de impressão são bem delimitados pelo fabricante. Nesta peça específica utilizou-se uma camada de 0,17 mm com uma massa volumétrica do modelo sólido em torno de 90 a 100%.

• Processo de injeção

Foram realizados 11 ciclos até a estabilização do processo e posteriormente executados mais 50 ciclos no modo automático. A temperatura do molde iniciou-se a 20,2 oC e ao fim dos 50 ciclos atingiu o valor de 21,2 oC, podendo-se desta forma, afirmar que a temperatura se manteve estável durante o processo, algo que não ocorreu no pré-teste. A figura 3a mostra um dos produtos injetados.

Os produtos adquiriram boa aparência, entretanto foram observadas pequenas bolhas de ar nas suas extremidades. Isso se deu devido à ausência de saídas de gás na cavidade de ABS.

Tab. 1 – Dimensões conforme nomenclatura – ASTM

Notou-se também que as peças injetadas saíram empenadas no sentido da espessura do produto. Presume-se que devido ao fato de as cavidades inferior e superior serem de diferentes materiais (aço e ABS), houve uma diferença de troca de temperatura entre elas, ocasionando o empenamento dos corpos de prova.

A cavidade utilizada no processo de injeção sofreu pouco desgaste, conforme mostrado na figura 3b. Sua análise revelou que no canal de injeção e nas entradas de material na cavidade houve alterações das superfícies após o processo de injeção. O mesmo ocorreu com a cavidade de préteste, reforçando a hipótese de que nessas regiões as temperaturas são mais elevadas. Já nas regiões que formam os produtos observou-se que as cristas provenientes do processo de manufatura aditiva encontravam-se presentes, desta forma imagina-se que nessas regiões o desgaste foi imperceptível.

Tab. 2 – Parâmetros de injeção

O tempo de ciclo total foi de 50 segundos, dentre eles o maior tempo foi o de resfriamento, somando 40 segundos. Presume-se que esse elevado tempo de resfriamento acontece por conta do ABS possuir baixa condutividade térmica. Durante o ensaio constatou-se que os produtos se solidificavam antes do canal de alimentação. Supõe-se que o canal de alimentação adotado para o processo específico não foi a melhor opção, ou sua dimensão foi superior à necessária.

• Medição da cavidade e produtos

A medição da cavidade foi realizada conforme mostrado na figura 4, obedecendo à nomenclatura informada.

Para cada medida foram capturados três pontos de medição, gerando uma média e um desvio padrão. A tabela 3 mostra as médias e os desvios padrões das medições realizadas antes e após o processo de injeção dos produtos, com a finalidade de verificar o desgaste da cavidade de ABS.

Analisando os resultados é possível notar que na cavidade 1 os valores da diferença entre as médias não seguiram uma tendência, em que três valores foram menores (A, D e F) e os demais maiores (B, C e E). Sendo assim, três medidas tiveram seus valores diminuídos após o processo de injeção. Sugere-se que o fato de o sistema de refrigeração não passar por toda a extensão da cavidade 1 ocasionou distorções em sua estrutura durante o processo, fazendo com que as referidas medidas não seguissem a tendência. Já analisando a cavidade 2, todos os valores foram maiores comparando a cavidade após o processo de injeção. Com isso, todas as superfícies sofreram desgaste após o processo de injeção.

Tab. 3 – Comparação das medições antes e após injeção

• Análises das medições das peças injetadas

Reforçando que a proposta do trabalho é analisar o desgaste da cavidade em função das dimensões dos produtos injetados e que após o processo de injeção os valores máximos especificados pela norma não foram atingidos, foi realizado um estudo baseado em um gráfico de linha de tendência para projetar um valor aproximado de ciclos para a cavidade.

Para isso foi necessário fazer a medição de todos os produtos fabricados nos 50 ciclos de injeção. As medidas coletadas foram a largura e a espessura da secção onde ocorre a ruptura durante o ensaio de tração.

Foram avaliadas as duas medidas de cada produto separadamente. As figuras 5 “a” e “b” mostram o gráfico gerado para a espessura da cavidade 1 e 2, enquanto “c” e “d” mostram o gráfico gerado para a largura da cavidade 1 e 2.

Analisando os gráficos “a” e “b” observa-se que a medida da espessura diminui com a progressão dos ciclos de injeção. Sugere-se que isso ocorreu pelo fato de a cavidade sofrer com a força de fechamento do molde exercida sobre ela, e por ser de um material com baixa resistência mecânica, comprimiu-se com o passar dos ciclos.

Tab. 4 – Projeção de ciclos

Já nos gráficos “c” e “d” observa-se que a medida da largura aumentou ao final dos ciclos de injeção, fato que não ocorreu nas medidas da espessura de ambas as cavidades. Supõe-se que devido à região da largura ter a redução da medida pelo formato do corpo de prova, ele fica sujeito a sofrer desgaste das paredes pelo processo de injeção. Esse estreitamento faz com que o material polimérico injetado mude de direção, gerando atrito e consequentemente o degaste.

Para ter uma projeção da quantidade de ciclos que a cavidade poderia produzir até atingir as medidas da norma foi aplicada a regressão linear, usando as equações mostradas nos gráficos da figura 5. Os valores foram calculados para cada medida avaliada com suas respectivas variações e médias. O valor aproximado de ciclos para cada medida é mostrado na tabela 4.

Analisando a tabela é possível observar que a largura da cavidade 2 proporcionaria mais ciclos que a cavidade 1. O mesmo ocorreu na espessura da cavidade 2. O número de ciclos aproximado seria de 607, conforme cálculos da equação linha-tendência. A partir deste ponto os produtos provavelmente estariam fora das especificações.

Fig. 5 – Gráfico da espessura: a) cavidade 1 e b) cavidade 2. Largura: c) cavidade 1 e d) cavidade 2

Conclusão

O processo de manufatura aditiva é uma tecnologia que permite a construção de peças diretamente do modelo CAD e vem sendo muito utilizado para construção de protótipos. Lembrando a proposta do trabalho de construir um molde cuja cavidade é de ABS por meio desse processo, surgiram alguns questionamentos que foram respondidos no decorrer da sua elaboração. Ao fim deste trabalho concluiu-se que:

Por fim, podemos afirmar que a pesquisa obteve grande êxito, índices satisfatórios de ciclos poderiam ser injetados com a cavidade de ABS manufaturada pelo processo de FDM. Desta forma, conclui-se que ela pode ser destinada à fabricação de pequenos lotes de peças termoplásticas pelo processo de injeção.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Faculdade de Tecnologia Senai Joinville e ao Instituto Senai de Inovação – Sistemas de Manufatura pelo fomento e parceria na realização dos experimentos.

Referências

  1. ABIPLAST, 2016 Disponível em: http://file.abiplast.org.br/download/2016/perfil_2015_ok.pdf, Acessado em 26/08/2016.
  2. BARETA, D. R. (2008). Influência de Materiais Alternativos nas Propriedades de Peças Tubulares no contexto de Moldes Protótipos de Injeção. Tecnologia em Metalurgia e Materiais , (pp. 37-42). São Paulo .
  3. FERNANDES, A. d. C. (s.d.). Análise das propriedades mecânicas e morfólogicas de amostras injetadas em polipropileno em um molde híbrido com insertos confeccionados em resina epóxi/Al. 2013. 105f. Dissertação de mestrado em engenharia mecânica, Sociesc, Joinville: 2013.
  4. FOGGIATTO, J. A. (s.d.). Utilização do processo de Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) na fabricação rápida de insertos para Injeção de Termoplásticos. 2005. 182f. Tese Doutorado em engenharia mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis : 2005
  5. LIMA, M. V. (s.d.). Modelo de Fatiamento Adaptativo para Prototipagem Rápida - Implementação no Processo de Modelagem por Fusão e Deposição (FDM). 2009. 104f. Dissertação de mestrado em engenharia mecânica e de materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba: 2009.
  6. TEODORO, L. G. (s.d.). Estudo da Fabricação de Ferramentais Rápidos de Moldagem em Termoplásticos, Moldes de Injeção, com Cavidades Manufaturadas pelo Processo de Prototipagem por Impressão 3D, 2014, 56f. Trabalho de Conclusão de Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, Senai, Joinville: 2014.