Dissertacao Emerson Corazza - MEP 1

8/17/2019 Dissertacao Emerson Corazza - MEP 1

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UNIVERSIDADE DA REGIÃO DE JOINVILLE – UNIVILLE

PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PROCESSOS

INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO DE NITRETAÇÃO EM CAVIDADES DE AÇO

P20 DE MOLDES DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

EMERSON JOSÉ CORAZZA

Joinville – SC

2012


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EMERSON JOSÉ CORAZZA

INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO DE NITRETAÇÃO EM CAVIDADES DE AÇO P20

DE MOLDES DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS

Dissertação apresentada ao Programa deMestrado em Engenharia de Processos da

Universidade da Região de Joinvile – UNIVILLEcomo requisito final para obtenção do título deMestre em Engenharia de Processos.Orientadora: Prof a. Cintia MarangoniCo-Orientador: Prof. Carlos Maurício Sacchelli

Joinville – SC

2012


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AGRADECIMENTOS

Inicialmente, gostaria de agradecer a professora Cintia Marangoni, minha

orientadora que tanto me ajudou neste projeto e também ao meu co-orientador o

professor Carlos Maurício Sacchelli.

A minha esposa Uara e a minha filha Isabel, todo o apoio para a execução deste

projeto, sem elas não teria conseguido.

Aos professores do Mestrado em Engenharia de Processos que também

contribuíram para a realização deste projeto.

À Universidade da Região de Joinville e a Universidade do Estado de SantaCatarina, em especial ao professor Ricardo Pedro Bom, por todo o apoio e a

disponibilidade de seu laboratório para as realizações dos ensaios.

A algumas empresas que contribuíram com os experimentos, entre elas cito a

Brasimet, Ferramentaria Jofer e também a Diferro.

Aos professores Moacir e Flávio da Sociesc, por todas as dicas e sugestões nas

simulações.

Ao Thomaz Guisard Restivo, da Protolab, por todas as informações prestadas.Irton da Embraco e também aos professores Claiton e Altair, da UNIVILLE.

Enfim, todos os que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste

projeto.


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RESUMO

Na obtenção de produtos oriundos do processo de injeção de termoplásticos,observa-se que a qualidade, o tempo de fabricação e o custo da peça sãofortemente influenciados pelo molde de injeção. O tempo total para a obtenção dapeça injetada depende de vários ciclos, sendo que o de resfriamento demanda maiortempo, influenciado, além de outras variáveis do processo, pela condutividadetérmica do material do molde. Tratamentos superficiais são utilizados para aumentara resistência dos moldes ao desgaste, mas pouco é estudado sobre a influência nociclo de resfriamento. Assim, no presente trabalho buscou-se avaliar o efeito dotratamento de superfície por nitretação gasosa em moldes de injeção, em relação àtransferência de calor entre o material polimérico e o molde por meio de ensaios de

injeção e de simulação utilizando o aplicativo Moldflow. Para tanto, dois insertos emaço P20 foram produzidos para caracterização física, por meio de microscopiaóptica, rugosidade, microdureza e condutividade térmica. Simulações foramrealizadas com o objetivo de determinar condições operacionais preliminares queforam utilizadas nos ensaios de injeção, cujos resultados demonstraram a reduçãodo ciclo de resfriamento no processo. A partir disto, novas simulações foramrealizadas contendo os parâmetros observados experimentalmente e foi verificadoque mesmo em condições ideais, o tratamento superficial empregado permite aredução do ciclo de injeção. Dessa forma, os resultados dos ensaios e dassimulações demonstraram que houve uma redução nas temperaturas do molde comtratamento superficial, em relação ao molde sem tratamento, devido a uma maior

condutividade, e conseqüentemente, obteve-se uma redução do tempo deresfriamento no molde tratado. Por fim, simulações foram realizadas variando-se aconfiguração de entrada e saída dos canais do sistema de refrigeração no processoutilizando o molde nitretado e verificou-se que a distribuição dos canais em todas asregiões da peça torna a refrigeração mais homogênea e o processo mais eficiente.

Palavras-chave: injeção; molde; resfriamento; tratamento de superfície; simulação.


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ABSTRACT

In getting the products from thermoplastic injection process, it is observed that thequality, the manufacturing time and cost of the part are strongly influenced byinjection molding. The total time for obtaining the molded part is dependent onseveral cycles, and cooling the requires more time, affected and other processvariables, by the thermal conductivity of the mold. Surface treatments are used toincrease the wear resistance of the molds, but little is studied about the influence inthe cooling cycle. Thus, in the present study to seek estimate the effect of surfacetreatment by gas nitriding in injection molds, about heat transfer between thepolymeric material and the mold, by means of injection tests and simulation usingMoldflow. To this end, two inserts in steel P20 were produced physical

characterization by means of optical microscopy, roughness, microhardness andthermal conductivity. Simulations were performed with the objective to determineoperating conditions preliminary in the experimental tests, whose resultsdemonstrated a reduction in the cooling cycle in the process. From this, newsimulations were performed containing the parameters observed experimentally andit was found that even in under ideal conditions, the surface treatment utilized allowsthe reduction of the injection cycle. Thus, the results of the tests and simulationsshow that a reduction in temperature of the mold surface treatment, relative to moldwithout treatment, due to greater conductivity, and consequently, there was obtaineda reduction of cooling time in the mold treated. Finally, simulations were performedout varying the configuration input and output channels of the system refrigeration in

the process using nitrided mold and it was found that the distribution of channels inall part regions makes the refrigeration more homogeneous and the process moreefficient.

Keywords: injection; mold; cooling; surface treatment; simulation.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Modelo de máquina injetora e seus principais componentes ..................... 5

Figura 2 – Diagrama esquemático representando os ciclos de injeção ...................... 6

Figura 3 – Molde de injeção de duas placas e seus sistemas..................................... 9

Figura 4 – Tipos de sistemas de refrigeração no molde ............................................ 13

Figura 5 – Mecanismo de refrigeração adequado (A) e inadequado (B) ................... 14

Figura 6 – Ilustração do forno de nitretação gasosa ................................................. 19

Figura 7 – Microestrutura resultante de um processo gasoso ................................... 20

Figura 8 – Gráfico da espessura da camada nitretada no aço P20, com relação ao

tempo ........................................................................................................................ 20

Figura 9 – Ilustração de medição dos parâmetros de Rp e Rv.................................. 26

Figura 10 – Desenho com as dimensões (a) e ilustração da peça injetada (b) ......... 32

Figura 11 – Ilustração do molde (a) fechado, (b) aberto, indicando a posição dos

insertos e pinos extratores ........................................................................................ 33

Figura 12 – Insertos extraídos do molde da máquina injetora ................................... 34

Figura 13 – Projeto dos insertos do molde, com e sem cavidade, elaborado noaplicativo SolidWorks ................................................................................................ 35

Figura 14 – Localização dos termopares no inserto do molde .................................. 37

Figura 15 – Posição dos termopares no inserto do molde ........................................ 37

Figura 16 – Pontos de medição da rugosidade na cavidade do molde ..................... 38

Figura 17 – Modelo da peça (molde virtual), elaborado no aplicativo SolidWorks .... 40

Figura 18 – (a) Máquina injetora Battenfeld 250 Plus e (b) molde com sistema parcial

de refrigeração .......................................................................................................... 42Figura 19 – (a) Ilustração do reservatório de captação de água para refrigeração e

(b) os reguladores de vazão da máquina .................................................................. 43

Figura 20 – Diagrama esquemático do sistema de refrigeração e dos pontos de

medição das temperaturas ........................................................................................ 44

Figura 21 – Aparelho de aquisição de dados dos termopares .................................. 45

Figura 22 – Modelo da peça injetada e canais de refrigeração, gerado no aplicativo

Moldflow .................................................................................................................... 46Figura 23 – Fotografia da balança de precisão ......................................................... 48


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Figura 24 – (a) Modelo matemático, (b) modelo de malha de elementos finitos ....... 49

Figura 25 – Detalhe da malha para melhor visualização ........................................... 50

Figura 26 – Molde de injeção, elaborado no aplicativo Moldflow .............................. 50

Figura 27 – Molde pronto, elaborado no aplicativo Moldflow .................................... 51

Figura 28 – Diagnóstico final da análise de elementos finitos, gerado pelo aplicativo

Moldflow .................................................................................................................... 51

Figura 29 – Diagnóstico estatístico da malha, gerado pelo aplicativo Moldflow ........ 52

Figura 30 – Variação de massa das peças no teste utilizando pressão de injeção de

(a) 24,4 MPa e (b) 26,03 MPa ................................................................................... 55

Figura 31 – Variação de massa das peças, no teste utilizando pressão de injeção de

27,66 Mpa ................................................................................................................. 55Figura 32 – Variação de massa das peças, no teste utilizando pressão de injeção de

29,29 MPa, tempo de resfriamento de (a) 30 e (b) 25 segundos .............................. 57

Figura 33 – Variação de massa das peças, no teste utilizando pressão de 32,54 MPa

e tempo de resfriamento 25 segundos ...................................................................... 57

Figura 34 – Perfil de temperatura da água de refrigeração ....................................... 59

Figura 35 – Gráfico das variações de temperatura medidas nos termopares nos

ensaios utilizando o molde sem tratamento .............................................................. 59Figura 36 – Gráfico das temperaturas no ponto 1685 ............................................... 60

Figura 37 – Gráfico das variações de temperatura medidas nos termopares nos

ensaios utilizando o molde com tratamento superficial ............................................. 61

Figura 38 – Gráfico das temperaturas no ponto 1047 ............................................... 62

Figura 39 – Microestrutura da superfície nitretada (a) e do núcleo (b), com aumento

de 200 x .................................................................................................................... 64

Figura 40 – Camada branca, com aumento de 500 x ............................................... 65Figura 41 – Camada branca e nitretos, com aumento de 1000 x .............................. 65

Figura 42 – Gráfico da condutividade térmica em relação às temperaturas ............. 67

Figura 43 – Gráfico de rugosidade (Ra), comparativo entre as superfícies analisadas

.................................................................................................................................. 69

Figura 44 – Gráfico da rugosidade (Ra) medidas em três pontos nas cavidades dos

insertos ...................................................................................................................... 70

Figura 45 – Gráfico da microdureza medida no corpo de prova em aço P20 nitretado

.................................................................................................................................. 71


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Figura 46 – Pontos de medição da peça com o tempo de resfriamento, no molde

sem tratamento ......................................................................................................... 73

Figura 47 – Temperaturas resultantes do ensaio de simulação com o molde sem

tratamento ................................................................................................................. 74

Figura 48 – Gráfico comparativo das temperaturas na simulação e real, no molde

sem tratamento ......................................................................................................... 75

Figura 49 – Pontos de medição da peça com o tempo de resfriamento, no molde

com tratamento ......................................................................................................... 76

Figura 50 – Temperaturas resultantes do ensaio de simulação com o molde com

tratamento ................................................................................................................. 77

Figura 51 – Gráfico comparativo das temperaturas medidas na simulação e real, nomolde nitretado .......................................................................................................... 78

Figura 52 – Gráfico comparativo das temperaturas do topo da peça, medidas na

simulação e real, nos moldes sem e com tratamento de superfície .......................... 80

Figura 53 – Simulação com os canais de refrigeração com uma entrada e uma saída

.................................................................................................................................. 81

Figura 54 – Simulação com os canais de refrigeração com duas entradas e duas

saídas ........................................................................................................................ 82Figura 55 – Temperaturas resultantes do ensaio de simulação com sistema de

refrigeração de duas entradas e duas saídas ........................................................... 82

Figura 56 – Simulação com os canais de refrigeração com quatro entradas e quatro

saídas ........................................................................................................................ 83

Figura 57 – Temperaturas resultantes do ensaio de simulação com sistema de

refrigeração de quatro entradas e quatro saídas....................................................... 83

Figura 58 – Temperaturas resultantes do ensaio de simulação com sistema derefrigeração de quatro entradas e quatro saídas, diâmetro de canais de 10 mm...... 84

Figura 59 – Gráfico comparativo das temperaturas resultantes dos ensaios com

diferentes canais de refrigeração .............................................................................. 85


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Propriedades de alguns materiais de moldes de injeção ........................ 10

Tabela 2 – Propriedades do aço P20 ........................................................................ 11

Tabela 3 – Composição química do aço AISI P20 (%) .............................................. 12

Tabela 4 – Condutividade térmica de alguns materiais utilizados em moldes de

injeção ....................................................................................................................... 23

Tabela 5 – Resultados obtidos por meio do aplicativo Moldflow ............................... 30

Tabela 6 – Composição química do aço P20 (%) ..................................................... 35

Tabela 7 – Características do poliestireno 158K ....................................................... 41Tabela 8 – Condições de processamento recomendadas para o poliestireno .......... 41

Tabela 9 – Características da máquina, na unidade de injeção ................................ 42

Tabela 10 – Características da máquina, na unidade de fechamento ....................... 43

Tabela 11 – Parâmetros utilizados na simulação de injeção com molde sem

tratamento ................................................................................................................. 53

Tabela 12 – Medidas do aço P20 .............................................................................. 66

Tabela 13 – Medidas do aço P20 nitretado ............................................................... 66Tabela 14 – Rugosidade medida no aço P20 nitretado ............................................. 67

Tabela 15 – Rugosidade medida no aço P20 ........................................................... 68

Tabela 16 – Rugosidade medida no aço P20 polido ................................................. 68

Tabela 17 – Rugosidade medida nas cavidades dos insertos .................................. 69

Tabela 18 – Resultados dos ensaios de microdureza ............................................... 70

Tabela 19 – Parâmetros utilizados nas simulações utilizando o molde sem

tratamento ................................................................................................................. 72Tabela 20 – Temperaturas medidas nos ensaios de injeção e de simulação, com o

molde sem tratamento ............................................................................................... 74

Tabela 21 – Parâmetros utilizados nas simulações utilizando o molde com

tratamento ................................................................................................................. 75

Tabela 22 – Temperaturas medidas nos ensaios de injeção e de simulação, no

molde com tratamento ............................................................................................... 77

Tabela 23 – Temperaturas do topo da peça, nos ensaio de injeção e simulação, nos

moldes sem e com tratamento de superfície ............................................................. 79


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Tabela 24 – Temperaturas medidas em cada ponto de termopar no sistema de

refrigeração de uma entrada e uma saída ................................................................ 82


refrigeração de duas entradas e duas saídas ........................................................... 83


refrigeração de quatro entradas e quatro saídas....................................................... 84


refrigeração de quatro entradas e quatro saídas, diâmetro de canais de 10 mm...... 85

Tabela 28 –Temperaturas do topo da peça, com diferentes canais de refrigeração . 86


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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1

1. OBJETIVOS ............................................................................................................3

1.1 OBJETVO GERAL ................................................................................................ 3

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................3

2. REVISÃO DA LITERATURA ..................................................................................4

2.1 PROCESSOS DE MOLDAGEM ............................................................................4

2.1.1 Peça injetada ......................................................................................................6

2.1.2 Molde..................................................................................................................8

2.1.3 Materiais de fabricação de moldes ................................................................... 10

2.1.3.1 Aço P20 ......................................................................................................... 11

2.1.4 Sistema de refrigeração de moldes .................................................................. 12

2.1.5 Estudos para redução do ciclo de injeção ........................................................ 15

2.2 TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE ..................................................................... 17

2.2.1 Nitretação ......................................................................................................... 18

2.2.2 Influência de tratamentos em moldes de injeção ............................................. 212.3 PROPRIEDADES TÉRMICAS ............................................................................ 22

2.4 CARÁCTERIZAÇÃO FÍSICA ............................................................................... 24

2.4.1 Microscopia óptica ............................................................................................ 24

2.4.2 Rugosidade ...................................................................................................... 25

2.4.3 Microdureza Vickers ......................................................................................... 26

2.5 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE INJEÇÃO ................................................... 27

2.5.1 Moldflow ...........................................................................................................29 3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 32

3.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O EXPERIMENTO...................................32

3.2 MOLDE DE INJEÇÃO DO EXPERIMENTO ........................................................34

3.2.1. Concepção e projeto do molde ........................................................................ 34

3.2.2 Tratamento de superfície do molde ..................................................................36

3.2.3 Instrumentação do molde ................................................................................. 36

3.3 CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISES DAS AMOSTRAS E DO MOLDE ................. 383.3.1 Análise de Rugosidade..................................................................................... 38


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3.3.2 Microscopia óptica ............................................................................................ 39


3.3.4 Condutividade térmica ...................................................................................... 39

3.4 GEOMETRIA DO COMPONENTE INJETADO E MATERIAL POLIMÉRICO

EMPREGADO ........................................................................................................... 40

3.4.1 Material polimérico utilizado ............................................................................. 40

3.5 ENSAIOS DE INJEÇÃO ...................................................................................... 41

3.6 SIMULAÇÃO NUMÉRICA COMPUTACIONAL ................................................... 46

3.6.1 Configuração da máquina de injeção com os valores simulados ..................... 47

3.7 COLETA DE AMOSTRAS PARA ANÁLISE DE VARIAÇÃO DE MASSA ........... 48

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................49 4.1 CONFECÇÃO DO SÓLIDO PARA SIMULAÇÕES .............................................49

4.2 ENSAIOS DE INJEÇÂO ......................................................................................53

4.2.1 Ajuste de condições em ensaios utilizando molde sem tratamento ................. 54

4.2.2 Ajuste de condições em ensaios utilizando molde tratado ............................... 56

4.2.3 Temperatura do molde e do sistema de refrigeração .......................................58

4.3 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS E DE MOLDES TRATADOS E NÃO

TRATADOS ............................................................................................................... 644.3.1 Microscopia óptica ............................................................................................ 64

4.3.2 Condutividade térmica ...................................................................................... 66

4.3.3 Rugosidade ...................................................................................................... 67


4.4 ENSAIOS DE SIMULAÇÃO ................................................................................ 71

4.4.1 Simulações com o molde sem tratamento........................................................ 72

4.4.2 Simulações com o molde tratado superficialmente .......................................... 754.4.3 Ensaios de simulação com diferentes entradas e saídas de refrigeração ........ 81

CONCLUSÃO .......................................................................................................... 87

REFERÊNCIAS .........................................................................................................90

ANEXOS ................................................................................................................... 99

ANEXO 1: DESENHO DO INSERTO COM AS CAVIDADES ..................................99

ANEXO 2: DESENHO DO INSERTO SEM AS CAVIDADES .................................100


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INTRODUÇÃO

O crescimento acentuado na utilização de produtos confeccionados emmateriais termoplásticos, que vai desde as indústrias de utilidades domésticas à

aeronáutica, aumentou a competitividade deste mercado de maneira significativa,

fazendo com que as empresas relacionadas ao processo de injeção, aperfeiçoem

suas técnicas e aumentem a qualidade de seus produtos.

Em relação ao processo, o ciclo de injeção possui etapas bem caracterizadas:

(1) aquecimento do termoplástico, (2) entrada do material polimérico no molde (3)

troca de calor ou resfriamento e (4) ejeção da peça. Dentre estas fases, oresfriamento demanda o maior tempo, tendo forte influência nas características da

peça formada, uma vez que se mal conduzido, pode levar à formação de defeitos

como deformações, rechupes, tensões residuais indesejáveis e empenamento

(HASSAN et al ., 2010a). Além disso, a interação entre material polimérico e o molde

afeta diretamente o desempenho do referido processo. Em situações nas quais a

troca do material não pode ser realizada, as ações buscando melhorias concentram-

se nos parâmetros de operação e na estrutura do molde.Uma linha de pesquisa para a otimização do processo consiste no

aperfeiçoamento do molde. Segundo Silva (2009), os projetos relacionados a moldes

de injeção de termoplásticos têm sido aprimorados consideravelmente, visando

diminuir o tempo de manufatura e baixar custos. O aumento da qualidade e da

produtividade aliado a maiores exigências na área de injeção de termoplásticos faz

com que os projetos de elaboração de moldes sejam cada vez mais efetivos e

responsáveis pelo bom desempenho do molde, de seus componentes e da peça

injetada.

Porém, somente após a injeção do material polimérico e a extração da peça

de dentro do molde, na maioria dos casos, é possível verificar se o projeto e

confecção do molde foram executados de forma correta, ou se o mesmo apresenta

falhas como o não preenchimento total das cavidades, pontos de injeção mal

localizados, defeitos decorrentes da refrigeração deficiente, degradação do material,

linhas de solda e de junção aparentes, além de bolhas de ar. Se isso ocorrer, será

necessário realizar alterações no molde, acarretando mais tempo e custos de


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produção (SACCHELLI, 2007). Fica claro, portanto, o quanto um molde bem

projetado influenciará diretamente na peça final.

Tratamentos superficiais nos moldes são empregados visando tanto a

melhora de propriedades (durabilidade, resistência à corrosão, a desgastes e a

fadiga térmica do mesmo) quanto à otimização do fluxo de calor, visto que o mesmo

altera propriedades como a condutividade térmica do material (YOSHIDA, 1998).

Dentre os vários existentes, o mais utilizado é o tratamento por nitretação, em

virtude do custo relativamente baixo e boa eficiência. No entanto, segundo Ferreira

(2001) sua aplicação ainda é pouco explorada em relação a ganhos que possam

proporcionar no ciclo do processo, especialmente em relação ao ciclo de

resfriamento no processo de injeção, refletindo diretamente na qualidade, naquantidade de peças produzidas, bem como no custo final da peça injetada (REES,

1995; CUNHA, 2004; HARADA, 2004).

Assim, a eficiência no sistema de refrigeração deve ser buscada, mas para

isto ocorra o projeto do sistema de refrigeração do molde e a seleção dos

parâmetros do processo de injeção (pressão, tempo, temperatura e velocidade de

injeção, do molde e temperatura e vazão do fluido refrigerante) devem ser realizados

corretamente, o que resulta em uma atividade complexa e com um tempo elevadopara realizar a interação de todas estas variáveis. Desta maneira, para auxiliar

nessa questão, a melhor forma de se obter esses parâmetros é por meio da

simulação do processo de injeção (SACCHELLI e CARDOSO, 2007).

Com o uso de simulações para o projeto do molde e o conhecimento das

propriedades térmicas durante o processo de injeção consistem em um diferencial

nesta área, uma vez que ensaios para testes deste gênero demandam paradas no

processo ou investimentos elevados em pesquisa e desenvolvimento por parte dasindústrias.

Assim, neste estudo será avaliada a influência do tratamento de superfície por

nitretação em um molde fabricado em aço P20, observando os resultados de

caracterização realizados nas amostras nos ensaios e na simulação, com atenção

especial para possíveis alterações na condutividade térmica do molde e

consequentemente, no ciclo de moldagem por injeção.


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1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GERAL

Avaliar o efeito do tratamento superficial por nitretação gasosa em moldes de

injeção em relação à transferência de calor entre material polimérico e molde.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1) Caracterizar o material da cavidade do molde em aço P20 com e sem

tratamento superficial com análises de rugosidade, microscopia e dureza;

2) Avaliar por meio de análise de condutividade térmica, o desempenho do aço

P20 com e sem o tratamento superficial, em sua troca térmica;

3) Realizar simulação para coletar dados para os ensaios iniciais, como tempo de

injeção, temperatura de injeção, temperatura do molde, pressão de injeção,

tempo de resfriamento e tempo de ciclo;

4) Realizar ensaios de injeção para avaliar as diferenças entre os moldes em aço

P20, com e sem tratamento superficial;

5) Avaliar experimentalmente a transferência de calor entre molde e peça, por

meio da medição de temperatura em pontos específicos em moldes de injeção

de termoplásticos com e sem tratamento superficial;

6) Simular o processo de injeção utilizando o aplicativo Moldflow;

7) Realizar a análise comparativa dos resultados experimentais obtidos com os

simulados;

8) Avaliar melhoras no projeto do molde nitretado em relação ao molde sem

tratamento superficial.


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2. REVISÃO DA LITERATURA

Ao iniciar um trabalho visando o aperfeiçoamento de moldes de injeção de

termoplásticos, se faz necessário entender primeiramente o que é um molde e como

funciona a injeção de termoplástico. Devido à complexidade do sistema de injeção e

ao custo elevado do molde, é importante a realização de um projeto adequado do

mesmo, com um desenho detalhado da peça já existente, para posterior envio ao

fabricante.

Para o bom funcionamento de um molde e do resultado final da peça injetada

é necessário que todo o ciclo de injeção esteja funcionando perfeitamente. Para

estabelecer bons parâmetros de valores e medidas que garantam a eficiência do

processo, é necessário elevado conhecimento do processo, que muitas vezes pode

ser obtido via simulação.

A proposta de melhorar a eficiência do ciclo de resfriamento de moldes,

visando à redução do tempo dos ciclos de injeção é uma abordagem já existente,

mas sendo pouco explorada no que se refere a fazê-lo com a aplicação de um

tratamento de superfície por nitretação. Da mesma forma, tratamentos de superfícieatualmente são estudados apenas na condição de melhora de propriedades

mecânicas do molde, como desgaste do mesmo (HECK, 2004; FERREIRA, 2001).

Neste sentido, é necessário estudar a transferência de calor em moldes de

injeção tratados superficialmente, buscando verificar a influência desta aplicação na

redução do tempo de resfriamento, e por conseqüência, do ciclo total de injeção.

2.1 PROCESSOS DE MOLDAGEM

Dentre os processos de moldagem utilizados para os materiais poliméricos

tem-se: injeção, extrusão, sopro, compressão e termoformagem. Segundo Sacchelli

e Cardoso (2007), Bareta et al. (2008) e Fuh et al. (2004), o processo de injeção é

responsável por cerca de 70 % dos produtos plásticos produzidos. Um dos motivospara este fato dá-se por este ser um processo que permite a fabricação de peças


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injetadas de elevada complexidade geométrica, sendo utilizadas em diversas áreas,

que vão desde as indústrias de utilidades domésticas à aeronáutica.

O processo de moldagem por injeção possui algumas vantagens

competitivas, como: elevados níveis de produção; possibilidade de utilização da

peça recém injetada; grande flexibilidade de elaboração de peças, referente às

formas, dimensões e precisão dimensional (peças inferiores a 1 mg até superiores a

100 kg), tornando-se um dos principais processos industriais na fabricação de peças

a base de polímeros (MANRICH, 2005; GUNAWAN e ANGGONO, 2006).

O princípio básico da moldagem por injeção é de o material sólido ser fundido

por aquecimento no canhão da máquina e injetado dentro da cavidade de um molde,

no qual sofre um resfriamento e a peça é ejetada da máquina, resultando no produtofinal (SAIFULLAH et al., 2009; KENNEDY, 2008). Na Figura 1, é ilustrado um modelo

de máquina injetora e seus componentes principais.

Figura 1 – Modelo de máquina injetora e seus principais componentes.

Fonte: Leães, 2008

Conforme citado por Hassan et al. (2010a), Shoemaker (2006) e Harada

(2004), as etapas que envolvem o processo de moldagem por injeção, também

conhecidas por ciclos de moldagem, são determinadas pela soma de todos os

tempos de cada ciclo, que é composto por: fechamento do molde, injeção, recalque,

plastificação, resfriamento, abertura do molde e extração da peça. Dentre estes, o

mais importante é o resfriamento, pois consome a maior parte do tempo, de acordo

com o ilustrado na Figura 2, sendo, entre outros, um dos fatores determinantes do

custo final do processo.


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Figura 2 – Diagrama esquemático representando os ciclos de injeção.Fonte: Adaptado de Telles, 2001

O processo de injeção possui muitas vantagens, dentre as principais,

segundo Kennedy (2008), estão relacionadas à produção, custo de mão de obra e

qualidade da peça injetada. Entre as desvantagens, cita-se a de o molde ser umadas partes com maior custo desse processo.

2.1.1 Peça injetada

No processo de injeção, o resultado final da peça injetada depende tambémdas características do material empregado, neste caso, polímeros. Os polímeros são

classificados, por suas características tecnológicas, em dois grupos: os termofixos,

que não permitem reprocessamento e os termoplásticos, que podem ser amolecidos

e endurecidos (pelos processos de fundição e resfriamento) inúmeras vezes. Os

termoplásticos são recicláveis, podendo ser facilmente deformados, remodelados e

novamente solidificados, por ação isolada ou conjunta de calor e pressão, mantendo

a sua nova estrutura (VEIGA e BARROS FILHO, 2009). Por esta característica,

termoplásticos são largamente utilizados.


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Os termoplásticos são materiais que se fundem quando aquecidos e quando

resfriados, tomam a forma do molde onde foram injetados. Esta propriedade

reversível, de fundir sob aquecimento e solidificar por resfriamento, faz com que

polímeros como o poliestireno, polietileno, polipropileno, entre outros, possam ser

reciclados com maior facilidade, sendo assim de processamento fácil e de baixo

custo (LOPES, 2007)

Polímeros podem ser naturais ou sintéticos. Conforme Veiga e Barros Filho

(2009), os termoplásticos são classificados como polímeros sintéticos e divididos em

grupos segundo a estrutura química em: polietileno (PE), polipropileno (PP),

poliestireno (PS), poli(metacrilato de metila) (PMMA), poli(cloreto de vinila) (PVC),

poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliamida (PA), poli(óxido demetileno) (POM) e acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS).

Os termoplásticos também podem ser divididos de acordo com a morfologia

da cadeia polimérica em: amorfos (moléculas poliméricas sem uma configuração

particular, como PS, PC, PVC e PMMA), semi-cristalinos (as moléculas formam

arranjos ordenados durante o resfriamento e amorfo ou aleatório quando fundidos,

como PE, PP, PET e PA) e líquido-cristalinos (cadeias ordenadas no estado sólido e

líquido) (OSSWALD et al., 2006).Segundo Moratelli e Costa (2006), alguns polímeros liberam substâncias

quimicamente agressivas durante o processamento, tais como ácido clorídrico, ácido

acético ou formaldeído, atacando a superfície da cavidade do molde. Por esse

motivo, o material polimérico a ser injetado é relevante para a definição do aço

utilizado na fabricação do molde, para o sistema de refrigeração utilizado e também,

para o tratamento superficial aplicado no mesmo.

O PS é um dos termoplásticos aplicados para uso geral, na forma de resinacristal, por sua transparência e fácil coloração. Obtido pela polimerização do

estireno, possui baixo custo se comparado ao ABS e o PET, e tem um

processamento mais fácil que o PP (MONTENEGRO e SERFATY, 2002). O uso do

PS nas indústrias é vasto, podendo ser aplicado em várias formas, como em

embalagens, peças técnicas, etc. A sua grande utilização deve-se às suas

propriedades de baixa absorção de umidade, fácil processamento, baixo custo e alta

resistência a impactos. Devido a sua larga aplicabilidade, este polímero foi a matéria

prima utilizada neste trabalho.


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2.1.2 Molde

Conforme já abordado, o molde é parte principal de um processo de injeção,

pois é a ferramenta que recebe em sua cavidade o polímero por meio de pressão,

transformando-o pela solidificação, na peça correspondente ao modelo base. As

características de um molde influenciam em todo o processo de injeção e, portanto

para o bom desempenho do processo é necessário não só estabelecer condições

operacionais adequadas, mas também avaliar ganhos que possam ser obtidos a

partir da fabricação do molde e de melhorias na transferência de calor entre molde e

peça.De acordo com Harada (2006) e Gunawan e Anggono (2006), ao iniciar o

desenvolvimento de um molde todas as informações necessárias devem ser

coletadas para que durante a criação do projeto não se perca tempo com a busca de

dados não informados. Assim, o projetista deve detalhar o desenho técnico com os

cálculos de cada componente, fornecendo o máximo de informações possíveis,

reduzindo assim a possibilidade de falhas durante a construção do molde. Tais

falhas refletem em perdas durante o processo de injeção bem como emreprocessamento do molde, prejudicando o processo produtivo.

Existem alguns fatores importantes no projeto de um molde e, segundo

Postawa et al. (2008) e Manrich (2005), para que um molde de injeção desempenhe

corretamente suas funções é necessário possuir uma ou mais cavidades com a

forma da peça a ser produzida; permitir o enchimento das cavidades com o polímero

fundido; facilitar o resfriamento do material polimérico dentro das cavidades e

promover a extração das peças injetadas. Estas características são extensivamenteestudadas com o objetivo de produzir moldes que garantam a eficiência do

processo. No entanto, nesta etapa do projeto a questão do tratamento superficial é

abordada apenas em relação à durabilidade do molde, não se levando em

consideração sua influência no processo.

Para a eficiência do processo de produção de peças injetadas, os conjuntos

são equipados com: sistema de alimentação (orientam o material fundido para

dentro das cavidades por meio de pressão); sistema de refrigeração (dissipa o calor

para que ocorra o resfriamento da peça, possibilitando sua extração); sistema de

extração (empurra a peça injetada para fora do molde) e os elementos de


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alinhamento (colunas e buchas, utilizadas para o alinhamento do conjunto fixo com o

móvel), conforme ilustrado na Figura 3 (GUILONG et al., 2010; SILVA, 2009;

OGLIARI et al., 2004).

Figura 3 – Molde de injeção de duas placas e seus sistemas.Fonte: Silva, 2009.

Conforme afirmam Kennedy (2008), Cátic et al. (2006) e Ogliari et al. (2004),

o molde é um dos itens mais complexos a ser desenvolvido dentro de um ciclo de

etapas na construção de uma peça injetada. É indispensável considerar que os

elementos do molde devem garantir a transformação do material polimérico na peça

desejada, necessitando assim, de conhecimentos especializados e mão de obraqualificada para a confecção do mesmo.

Moldes para injeção são conceituados em três tipos: (1) para materiais

termoplásticos (trabalha com sistema de refrigeração nas cavidades); (2) para

materiais termofixos (trabalha com sistema de aquecimento nas cavidades) e (3)

para injeção de zamak, que é uma liga metálica composta por alumínio, manganês,

cobre e zinco (molde com câmara quente) e alumínio (com câmara fria) (CRUZ,

2002).


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2.1.3 Materiais de fabricação de moldes

De acordo com Bareta (2007a) os materiais que envolvem a fabricação de um

molde de injeção são elementos chave em todos os sistemas envolvidos

(alimentação, extração, refrigeração, estrutura, cavidades), e são selecionados de

acordo com as características relevantes para cada projeto. São construídos de

vários tipos, que vão desde os aços de alta liga (para séries mais longas), aços

carbono (peças menos críticas e séries mais curtas), ligas de alumínio ou zinco

(séries muito curtas ou protótipos), materiais não metálicos e metálicos – chamados

de moldes híbridos (produção de até 2.000 ciclos), as resinas epoxídicas.Na Tabela 1 são resumidas algumas das propriedades dos materiais

utilizados em moldes de injeção, no qual segundo Bareta et al. (2008), o aço P20

apresenta os melhores resultados em relação às propriedades mecânicas e à

resistência ao impacto do material injetado, em comparação aos demais moldes.

Tabela 1 – Propriedades de alguns materiais de moldes de injeção.

Propriedades

Aço

P20

Alumínio

7075-T6 Zamak-5

Resina

epoxídica

Aço

H13

Aço

1045

Densidade (mg/m³) 7,80 2,71 6,76 1,75 7,85 7,80

Calor específico (J/kgK) 460 782,3 420 1.050 400 800

Condutividade térmica

(W/mK)

29 138 109 1 27,6 40

Fonte: Bareta (2007a), Villares Metals (2010).

Os aços para moldes e matrizes, bem como para os de injeção determoplásticos, possuem como características mais importantes: uma boa

usinabilidade em função de gravuras profundas, resistência uniforme, polibilidade,

soldabilidade e dureza. Estas fazem com que seja o material utilizado na maioria dos

moldes (SANT’ANNA, 2011; MORATELLI e COSTA, 2006; MANRICH, 2005).


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2.1.3.1 Aço P20

De acordo com informações de fabricantes como Heat Tech (2007), as

classificações dos aços ferramenta são de acordo com suas características ou

aplicações, no qual a mais utilizada é a da American Iron and Steel Institute (AISI),

que classifica os aços ferramenta para moldes com o símbolo “P”.

Segundo Meckley e Edwards (2009) bem como Bohórquez e Preciado (2005),

o aço P20 é um dos materiais largamente utilizados para moldes de injeção de

termoplásticos. É composto de Cromo-Níquel-Molibidênio (Cr-Ni-Mo), fabricado por

degaseificação a vácuo, temperável e com dureza na faixa de 30-34 HRC. Já HeatTech (2007), Moratelli e Costa (2006) e Yoshida (1998), afirmam que a propriedade

de dureza do aço P20 é de 28-32 HRC (unidade de dureza Rockwell), e que

somente em casos especiais se observariam valores superiores a estes. As

propriedades do aço P20 são resumidas na Tabela 2.

Tabela 2 – Propriedades do aço P20.Propriedade Valor

Densidade (mg/mᶟ) 7,80

Calor específico (J/kg.K) 460

Condutividade térmica (W/m.K) 29

Coeficiente de expansão térmica (K- ) 12 x 10-

Módulo de elasticidade (GPa) 200

Fonte: Bareta et al . (2007b).

O aço P20 possui excelentes propriedades mecânicas, dentre estas está a

boa usinabilidade e soldabilidade, tanto no estado recozido quanto beneficiado,

excelente polibilidade, boa uniformidade de dureza e reprodutibilidade (SANT’ANNA,

2009; WANDER et al., 2007).

Os aços são classificados ainda conforme a Norma Alemã Werk Nr (W. Nr),

no qual se afirma que para o aço P20 existem três tipos, segundo Favorit Aços

Especiais (2010). Os diferentes tipos de aço P20 se classificam conforme sua

composição química, e são descritos na Tabela 3.


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Tabela 3 – Composição química do aço AISI P20 (%).

W.Nr. Carbono Manganês Silício Cromo

Molibdênio

Niquel V

12.311 0,35 - 0,45 1,30 -1,60 0,20 - 0,40 1,80 - 2,10 0,15 - 0,25 - -

12.738 0,35 - 0,45 1,30 - 1,60 0,20 - 0,40 1,80 - 2,10 0,15 - 1,25 0,90 - 1,20 -

12.711 0,50 - 0,60 0,50 - 0,80 0,15 - 0,35 0,60 - 0,80 0,25 - 0,35 1,50 - 1,80 0,07 - 0,12

Fonte: Adaptado de Favorit Aços Especiais (2010).

Alguns aços da série P20 são vendidos já beneficiados, como no caso do W.

Nr 1.2738 ou também chamado P20+Ni, que segundo as Empresas Metalli aços

especiais (2011), Villares Metals (2011) e Favorit Aços Especiais (2010), suas

características são similares aos demais tipos de P20, como boa usinabilidade esoldabilidade, mas com diferentes composições químicas.

Com base em todas as características do aço P20, afirma Sant’ Anna (2011)

que este é o aço mais vendido para fabricação de moldes no Brasil, chegando a

mais de 80% dos casos, levando-se em conta sua qualidade e maior custo/benefício

no projeto de moldes de injeção. Por este motivo, o aço P20 foi o material definido

para uso neste trabalho.

2.1.4 Sistema de refrigeração de moldes

Postawa et al . (2008) e Pirc et al. (2007) afirmam que a transferência de calor,

durante o processo de moldagem por injeção, possui grande influência na qualidade

final das peças que são produzidas, bem como sobre o tempo do ciclo demoldagem. A localização do sistema de refrigeração é um elemento importante na

confecção do molde, já que o tempo de resfriamento pode representar até 70 % do

ciclo de injeção.

Um molde de injeção é um mecanismo complexo que, segundo Meckley e

Edwards (2009), Saifullah et al . (2009) e Kennedy (2008), juntamente com o material

injetado, afeta diretamente os padrões de preenchimento. Esta complexidade

influencia o posicionamento dos canais de refrigeração, que podem levar a

alterações na temperatura do molde. Essas variações afetam a viscosidade do

material injetado e assim as características do fluxo final do material.


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Segundo Hassan et al . (2010a) e Silva (2009), o controle da velocidade com

que ocorre o resfriamento da peça injetada é de suma importância, pois permitirá

condições adequadas ao fluxo do material no interior do molde, garantindo o

resfriamento ideal, eliminando assim, defeitos aparentes na peça, reduzindo custos

e aumentando a produtividade.

Dessa forma, na confecção de moldes para injeção de termoplásticos, bem

como na redução de ciclos do processo ou mesmo para promover melhorias na

peça formada é necessário atuar no sistema de refrigeração, que precisa ser

eficiente o suficiente para manter o molde relativamente frio, em comparação com o

material a ser injetado, e garantir que a peça já esteja solidificada no momento da

extração. Recomenda-se que a diferença de temperatura entre as superfícies dacavidade do molde deve encontrar-se entre 2 e 5 °C (HARADA, 2004).

Conforme apresentado por Sacchelli (2007), existem sete tipos de

refrigeração. São estes: em linha, circular, serpentina ou helicoidal, lâmina ou baffle,

cascata ou bubbler, pino térmico ou adaptado ao contorno da peça, conforme

ilustrado na Figura 4. Cada tipo é utilizado de acordo com as necessidades

específicas de cada projeto do sistema de refrigeração, seguindo um modelo mais

apropriado ao desenho da cavidade e ao tamanho do molde (BRITO et al., 2004).

Figura 4 – Tipos de sistemas de refrigeração no molde.Fonte: Sacchelli, 2007


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Os tempos de cada ciclo, inclusive o tempo de resfriamento, podem oscilar

em função de variáveis como a matéria prima utilizada, a pressão da injeção, a

espessura da peça injetada, a temperatura ambiente, entre outras (SAIFULLAH et

al ., 2009; MALLOY, 2000). A temperatura do molde precisa ser o mais uniforme

possível, dependo exclusivamente do projeto e do resfriamento do mesmo (ROMAN,

1997).

Assim, o sistema de refrigeração do molde ajuda a promover a regularidade

dimensional da peça injetada, evitando problemas decorrentes de contrações

térmicas (VOLPATO JÚNIOR, 2002). Na Figura 5 são caracterizados os efeitos de

um processo de resfriamento adequado e um inadequado, que interferem no

resultado da peça injetada e no tempo total de injeção.

Figura 5 – Mecanismo de refrigeração adequado (A) e inadequado (B).Fonte: Silva, 2009.

Dessa forma, para que o sistema de refrigeração do molde seja eficiente é

necessário que o mesmo tenha sido projetado corretamente, com boa distribuiçãodo mesmo e em condições adequadas ao fluxo do material (SILVA, 2009; BOM e

LEÃES, 2008). Outros fatores que influenciam na busca de melhorias do sistema de

refrigeração são: o tipo de polímero e a temperatura do processamento; temperatura

do molde uniforme; a forma da peça; a condutividade térmica; a entrada do canal de

refrigeração e a regulagem dos parâmetros de processo (MECKLEY e EDWARDS,

2009; BRITO et al., 2004; HARADA, 2004).

Existem quatro meios de refrigeração dos moldes, escolhidos de acordo com

o material a ser injetado (SILVA, 2009). São eles:


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a) água em temperatura ambiente – sendo o sistema mais utilizado devido à

disponibilidade na natureza, baixo custo, baixa viscosidade e ser suscetível a

tratamentos;

b) água resfriada, metanol + CO2, gás CO2 e nitrogênio – empregados quando

há um superaquecimento do molde ou a temperatura necessita ficar abaixo

de 3 °C);

c) óleo e resistências elétricas – quando há necessidade de permanecer com

uma temperatura acima de 80 °C;

d) ar – similar ao da água, aplicado quando se deseja um resfriamento lento ou

quando se torna difícil o emprego da água como meio refrigerante.

Segundo Cruz (2002), uma boa refrigeração acarreta em boa estabilidadedimensional, baixo índice de deformação e boa estética da peça injetada,

ressaltando a importância do sistema de refrigeração para o bom funcionamento de

um molde de injeção.

Trabalhos como o de Hassan et al. (2010b), que avaliam o efeito do sistema

de refrigeração sobre o encolhimento e a temperatura do polímero durante a

moldagem por injeção, concluem que não é necessário atingir uma ótima taxa de

encolhimento para uma completa distribuição do produto, e sim, que o projeto dosistema de refrigeração deve ser otimizado para atingir os objetivos de ambos.

Desta forma, o uso de diferentes materiais na fabricação dos canais de

refrigeração, como na utilização de tubos de cobre, pode compensar as dificuldades

encontradas em moldes com baixa condutividade, como as produzidas em resina.

Estas alterações podem aumentar a durabilidade do molde e ainda, reduzir os

tempos de ciclo em até 60% (GONÇALVES et al., 2006).

No entanto, estes estudos não consideram moldes com tratamentossuperficiais, que devido à alteração em suas propriedades, podem mudar o tempo

do ciclo de resfriamento.

2.1.5 Estudos para redução do ciclo de injeção

Em um ciclo de moldagem por injeção, o processo de resfriamento ocupa

cerca de dois terços do tempo total de ciclos. Portanto, um resfriamento eficiente


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pode reduzir significativamente o tempo de ciclo e os custos operacionais (CHEN et

al., 2009).

Estudos sobre a redução do tempo de ciclo de injeção demonstram que, ao

tentar resfriar o molde, mantendo a temperatura do líquido refrigerante muito baixa,

a temperatura do molde no início do ciclo será abaixo da necessária para o

processo. Defeitos no enchimento do molde e na superfície na peça moldada serão

conseqüências desta condição (SMITH et al., 2008).

Ainda objetivando esta redução no tempo dos ciclos de injeção de moldes

termoplásticos, estudos recentes como os de Silva (2009) e Saifullah et al. (2009),

atestam ganhos com modificações de canais referentes à troca de calor, pois

projetando o molde com materiais e dimensões adequadas ao sistema derefrigeração, o ciclo de resfriamento diminuirá, como também o custo final da peça

injetada. Bom e Leães (2008) afirmam que um sistema eficiente de refrigeração,

com diferenças menores de temperatura entre os moldes, minimiza efeitos

indesejáveis, como o empenamento, e promove a distribuição uniforme de

temperatura através do produto.

Porém, a otimização dos projetos de construção de moldes, utilizando

aplicativos de simulação, mostram que são mais eficientes os moldes que possuemcanais de refrigeração que contornam a parte central da cavidade, ou ainda tão

perto quanto possível da superfície do molde, para aumentar a absorção de calor

para longe do polímero fundido. Com esta configuração, observam-se reduções no

tempo de ciclo, bem como melhorias na qualidade do acabamento da superfície, se

comparado ao molde com refrigeração convencional (canais retos) (DIMLA et al.,

2005). Neste sentido, muitas propostas de redução do ciclo de refrigeração são

encontradas visando configurações diferentes de canais de refrigeração modificandoa quantidade e posição destes no molde.

Uma proposta que aborda modificações na superfície do molde e não no

sistema de refrigeração é a de Araújo Neto e Delorme (2004), onde foi aplicado um

revestimento DLC (diamond-like carbon), que usa carbonos semelhantes ao

diamante, em um molde de aço. O efeito do revestimento melhorou a velocidade de

escoamento e o preenchimento do material injetado, devido ao baixo coeficiente de

fricção, e proporcionou uma redução de aproximadamente 30 % no tempo do ciclo

de injeção.


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2.2 TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE

Os tratamentos térmicos são utilizados para alterar propriedades mecânicas

(dureza, resistência ou ductilidade) de toda a massa do aço. Porém, inevitavelmente

o deformam. Nos casos em que se torna desnecessário estes procedimentos,

utilizam-se os tratamentos de superfície, a partir dos quais apenas uma fina camada

superficial é modificada, não alterando a estrutura da peça e ainda, aumentando a

dureza superficial, a resistência ao desgaste e a fadiga (WEN, 2009; YOSHIDA,

1998).

Tratamentos térmicos e de superfície são realizados em três fases: (1)aquecimento, (2) manutenção da temperatura e (3) resfriamento (MACHADO, 2006).

Nestes, a peça é aquecida juntamente com produtos químicos, tais como carbono,

nitrogênio ou boro. Os dois tipos mais utilizados industrialmente são por cementação

e por nitretação.

O tratamento de superfície é o complemento mais importante na linha de aços

e deve ser selecionado de acordo com o material polimérico a ser utilizado e do

número de ciclos de injeção desejado para o molde. Por exemplo, Sacchelli (2007)sugere que para o poli(óxido de metila) (POM), o material seja o aço P20, que

poderia ser utilizado na cavidade com o tratamento de superfície de nitretação.

De acordo com Sousa (2006) e Ferreira (2001), a procura por tratamentos de

superfície vem aumentando, principalmente entre as indústrias de moldes, para

melhorar a produtividade e vida útil desses materiais. Testes com alguns dos

tratamentos de superfície existentes comprovam que a nitretação apresenta-se

como a forma mais econômica e eficiente para prevenir os fenômenos de superfície,produzir o mínimo de distorções e elevar a dureza superficial a um custo

relativamente baixo.

Por esses fatores, já avaliados anteriormente, é que a nitretação foi definida

para ser testada também nesse trabalho. É importante ressaltar que não é dada

atenção à influência deste tratamento de superfície em propriedades como a

condutividade térmica do molde, o que poderia resultar em melhorias no sistema de

refrigeração, visto que o tratamento só é levado em conta para melhorar a

durabilidade do molde.


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2.2.1. Nitretação

A nitretação é o processo de introdução superficial de nitrogênio no aço,

elevando sua temperatura para formar uma camada dura de nitretos, aumentando a

resistência ao desgaste e a fadiga térmica do aço. Esse tratamento de superfície

produz menor distorção dimensional e tem menor tendência a causar trincas e

empenamento no material do que a cementação, por utilizar temperaturas menores

(SACCHELLI, 2007).

O processo de nitretação eleva a dureza superficial, aumenta a resistência ao

desgaste e a fadiga, melhora a resistência à corrosão e a resistência superficial aocalor. Em conseqüência, as peças submetidas à nitretação são menos suscetíveis a

empenamento ou distorção (CHIAVERINI, 2008).

Os aços nitretados exibem uma superfície com alta dureza, aproximadamente

1.000 HV, e, portanto, várias propriedades físicas são melhoradas, assim como a

resistência à fadiga térmica e à corrosão, tudo devido à morfologia dos nitretos.

Ferreira (2001) destaca dois tipos de nitretação:

a) gasosa, resultante da dissolução da amônia, dissociando o nitrogênio damolécula NH3 e levando-o para a superfície do aço, a uma temperatura entre

500 a 590 °C;

b) iônica ou por plasma, é um processo de introdução de nitrogênio atômico na

superfície do material. É realizado em uma câmera sob vácuo, submetendo a

uma descarga elétrica de alta tensão usada para formar o plasma no qual os

íons de nitrogênio são acelerados para a superfície do aço.

Os componentes a serem nitretados são submetidos a uma limpezadesengraxante para, posteriormente, serem inseridos em um forno de nitretação

gasosa, como ilustrado na Figura 6 (MOREIRA, 2005).


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Figura 6 – Ilustração do forno de nitretação gasosa.Fonte: Moreira, 2005.

A fim de comprovar os efeitos que os elementos de liga dos aços influenciam

na qualidade da nitretação, Schneider et al. (2007) realizaram experimentos em aços

da série W (AISI), separados por composição química, e constataram que o

elemento silício (Si) é o que possui maior efeito sobre a profundidade da nitretação.

O alumínio (Al) tem maior efeito sobre a dureza superficial e os elementos cromo

(Cr), molibdênio (Mo) e vanádio (V) possuem pouco efeito em ambos.

De acordo com Moreira (2005), a nitretação possui melhores resultados em

aços com as seguintes especificações:

1) carbono entre 0,2 e 1,2 %;

2) elementos de liga: molibdênio, cromo, alumínio, vanádio e tugstênio;

3) elementos como níquel, silício, manganês e cobre, possuem pouco ou

nenhum efeito sobre a camada nitretada.

Estudos realizados por Almeida (2009), baseados em análises

microestruturais e no comportamento ao desgaste de aços ferramenta, comprovam

a melhora nas propriedades do aço P20, com o tratamento de superfície por

nitretação. Neste, a nitretação foi realizada pelo processo gasoso (Deganit-

Brasimet), com os parâmetros de temperatura a 560 °C, atmosfera de 50 % NH3 –

50 % N2 – CO2 em pouca quantidade. Na Figura 7 é apresentada a microestrutura


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resultante de um processo de nitretação gasosa por 8 h a 500 °C, ficando evidente a

camada formada após o processo.

Figura 7 – Microestrutura resultante de um processo gasoso.Fonte: Ferreira, 2001.

As espessuras e as condições das camadas resultantes do processo de

nitretação são em função da temperatura, da composição do material e do tempo de

tratamento. A camada de difusão determina a força da camada nitretada, bem como

sua resistência à fadiga, enquanto que a camada de compostos (branca) determina

as características tribológicas e resistência à corrosão (WEN, 2009).

O tempo de exposição chega até 72 h, mas dificilmente ultrapassa a

espessura de 0,80 mm, com dureza na ordem de 1.000 a 1.100 HV (CHIAVERINI,

2008). Na Figura 8 é apresentado o gráfico com a espessura da camada nitretada,

em relação ao tempo de exposição, com temperatura de 525 °C, destacando-se que

quanto maior o tempo de processo maior será a formação da camada de nitretos.

Figura 8 – Gráfico da espessura da camada nitretada no aço P20, com relação ao tempo.Fonte: Chiaverini (2008).

Camada (Zona)de difusão

Camada branca


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A nitretação a gás pode ser realizada de duas formas: em estágio simples

(com temperatura de 495 a 525 °C, com dissociação de amônia de 15 a 30 %),

produzindo uma camada superficial rica em nitrogênio e frágil, chamada de camada

branca; ou em estágio duplo (com temperatura até 565 °C, com dissociação de

amônia de 65 a 85 %), obtendo uma redução da espessura da camada branca.

Porém, este segundo estágio não é utilizado na maioria das aplicações, a não ser,

por exemplo, pela redução do consumo de amônia (CHIAVERINI, 2008).

Segundo Almeida (2009), a dureza do aço P20 sem o tratamento é de 370 HV

e após a nitretação gasosa passa a ser de 690 HV, comprovando a influência do

tratamento de superfície no aumento da qualidade de dureza e resistência ao

desgaste do aço P20 sem tratamento.

2.2.2 Influência de tratamentos em moldes de injeção

Há poucas pesquisas relacionadas sobre a influência de tratamentos

superficiais em moldes, porém sempre relacionadas à questão de propriedades domolde, ou como a superfície modificada afeta a injeção em relação a qualidade da

peça, mas não do ponto de vista da transferência de calor e da alteração de

propriedades como a condutividade térmica.

A influência da nitretação a plasma em moldes de aço foi testada para avaliar

as alterações em suas propriedades por Wen (2009). Foi observado que o aumento

da temperatura de nitretação pode elevar a dureza da superfície, a espessura da

camada de nitretos e sua profundidade, além do volume de nitretos na superfície doaço, melhorando assim, a dureza superficial, o desgaste e a corrosão. Este estudo

revelou também que a nitretação não altera a microestrutura do núcleo do aço.

Tratamentos de superfície são utilizados para melhorar a moldabilidade e

modificar a superfície do molde, de forma que seja possível reduzir a adesão entre o

polímero e o aço, diminuindo o coeficiente de atrito. Rossi et al. (2002) observaram

reduções no risco de perdas por empacotamento (peça injetada grudar no molde) e

também, um aumento na rugosidade da superfície do molde, com este tipo de

tratamento.


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2.3. PROPRIEDADES TÉRMICAS

Conforme largamente apresentado na literatura e também abordado por Silva

(2009), a condutividade térmica é a capacidade que o material tem de conduzir,

transferir calor automaticamente dos pontos de temperatura mais alta para os de

temperatura mais baixa. A condutividade térmica “K” do material no estado fundido é

a quantidade de calor conduzida por unidade de tempo, por um volume unitário,

quando a temperatura sofre a variação de um grau; que pode ser determinada de

acordo com a tabela e catálogos oferecidos pelos fabricantes do material.

Dentre as medidas e propriedades existentes em um processo de injeção determoplásticos, a condutividade térmica é a que está ligada ao bom funcionamento

do ciclo de resfriamento. Assim, as análises térmicas de condutividade, auxiliam de

forma a medir a capacidade que os materiais (molde, injetado, refrigerante) possuem

de transferir calor e, portanto, sua capacidade de resfriamento.

O polímero injetado perde calor em contado com as paredes do molde e a

velocidade de transmissão desse calor determina o tempo de resfriamento. Sendo

assim, o bom dimensionamento dos canais de refrigeração, ajustes para um tempode ciclo de resfriamento menor e um controle da temperatura do líquido refrigerante

(mantendo-a constante) visando alcançar estabilidade térmica, resultam em uma

melhor distribuição da temperatura na superfície do molde e conseqüentemente um

menor tempo de ciclo de injeção (POSTAWA et al., 2008; BARETA, 2007a).

Atualmente, são realizadas análises dos materiais de moldes, sobre os

sistemas de refrigeração, a qualidade final do material injetado e os resultados de

cada material utilizado, observando as diferentes condutividades térmicas. Masainda, pouco é discutido sobre como melhorar essa condutividade térmica no

processo de injeção.

Em um estudo comparativo entre materiais alternativos e o aço P20 na

confecção de cavidades de moldes de injeção, constatou-se que materiais como o

alumínio possuem condutividade térmica muito superior ao do aço P20, reduzindo-

se assim o tempo de resfriamento (BARETA, 2007a). Porém, não foram

consideradas as durabilidades dos moldes, sabendo-se que a durabilidade do

alumínio é inferior à do aço. Na Tabela 4 são demonstrados os valores de


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condutividade térmica, que é a propriedade física que descreve a habilidade de

conduzir calor, de alguns dos materiais utilizados em molde de injeção.

Tabela 4 – Condutividade térmica de alguns materiais utilizados em moldes de injeção.Materiais Condutividade térmica (W / m.K)

P20 29

Alumínio 138

Cobre 372

Zinco 110

Ferro 52

Zamak 109

Resina epóxi 1

Fonte: Protolab (2011), Bareta (2007a).

Estudos sobre a influência da condutividade térmica, realizados na injeção de

polímeros, no processo de polimerização do termoplástico, demonstram que as

propriedades mecânicas (resistência a tração e o módulo de flexão) do polímero

moldado diminuem quando a condutividade térmica dos materiais utilizados em

moldes aumenta. Esta alteração deve-se ao fato de que, com a baixa condutividadetérmica, há um aumento de temperatura na cavidade do molde e,

conseqüentemente afeta a peça injetada (SILVA et al., 2007).

As propriedades dos materiais para moldes são um fator importante a serem

analisados no momento de sua definição, pois existem diferenças significativas, que

causam diferentes tempos de ciclo. Materiais com baixa condutividade podem

aumentar o tempo de ciclo, ou ainda, deformações como o empenamento da peça

moldada, é causado pela influencia da condutividade térmica de moldes (KOVACS e

BERCSEY, 2005).

Desta forma, é importante analisar a questão da condutividade térmica em

moldes fabricados com o mesmo material. Se um tratamento de superfície em um

molde promover melhor transferência de calor (reduzindo o tempo de resfriamento),

pode-se aliar este ganho ao de durabilidade já reconhecido pelo tratamento.


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2.4 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

2.4.1 Microscopia óptica

As análises micrográficas correlacionam a microestrutura do material a serem

analisados com suas propriedades mecânicas, composição, processo de fabricação,

entre outros. A Microscopia Óptica e a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

são métodos utilizados na identificação da microestrutura de materiais (MALISKA e

SILVA, 2011).Os microscópios ópticos ficam limitados a um aumento máximo de

2.000 vezes, pois é estabelecido pelos efeitos de difração da luz (com feixe de

fótons), devido ao comprimento de onda da radiação incidente (DEDAVID et al.,

2007). Conforme Maliska e Silva (2011) a Microscopia Óptica é a primeira técnica e

a ferramenta mais usada para examinar a microestrutura de materiais, mas que

precisa de uma preparação especial da amostra, como o ataque químico, antes da

análise. A observação das ranhuras, examinadas por microscopia óptica, permite

identificar quando ocorrem falhas coesivas e adesivas, e determinar as cargas

críticas correspondentes (SILVA et al., 2011).

A microscopia é importante na análise dos parâmetros de processos de

injeção para uma caracterização metalográfica das amostras. Realizadas após as

nitretações, tem o objetivo de se verificar as propriedades mecânico-metalurgicas

das camadas e avaliar sua morfologia superficial (SKONIESKI et al., 2008b).Por meio destas análises, é possível verificar a espessura da camada

nitretada, a presença da camada branca, verificar a zona de difusão do nitrogênio no

aço, além de se observar as características microestruturais obtidas pelos

tratamentos de nitretação (REIS e NEIDERT, 2011; ALMEIDA, 2009).


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2.4.2 Rugosidade

As avaliações de rugosidade também possuem grande importância, pois

influenciam no comportamento dos componentes mecânicos, tais como: qualidade

de deslizamento, resistência ao desgaste, resistência oferecida pela superfície ao

escoamento de fluidos, entre outros. A rugosidade é o conjunto de irregularidades,

reentrâncias nas superfícies, que podem ser analisadas por meio de aparelhos como

o rugosímetro (ROSA, 2007).

Os parâmetros de amplitude determinados na rugosidade, de acordo com

Piratelli Filho (2011), são:i) rugosidade média ou aritmética (Ra), parâmetro determinado em função da

linha média do perfil de rugosidade. Sendo o mais utilizado por ser aplicado

no controle contínuo da rugosidade na linha de produção e por quase todos

os equipamentos de medição apresentar esse parâmetro;

ii) rugosidade total (Rz), definido como o maior valor das rugosidades parciais;

iii) rugosidade máxima (Rt), que corresponde à distância vertical entre o pico

mais alto e o vale mais profundo;iv) amplitude máxima de picos (Rp), altura máxima do pico do perfil, distância do

pico máximo a linha média;

v) amplitude máxima de vales (Rv), profundidade máxima do vale do perfil,

distância do vale mais profundo a linha média;

vi) rugosidade quadrática média (Rq), acentua o efeito dos valores do perfil que

se afastam da média.

Os parâmetros são medidos ao longo do comprimento de medição (lm

), comono exemplo da Rp e Rv, na Figura 9.


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Figura 9 – Ilustração de medição dos parâmetros de Rp e Rv. Fonte: Piratelli Filho, 2011.

Em estudos, como os de Skonieski (2008a) e Silva (2004), confirma-se que a

nitretação, conduz a um aumento da rugosidade de forma significativa e perfis com

as maiores irregularidades, em comparação a amostras não nitretadas.

De acordo com a empresa Nitrion (2010) e Wen (2009), quanto maior o tempo

de tratamento e menor temperatura aplicada, maior será a rugosidade, devido a

essa deposição de forma desordenada do processo de nitretação. Fato esse que

explica a nitretação gasosa causar maior rugosidade que a nitretação a plasma (que,em alguns casos, pode provocar a diminuição da rugosidade).

2.4.3 Microdureza Vickers

Segundo estudos de Reis et al. (2008) e Almeida Filho (1999) observa-se que

as superfícies com menor rugosidade superficial apresentam valores mais elevados

de dureza, em distâncias maiores da superfície, provavelmente devido a maior

difusão do nitrogênio pela superfície do material.

A espessura e a microdureza dependem de vários fatores como: a quantidade

de nitrogênio nascente à superfície da peça, a pressão e a quantidade de nitrogênio

no gás, a composição química e microestrutura original da peça, influenciam

diretamente na espessura e na dureza superficial. Sendo assim, o perfil de

microdureza Vickers também é utilizado para analisar a camada nitretada dos

materiais (WANKE, 2003).


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2.5 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS DE INJEÇÃO

O principal objetivo de qualquer tipo de simulação, de acordo com Nishimoto

(2001), é antecipar possíveis problemas na fase inicial da elaboração de uma peça,

no qual a modificação do projeto ainda representa pouco investimento e nenhum

atraso na data de lançamento do produto.

Assim, para auxiliar a melhora do processo de injeção, diferentes tipos de

aplicativos de simulação deste processo são empregados visando antecipar

possíveis erros. Além disso, os parâmetros do processo podem ser ajustados em

diversas simulações determinando assim as melhores condições de moldagem(TATARA et al ., 2006), conseguindo com isso melhorar o processo como um todo.

Sacchelli e Cardoso (2007) citam diferentes aplicativos que realizam a

simulação do processo de injeção de termoplásticos, também conhecidos como

aplicativos de CAE – Computer Aided Engineering. São estes: Moldflow, Moldex 3D,

Moldcae, Planets, 3D-Sigma e CadMold . Todos podem ser utilizados para testar a

eficiência dos moldes e ajustar parâmetros de funcionamento.

O CAE faz uso do método de análise por elementos finitos (FEA), o qualdiscretiza um desenho de CAD em partes menores, resolvendo um conjunto de

equações algébricas, obtendo-se os resultados desejados em função do

carregamento e das condições de contorno. Assim, o aplicativo de CAE baseado em

FEA são amplamente utilizados para o cálculo de tensões, deslocamentos,

transferência de calor, escoamento de fluidos, entre outras aplicações (SANTOS et

al., 2004).

Conforme citado por Kennedy (2008), com a utilização destes tipos deaplicativos, a simulação da injeção da peça pode ser realizada antes mesmo da

confecção do molde, prevendo o comportamento do material polimérico durante o

preenchimento da cavidade e detectando possíveis falhas de projeto ou defeitos do

molde. Dessa forma, problemas que poderiam surgir apenas depois de

confeccionado o molde são evitados, melhorando a produtividade e a qualidade na

fabricação do molde e conseqüentemente das peças injetadas.

Nishimoto (2001) explica que existem ainda dificuldades na simulação de

injeção de polímeros por meio de simuladores, tais como: pouco banco de dados de

resinas nacionais; falta de modelo reológico seguro e único para todos os estados


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do polímero e manuais incompletos e de difícil compreensão. Esses fatores ainda

precisam ser eliminados, já que os sistemas precisam analisar resultados baseados

em modelos físicos e matemáticos, sendo fundamental a introdução dos dados da

geometria da peça e do material injetado, para que o resultado final esteja de acordo

com a realidade.

A simulação é um recurso bastante utilizado para o projeto de canais de

refrigeração no molde. Kennedy (2008) explica que o posicionamento adequado dos

canais de refrigeração em um molde é fundamental para controlar a viscosidade do

material injetado e garantir a qualidade da peça injetada. Por meio de simulações

pode-se então localizar o melhor sistema de refrigeração para cada tipo de molde,

por meio de cálculos e dados sobre a densidade, temperatura e a pressão domaterial injetado, oferecendo a possibilidade de avaliar diferentes opções de projeto

em termos de peça, material e projeto do molde.

Na prática, este tipo de análise é difícil de ser realizada, pois demanda custos

elevados e tempos que inviabilizam o custo de um projeto. Além disso, via simulação

utilizando os tipos de aplicativo citados, obtêm-se mais informações de

determinadas variáveis de operação, como a temperatura de superfície.

Sendo a fase de resfriamento a mais significativa por estar diretamente ligadaao custo efetivo das empresas modernas, quanto maior o tempo gasto na produção

da peça maior será o custo (SAIFULLAH et al., 2009). Por esta razão é tão

importante compreender e otimizar o processo de transferência de calor de uma

forma mais eficiente. Esta ação pode ser realizada com o uso de simuladores CAE,

pois uma redução no tempo gasto em resfriamento aumentaria drasticamente a taxa

de produção, reduzindo assim os custos.

Para otimizar o conjunto de parâmetros de resfriamento e localizar o melhorlocal de posicionamento dos canais de refrigeração, Pirc et al. (2007) utilizaram o

Método dos Elementos de Contorno (BEM) em comparação ao Método de

Elementos Finitos (FEM) (mesmo método utilizado pelo aplicativo Moldflow) e

concluem que ambos são métodos importantes para encontrar os melhores

parâmetros geométricos em função do seu custo real, além de reduzir as variáveis

de otimização e tempo de CPU sobre estudos dos canais de refrigeração.


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2.5.1 Moldflow

Segundo Schubert et al. (2002), aplicativos de simulação do processo de

injeção como o Moldflow, são essenciais para diminuir os custos e reduzir o tempo

despendido no desenvolvimento e na manufatura dos moldes, pois permitem a

simulação do preenchimento da cavidade do molde de uma forma detalhada,

tornando possível seu uso na identificação de parâmetros de processos realistas.

Uma das principais dificuldades associadas ao uso deste tipo de aplicativo

consiste no método de resolução das equações bem como na formação da

geometria do sólido. Em relação ao primeiro fator, Sacchelli e Cardoso (2007)realizaram um estudo sobre o sistema de refrigeração, que comparou os resultados

da simulação, utilizando o aplicativo Moldflow, com os dados obtidos no processo de

injeção, em um molde de aço de duas cavidades. Verificou-se que dentre os

métodos de resolução apresentados, o Cool+Flow (que é um método de cálculo que

considera o Arrefecimento + Enchimento, adequada para a previsão do desempenho

do molde e de parâmetros de processo) é o que mais se aproxima dos resultados

reais.Bareta et al. (2007b) utilizaram em seus estudos o Moldflow para identificar

informações como: tempos de injeção e de pressão; pressões de injeção e de

recalque e taxa de injeção, a fim de configurar a máquina injetora e otimizar os

resultados do experimento.

Com o mesmo objetivo, De Blasio (2007) utilizou o mesmo aplicativo para

solucionar defeitos nos polímeros pelo processo de injeção, como rebarbas,

manchas, peças incompletas entre outros, e atestou a eficiência do mesmo paraprevenir tais defeitos e otimizar os parâmetros do processo, ganhando economia de

tempo, de energia elétrica e de material a ser injetado.

O empenamento é inerente no processo de moldagem por injeção, mas o

resfriamento uniforme da peça pode reduzir as diferenças dessas distorções.

Aplicativos de simulação de injeção, como o Moldflow, podem analisar o

resfriamento e otimizar ou minimizar o empenamento da peça moldada, utilizando

formas especiais de canais de refrigeração (KOVACS e BERCSEY, 2005).

Alguns dos resultados que são obtidos pelo aplicativo Moldflow, segundo

Miranda (2005), são descritos na Tabela 5.


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Tabela 5 – Resultados obtidos por meio do aplicativo Moldflow.Parâmetro Finalidade

Fill time (tempo de injeção) Tempo necessário para o polímero

preencher a cavidade

Pressure (pressão de injeção) Pressão necessária para o polímero

preencher a cavidade

Temperature at flow front (temperatura da

frente de avanço)

Temperatura do material na região da frente

de avanço

Bulk temperature at end of

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