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Processos de Engenharia de Materiais 4
Processamento de Termoplásticos
1. Introdução• Definição
• Fatores que influenciam o processamento de polímeros
• Processamento de Termoplásticos
• Moldagem por extrusão
• Moldagem por injeção
• Termoformação
• Sopro
•Bibliografia•Morton-Jones D. H. Polymer Processing, London, Chapman & Hall, 1993.
•Oswald T. A Polymer Processing Fundamentals, Munic, Hanser Publishers
Estrutura
PropriedadesProcessamento
Aplicações
Estrutura atômica -arranjo eletrônico,
composição
Arranjo atômico -estrutura cristalina ou
amorfa.
Microestrutura - tamanho e formado dos grão,
esferulitos, cristais únicos poliméricos.
Macroestrutura
Mecânicas
óticas
densidade
térmica
elétrica
química
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Extrusão
Injeção
Calandragem
Termoformagem
Compressão
Moldagem por transferência
Condições de processamento
Introdução à Materiais Poliméricos
• Definição• Classificação dos Polímeros• Estrutura molecular• Propriedades mecânicas• Termoplásticos e termofixos• Cristalinidade de polímeros• Morfologia• Peso Molecular e Distribuição de Peso Molecular Métodos de Preparação
• Conceito de reciclagem
• Referência bibliográfica: • F. Bilmeyer, Textbook of Polymer Science, Ed. Wiley, 2 ed.
1971.• E. B. Mano, Introdução a Polímeros, Ed. Edgard Blucher,
1985.• Sebastião Canevarolo Jr., Ciência dos Polímeros Um texto
básico para tecnólogos e engenheiros, ed. Artliber, 2002.
Vantagens e Desvantagens do emprego de polímeros em Engenharia
Vantagens Desvantagens
Facilidade de conformação Baixa resistência
Menor densidade Instabilidade dimensional
Alta Resistência à corrosão Baixa resistência térmica
Isolação elétrica Degradação
Isolação térmica Dificuldade de recuperação de peças
Baixa permeabilidade a vapores Baixa resistência química
Baixa resistência à intempériesTransparência
Problema de queima (liberação de gases tóxicos)
Tensão
(MPa)
Nylon
Polietileno
Polímeros
Cerâmicas
SiC
Si3N4
ZrO2
Al2O3
Epoxi/FC
Epoxi/Kevlar
Poliimida/FC
Poliester/FV
Compósitos
MetaisLiga de cobalto
Aço de AR
Ligas de aço
Ligas de Cu-Be
Ligas de Niquel
Ligas de Titãnio
Ligas de Alumínio
Ligas de Zinco
14,5
29,0
43,5Propriedades Mecânicas de
Alguns Materiais
Resumo do Comportamento mecânico de Metais, Cerâmica e Polímeros:
BaixaMédia
alta
Alta-
alta
AltoBaixoAlto
DúctilD/F
Dúctil
AltaBaixaAlta
MetaisPolímeros
Compósitos
AltaBaixaAltoFrágilMédiaCerâmica
FadigaImpactoMóduloFraturaσσσσ
TraçãoTipo de Material
Propriedades Físicas
Propridade Física Material
Densidade(g/cm3)
Polímeros – 0.9 –1.4Metais – 2.5- 10
Cerâmicas – 3.4 – 6
Condutividade Elétrica(S/cm)
Polímeros – 10-19 – 10-12
Cerâmicas – 10-17 – 10-12
SiC 10-1 a 10-2
B4C – 1 a 2Metais – 105
Polímeros – 10-4
Condutividade Térmica(Cal/cm.s.K)
Cerâmica – 10-1 a 10-4
Metais – 0.5 a 0.05
CorrosãoPolimeros - AltaCerâmicos – Alta
Metais – Baixa
Resitência à IntempériesPolímeros – BaixaCerâmicos – Alta
Metais – Alta
Propriedades ÓticasPol. amorfos - TransparentesPolímeros semi-crist. opacos
Condutividadeelétrica
(S/cm)
108
104
1
10-4
10-8
10-12
10-14
10-16
10-20
Fenol Formaldeído
Nylon, Borracha
Teflon
Polietileno
tijolo de sílica
Cristais SiO2
Al2O3
Diamante
Vidro de SiO2
Polímeros
Cerâmicas Germânio
Silício
CuAlumínio
FerroAço
Semi-Condutores
Metais
Condutividade Elétrica de Alguns Materiais
POLÍME
C
RO
ONDUTOR
Alta resistência, baixo pesoComponente aeronáuticosEpoxi-fibra de carbono
MetaisMetais
Bom isolamento elétrico eboa resit. Àintempéries
Encapsulamento de circuitos integrados
Epoxi
Filme fino, flexível e transparenteEmbalagem de alimentosPolietileno
Polímeros e compósitos poliméricos
Comportamento elétricoTransistores e circuitos integradosSilício
Converte sinal elétrico em luzSistemas de fibra óticaGaAs
Prop. Piezoelétrica –transformação de energia mecânica em elétrica
Transdutores para aparelhos eletrônicos
Titanato de Bário
Semicondutores
Isolante térmico, Alta temperatura de fusão,material inerte
Refratários para moldes metálicosAl2O3, MgO, SiO2
Boas prop. óticas e térmicasVidroSiO2-Na2O-CaO
CerâmicasCerâmicas
Excelente propriedades mecânicasQuadro de bicicletaLigas de Aço
Boa resistência à temp, à vibraçãoBloco de motores de automóveisFerro cinza
Alta condutividade elétrica, boa flexibililade
Fio elétricoCobre
PropriedadesPropriedadesAplicaAplicaççõesõesTipo de MaterialTipo de Material
Amorfo
Tg
Semicristalino
Tg e Tm
ESTRUTURA MOLECULAR NO ESTADO SÓLIDO
Estrutura esferulítica de um polímero
resfriado a partir do fundido
Morfologiados Cristais
Método deObtenção
ParâmetrosEstruturais
Controle dosParâmetros deProcessamento
Efeito nasPropriedades
Mecânicas
Efeito nasDimensõesdas Peças
Efeito nasPropriedades
ÓticasFração
volumétricade cristais
(Vc)
Maiorvelocidade deresfriamento
Menor Vc
Menor rigidezmenor módulo
MaiorTenacidade
menordensidade,
maiorvolume
livre
maiortransparência
EsferulitoResfriamento
a partir dofundido
Tamanho doCristal (Tc)
Maiorvelocidade deresfriamento
Menor Tc
maiortenacidade,
maiorresistênciamecânica
Nenhummaior
transparência
Relação Estrutura - Propriedades - Processamento
Em Polímeros Semicristalinos
Técnicas de processamento de polímeros
Termoplástico Termofixo
Reação química
substância de Baixa MM
Polímero reticulado
Temperatura
e pressão
Solúveis e fusíveis
Re-processados
Temperatura de uso restrita a Tg/Tm
Reciclagem
Insolúvel e infusível
maior estabilidade dimensional
Elastômero
Termofixos ou termorígidos
Rede tridimensional
Fluido de lei das potências
ηηηη = m γγγγn-1m - é a consistência
n índice da lei das potências
ηηηη - viscosidade
Reologia - Ciência que estuda o fluxo e a deformação da matéria
Variação da viscosidade de termofixos durante o processamento
tempo gel
Resina epoxi
Moldagem por injeção
Características do processo
• Processo empregado para termoplásticos ou termofixos;
•Produção de peças pequeno a grande porte;
•Processo intermitente, alta produção, peças com excelente acabamento superficial e de formatos complexos, custo de mão-de-obra é relativamente baixo, o processo pode ser automatizado, peças requerem pouco ou nenhum acabamento e as peças podem ser moldadas com insertos metálicos
Os moldes são muito caros, a qualidade das peças é depende dos parâmetros de injeção;
•Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.
Máquinas de moldagem por injeção
Êmbolo
Os elementos da Unidade de Injeção são :- Funil de Alimentação;- Canhão (Cilindro);- Válvula de Não-Retorno (na extremidade da rosca);- Bico de Injeção;- Aquecimento do Canhão;-Guia e Acionamento da Unidade de Injeção.
Máquinas de moldagem por injeção por parafuso
Principais Elementos de Injetoras Horizontais
Em geral, as máquinas de moldagem de injeção consistem de quatro entidades funcionais:
1. Unidade de Injeção
2. Unidade de Fechamento
3. Acionamento Hidráulico
4. Sistema de Controle
Rosca (Parafuso)
•plastificar e injetar materiais poliméricos.
•Transporte eficiente (baixo tempo de residência);•Efetiva capacidade de plastificação e mistura (assegurar homogeneidade de temperatura e aditivos);•Boa capacidade de limpeza;
Relação L/D da rosca pequena:-menor tempo de residência no cilindro, - ocupa menos espaço.- requer menos torque para movimentar a rosca (motor menos potente)-menor custo inicial de investimento e para substituição de peças.
-Relação L/D da rosca grande:- permite uma maior produção.- produção mais uniforme e maior mistura.- a rosca fornece maior pressão.- maior plastificação com menor cisalhamento e maior condutividade térmica do cilindro.
Rosca para Termofixos
Roscas para processamento de termofixos têm menor profundidade de filete e são utilizadas sem válvula de não-retorno. Seu design deveria prevenir o aquecimento do material curável indevidamente por cisalhamento para evitar a reação no espaço entre os filetes. As roscas para termofixos são mais curtas que para termoplásticos. A razão L/D é de 12:1 a 15:1.
Rosca para Elastômeros
Elastômeros têm sido processados em máquinas de moldagem por injeção desde o início da década de 60. Enquanto que no transporte de material não surge nenhum problema, o perfil de temperatura e o tempo de residência apresentam dificuldades. Eles devem ser selecionados de tal maneira que o composto de borracha não vulcanize prematuramente nos filetes, no espaço na frente da rosca ou no bico.
Válvulas de Não-Retorno
Previne o retorno do material plastificado, devendo apresentar as características:
- alta eficiência- curto tempo de fechamento- alta resistência mecânica-auto-limpante
A eficiência das válvulas de não-retorno situa-se na faixa de 95 a 97 % em relação ao volume plastificado previamente. 3 a 5 % do material flui de volta em direção ao funil quando a válvula estiver fechada durante a fase de injeção e recalque.
Bico de Injeção
O bico de injeção se ajusta na bucha de injeção do molde. O bico de injeção éforçado contra a bucha de injeção do molde antes da injeção produzindo uma força de fechamento onde se evitam vazamentos.
Bicos AbertosOs bicos abertos usualmente têm um único canal que vai afilando na direção o fluxo. Levando-se em consideração somente o fluxo, o bico aberto é o de melhor solução pois têm a menor queda de pressão e o menor comprimento.
Bicos Fechados
Os bicos fechados são utilizados para evitar vazamento do fundido e tornar possível a plastificação com o canhão recuado.
O Bico deslizante é aberto pela força aplicada na unidade de injeção contra o molde. Este bico fecha automaticamente quando a pressão é aliviada durante o recuo da unidade de injeção.
2. UNIDADE DE FECHAMENTO
Funções da Unidade de Fechamento
•Fixar o molde e movimentá-lo durante a abertura e fechamento;
•Manter o molde fechado e travado durante as etapas de injeção e recalque;
•Providenciar a ejeção das peças;
•Mecânica e Hidráulica.
b) Fechamento HidráulicoO êmbolo de acionamento hidráulico é diretamente responsável pela movimentação do
molde e pela requerida força de fechamento.
� Melhor controle da força de fechamento� Melhor controle do posicionamento da placa móvel� Velocidade de fechamento da placa móvel apresenta-se mais constante� Maior consumo de energia, principalmente para manter o molde travado � As pressões envolvidas são da ordem de 140 a 200 MPa.
L
LAEnF
∆= ...onde:F: Força de Fechamento (kN)N: Número de Colunas (usualmente quatro)E: Módulo de Elasticidade do Aço (210 kN/mm2)A: Área da Seção Transversal da Coluna (mm2)∆L: Elongação das ColunasL: Comprimento das Colunas
Moldes
Os moldes podem custar desde US$ 9.000,00 (moldes de 30 g) até US$ 2.000.000,00 (moldes para peças automotivas).
Os moldes são fabricados com materiais de alta dureza e resistência à degradação porfricção e temperatura. Aço, aço endurecido, ligas de cromo, ligas de alumínio e aço sãoalguns materiais usados.
Moldes de duas placas
Sistema de canais - polímero fluiaté chegar na cavidade do molde.
i) aumentar a velocidade de resfriamento empontos localizados, ii) aumentar a taxa de cisalhamento, visando reduzir a viscosidadedo polímero para preencher o molde e iii) facilitar a extração da peça ao canal de alimentação.
Moldes de três placas
Evitar perda excessiva de material, elimina-se estes canais que pode ser feita através da injeção direta.
Injeção com câmara quente. No sistema de canal quente todo sistema de alimentação ou parte dele é mantidoaquecido de forma que o material permaneça preparado para entrar no molde no próximo ciclo de injeção.
Vantagens :
• ciclo mais rápido,
•redução de perda de refugos,
• eliminação de separação da peça e maior qualidade do injetado.
Desvantagens: custo do equipamento maior
A taxa de cisalhamento alcança valores de 104 s-1
FASE DE CONFORMAÇÃO
No processo de injeção, a conformação do material na cavidade do molde pode ser dividida em três etapas:
1 – Fase de preenchimento do molde: o polímero é empurrado para as cavidades do molde, preenchendo. O material ainda está quente e completamente expandido e após seu resfriamento o polímero iráencolher. Nesta etapa há envio em torno de apenas 75-90% de massa de material necessária para preencher totalmente o molde.
2 – Fase de pressurização ou compactação: é necessário forçar mais material para dentro do molde para que a peça mantenha um volume constante. Normalmente, a pressão de injeção nesta fase émáxima e é enviado em torno de 10-25% a mais de material para compensar seu encolhimento.
3 – Fase de recalque ou compensação: ocorre envio restante de polímero, se necessário para compensar a contração de material. Além disso, a massa polimérica é mantida sob pressão dentro do molde para que não ocorra retorno de material.
Qualidade das peçasinjetadas
EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NA QUALIDADE DA PEÇA INJETADA
Outros aspectos
Qualidade superficial
Precisão dimensional
Propriedades mecânicas
Propriedades afetadas
Pressãotemperatura
Velocidade de injeção
Temperatura do fundido
Temperatura do molde
Temperatura do fundidoTemperatura do moldePressão na cavidadePressão de recalque
Velocidade de injeção
Temperatura do fundido
Temperatura do molde
Pressão na cavidadePressão de recalque
Parâmetros que afetam a qualidade
CAPACIDADE DE INJEÇÃO
Quantidade de material que uma máquina é capaz de injetar em um ciclo. O PS é utilizado como material padrão.
Peso total de moldagem (PM)
Quantidade necessária de polímero para injetar uma peça, sendo possível quando CI > PM
É possível injetar uma peça de 170 g de PEBD em uma injetora com capacidade de 180 g?
NÃO SERÁ POSSÍVEL INJETAR A PEÇA NESSA INJETORA
CAPACIDADE DE PLASTIFICAÇÃO (CP)
Quantidade máxima de material padrão que uma máquina consegue fundir/amolecer por hora para ser conformado. Normalmente deve-se
usar 80 % da capacidade da máquina
Cálculo do tempo de ciclo de injeção (TC)
Considere uma injetora com capacidade de injeção e plastificaçãode 120g de PS e 8 Kg/hora. Um estagiário quer injetar uma peça de 90g de PP. Verifique se há possibilidade de usar esta máquina. Quantas injeções serão feitas por hora e qual é o tempo de ciclo?
Termoformagem
• Processo empregado para termoplásticos;
•Produção de peças pequeno a grande porte;
•Processointermitente, alta produção, peças com excelente acabamento superficial e de formatos complexos;
•Aplicações na industria automobilística, eletro-eletrônica, naval, aeronáutica.
•Alto custo de produção dos moldes.
Características do processo
Termoformagem
Termoformagem
Termoformagem
Moldagem por compressão
Seqüência de operações na moldagem por compressão
Moldagem por transferência
Características do processo
• É um processo empregado para termofixos.
•Forçar o material termorrígido por meio de um êmbolo, de uma cavidade de carga, através de um canal alimentador, a uma cavidade de
moldagem aquecida.
•Produção de peças complexas, bom acabamento superficial, alta produção.
•ciclos de moldagens curtos, menor custo de acabamento.
Desvantagens
•Maior custo do ferramental
•perda de material, tensões residuais internas no moldado.
Representação do processo de moldagem por transferência
Estágios de moldagem por transferência
Moldagem por Sopro
Figura 27 – Processo de moldagem por sopro com estiramento biorientação (a)
extrusão do parison, (b) tomada do núcleo extrudado pelo molde, (c) e (d) estiramento, sopro e resfriamento e (e) extração.
Figura 28 – Representação do processo de sopro via injeção em máquinas que sopram o frasco logo após a injeção da pré-forma.
Moldagem por extrusão
Características do processo
• Processo empregado para termoplásticos e elstômeros termofixos;
•Processo bastante utilizado na produção de chapas, filmes, tubos, sacos, cobertura de arames.
•Processo contínuo, alta produção, baixo custo, peças com excelente acabamento superficial;
Seqüência do processo de injeção
1
2
3
1 - Funil de alimentação;
2 - Sistema motriz;
3 - Cilindro;
4 - Sistema de aquecimento resfriamento;
Rosca
Sistema de tela ou disco quebra fluxo
Cabeçote ou Matriz
Extrusão de chapas e filmes planos
Influência das condições de processamento por extrusão de chapas na estrutura e propriedades
de polímeros
• Temperatura de processamento,
•Taxa de cisalhamento (velocidade da rosca)
•Temperatura da calandra,
•Velocidade de puxamento da chapa,
•Abertura da calandra
Extrusão de Filmes
Coextrusão
Processo de Laminação