- moldagem de injecção de espuma de alta pressão
- Cellmould: o conceito de máquina
- quais os potenciais que a moldagem de injecção de espuma de alta pressão tem para oferecer?
- Alto brilho de superfícies por meio de dinâmica de molde a têmpera
- Elastômeros também são adequados para a formação de espuma
- papel de Técnico da Wittmann Battenfeld
design Leve, é uma tendência cada vez mais presente em todos os sectores da indústria transformadora. Neste domínio, os plásticos desempenham um papel vital graças à sua relação favorável entre dados de desempenho e baixo peso específico. Mas o seu potencial leve pode ser aumentado ainda mais através da formação de espuma, por exemplo através de moldagem por injecção de espuma. Um dos pioneiros neste campo é o fabricante austríaco de máquinas de moldagem por injeção Wittmann Battenfeld. O seu processo de alta pressão celular oferece parâmetros de desempenho comparativamente superiores, juntamente com uma tecnologia de Sistema menos complexa e, consequentemente, mais robusta em comparação com os concorrentes. É um desenvolvimento interno de 100% e serve como base para uma série de aplicações novas e inovadoras, tais como soluções para a melhoria da qualidade da superfície, incluindo alto brilho, para a combinação parcial de componentes compactos com espuma em uma única parte moldada e para espuma de elastômeros termoplásticos. Estas soluções foram desenvolvidas em cooperação com a empresa de tecnologia bávara Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Estruturado de espuma de peças com superfícies brilhantes são o resultado de um projeto de desenvolvimento conjunto das empresas Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Áustria e Schaumform, Hutthurm, Alemanha
Espuma de moldagem por injeção a tecnologia não é um processo novo. As aplicações nas quais substâncias químicas como a azodicarbonamida ou o feniltetrazol são misturadas no granulado plástico e plastificadas com ele, que libertam gases propulsores após a injecção na cavidade do molde, são conhecidas e utilizadas em produção há cerca de 50 anos. Uma vez que a pressão de expansão desses gases quimicamente liberados não é mais do que cerca de 15 a 40 bar, seu uso é limitado a peças de paredes relativamente grossas com caminhos de fluxo curto.
para alargar ainda mais os limites de aplicação para moldagem por injeção de espuma, espuma pela adição de um gás inerte, geralmente nitrogênio, foi desenvolvido cerca de 40 anos atrás. A principal vantagem é que maiores pressões de expansão na região de 100 a 200 bar podem ser alcançadas com nitrogênio. Isto permite a exploração do potencial de design leve em moldagem por injeção de espuma para componentes de paredes finas e componentes com caminhos de longo curso também. As vantagens, além da redução de peso, são uma redução da pressão de injeção específica necessária para preencher as cavidades e, consequentemente, a força de aperto, e a compensação dos efeitos de retração e de guerra. Ambos os processos são utilizados no processamento de resina termoplástica, desde PP até plásticos de engenharia, como PC, PA ou PBT. Os desenvolvimentos mais recentes e promissores visam alargar os campos de aplicação de modo a incluir também elastómeros termoplásticos.
Cellmould: the machine concept
The essential task of a foam injection molding line is to generate a one-phase polymer-gas solution dispersed as homogeneously as possible during the plasticizing process. A tecnologia utilizada por todos os fornecedores para este fim é muito semelhante. No entanto, existem algumas diferenças nos pormenores da concepção técnica. Dipl.-CAO.(FH) Wolfgang Roth, chefe da tecnologia de aplicação em Wittmann Battenfeld, coloca desta forma: “Os mais de 40 anos de experiência prática com a tecnologia desenvolvida em nossa empresa antecessora Battenfeld, Meinerzhagen forneceu uma base sólida para que possamos construir. Nosso objetivo era reduzir a complexidade do sistema, expandindo simultaneamente os campos de aplicação e, assim, torná-lo mais confiável. Por isso, concebemos a nossa unidade de injecção de espuma de células para nos aproximarmos o mais possível da unidade de injecção padrão. Assim, nossa máquina opera com um parafuso padrão de 20 D, que foi estendido na frente, adicionando uma seção de mistura 5 D.”
a característica específica da tecnologia de moldagem de células é a separação entre as secções de plastificação e de injecção de gás do parafuso, que é fornecida por uma barreira cilíndrica fixa no parafuso. É a alternativa ao uso de uma válvula de controle adicional do tipo manga. Wolfgang Roth, acrescenta: “O esforço envolvido no ajuste de duas válvulas de retenção para as condições de operação, em cada caso, para torná-los “fail-safe”, i.e. o desgaste-resistente, motivou-nos a buscar uma solução mais simples, que podemos ter, finalmente, encontrado na barreira entre a plastificação e injeção de gás seções do parafuso. Esta solução tem sido comprovada na produção para todos os tamanhos de máquinas. Desta forma, o problema do desgaste poderia ser eliminado sem ter que comprometer em uma extensão significativa na densidade do gás na direção da seção plasticizing do parafuso.”
na secção de mistura da unidade de plastificação, o azoto liquefeito (pressurizado com até 300 bar) é adicionado ao material fundido de plástico por um injector durante um curso de medição e, subsequentemente, difunde-se no material fundido. Na seção de mistura do parafuso, a distribuição de nitrogênio é intensificada dividindo o fluxo de fusão em muitas correntes separadas.” (Figo.2) uma vez que o cano é mantido fechado por uma válvula de fecho da agulha na direcção do molde durante a plastificação e injecção de gás, a mistura de degelo e gás é mantida sob pressão no interior da unidade de plastificação. Por conseguinte, no final do processo de mistura, obtém-se uma solução de polímero/gás de fase única. Durante a injecção na cavidade, é submetido a uma diminuição da pressão, o que reduz a solubilidade do gás na Fusão Plástica. Os nucleatos de gás finamente distribuídos no derretimento e, portanto, fornece o ingrediente para formar uma estrutura de espuma com células tão finamente distribuídas.
o controlo da entrada de parâmetros e do processo é efectuado directamente através da geometria da barreira do sistema de controlo da máquina-bocal de Fecho neeedle-provete de pressão da válvula injector 1-Dispositivo de medição injector 1
Fig.2: a unidade de plastificação de células: os seus componentes principais são um barril de 25 D com um parafuso de plastificação de 20 D 3 zonas e subsequente injecção e mistura de gás 5D. As duas zonas funcionais do parafuso são separadas por um anel de retenção cilíndrico (barreira).
a formação desta estrutura depende das condições específicas do processo de moldagem por injecção. Estes incluem a viscosidade do material fundido, a velocidade de injeção (Quanto maior a velocidade, mais fina a espuma) e, finalmente, o grau pré-definido de espuma (redução do material). Este último é regulado quer através da injecção de uma subdosagem correspondente numa cavidade fixa, quer enchendo completamente uma cavidade e, subsequentemente, abrindo-a com um curso pré-regulado de alta precisão. A fim de alcançar a alta velocidade de injeção que favorece uma distribuição uniforme de espuma,um Acumulador de injeção é fornecido como parte do pacote de equipamentos Cellmould (Fig. 3a+3b).
Fig.3a & 3b: os Componentes da linha de Molde celular estão disponíveis em configuração idêntica para toda a gama de máquinas Wittmann Battenfeld, ilustrada aqui pelo exemplo de um modelo de máquina 110 T. Um injetor de gás conectado com um módulo compacto de controle de fluxo de gás é colocado em cima do barril.
além do injetor de gás e do módulo de controle de fluxo de gás, O pacote de equipamentos Cellmould também inclui um Acumulador de injeção na máquina (centro da foto) e um gerador central de nitrogênio combinado com uma unidade de compressor.O nitrogênio é extraído de uma bateria de cilindros de pressão ou extraído do ar ambiente por um gerador de nitrogênio. Em ambos os casos, o gás é posteriormente passado para o injetor de gás através de um gerador de pressão, como também é usado em linhas de injeção de gás de ar. Uma parte do conceito da linha Battenfeld é que várias máquinas podem ser fornecidas simultaneamente por um sistema de fornecimento de gás (Fig.4). Um regulador de fluxo de gás é colocado entre o gerador de pressão e o injector de gás na unidade de plastificação. Através do seu sistema de válvulas controláveis, o fluxo de gás é controlado e coordenado com o processo pelo software Cellmould (Fig.5). O pacote de equipamentos Cellmould está disponível para todo o portfólio de máquinas Wittmann Battenfeld.
Fig.4: a configuração da linha celular. O conceito é projetado para ter uma ou várias unidades de plastificação fornecidas com gás por um gerador central de nitrogênio, incluindo a unidade de compressor. Um controlador de fluxo de gás controlado pelo software Cellmould e um injetor de gás são conectados a cada unidade de plastificação para medir o nitrogênio líquido no barril.
Fig.5: alta facilidade de utilização e transparência de processos foram as principais prioridades no desenvolvimento de processos. Assim, todos os parâmetros do processo podem ser definidos, monitorados e registrados através do sistema de controle da máquina.
quais os potenciais que a moldagem de espuma de alta pressão tem para oferecer?
no interior da cavidade do molde, a formação de espuma na concha exterior do material fundido é amplamente suprimida devido ao seu contato com a parede da cavidade resfriada e o aumento resultante na viscosidade, enquanto a área central mais quente favorece a formação da estrutura celular. Desta forma, as” estruturas em sanduíche ” são formadas em partes principais da parte moldada, consistindo em camadas de cobertura com alta densidade e partes do núcleo, cuja densidade de massa é 5 a 20% menor (Fig. 6a+b).
Fig. 6a & 6b: peças de plástico leves com uma concha exterior compacta e um núcleo de espuma estruturado, aqui ilustrado pelo exemplo de um componente de revestimento de PP com uma espessura de parede de 3 mm.
a possível redução da densidade na parte moldada mostra uma correlação directa com a razão Caminho do fluxo/espessura da parede para todos os tipos de materiais plásticos normalmente disponíveis. No processamento PP, por exemplo, uma redução de densidade de 15% pode ser alcançada a uma razão de 100: 1, enquanto a 150: 1 uma redução de densidade de apenas 10% pode ser esperada.
para além da redução do peso, a moldagem por injecção de espuma oferece um potencial adicional de melhoria na qualidade das peças moldadas, principalmente no que diz respeito à retracção e à warpage, graças ao efeito uniforme da pressão de expansão no interior do núcleo de espuma. Este efeito é tão forte que marcas de afundamento e warpage causados por encolhimento podem ser praticamente eliminados para 100 por cento, aumentando assim a precisão dimensional geral. Processadores também vai se beneficiar de diversas significativo tecnologia de processo de vantagens, tais como uma redução na força de fixação necessária até 50 por cento devido a uma diminuição na viscosidade de fusão e, conseqüentemente, a pressão de injecção, bem como vantagens comerciais por uma redução no tempo de ciclo, em especial, tempo de resfriamento, devido à diminuição de massa da peça moldada, que precisa ser refrigerado.
Alto brilho de superfícies por meio de dinâmica de molde a têmpera
apesar de explorar toda a gama de parâmetro variações oferecidos pela espuma processo de moldagem por injeção, peso-leve peças ainda mostrar característica estrias, cinza ou embaçamento na superfície como um atributo comum. Este efeito de superfície deve-se a bolhas de gás que penetram na frente do fluxo da fusão durante o processo de injecção. Esta estrutura solidifica-se quando entra em contacto com a parede da cavidade mais fria e, subsequentemente, mantém-se inalterada. Superfícies polidas, tais como são necessárias para peças visuais de componentes de caixa, não pode ser alcançado com a tecnologia padrão. No entanto, uma melhoria substancial da qualidade da superfície pode ser conseguida através de uma combinação de moldagem por injecção de espuma com temperamento cíclico e dinâmico do molde, como é oferecido, por exemplo, por Wittmann Battenfeld na forma de tecnologia BFMold e Variomould. Estas variantes usam um sistema de refrigeração integrado no molde para melhorar a superfície visível da parte moldada, seguindo o contorno da peça e operando ciclicamente com controladores de temperatura quente/frio. Este sistema controla a temperatura de áreas limitadas de molde perto da cavidade. Aquecendo a parede da cavidade, por exemplo com água pressurizada aquecida a 180°C imediatamente antes da injecção do material fundido com o conteúdo de gás, o material não entra em contacto com uma parede da cavidade fria no início, de modo que uma superfície fechada pode formar-se antes de solidificar (Fig. 7). Desta forma, a excelente qualidade da superfície pode ser alcançada, que está em pé de igualdade com a de peças de plástico compacto. A comparação entre partes com e sem arrefecimento dinâmico, como ilustrado na Fig. 8, mostra como o efeito do temperamento dinâmico do molde pode influenciar a qualidade da superfície.”
Fig.7: molde com sistema de arrefecimento variotérmico dinâmico para produzir um painel de caixa a partir de uma mistura PC/ABS com uma superfície de alto brilho.
Fig.8: painel decorativo feito de uma mistura PC/ABS, à esquerda fabricado com arrefecimento dinâmico ativo, à direita sem ativar temperamento dinâmico do molde.
elastómeros são também adequados para formação de espuma
a moldagem por injecção de espuma pode também ser alargada a elastómeros termoplásticos. Embora as boas estruturas de espuma possam ser obtidas através da formação de espuma química e física, por exemplo, com polipropileno e poliamida, a nossa série de ensaios revelou que a maioria dos tipos de EPT só podem ser espumados por moldagem por injecção de espuma física. E apenas os TPEs baseados em poliéster termoplástico apresentam resultados aceitáveis em termos de estrutura de espuma, finura de células e nivelamento. Os testes têm mostrado que o mais suave uma formulação TPE, os problemas de superfície mais fortemente vai aparecer em espuma, especialmente se a moldagem de injeção de espuma é combinada com abertura de molde de alta precisão. Especialmente quando a cavidade é puxada polida ou até mesmo de alto brilho polido, a superfície muitas vezes mostra numerosas amolgadelas. Foram propostas várias explicações diferentes para este fenómeno. Uma delas é que o ar já está fechado entre a parte moldada e a parede da cavidade enquanto a cavidade está sendo preenchida, que não pode escapar. Uma suposição alternativa é que a abertura de alta precisão leva a uma separação da parte de espuma da parede da cavidade, e que a parte de espuma expandida, quando entra em contato com a parede da cavidade novamente, envolve ar ou gás plástico em alguns lugares, o que, em seguida, provoca as amolgadelas.”
a série de ensaios mostrou que, ao contrário dos materiais termoplásticos técnicos rígidos e sólidos, os problemas de superfície no processamento do TPE podem ser significativamente reduzidos utilizando velocidades de injecção médias a baixas. Os efeitos igualmente positivos podem ser obtidos através da estruturação da parede da cavidade. Uma superfície texturizada, torrada ou granida permite que quaisquer potenciais bolhas de gás ou ar escapem através de micro canais na superfície de contacto entre a parte moldada e a parede da cavidade.
quanto às estrias na superfície, aplicam-se geralmente os mesmos princípios que na moldagem por injecção de espuma com plásticos de engenharia. Aqui, a solução é também usar temperamento dinâmico em torno dos contornos do lado visível. Se a abertura de alta precisão for aplicada simultaneamente, o estofo de espuma macia de alta qualidade, por exemplo, para apoios de braços na construção de veículos, ou amortecedores para aparelhos manuais que devem ser protegidos contra danos derrubados, pode ser produzido a baixo custo. Este assunto será debatido num relatório separado numa das próximas questões.
com mofo inovador e Tecnologia de máquina para aplicação ampla
já foi mencionado em conexão com a melhoria da superfície que a tecnologia de molde inovador desempenha um papel vital na moldagem de injeção de espuma. Outra área de moldagem e Tecnologia de máquina especialmente voltada para moldagem por injeção de espuma é o sistema de abertura parcial de molde através da máquina de moldagem por injeção, que permite a combinação de componentes compactos com espuma em uma única parte moldada por injeção. Isto é necessário sempre que elementos funcionais feitos de material bastante compacto, tais como ganchos, molas ou parafusos, devem ser combinados com componentes de painel feitos de material de espuma. Para perceber isso, a parte da cavidade a ser espuma em torno do curso de espuma é feita móvel. Em um primeiro passo, toda a cavidade para a parte moldada é preenchida como é feito para uma parte moldada compacta. Subsequentemente, apenas a parte a ser espuma é aberta por um curso de alta precisão. Desta forma, os componentes de habitação com interfaces mecânicas complexas com os componentes parceiros também podem ser realizados no design de peso leve.
os valores-chave mecânicos podem ser previstos com fiabilidade
as partes moldadas para injecção em espuma de alta pressão têm uma estrutura em sanduíche característica com camadas de cobertura compactas e uma camada de núcleo em espuma. O limite entre a camada de cobertura e o núcleo é relativamente abrupto. Em componentes de baixa espessura, a camada central tem uma densidade virtualmente constante em toda a largura do núcleo, enquanto no caso de grande espessura total um perfil de densidade característico está presente. A implementação do processo tem tão pouca influência na densidade da camada de cobertura Compacta como o tipo de injeção de gás escolhido. Consequentemente, os parâmetros de projeto mais importantes são a redução da densidade projetada para a parte central e a espessura da parede. Estes podem ser claramente definidas por resultados de medição e servir como figuras-chave para um modelo de cálculo desenvolvido pelo Dr. Norbert Müller, fundador da Schaumform, como parte de sua dissertação de prever o mecânico atributos de componentes.
design do processo baseado num modelo de cálculo
o ponto de partida para o cálculo do modelo é uma estrutura simétrica em sanduíche, na qual, em termos ligeiramente simplificados, os valores materiais específicos do material compacto são assumidos para as camadas de cobertura. Para o núcleo de espuma, assumem-se valores-chave próximos da realidade para o módulo E E e a tensão de fractura (tensão de rendimento para materiais dúcteis). O comportamento do núcleo de espuma é derivado do comportamento de todo o componente sanduíche, que funciona bem se a espessura das camadas de cobertura é conhecida. Os ensaios em que o núcleo de espuma é extraído de um componente e subsequentemente testado mecanicamente são possíveis, mas conduzem a resultados de medição fortemente dispersos, que, consequentemente, têm apenas um significado muito limitado.
a teoria e a prática são consistentes
o método ideal para testar a rigidez e a resistência é através da utilização de varetas de ensaio normalizadas produzidas a partir de folhas de espuma estruturadas moldadas por injecção. Em alternativa, se esta opção não estiver disponível, podem ser utilizadas barras de ensaio normalizadas com uma secção transversal de 4 x 10 mm (por exemplo, barras de tensão do campus). No entanto, ao analisar os valores de medição, deve-se levar em conta que não só as camadas de cobertura de 10 mm de largura das varetas padrão são compactas, mas também as superfícies laterais de 4 mm de profundidade. Consequentemente, uma haste de tensão padrão espuma é comparável a um pequeno tubo rectangular (10 x 4 mm) com aprox. Parede com espessura de 0, 4 a 1, 0 mm e núcleo em espuma.
como se pode esperar, a avaliação dos ensaios de tensão de tracção mostra que, à medida que a proporção de espuma aumenta, o módulo de elasticidade de tensão de tracção e a resistência à tracção diminuem em conformidade. Isso se deve ao fato de que apenas a quantidade de material ainda contido no componente pode suportar a tensão mecânica ou contribuir para suportar a carga. Assim, os produtos moldados por injeção em espuma apresentam uma taxa de expansão mais elevada quando expostos à mesma carga e quebram sob uma carga máxima mais baixa. Somados a isso são efeitos de entalhe causados por células de espuma perto da camada de cobertura. Os resultados da medição mostram regularmente que a diminuição da resistência à tracção é invariavelmente, pelo menos, igual à redução do peso parcial. (Figo.9)
resistência à tracção (N/mm2) – resistência ao impacto charpy (kJ/m2) – estirpe de fractura (%) – PP compacto
Fig.9: Alteração na resistência à tração, resistência ao impacto e de fraturas de tensão de PP-SGS 40 dependendo do percentual de espuma (0, 5, 10, 15 por cento)
resistência à tração (N/mm2) – charpy resistência ao impacto (kJ/m2) – fratura por deformação (%) – compacto PP
Sob carga de flexão, os valores absolutos de resistência à flexão e resistência à flexão também são reduzidos. No entanto, uma vez que as estruturas em sanduíche são muito mais resistentes a este tipo de carga, a perda de Resistência aqui é significativamente menor do que para a tensão de tracção. A resistência à flexão diminui numa percentagem inferior ao peso da peça. Nas figuras 10 e 11 está documentado que, por exemplo, com um grau de formação de espuma de 15%, a rigidez em relação ao peso aumentou 4,8% em comparação com a parte compacta sem espuma ou, por outras palavras, é possível realizar componentes rígidos com um peso inferior.
designação do eixo-Peso rel. a rigidez – peso residual
Fig.10: a mudança na resistência flexural, o atributo mais importante para componentes de habitação. A resistência à flexão em relação ao peso das amostras de ensaio diminui apenas ligeiramente com 5% de espuma, enquanto permanece igual à parte compacta com 10% de espuma, e mostra até um aumento notável com uma redução de 15% na densidade.
resistência à flexão em relação ao peso medido calculada
Fig.11: Uma comparação entre a resistência flexural relacionada com o peso, de acordo com o cálculo do modelo (Schaumform), e os resultados das medições em varetas de flexão moldadas por injecção com secção transversal de 10 x 7 mm, mostra uma boa e excelente congruência.
resumo
a tecnologia de moldagem por injecção de espuma recebeu um novo impulso inovador devido à tendência crescente para aplicações leves. As inovações mais recentes dizem respeito a métodos para melhorar a qualidade da superfície na direção de alto brilho, bem como a combinação de segmentos compactos com espuma em uma única parte moldada. As contribuições mais importantes foram feitas por novos desenvolvimentos na tecnologia de processos e moldes, que vão desde o temperamento dinâmico do molde até a abertura de alta precisão de moldes inteiros ou segmentos de cavidade em uma ou várias etapas. Os cálculos de modelos comprovados, que estão agora geralmente disponíveis, oferecem potencial adicional para assistência na concepção de peças e layout. Em suma, o processo de moldagem por injecção de espuma atingiu, assim, um grau de maturidade tão elevado como o processamento convencional por moldagem por injecção. Oferece reduções precisas e repetíveis de densidade e estruturas em sanduíche para uma gama de materiais plásticos em constante crescimento, incluindo elastômeros termoplásticos.