Baixe Moldes - Apostilas - Design Gráfico Parte1 e outras Notas de estudo em PDF para Produção Gráfica, somente na Docsity! CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia MOLDES PARA INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS 1. INTRODUÇÃO Os moldes de injeção são hoje os mais largamente usados no processamento de polímeros. Os primeiros moldes foram concebidos, ainda no século XIX, quando os irmãos Hyatt, nos Estados Unidos patentearam a primeira máquina de injeção para um material celulósico. Um molde de injeção pode ser entendido como um conjunto de sistemas funcionais que per- mitem que um espaço em que a peça vai ser moldada, definido pela cavidade, sejam preenchidas com o plástico fundido em condições controladas, pelos outros sistemas que garantem a qualidade dimensional e estrutural das peças produzidas. Estes sistemas funcionais são: A estrutura que assegura a solidez estrutural do molde; O guiamento que mantém o perfeito alinhamento da cavidade com a bucha; A alimentação (bucha, canais de alimentação e pontos de injeção), que permite o percurso do fundido, desde o bico da injetora até à cavidade; O controle de temperatura que assegura que nas superfícies moldantes a temperatura seja tão uniforme quanto possível e que o resfriamento se faça de forma rápida e eficiente; A extração que faz com que as peças sejam retiradas do molde. Para além destes sistemas, os moldes de injeção mais elaborados, podem ser dotados de sis- temas especiais que assegurem os movimentos, a monitoração de temperatura e pressão, a extração controlada com robôs ou o controle independente da temperatura no sistema de alimentação (mol- des de canais quentes). A figura mostra exemplos de moldes de injeção. Moldes de injeção 1 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Por sua vez o molde é o sistema funcional da máquina de injeção diretamente associado a um produto. Dependendo das peças a produzir, podem ser mais ou menos complicados. Os moldes utilizados podem ser agrupados em três tipos principais: - Moldes convencionais ou de duas placas; - Moldes de três placas; - Moldes de canais quentes. Os moldes dos dois últimos tipos são muito usados na produção de peças para embalagens, por permitirem obter uma peça já separada do sistema de alimentação. Nos moldes convencionais e nos de três placas é necessário fazer-se a reciclagem do materi- al do sistema de alimentação, mas, nos de canais quentes, tal operação é desnecessária devido ao sistema de alimentação permanecer sempre dentro do molde. No sistema de alimentação são importantes: o tipo e a localização dos pontos de injeção, que são as entradas do material fundido na cavidade; o aspecto final das peças e a própria maneira como se faz a extração desta zona do sistema de alimentação. Em peças de grandes dimensões, como caixas ou tabuleiros, é freqüente fazer-se a injeção direta, fazendo da bucha a ligação do bico da injetora à cavidade. Também nas peças de grandes di- mensões é freqüente o enchimento da cavidade através de vários pontos de injeção. Os alimentadores devem ter preferencialmente seção circular, com diâmetro da ordem de 9 mm para os alimentadores principais e, 6 e 7,5 mm para os secundários. O resfriamento é assegurado, normalmente por água circulante em canais (linhas de água) distribuídos regularmente na bucha e na cavidade e acompanhando tanto quanto possível a sua for- ma. Para o caso de materiais de engenharia, moldados a temperaturas mais elevadas, como o poli- carbonato, o fluido de resfriamento, funcionando acima de 100º C, é um óleo. Para que o controle de temperatura do molde seja eficiente este fluido deve ser mantido a uma temperatura constante, usando-se, para o efeito termo-reguladores (para as temperaturas acima de 40 – 50º C) ou refrigera- dores para temperaturas abaixo da ambiente. Durante a injeção, o ar existente dentro da cavidade é deslocado pelo material plastificado. Se este ar não sair da cavidade durante a injeção, a sua compressão provocará a necessidade de mai- or pressão de injeção, tempo de injeção mais longo e, mesmo, carbonização do polímero por exces- sivo aquecimento. Por isso, os moldes deverão dispor de canais na superfície de partição para o es- cape do ar, geralmente colocados nas últimas zonas a serem preenchidas. Hoje, os moldes de injeção de termoplásticos são construídos em variados tipos de materiais desde os aços de alta liga usados em moldes para séries muito longas e mais exigentes, até aços ao carbono para peças menos críticas e séries muito curtas. Para além disso, para séries protótipo ou para séries muito curtas são usadas ligas de alumínio ou, mais recentemente, materiais não metáli- cos nas zonas moldantes, dando origem ao que se designa por moldes híbridos (isto é, com materi- ais metálicos e não metálicos). Também se começam a utilizar moldes em que as buchas e cavida- des são obtidas, quase diretamente, por recurso a técnicas de prototipagem rápida que fazem a sinte- rização de partículas metálicas. 2. MOLDAGEM POR INJEÇÃO O processo de moldagem por injeção foi patenteado em 1872 pelos irmãos Hyatt. Ao longo do século XX teve uma grande evolução, cujos principais marcos foram a máquina hidráulica (anos 40), a máquina de parafuso alternativo (1951) e a máquina elétrica (1988). Inicialmente desenvolvido para a transformação de resinas termoendurecíveis, como uréia- formaldeído (comercialmente conhecido como Baquelite), o processo teve um enorme desenvolvi- 2 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia cessitam ser ajustadas tendo em conta as propriedades do material (o seu comportamento reológico e térmico), a geometria da moldagem e as especificações do produto final. As fases do ciclo de moldagem são praticamente independentes do tipo de máquina. Contu- do a sua duração pode ser muito diversa, variando de tempos inferiores a 1 segundo para peças mui- to finas, a dezenas de minutos para moldagens muito espessas. Poderá desenvolver-se segundo os regimes seguintes: - Manual: a seqüência de operações é definida e acionada pelo operador (utiliza-se durante as fases de ajuste do processo). - Semi-automático: a seqüência de operações do ciclo desenvolve-se de uma forma auto- mática, mas o início de um novo ciclo necessita da confirmação do operador (utiliza-se quando o processo requer a intervenção do operador, por exemplo, para ajudar a retirar uma peça ou para colocar insertos). - Automático: O processo desenvolve-se integralmente segundo uma seqüência pré-defini- da e sem a intervenção do operador. A maximização da produtividade e da repetibilidade só é conseguida em ciclo automático, até porque muitas das funções do controle dos equipamentos mais modernos só estão ativas neste tipo de funcionamento. FASE 1 – Fechamento Esta operação corresponde ao início do ciclo (quer o funcionamento seja em regime automá- tico ou semi-automático) deve ser tão rápido quanto possível. No entanto, existem limitações às velocidades a utilizar para o fechamento do molde resultantes de: - A inércia das grandes massas metálicas dos conjuntos molde / placas da máquina; - A necessidade do encosto das duas partes do molde ser suave para evitar a danificação das superfícies de ajustamento; - Eventuais movimentos internos no molde, que se desenvolvam simultaneamente com o avanço do molde. De fato, o tempo para esta operação depende da máquina e das características do molde e da distância a percorrer (curso de abertura). A sua otimização implica a minimização do intervalo de abertura entre as metades dos moldes (ajustado ao valor mínimo necessário para possibilitar a extra- ção do moldado) e o ajuste criterioso das velocidades de fechamento utilizadas. FASE 2 – Injeção e Pressurização A fase de injeção é garantida pelo avanço linear do fuso que, funcionando com um pistão, força o material fundido (previamente depositado à sua frente) a entrar no molde e a fluir no interior da cavidade. A injeção inicia-se após o cilindro ter encostado o bico ao molde (em alguns casos o bico de injeção pode estar permanentemente encostado) e deverá terminar quando a cavidade está preenchi- da a 95% do respectivo volume. A velocidade de injeção selecionada (ou idealmente o perfil de velocidades) deve correspon- der a um compromisso entre rapidez (para assegurar o preenchimento global da impressão) e a qua- lidade do produto final (velocidades muito elevadas podem gerar marcas na superfície, efeitos de jato ou superaquecimento da matéria-prima). De fato, para cada moldagem existirá um ajuste de velocidade ótimo, correspondendo à situ- ação em que as especificações do produto final são garantidas com um nível mínimo da pressão de injeção. 5 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Após o preenchimento da cavidade é necessário continuar a pressurizar o moldado para au- mentar a sua densidade. FASE 3 – Recalque A seguir ao preenchimento do molde e pressurização, é necessário aplicar uma pressão na cavidade, a fim de reduzir o efeito da contração por resfriamento e evitar o refluxo do fundido. No entanto, esta pressão não deve ser excessiva porquanto daí podem advir danos à peça (por exemplo, desenvolvimento de tensões internas) e dificultar a sua extração. Esta fase termina logo que a entrada do material nas zonas moldantes (ponto de injeção), ou a própria peça, sejam suficientemente resfriados para inibir o fluxo de material. O ajuste desta fase é crítico para a qualidade do processo. De fato, o seu início está associa- do a uma mudança de regime de funcionamento do equipamento, que passa de uma fase de controle da velocidade de injeção (fase dinâmica), para uma fase de controle da pressão (fase estática). Esta fase também pode ser designada por segunda pressão ou pós-pressão. FASE 4 – Resfriamento Logo que tenha ocorrido a solidificação da entrada, o parafuso de plastificação pode come- çar a girar iniciando a plastificação de material para o ciclo seguinte. Durante este processo, o para- fuso é obrigado a recuar por efeito da pressão criada pelo material que se vai depositando na sua frente. O moldado continua a resfriar no molde. Quando o volume programado estiver dosado, o parafuso pára. Por vezes, segue-se o seu re- cuo linear no sentido de aliviar a pressão sobre o material fundido e evitar que este escorra pelo bico (no caso de ser um bico aberto). Esta fase, opcional do ciclo de injeção, designa-se por descompres- são. A fase de resfriamento termina logo que a peça atinge uma temperatura que permita a des- moldagem sem distorção. Esta parte do ciclo é uma operação de troca de calor transportado pelo material, dependendo sobretudo, da espessura do moldado e do projeto do molde. Velocidades de resfriamento baixas (garantidas por temperaturas de molde elevadas) permitem reduzir as tensões internas criadas pelo resfriamento, mas correspondem a aumentos significativos do tempo de ciclo. FASE 5 – Abertura e extração O tempo para esta operação é uma função da máquina utilizada, (características da unidade de fechamento), do curso de abertura do molde e dos movimentos desta ferramenta necessários para garantir a extração da moldagem. É uma operação crítica do ponto de vista produtivo, pois em si- multâneo, e mediante a utilização de mecanismos apropriados, pode ser efetuada a separação do ca- nal de injeção dos canais de alimentação. É cada vez mais freqüente a utilização de dispositivos au- xiliares de manipulação para garantir um elevado grau de automatização do processo. FASE 6 – Tempo de pausa (Tempo morto) É o período de tempo que decorre entre o fim da extração e o início do novo ciclo. É alta- mente desejável que seja nulo, o que deverá acontecer em situações de funcionamento em regime automático. No entanto, pode ser prolongado nos casos em que a remoção da peça seja manual ou tenha que ser feita a colocação de insertos. Pela sua própria natureza, o tempo morto depende da ap- tidão do operador, do nível de automatização do molde e do tipo de afinação utilizada. Tempos 6 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia mortos prolongados e com variação de ciclo para ciclo afetam drasticamente a reprodutibilidade do processo. 4. INJETORAS O sucesso da tecnologia de moldagem por injeção é o resultado do efeito combinado de di- versos fatores, como: - as propriedades dos materiais plásticos; - a existência de equipamento de transformação de grande produtividade e confiabilidade; - a capacidade de modelagem do processo com base em ferramentas informáticas relativa- mente amigáveis. A situação atual é o resultado de um processo de evolução contínuo e sistemático verificado na segunda metade do século XX. No entanto, foi ao longo das décadas de 80 e de 90 que a molda- gem por injeção se impôs como um dos principais processos industriais de produção de componen- tes para os mais diversos mercados consumidores, incluindo peças de elevadas tolerâncias dimensi- onais. A injetora é um dos elementos chave do processo. Injetora Arburg As injetoras podem ser classificadas de diferentes maneiras, como: Quanto à natureza dos materiais a processar Injetoras para termoplásticos, termoendurecíveis ou borrachas As injetoras são na grande maioria máquinas de processamento de termoplásticos. A molda- gem de termoendurecíveis ou de borrachas baseia-se na utilização de temperaturas relativamente baixas no cilindro de plastificação e de moldes muito quentes (cerca de 150 a 180ºC) para garanti- rem o processo de cura/vulcanização. Estas máquinas têm parafusos de comprimento reduzido, para minimizar o tempo de residência a evitar a cura prematura do composto a moldar. Quanto ao tipo de acionamento Injetoras hidráulicas, elétricas, pneumáticas e mistas. A grande maioria das injetoras atual é baseada em potência óleo-hidráulica. Esta tecnologia garante o ajuste de pressões e de deslocamentos (com velocidades controladas). No entanto, é uma 7 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia tuada por uma extrusora de funcionamento intermitente, e a injeção é garantida por um pistão inde- pendente. A dimensão desta unidade quantifica-se pela capacidade de injeção (expressa em gramas de poliestireno). Unidade de Fechamento Assegura a fixação e a movimentação do molde, devendo ser capaz de a manter fechado du- rante as fases de injeção e de pressurização. Integra também os dispositivos necessários à extração dos moldados. Construtivamente, corresponde a uma prensa que terá de ser capaz de suportar a força resul- tante da injeção do plástico. Existem várias soluções construtivas, sendo as mais comuns as unidades de articulações ou de fechamento hidráulico. Quantifica-se pela força de fechamento (normalmente expressa em kN ou toneladas). Unidade de Comando As operações e os dispositivos necessários para assegurar a monitoração e controle das di- versas variáveis do processo estão centralizadas nesta unidade. Assegura, igualmente, a interface com o operador e as comunicações com periféricos ou sistemas de gestão de informação. As unidades de comando estão baseadas em microprocessadores que podem incluir funções de gestão da produção, de diagnóstico de processo e de controle auto-adaptativo. EQUIPAMENTO AUXILIAR Designa-se por equipamento auxiliar o conjunto de dispositivos que integram a célula de moldagem por injeção, além da injetora e do molde. Uma célula típica é composta por: - Dispositivos para alimentação e preparação da matéria-prima; - Controlador de temperatura do molde; - Robô / manipulador; - Esteira transportadora. 10 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Robô Arburg trocador de moldes Poderão ainda existir equipamentos para controle de sistemas de moldes de canais quentes (quando não integrados na própria injetora), dispositivos para separação automática de peças e siste- mas de alimentação, equipamentos para operações de controle de qualidade, etc. Alimentação e preparação da matéria-prima Por questões de produtividade e qualidade, o circuito de alimentação e preparação de maté- ria-prima deve ter um elevado grau de automatização. Deste modo, minimizam-se as possibilidades de contaminação e de erros humanos associados a formulações. A matéria-prima deve ser alimentada automaticamente a partir de um sistema centralizado ou de recipientes colocados junto à injetora. Para o efeito, utilizam-se sistemas pneumáticos (basea- dos em redes de vácuo ou aspiradores elétricos independentes) ou mecânicos (baseados em espirais metálicas flexíveis). A eventual adição de pigmentos (sob a forma de granulados de masterbatch, pós ou líquidos) deve ser efetuada na máquina, antes do material entrar no cilindro de plastificação. Para o efeito po- dem ser usados diferentes tipos de equipamentos dosadores e misturadores. Os processos baseados em moldes de canais frios geram um desperdício associado ao res- pectivo sistema de alimentação. Sempre que as especificações do produto final o permitam, é alta- mente recomendável a reciclagem integrada deste desperdício na célula produtiva. Para o efeito de- vem ser utilizados moinhos granuladores insonorizados e dispositivos de dosagem (normalmente válvulas pneumáticas proporcionais), para controlar a percentagem de incorporação. Diversas matérias-primas requerem uma fase de secagem, antes da sua transformação, de modo a serem desumidificadas. Esta operação poderá ser efetuada em sistemas centralizados (com subseqüente transporte de material seco) ou junto da célula produtiva. Controle da temperatura de moldes 11 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia A temperatura das superfícies moldantes é uma variável crítica do processo, que deve ser criteriosamente controlada por questões de produtividade e de qualidade do produto final. Depen- dendo do tipo de matéria-prima e das especificações da moldagem, deverá ser ajustada uma tempe- ratura de molde (por vezes utilizam-se temperaturas distintas nas duas partes do molde) cujo contro- le pode ser assegurado de diferentes modos. Manuseamento automático de moldados A produção de peças que não possam cair do molde por gravidade (devido a questões estéti- cas ou logísticas) deverá ser assistida por dispositivos automáticos para garantir a sua completa ex- tração do molde. Estes dispositivos designam-se por robôs ou manipuladores consoante a sua solu- ção construtiva (baseada em cilindros pneumáticos ou em motores elétricos servoatuadores) e o tipo de programação que permitem. Por vezes utilizam-se manipuladores simples apenas para retirar o sistema de alimentação, verificando-se a queda das peças para um recipiente ou tapete colocado de- baixo do molde. Normalmente, o robô/manipulador coloca a peça numa esteira transportadora, onde esta es- tabiliza e é, eventualmente, sujeita a operações de controle, antes de ser embalada ou entrar nas fa- ses subseqüentes do respectivo processo produtivo. 5. O MOLDE Um molde deverá produzir peças de qualidade, num tempo de ciclo o mais curto possível, ter o mínimo de manutenção durante o tempo de serviço e desempenhar corretamente as seguintes funções: - definir o(s) volume(s) com a forma da(s) peça(s) a produzir, assegurando a reprodutibili- dade dimensional, de ciclo para ciclo; - permitir o preenchimento desse(s) volume(s) com o polímero fundido; - facilitar o resfriamento do polímero; - promover a extração da(s) peça(s). A constituição dos moldes é, assim, determinada pela necessidade de realizar adequadamen- te as funções associadas à execução do ciclo de moldagem. Nesta perspectiva, um molde pode ser considerado como uma estrutura (um conjunto de pla- cas ou chapas) onde são montados os sistemas funcionais que, como o próprio nome indica, são os sistemas que permitem que o molde cumpra as suas funções. Os sistemas funcionais de um molde são: - cavidades (zonas moldantes); - sistema de alinhamento; - sistema de alimentação; - sistema de ventagem (escape de gases); - sistema de resfriamento; - Sistema de extração. As cavidades (zonas moldantes) é o espaço definido pela conjugação da cavidade e da bu- cha, que dará a forma à(s) peça(s) a produzir. O sistema de alinhamento é o sistema que permite, por um lado montar o molde na máquina, e por outro ajustar as duas (ou mais) partes do molde, assegurando a reprodutibilidade dimensional das peças. 12 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Tipos de centragem Em certas situações o sistema de centragem por si só não é suficiente para garantir um fun- cionamento correto do molde, nesses casos o projetista terá de introduzir no molde sistemas de tra- vamento. O travamento para além da finalidade de guiamento e centragem, proporciona também um melhor ajustamento e proteção às metades do molde, particularmente quando se trata de moldes de grandes dimensões com cavidades profundas. Moldes sólidos – múltiplas cavidades Os moldes sólidos podem permitir a moldagem de várias peças. Como exemplo apresenta-se um molde de copos de paredes finas de 4 cavidades, podendo estas ser redondas ou quadradas. Este tipo de moldes com a cavidade e a bucha suficientemente rígidas, com travamento e com o sistema de controle de temperatura bem concebido, permite produzir peças com qualidade. Se forem usados anéis, estes devem ter folga para permitir a dilatação das placas. A placa que aloja o sistema de inje- ção deve ter a temperatura controlada. Molde sólido multicavidades 15 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Moldes estruturados Fala-se de moldes estruturados quando a cavidade das zonas moldantes não são feitas direta- mente nas placas (placas porta cavidades). Neste caso são abertas nas placas caixas, onde são intro- duzidas as cavidades e os machos. Os moldes estruturados podem ser de dois tipos: - caixa - aro Os moldes estruturados caixa possuem as características a seguir: forte, econômico, caixa de precisão média e não permite retificação. Molde estruturados em caixa (esquerda) e em aro (direita) Os moldes estruturados aro são mais fracos, sobretudo em moldes de grandes dimensões; econômicos, maior precisão e permite retificação. A escolha do tipo de molde estruturado deve ser feita relativamente à resistência às pressões e dilatações (melhor em caixa), ou precisão de retificação (melhor em aro). O uso de um aro reforçado é uma boa opção. Para definir os canais de alimentação pode ser necessário o uso de insertos temperados. Moldes Estruturados – cavidades cilíndricas A única diferença destes moldes é que o formato das cavidades são cilíndricos. Molde com cavidades cilíndricas 16 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Moldes de três placas (canais frios) Relativamente aos moldes de três placas (canais frios), são 3 tipos: - o molde em que o bico da injetora vai dentro do molde; - o molde com bico quente; - o molde com mini canal de injeção. Molde 3 placas canais frios com o bico da máquina dentro do molde Molde 3 placas canais frios com bico quente O acionamento das aberturas A e B, ver figuras, é feito pelo sistema apresentado (1), ou por outros sistemas normalizados existentes. A abertura é limitada pelas peças (2) e (3). A quantidade de sistemas “acionamento”, normalmente 2 ou 4, (1), depende da dimensão do molde, sendo, na maioria dos casos, colocados lateralmente. Quando há robô ter-se-á que verificar se existe interfe- rência. O funcionamento do molde de três placas é o seguinte: - extração do canal de injeção da cavidade, abertura (A); - extração do canal de injeção, abertura (B); 17 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Molde com cremalheira Para que com a abertura da máquina a parte que suporta as cavidades fique a meio, os acio- namentos podem ser efetuados através de: - cremalheira e roda dentada; - fusos e porcas helicoidais; - hidráulicos; - alavancas; - tirantes. O acionamento mais comum é através de cremalheira e roda dentada. Os sistemas de acionamento devem ser fortes e ajustados às dimensões do molde e à sua complexidade. O movimento para a extração das moldagens pode ser efetuado através de: - tirantes, que corresponde ao exemplo apresentado, apesar de ser pouco habitual; - hidráulico, que é o mais utilizado; - braços ligados a processos de alavancas. 20 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Molde em andares (molde sandwich) Molde bi-material O molde para a técnica de injeção de bi-material é um tipo de molde que corresponde à mol- dagem de dois ou mais materiais. Os materiais podem ser diferentes (compatíveis ou não) ou o mes- mo material, mas com cores diferentes. A moldagem bi-material pode ser efetuada, através dos se- guintes processos: - transferindo as moldagens de uma máquina para outra através de robôs; - transferindo as moldagens da 1ª posição de injeção para a 2ª posição, no mesmo molde, através de robôs; - por rotação incorporada no molde ou na placa da máquina que tem duas, ou mais, unida- des de injeção. Os processo indicados são escolhidos de acordo com os seguintes fatores: - economia; - produtividade; - tipo de produto; - equipamento disponível. 21 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia 6. MATERIAIS PARA MOLDES No projeto e fabricação de um produto é essencial que os materiais e os processos sejam compreendidos. Os materiais são um elemento chave dos sistemas de produção. Compreender as suas propriedades, características, aplicabilidade e usinabilidade é essencial para a competitividade das empresas industriais. Como todos os produtos incorporam materiais, é fundamental o conhecimento das suas pro- priedades de modo a poder selecionar os mais aptos para cada aplicação e que, simultaneamente, determinam custos de produção mais baixos. Os aspectos econômicos na sua seleção são tão impor- tantes como as considerações de ordem tecnológica relativas às suas propriedades. A crescente introdução no mercado de uma vasta gama de novos materiais plásticos com ca- racterísticas técnicas específicas determina, por vezes, um desgaste anormal por abrasão e corrosão química dos equipamentos de produção. Neste contexto, os fabricantes de moldes são confrontados com a necessidade de encontrar soluções para incrementar a resistência dos seus produtos e, simul- taneamente, com níveis de exigência para a qualidade final dos produtos cada vez mais elevados. O endurecimento superficial das peças é um conceito amplo e é um fator muito importante para o controle de desgaste das peças. Pode-se dividir os processos de endurecimento das superfíci- es em três grupos: revestimentos, tratamentos termoquímicos e tratamento térmico superficial. Por exemplo, a utilização dos modernos revestimentos PVD nos moldes, permite um melhor controle do desgaste provocado pelos movimentos cíclicos de partes metálicas que entram em con- tato diretamente umas com as outras, o controle de desgaste provocado por abrasão de alguns mate- riais plásticos, particularmente os materiais reforçados com fibras, o controle do desgaste provocado por corrosão química das superfícies moldantes e a redução das forças de extração que, se forem muito elevadas, podem introduzir elevados níveis de tensão nas peças. Aços Os aços usados na fabricação de moldes devem ser resistentes às tensões e fáceis de usinar. A resistência às tensões é necessária devido às altas pressões empregadas durante a molda- gem, que podem ser de 300 a 1400 kgf/cm2, bem como pela necessidade de suportar as tensões de flexão e as cargas de compressão, exigindo que a resistência no núcleo de aço seja alta enquanto se mantém uma dureza superficial adequada. Uma dureza superficial adequada permite: - suportar efeitos de erosão dos materiais termoplásticos rígidos nas zonas do molde em que o fluxo é restrito ou obstruído, - resistir ao desgaste, especialmente em grandes produções, - manter na superfície um alto grau de polimento, que facilite a extração do produto e lhe proporcione um bom acabamento. Além da resistência mecânica e facilidade de usinar outras características importantes são: tratamento térmico sem problemas, resistência ao calor, alta condutividade térmica, resistência à corrosão e características que permitam usinagem econômica. Como regra geral, as partes do molde em contato com o material plástico fundido e os ele- mentos móveis que suportam atrito devem ser tratadas. As partes do molde que compõem sua estru- tura são de aço com baixo teor de carbono não tratadas. A escolha do método de tratamento varia de acordo com o tipo de aço empregado, a dureza necessária para a aplicação, além da complexidade e precisão do molde. Os métodos usados para tratamento superficial são a têmpera ao ar, em óleo e a cementação. 22 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Tabela II – Recomendações para seleção de aços, tratamentos térmicos e tratamentos de superfície Se le çã o Pa dr ão Produção desejada Baixa Média Alta A br as iv id ad e do p ro du to B ai xa Aço: ao carbono (1020/1045) TT: nenhum Aço: ao carbono (1020/1045) TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: ABNT 4340 ou P20 TT:nenhum TS: Nitrocarbonetação M éd ia Aço: ao carbono (1020/1045) TT: nenhum TS: Nitrocarboneta- ção Aço: ABNT 4340 ou P20 TT: nenhum TS: Nitrocarbonetação Aço: Classe Precipitati- on Hardening TT: envelhecimento TS: Nitrocarbonetação / Nitretação a plasma/ PVD A lta Aço: Classe Precipi- tation Hardening (PH) TT: envelhecimento TS: Nitrocarboneta- ção/Nitretação a plas- ma Aço: ABNT H13 TT: Têmpera a vácuo TS: Nitrocarbonetação /PVD Aço: ABNT H13 TT: Têmpera a vácuo TS: Nitrocarbonetação / PVD R eq ui si to s E sp ec ia is Polibilidade: Aço: P20 ou ABNT 420; TT: Têmpera a vácuo (420) e nenhum (P20); TS: PVD Corrosão: Aço: P20 ou ABNT 420; TT: Têmpera a vácuo (420) e nenhum (P20); TS: PVD Baixa Deformação: Aço P20 ou ABNT 420; TT: Têmpera a vácuo (420) e nenhum (P20) Aços indicados Os aços indicados na Tabela III a seguir são os de uso corrente no Brasil e são oferecidos por fabri- cantes nacionais e também por importadores. A relação apresenta as principais características dos aços indicados e a dureza com que é utilizada após tratamento térmico. É importante notar que os aços indicados são para a seleção padrão para moldes de injeção de plástico. Em função de requisitos especiais, o mercado de aços oferece outras opções. Por exem- plo, nas famílias dos inoxidáveis martensíticos, há grande variedade à disposição do mercado que apresenta polibilidade superior ao 420 convencional. Em função da necessidade de polimento, pode-se alterar a seleção do aço inox 420 para outro da mesma família, mas com polibilidade supe- rior. 25 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Tabela III – Aços padrão para injeção de plásticos Aço Equivalências Características Dureza de utilização SAE 1020/1045 Aço carbono comum Utilizado no estado de fornecimento (recozi- do) AISI 4340 VM40 (Villares) Aço carbono baixa liga. Fornecido no estado pré-beneficiado Utilizado no estado de fornecimento pré-bene- ficiado com durezas de 28/32 HRC AISI P20 VP20IM (Villares) P20 (Gerdau) IMPAX (Uddeholm) M200 (Boehler) THYROPLAST 2311 (Thyssen) Aço ferramenta, especí- fico para moldes plásti- cos. Alta polibilidade. Fornecido no estado pré-beneficiado Utilizado no estado de fornecimento, pré-be- neficiado com durezas de 28/32 HRC CLASSE PH VP50IM (Villares) ADINOX 41 VAR (Thyssen) M261EXTRA (Boehler) CORRAX (Uddeholm) Aços ferramenta endu- recíveis por tratamento térmico por precipita- ção Elevada polibilidade. Corrax e Adinox 41 são inoxidáveis. Deforma- ção no tratamento tér- mico menor do que nos temperáveis VP50IM e M261 EX- TRA – 38/42 HRC ADINOX41 – 38/42 HRC CORRAX – 46/48 HRC Todos após tratamento térmico de envelheci- mento AISI H13 VH13IM (Villares) W302 (Boehler) ORVAR (Uddeholm) H13 (Gerdau) THYROTHERM 2344 (Thyssen) Aço ferramenta para trabalho a quente Endurecível por têmpera Utilizado no estado temperado para 50/52 HRC AISI 420 VP420IM (Villares) M310 ISOPLAST (Boehler) STAVAX (Uddeholm) 420 (Gerdau) THYROPLAST 2083 (Thyssen) Aço inoxidável marten- sítico Alta polibilidade (varia de acordo com a quali- dade) Endurecível por têmpera Utilizado no estado temperado para 50/52 HRC A polibilidade varia com o processo de tra- tamento térmico e a qualidade do aço. 26 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Aços para moldes – características gerais Características VP20 ISO VP20 IM VP50 IM VP 420 IM VH13 IM Usinabilidade Boa, tanto re- cozido como beneficiado Boa, tanto re- cozido como beneficiado Excelente Boa Boa Soldabilidade Boa Boa Excelente Difícil Média Polibilidade Excelente Excelente Excelente Excelente Excelente Reprodutibilidade Condição Normal de entrega Boa Beneficiado para 30/34 HRC Boa Beneficiado para 30/34 HRC Boa Solubilizado, dureza de 30/35 HCR. Pode ser entre- gue envelheci- do com 40/42 HCR Boa Recozido, du- reza de 200 HB ou na versão VP420 TIM tempera- do e revenido para 28/32 HCR Boa Recozido, du- reza máxima de 197 HB Aplicações típi- cas Moldes para injeção de ter- moplásticos não clorados Matrizes para extrusão de termoplásticos não clorados Moldes para sopro Moldes para injeção de ter- moplásticos não clorados Matrizes de extrusão para termoplásticos não clorados Moldes para sopro Moldes para injeção de ter- moplásticos não clorados Matrizes para extrusão de termoplásticos não clorados Moldes para termoplásticos reforçados com carga. Plásticos de Engenharia Moldes para sopro Moldes para plásticos cor- rosivos (clo- rados) acetato e PVC Resistência a atmosferas úmidas Moldes para sopro Mandris e ou- tros compo- nentes de ex- trusoras Moldes para injeção de ter- moplásticos não clorados que requer alto grau de poli- mento Nitretação Sim Sim Sim Não Sim Cementação Sim, antes de temperar Sim, antes de temperar Não Não Não 27 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Aço Poroso - Porcerax II O Porcerax II é um metal parecido com a pedra de pomes com uma porosidade que varia en- tre 20 e 30% por volume. Um sistema de poros interligados com um diâmetro médio de 7 µm (0,007 mm) encontra-se distribuído por todo o material. 30 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia O Porcerax II pode ser usado como uma parte do material do molde (postiço), permitindo a liberação do gás num ponto específico selecionado. Pode-se ainda usinar o molde e postiço monta- dos, pois o Porcerax II possui ótima usinabilidade. O não-preenchimento do material plástico ocorre geralmente quando uma camada de ar ou gás fica presa a superfície do molde e do material injetado. O Porcerax II permite a saída deste gás, evitando problemas de preenchimento e brilho não uniforme causadas pela adesão irregular do plás- tico à superfície do molde. Materiais metálicos não-ferrosos Ligas de Cobre-berílio As ligas constituídas de teores de berílio acima de 1,7% apresentam melhoria nas proprieda- des mecânicas e redução nas propriedades térmicas. A resistência à tração é acima de 1200 MPa e dureza de 440 HB, sendo que uma dureza de 330 a 360 HB é suficiente. É uma liga dúctil, possível de polimento, temperado e pode ser temperada. Por outro lado as ligas com menos de 1,7% de berílio são usadas em trocadores de calor, pois são resistentes a corrosão. Podem ser recobertas com níquel ou cromo. Podem ter a dureza au- mentada para até 780 HB, temperatura de tratamento 400°C, podem soldados, usinados ou fundi- dos. TRATAMENTOS TÉRMICOS O tratamento térmico tem como principal função conferir propriedades mecânicas elevadas ao aço. No entanto, por atuar diretamente na microestrutura do aço, ele acarreta sempre indesejável deformação. Esta deformação é inevitável e na maior parte dos casos imprevisível, razão pela qual é ab- solutamente imprescindível que seja deixado sobremetal. Há muitas situações em que não há neces- sidade de executarmos têmpera nas ferramentas em função da baixa solicitação mecânica do proces- so de injeção. Nestas situações, o que ocorre, em geral, é uma elevada solicitação ao desgaste, que pode, facilmente, ser resolvido com tratamento de superfície. Existem ainda situações em que, em função da baixa produção e/ou baixa abrasividade do polímero, não é necessária a têmpera ou mesmo tratamento de superfície, podendo a ferramenta ser usada na condição bruta de usinagem. Envelhecimento É um tratamento de endurecimento, aplicado em uma classe específica de aços, que tem como característica a baixa temperatura de tratamento (em geral, variando de 480ºC a 570ºC); Apresenta vantagem em relação a têmpera devido as temperaturas são abaixo da temperatura crítica, não ocorrem deformações devido a transformações microestruturais, e se restringem, portan- to, aquelas causadas pelo efeito de temperatura apenas. Conseqüentemente, as deformações são substancialmente menores e permitem que se deixe o mínimo de sobremetal, ou até mesmo nenhum resquício, dependendo da geometria e do processo de tratamento adotado. Na maioria dos casos é interessante utilizar diretamente a nitretação por terem temperaturas bem próximas, conferindo simultaneamente endurecimento e camada de alta resistência ao desgas- te. 31 CEFET-RS – Fundamentos de projetos de ferramentas – Prof. Mauro César Rabuski Garcia Têmpera em vácuo A têmpera em vácuo é um processo conhecido de endurecimento. No caso específico de moldes de injeção de plástico, recomenda-se o tratamento em fornos a vácuo devido a ausência de dano na superfície, diferentemente dos tratamentos em banho de sais fundidos ou mesmo em fornos sem atmosfera controlada. Pela ausência de oxigênio, não ocorre oxidação da superfície dos moldes. No caso de banho de sais fundidos ou fornos sem atmosfera, é comum a ocorrência de “absorção” de sal ou impurezas nas porosidades naturais da superfície do aço, o que, necessariamente, prejudi- cará o posterior polimento. A têmpera em vácuo, além da melhoria na qualidade superficial, apresenta também melhor homogeneidade no que se refere a aquecimento e resfriamento. Naturalmente que melhorando a ho- mogeneidade microestrutural após a têmpera, há influência direta no desempenho da ferramenta, em especial naquelas que têm elevados requisitos de solicitações mecânicas em trabalho. REVESTIMENTOS DE SUPERFÍCIE Os metais tendem a voltar à sua fase inicial como se encontram na natureza, daí a sua deteri- oração progressiva. É neste sentido que é preciso encontrar soluções para a sua proteção. Os custos econômicos de uma proteção são bastante elevados, mas a degradação prematura dos materiais e suas conseqüências, muitas vezes ocasionando perda de vidas humanas, são incalculáveis. Os tratamentos de superfícies constituem um dos meios que permitem melhorar significati- vamente a resistência das peças metálicas ao desgaste e corrosão. Mais recentemente, o desenvolvi- mento de novas tecnologias, como por exemplo, barreiras térmicas, permitem obter importantes ga- nhos de energia e de matérias-primas. Atualmente, o domínio da aplicação dos tratamentos de superfícies está consideravelmente alargado. Com efeito, as técnicas atuais permitem, não apenas, realizar revestimentos protetores (re- vestimentos eletrolíticos e químicos, depósitos químicos e físicos em fase de vapor, revestimentos projetados...), mas também, modificar o estado das superfícies, tanto do ponto de vista mecânico, químico ou microestrutural. Na maior parte dos casos, o projetista e o prático são sempre confrontados com dois proble- mas, a saber: - escolha do revestimento; - escolha do processo de produção. A escolha é ditada pelas condições de exploração industrial, designadamente, o custo, pro- dutividade e limitações processuais. As diversas técnicas de tratamento e revestimento de superfícies podem ser agrupadas, de um ponto de vista lógico, em quatro grandes grupos, cada um dos quais com um mecanismo funda- mental, a saber: - os tratamentos superficiais com transformação estrutural, sem material de adição; - os tratamentos termoquímicos com difusão; - os tratamentos por conversão química; - os revestimentos, ou depósitos. 32