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SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS EM INSERTOS DE ESTEREOLITOGRAFIA

C. H. Ahrens, A. S. R. Junior, W. N. Mascarenhas, F. Dabbas

Departamento de Engenharia Mecânica, CIMJECT, Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Universitário - Trindade, Cx. Postal 476, Florianópolis - SC, Cep: 88040-900

Palavras-chave: estereolitografia, prototipagem rápida, reologia, sistemas CAE.

Resumo

O projeto e a fabricação por moldagem por injeção de peças plásticas têm sido auxiliados cada vez mais pelas recentes técnicas de prototipagem rápida (Rapid Prototyping), que utilizam o princípio de adição por camadas, além da fabricação rápida de ferramental (Rapid Tooling), técnica esta que consiste da fabricação de moldes através de um processo de prototipagem rápida. No caso particular do projeto de insertos para a moldagem por injeção, pode-se utilizar insertos fabricados pelo processo de estereolitografia para injetar uma pequena quantidade de peças. Este trabalho ilustra, através de um estudo de caso, recomendações para a definição dos parâmetros de injeção de peças de plástico neste tipo de ferramenta.

Através da análise reológica do processo de injeção, pode-se determinar os parâmetros do processo de injeção otimizados (pressão de injeção, temperatura do molde e da massa fundida, tempo de injeção, etc.), além de características importantes como tensões residuais, tempo de resfriamento, posição das linhas de solda e localização de eventuais aprisionamentos de ar. Segundo Kennedy (1995), este procedimento é necessário para garantir que a peça injetada apresente um bom acabamento superficial e dimensões dentro da tolerância especificada. Esta análise pode ser realizada com o auxílio de sistemas CAE como MoldFlowTM, que utiliza o método dos elementos finitos e o método das diferenças finitas para determinar uma solução aproximada das equações de estado.

O MoldFlow possui uma interface gráfica que permite ao usuário desenvolver a etapa de pré-processamento de maneira simples e organizada. A sua grande deficiência esta no CAD utilizado para obter o modelo geométrico da peça estudada, sendo mais viável desenvolver esta tarefa com o auxílio de outro programa. Ao importar o modelo CAD da peça, a malha é automaticamente gerada, cabendo ao usuário definir o seu grau de refinamento. A partir da malha gerada, o usuário então aplica as condições de contorno do problema: posição do ponto de injeção, temperatura do molde e moldado e tempo, pressão ou vazão de injeção. Além disso, deve-se definir o material a ser injetado, que pode ser selecionado do banco de dados do programa ou caracterizado pelo usuário.

A análise reológica, conforme descrita acima, geralmente é utilizada para definir os parâmetros de injeção em moldes de aço, material tradicionalmente utilizado para a fabricação deste tipo de ferramenta. Como o presente estudo consiste no projeto de um molde fabricado por estereolitografia, cujas propriedades relevantes a analise são diferentes daquelas apresentadas pelo aço, houve a necessidade de ajustar os valores destas grandezas no programa, para melhor representar o modelo estudado. Foi utilizada uma resina a base de epóxi SOMOS 7110, a qual possui as seguintes propriedades: densidade de 1215 kg/ , calor específico de 2150 J/kg.°C e condutividade térmica de 0,2 W/m.°C. Para as demais condições de contorno, foram adotados os valores sugeridos pelo programa e escolhido um tempo de preenchimento de 2,5 segundos.

Os resultados obtidos em duas simulações podem ser visualizados na figura 1. Conforme ilustrado na Figura 1.a, ocorre uma situação indesejada pois como a região A da peça será preenchida antes da região B (extremidade da mola), haverá uma compactação excessiva de material na região A e conseqüentemente um eventual empenamento da peça. Para evitar este efeito foi realizada uma nova análise, alterando a posição do ponto de injeção para aquela indicada na Figura 1.b, resultando no preenchimento mais uniforme da peça, minimizando assim o risco de empenamento.


Uma característica particular dos insertos de estereolitografia é a deficiência térmica que este tipo de ferramenta apresenta, comparado com os moldes de aço ou alumínio (Dusel et al, 1998). Como pode ser visto na figura 2, é necessário um longo tempo para resfriar a peça no molde de estereolitografia (cerca de quatro vezes maior do que o tempo necessário para resfriar a mesma peça em um molde de aço), o que aumenta consideravelmente o tempo total do ciclo. Porém, este problema é irrelevante uma vez que a aplicação usual dos moldes de estereolitografia consiste na fabricação de pequenos lotes de peças injetadas.


Baseado nos resultados obtidos e no que foi apresentado anteriormente, o estudo mostrou que o projeto reológico de uma peça a ser moldada por injeção é extremamente útil. De posse dos parâmetros de processo otimizados, obtidos através desta análise, é possível otimizar tempo de ciclo e prever eventuais defeitos que podem comprometer a qualidade superficial e dimensional da peça.

Agradecimentos: Os autores agradecem ao CNPQ, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, pelo suporte financeiro e pela bolsa de iniciação científica.

Referências:

DUSEL, K. H.; ESCHL, J.; EYERER, P.; LÜCK, T.; "Rapid Tooling Simulation and Applications of the Injection Moulding Process". IKP: University of Stuttgart. Stuttgart, Germany. 1998.
KENNEDY, P.. Flow analysis of injection molds. Munich, Vienna, New York: Hanser, 1995. xv + 237 p..
MALLOY, R. A.. Plastic part design for injection molding: an introducction. Munich; Vienna; New York: Hanser, 1994. xii + 460 p..