ESTUDO DA ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE PEÇAS DE PP MOLDADOS
POR INJEÇÃO EM FERRAMENTAS DE PROTOTIPAGEM
1,3
1
1
2,3
1
1,2
C. H. Ahrens , A. C. Ferreira , G. Salmoria , N. Volpato , F. H. Lafratta , J. A. Foggiatto ,
1
UFSC – Departamento de Engenharia Mecânica CIMJECT
Caixa Postal 476 Florianópolis - SC - Brasil CEP 88040- 900 [email protected]
2
CEFET- PR DAMEC/NuPES
3
MANET- GPR (Grupo de Prototipagem Rápida)
Resumo
Este trabalho investiga a estrutura cristalina e a dureza Shore D de peças de polipropileno
injetadas em ferramentas de prototipagem fabricadas por dois processos: Modelagem por Fusão e
Deposição (FDM) de ABS e usinagem por Comando Numérico Computadorizado (CNC) de
ferramentas em epóxi e em aço. Observou- se, através de análises de DRX, uma maior presença da
forma cristalina beta nas peças injetadas, mesmo naquelas injetadas em aço, devido provavelmente a
o
cristalização sob cisalhamento causada pela temperatura de injeção (175 C). Nas peças injetadas
em insertos de ABS e de epóxi observou-se uma maior proporção da forma beta influenciando assim
os valores de dureza Shore D.
Palavras-chaves: Moldagem por Injeção, Ferramental Rápido Direto, PP, Formas Cristalinas,
Dureza Shore.
INTRODUÇÃO
As técnicas de fabricação rápida de ferramentas/insertos para moldes de injeção,
proporcionam vantagens importantes às equipes de projeto responsáveis pelo desenvolvimento de
produtos injetados. A fabricação rápida do molde, e posterior injeção da peça, permite avaliar o
protótipo do produto na sua forma final e com o mesmo material a ser utilizado na produção. Além
disso, estes processos fornecem informações essenciais para o projeto final da ferramenta de
injeção. As técnicas de ferramental rápido direto (DRT) foram originariamente desenvolvidas
utilizando-se insertos feitos em estereolitografia (SL) e ainda hoje estão restritas a poucos processos
(11)
de prototipagem rápida .
Insertos fabricados por Ferramental Rápido Direto através de FDM
O processo FDM de prototipagem rápida desenvolvido pela Stratasys Inc. utiliza um sistema de
construção que combina a movimentação de uma cabeça extrusora, nas direções x e y, com a de
uma plataforma que se desloca na direção z. A cabeça extrusora traça os perímetros da seção
transversal e os preenche com material polimérico, usualmente em ABS, construindo assim cada
camada até que o protótipo seja finalizado. Este processo foi utilizado para DRT no trabalho de
1
Masood et al (1999) , quando foi desenvolvido um novo filamento composto de uma mistura de pó
metálico e um polímero buscando uma melhora no desempenho da ferramenta.
Insertos fabricados por usinagem CNC em placas de epóxi
Outro método tradicionalmente utilizado para a confecção de insertos, com o objetivo de se
obter uma pré-série do produto em desenvolvimento, é a fabricação da cavidade em materiais de fácil
usinagem. Placas de resina epóxi constituem uma boa opção para tal, sendo seu procedimento de
usinagem semelhante ao utilizado tradicionalmente na produção de insertos em aço. Este material é
utilizado principalmente para a confecção de modelos padrão e protótipos. Sua utilização em insertos
para injeção vem sendo investigada como opção para a obtenção de um número reduzido de
protótipos injetados. Chama- se a atenção para o fato de que existem outras resinas no mercado,
1892
específicas para aplicação da tecnologia de ferramental rápido usinado, mas a um custo mais de
duas vezes superior ao da resina epóx i.
Em insertos fabricados em material polimérico por estas técnicas de DRT, a taxa de retirada de
calor da peça é menor, se comparada àquela obtida com o uso de ferramentas de aço. Em
decorrência disto, muitas vezes, pode ocorrer uma variação indesejada nas propriedades mecânicas
2
das peças injetadas, gerando peças que não satisfazem os requisitos de projeto .
Com o objetivo de avaliar a influência da taxa de retirada de calor, causada pelo uso de
diferentes materiais na confecção das ferramentas, foram realizados experimentos envolvendo
ensaios de dureza e de difração de raio X em corpos de prova injetados em insertos de ABS (FDM),
epóxi e, como referência, em aço.
MATERIAIS E MÉTODOS
A geometria escolhida para a fabricação dos insertos foi a do corpo de prova de tração ASTM
D 638m tipo IV (Figura 1) que será utilizado também para avaliar futuramente a variação da
resistência mecânica das peças em função do tipo de inserto e das condições de processamento.
Ponto de injeção
Figura 1: Corpo de prova ASTM D 638m tipo IV.
O inserto em ABS foi fabricado na forma de casca (Figura 2a), em uma máquina FDM 2000,
com espessura do filamento de 1,75 mm. Posteriormente foi feito o preenchimento na parte traseira
utilizando-se uma resina de poliéster (Figura 2b).
Figura 2a: Insertos em ABS fabricados pelo
processo FDM.
Figura 2b: Preenchimento dos insertos com
resina de poliéster
®
Para a produção do inserto usinado em epóxi foi usada uma placa de usinagem REN SHAPE
460. O aço 1045 foi utilizado para a fabricação do inserto metálico. A Figura 3 ilustra estes insertos
montados no porta- molde.
A resina selecionada foi o polipropileno (PP) isotático H 301, fornecido pela Braskem. O PP
isotático é um material semi -cristalino que pode apresentar em sua estrutura as formas
cristalográficas alfa, beta e gama.
1893
Figura 3: Insertos usinados em placa de epóxi e aço, respectivamente
3
A máquina injetora utilizada foi uma ARBURG 320S 500-150 com rosca de 35 mm de
diâmetro, cujos parâmetros de injeção adotados estão listados na Tabela I. Para a injeção das peças
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utilizou-se o método de “Preenchimento Incompleto” onde se determina seqüencialmente: volume
para o preenchimento da cavidade, velocidade de injeção, pressão de injeção, tempo de injeção,
pressão e tempo de recalque. Este último é realizado com o auxílio de uma balança onde se define o
patamar em que não há variação significativa do peso da peça em função do aumento do tempo de
recalque.
Tabela I: Parâmetros de injeção utilizados.
ABS
EPOXI
Pressão de injeção (MPa)
Pressão de recalque (MPa)
Velocidade de injeção (m/s)
Tempo de recalque (s)
o
Temperaturas no cilindro ( C)
27
16
0,12
7
170,165,160,155,150
28
16
0,12
14
175,170,165,160,155
AÇO
31
15,5
0,11
12
180,175,165,160,155
Nos ensaios para a verificação da variação da dureza Shore D, utilizou- se o durômetro
5
WULTEST SD 300 , com resolução de um dígito. A Figura 1 mostra a localização dos pontos de
medição ensaiados.
Para as análises de difração de raios X foram escolhidas as 2 regiões extremas (pontos 1 a 9 e
17 a 25) por terem as mesmas apresentadas alguma variação durante o ensaio de dureza. O
equipamento utilizado para medir o grau de cristalinidade dos corpos de prova foi o difratômetro de
6
raios- X Philips modelo X’PERT MPD com radiação K a do cobre.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela II mostra as médias da variação da dureza Shore D, para cada ponto (Figura 1),
alcançadas para 5 corpos de prova injetados em ABS, epóxi e aço. A Figura 4 apresenta uma
representação em 3 dimensões destes resul tados.
Os resultados de dureza obtidos para as peças injetadas no inserto de aço apresentaram uma
dureza Shore D média igual a 69 com uma pequena variação entre os pontos selecionados.
Para as peças injetadas nos insertos de ABS e epóxi a dureza média encontrada foi igual a 68,
sendo que a variação entre os pontos foi maior do que aquela apresentada nas peças injetadas no
inserto de aço.
Tabela II: Média das variações de dureza Shore D nos pontos do corpo de prova.
DUREZA SHORE D
Pontos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
66 68 70 68 70 70 67 69 70 71 70 69 69 68 68 69 68 66 66 70 70 66 68 66 65
ABS
1894
EPÓXI
AÇO
66 68 68 68 69 69 67 68 67 68 68 68 70 70 70 67 65 68 65 72 70 67 69 70 68
67 68 69 68 70 71 68 69 69 70 70 70 70 71 70 70 70 70 69 70 70 69 69 69 69
EPÓXI
75
AÇO
70
75
65
70
65
Ponto de
Injeção
60
Dureza Shore D
65 - 66
67 - 68
69 - 70
60
71 - 72
ABS
75
70
65
60
Figura 4: Resultados em 3D das variações de dureza Shore D nos corpos de prova injetados em aço,
epóxi e ABS.
De cada grupo de peças selecionadas para o ensaio de variação de dureza foi escolhida uma
com valores de dureza próximo dos valores médios de cada ponto. Devido aos resultados alcançados
nos ensaios de dureza, que mostraram maior variação de valores nos pontos mais extremos das
peças injetadas, suas extremidades foram cortadas e submetidas ao ensaio de difração de raio X.
A Figura 5 ilustra os resultados obtidos dos ensaios de difração de raios X de uma das
extremidades de cada amostra analisada, em função da outra extremidade apresentar resultados
similares. Os corpos de prova injetados em insertos de ABS e epóxi se mostraram bem similares com
o
relação a composição das formas cristalinas, onde a forma predominante foi a beta (2 Teta = 16 ) em
o
o
relação a alfa (2 Teta= 14 e 18,8 ). Sob diferentes condições de processo, o PP apresenta três
7
formas cristalográficas: alfa, beta e gama . A forma alfa é termodinamicamente mais estável e mais
comumente encontrada em peças moldadas. A forma beta pode ser gerada por cristalização
o
isotérmica num intervalo aproximado de temperaturas entre 100 e 130 C ou por cristalização sob
89
cisalhamento .
Os difratogramas mostraram que para todos os corpos de prova testados houve presença das
formas cristalinas alfa e beta. Contudo, no corpo de prova do inserto de aço, notou- se uma maior
presença da forma alfa e um maior halo (área formada abaixo da base dos picos), que pode ser
traduzido como uma presença maior da fase amorfa em sua estrutura. Nos demais difratogramas este
halo se mostrou menor, sugerindo uma maior presença da fase cristalina nestas peças, em relação
as peças de referência injetadas em aço. Tal ocorrência pode estar relacionada com a taxa de
resfriamento das peças.
Os resultados apresentados sugerem que o aparecimento da fase beta causou a redução da
dureza Shore D nos corpos de prova ensaiados quando comparados a valores comumente
encontrados para peças injetadas de PP (71 a 73 Shore D). Tal afirmativa se fundamenta no fato de
que a fase beta, detectada no ensaio de difração de raio X nos locais onde o valor da dureza foi
9
menor, possa ter levado a uma possível degradação nas propriedades mecânicas do PP isotático .
1895
A aparição de maiores quantidades da forma beta em relação a alfa nas peças injetadas nos
insertos de ABS e epóxi, comparadas as injetadas em aço, pode ser explicada pelo fato que estes
materiais são péssimos condutores de calor (condutividade térmica - k - de 0,25 W/m-°C e 0,2 W/m10
°C, respectivamente . Portanto, sua taxa de retirada de calor é menor do que a comumente
encontrada em ferramentas de produção, permitindo assim um resfriamento lento a altas
89
temperaturas (100- 150º C), o que contribui para a formação da forma beta . Soma-se a este fato a
provável cristalização sob cisalhamento devido as condições do processo de injeção dos corpos de
89
prova, isto é, uma temperatura de fundido muito próxima a do ponto de fusão do PP . Isto também
explicaria o aparecimento da forma beta nos corpos de prova injetados no inserto de aço, o que não
10
era previsto devido a sua boa condutividade térmica (k1045= 49,8 W/m-°C ).
Inserto em ABS : Difratograma de raio-X
25000
20000
20000
Intensidade
Intensidade
Inserto em aço : Difratograma de raio-X
25000
15000
10000
5000
15000
10000
5000
0
3
8
13
18
23
28
0
33
3
8
13
18
2 Teta
23
2 Teta
28
33
Inserto em epóxi : Difratograma de raio-X
35000
Intensidade
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
3
8
13
18
23
28
33
2 Teta
Figura 5: Difratogramas do corpo de prova injetado em insertos de aço, ABS e epóxi.
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos através deste trabalho mostraram o surgimento da forma beta nos
diferentes corpos de prova de PP injetados, inclusive nos moldados em aço. Esta aparição da forma
beta pode ter sido provocada por cristalização sob cisalhamento em função de ter sido utilizadas
baixas temperaturas na moldagem dos corpos de prova (em torno de 175 °C) com o objetivo de
preservar a vida dos insertos de ABS e epóxi.
O fato das peças injetadas nos insertos de ABS e epóxi terem apresentado maiores
quantidades da forma beta, quando comparadas a injeção em aço, pode ser explicado, em parte, pela
baixa taxa de retirada de calor apresentada por estes materiais dos insertos.
Novos ensaios, onde se deverá utilizar uma temperatura do fundido por volta de 210 °C, estão
sendo planejadas para que se possa verificar qual a intensidade da contribuição da baixa temperatura
de injeção, bem como a influência da taxa de resfriamento em moldes poliméricos na formação da
forma cristalográfica beta. Além dos resultados relatados, o presente trabalho também permitiu
comprovar a viabilidade técnica da utilização de protótipos em ABS na fabricação rápida de
ferramentas para injeção de termoplásticos.
1896
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STUDY OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF PP PARTS INJECTED MOLDED
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UFSC – Departamento de Engenharia Mecânica CIMJECT
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CEFET- PR DAMEC/NuPES
3
MANET- GPR (Rapid Prototyping Group)
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ABSTRACT
This work investigates the crystalline structure and the hardness Shore D of injected
polypropylene parts in prototyping tools manufactured by two processes: Fused Deposition Modeling
(FDM) of ABS and Computer Numeric Control (CNC) machining of tools in epoxy and steel. It was
observed, through analyses of DRX, a large presence of the crystalline form beta in the injected parts,
even in those injected in steel, which probably was due to the crystallization under shear caused by
o
the melt temperature during injection molding (175 C). In the parts injected in ABS and epoxy inserts
a bigger ratio of the form beta was observed, reflecting in the Shore D hardness’ values.
Key- Words : Injection Molding, Rapid Tooling, Polypropylene, Crystalline Forms, Shore D
Hardness.
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