Como a pressão influencia o escoamento da resina fundida

Para que se possa manufaturar peças com altos valores da razão entre trajeto de fluxo e espessuras de parede é necessário que o fabricante da injetora eleve os valores disponíveis de pressão de injeção. Contudo, geralmente não é observado o fato de que a pressão de injeção também influencia consideravelmente a capacidade de escoamento da resina fundida e que a elevação desta pressão pode ser contraproducente do ponto de vista da eficiência energética.


K. Straka, G. Steinbichler e C. Kastner

Data: 24/05/2017

Edição: PI Março 2017 - Ano - 19 No 224

Compartilhe:

Numerosas novas aplicações – por exemplo, na área dos elementos de filtros – requerem paredes com espessuras mínimas para que seja alcançada a funcionalidade desejada. Aqui pode ser visto um fragmento de um elemento de filtro moldado por injeção (100 x 100 mm, diâmetro dos filamentos: 0,4 mm; distância entre os filamentos; 1 mm) (foto fornecida pela Engel)

As espessuras de parede de peças moldadas por injeção estão sendo cada vez mais reduzidas. Isso promove a diminuição tanto dos custos de material como dos tempos de ciclo. Além disso, muitas aplicações novas – por exemplo, elementos de filtros ou condutores de luz – precisam apresentar a espessura mínima de parede requerida para a função desejada. O desenvolvimento de resinas cada vez mais fluidas apoia essa tendência.

Além da velocidade de injeção e da geometria do componente (expressa na forma da razão entre trajeto de fluxo/espessuras de parede), uma grande parte da capacidade de fluxo é determinada pela pressão de injeção que se faz necessária para que a resina utilizada preencha as cavidades do molde. Unidades de injeção acionadas por sistemas servoelétricos de alto desempenho para peças com paredes finas aceleram a rosca a 800 mm/s em 30 ms durante o processo de injeção, disponibilizando dessa forma pressões de injeção superiores a 2.400 bar (figura 1).

Atualmente o pessoal envolvido com o processo de moldagem por injeção avalia a capacidade de fluxo de resinas fundidas conforme os valores de índice de fluidez do fundido (valor mensurado pela vazão de fluxo de massa ou de volume, em g/10 min ou cm3/10 min, respectivamente) a partir de dados fornecidos pelos fabricantes da matéria-prima. Esses valores representam o comportamento da resina fundida sob taxas de cisalhamento muito pequenas, dentro da região da assim chamada viscosidade nula.

Fig. 1 – Os fabricantes de máquinas se ajustaram à tendência ao uso de paredes finas em peças moldadas por injeção. Unidades de injeção com alto desempenho, acionadas servoeletricamente, aceleram a rosca em 20 ms até 800 mm/s disponibilizando, dessa maneira, pressões de injeção superiores a 2.400 bar (foto fornecida pela Engel)

Na moldagem por injeção surgem taxas de cisalhamento consideravelmente altas, sobretudo no preenchimento de peças moldadas com paredes finas ou quando o fluxo no ponto de entrada da resina fundida na cavidade do molde atravessa seções transversais mínimas. Assim sendo, os valores medidos fornecem apenas informações restritas sobre o comportamento do escoamento sob essas condições de processo. Além disso, a influência exercida pelas altas pressões de injeção – superiores a 2.400 bar – permanece totalmente ignorada. Isso frequentemente leva a erros na simulação dos processos de moldagem por injeção, bem como no dimensionamento das injetoras.

Fatores que influenciam a viscosidade

Em princípio a viscosidade de uma resina fundida é definida pela constituição do polímero. Dessa forma, por exemplo, um maior valor de massa molecular ou ramificações com cadeias longas promovem maiores viscosidades. Além disso, a capacidade de fluxo é influenciada pela incorporação de aditivos como, por exemplo, agentes de deslizamento. A capacidade de fluxo de uma resina, a qual pode ser influenciada pela distribuição de massa molecular, sempre é um compromisso entre as propriedades requeridas pela aplicação e sua processabilidade.

Fig. 2 – Relação entre a viscosidade do polipropileno fundido, a taxa de cisalhamento e a temperatura. Uma elevação da temperatura da resina fundida da ordem de 20 °C (de 190 até 210 °C) sob uma taxa de -1 cisalhamento de 5.000 s promove uma redução na viscosidade de 16% (0,8%/°C). (Figuras 2 até 4 fornecidas pela Johannes Kepler Universität)

Durante o processamento, a capacidade de fluxo da resina fundida é influenciada pelos parâmetros de processo. De forma geral, os polímeros fundidos apresentam um comportamento chamado de “afinamento por cisalhamento”, ou seja, a viscosidade cai sob taxas crescentes de cisalhamento (figura 2). A relação entre a viscosidade e a temperatura pode ser explicada, de um lado, pela mobilidade das cadeias poliméricas e, de outro, pelo volume livre (o volume que não é ocupado pelas cadeias do polímero). Com o aumento da temperatura da resina fundida, a mobilidade das cadeias moleculares cresce e o volume livre aumenta por conta da maior oferta de espaço promovida pela dilatação térmica. Isso reduz as interações entre as cadeias poliméricas e, dessa forma, a viscosidade. Durante o processo de injeção a temperatura da resina fundida é determinada pela temperatura da resina na antecâmara da rosca, pela temperatura da parede do molde e pela evolução de calor devido à energia dissipativa (atrito). Um parâmetro adicional que influencia substancialmente a viscosidade do polímero fundido é a pressão local reinante que se faz necessária para o deslocamento da resina sob as condições de processo dadas. Uma elevação da pressão atuante sobre o polímero fundido reduz por um lado o volume livre, e por outro intensifica as interações entre as cadeias moleculares, o que mais uma vez eleva a viscosidade.

Contudo, uma vez que raramente se considera a influência da pressão, há pouca disponibilidade de dados de viscosidade em função da pressão. Enquanto para muitos polímeros a relação entre temperatura e capacidade de fluxo encontra-se registrada na forma de curvas medidas, há poucos dados mensurados sobre a relação entre viscosidade e pressão, uma vez que o processo de medição envolvido é complexo. Mesmo os pacotes de simulação que permitem considerar a viscosidade em relação à pressão nos cálculos do processo de injeção, os quais frequentemente dispõem de bancos de dados de materiais muito abrangentes, só encontram dados de viscosidade em função da pressão em poucos casos, que na prática constituem exceções à situação geral.

A relação entre viscosidade e pressão

A influência que a pressão exerce sobre a viscosidade é descrita por meio dos assim chamados coeficientes de pressão β. Com esses coeficientes é possível calcular a viscosidade em função da pressão tomando como base uma pressão de referência p0 com valor conhecido:

A partir daí é possível expressar os coeficientes de pressão de diversas formas:

A equação (2) descreve coeficientes de pressão no caso de viscosidade nula sob temperatura constante. Na verdade, esta equação é facilmente aplicada caso se disponha de dados para a viscosidade nula, mas ocorre que é muito raro ocorrer viscosidade nula na moldagem por injeção, o que restringe sua relevância prática. As equações (3) e (4) são mais úteis. A equação (3) descreve os coeficientes descreve os coeficientes de pressão sob taxas constantes de cisalhamento e temperatura, enquanto a equação (4) descreve o caso sob tensão de cisalhamento e temperatura constantes.

A partir daqui se empregará a equação (3), uma vez que, por um lado, a medição da relação entre viscosidade e pressão foi feita usando um reômetro capilar de alta pressão sob taxa de cisalhamento constante e, por outro, pelo fato de o processo de moldagem por injeção ser feito, ao menos numa primeira aproximação, em segmentos constantes de taxas de cisalhamento e temperaturas.

Fig. 3 – Coeficiente de pressão do polipropileno em função da taxa de cisalhamento

O reômetro capilar de alta pressão (modelo Rheograph 25, fabricado pela Göttfert Werkstoff Prüfmaschinen GmbH, de Buchen, Alemanha), trabalha com uma câmara de contrapressão e um tipo de válvula de estrangulamento, em que é possível obter diferentes valores de contrapressão por meio de diferentes regulagens da válvula. Como resultado disso é possível determinar os coeficientes de pressão β em função da taxa de cisalhamento (figura 3), as quais podem ser representadas na forma de curvas de escoamento em função da pressão.

Para ilustrar a influência da pressão sobre a viscosidade foram comparados os dados de duas resinas: um grau de PEAD com índice de fluidez do fundido igual a 11 g/10 min (2,16 g, 190 °C) e um grau de PP com índice de fluidez do fundido de 30 g/10 min (2,16 g, 230 °C). Ao se elevar a pressão desde 50 até 1.000 bar, foi constatado que a viscosidade η do PEAD subiu cerca de 92% sob uma taxa de cisalhamento de 50 s-1. A influência da pressão sobre a visco sidade da resina fundida aumenta à medida que se reduz a taxa de cisalhamento; ainda assim, sob uma taxa de cisalhamento de 5.000 s-1, a viscosidade ainda se elevou em torno de 27%.

Os resultados obtidos para o polipropileno foram influenciados de forma ainda mais significativa. Aqui a viscosidade subiu em torno de 122% sob uma taxa de cisalhamento de 50 s-1 quando a pressão foi elevada desde 50 para 1.000 bar, e até mesmo sob uma alta taxa de cisalhamento, de 5.000 s-1 , o aumento de viscosidade chegou a 86% (figura 4). Em comparação, uma elevação de 20 °C da temperatura da resina fundida levou a uma redução da viscosidade de apenas 16% sob a mesma taxa de cisalhamento (figura 2).

Estes exemplos mostram que a viscosidade sob as condições reinantes durante o processo de moldagem por injeção é essencialmente influenciada pelas razões de pressão dominantes, as quais, portanto, não podem ser desconsideradas de forma alguma.

Efeito sobre o processo de moldagem por injeção

Para verificar como a dependência da viscosidade em relação à pressão atua sobre a força de fechamento, foi selecionado como exemplo um componente plano com paredes finas apresentando as seguintes dimensões: 140 mm (comprimento) x 70 mm (largura) x 0,5 mm (espessura). Os testes foram feitos com um molde contendo quatro cavidades e foram aplicados os dados obtidos para o polipropileno.

A queda de pressão em uma cavidade em forma de ranhura, cuja largura B é muito maior do que sua espessura H, pode ser calculada de forma aproximada por meio da equação abaixo:

Aqui ‘v’ designa a velocidade média da frente de resina fundida. A viscosidade representativa ηrep pode ser calculada com ajuda da taxa representativa de cisalhamento,

usando a relação de Carreau,

e utilizando os parâmetros η0 , λ e n específicos para o material em questão.

Aqui η0 designa a viscosidade nula e λ o valor recíproco da assim chamada velocidade de cisalhamento na transição entre os comportamentos de escoamento sob viscosidade newtoniana e estrutural. Este último é descrito pelo parâmetro ‘n’.

A força de fechamento que se faz necessária durante a fase de injeção é calculada por intermédio da fórmula a seguir:

usando a superfície projetada da cavidade Ap.

O valor de velocidade média neste exemplo foi selecionado de forma a estabelecer uma taxa representativa de cisalhamento igual a 5.000 s-1 na cavidade. Por meio do uso de uma rosca com 30 mm conseguiu-se uma velocidade de injeção de aproximadamente 115 mm/s. O tempo de preenchimento neste caso correspondeu a 0,26 s. Se a relação entre viscosidade e pressão for desprezada, então a pressão necessária para preencher a cavidade seria de 806 bar, conforme a equação (5) e, dessa forma, a força de fechamento requerida na fase de preenchimento seria de 395 kN, conforme a equação (8).

Fig. 4 – Viscosidade do polipropileno em função da taxa de cisalhamento e da pressão. Sob uma elevação da pressão deste 5 até 100 MPa (950 bar) e taxa de cisalhamento de 5.000 s-1, ocorre um aumento da viscosidade de 24,1 Pa.s (86% ou 9%/100 bar)

Agora será considerada a relação entre a viscosidade e a pressão para efetuar o cálculo da força de fechamento. Neste caso, a pressão média reinante na cavidade passou a ser de 403 bar, o que resultou na elevação da viscosidade de 22,2 para 36,9 Pa.s. Isso provoca uma redução da capacidade de escoamento da resina fundida, o que, por sua vez, eleva a pressão necessária para preencher a cavidade desde 806 até 1.338 bar e, consequentemente, promove um aumento da força de fechamento de 395 para 656 kN. Isso corresponde a um aumento da força de fechamento da ordem de 66%.

Deve-se notar que neste cálculo foram desprezados a redução na seção transversal do canal de fluxo devido à camada periférica solidificada, bem como os efeitos termodinâmicos.

fechamento da ordem de 66%. Deve-se notar que neste cálculo foram desprezados a redução na seção transversal do canal de fluxo devido à camada periférica solidificada, bem como os efeitos termodinâmicos.

Conclusões

Os dados medidos e processados mostram claramente como altos valores de pressão influenciam a viscosidade dos polímeros fundidos. Não é possível desprezar esse efeito, particularmente na moldagem por injeção, em que durante a fase de injeção surgem altas pressões na cavidade. Na maioria dos pacotes de programas computacionais voltados para a simulação do processo de injeção, teoricamente a relação entre a viscosidade e a pressão pode ser considerada; contudo, na maioria dos casos não há os dados necessários para esse cálculo para diversos tipos de plásticos. No futuro o pessoal envolvido com moldagem por injeção deverá dispor dos parâmetros relevantes para esse cálculo.