Porque é que alguns produtos racham ou deformam inesperadamente? É fundamental compreender as forças ocultas no interior dos materiais. Este artigo explora a forma como as tensões internas se formam durante o processo de arrefecimento de produtos moldados por injeção, centrando-se nos efeitos dos gradientes de temperatura e das pressões de moldagem. Ficará a saber como estas tensões afectam a qualidade do produto e descobrirá estratégias para as minimizar, garantindo materiais mais fortes e fiáveis. Mergulhe na descoberta dos segredos por detrás das tensões internas e melhore o seu processo de fabrico.
1. A geração de tensões internas
Nos produtos moldados por injeção, o estado de tensão apresenta variações locais, influenciando significativamente os padrões de deformação do produto. Estas tensões, conhecidas como "tensões de formação", resultam principalmente de gradientes de temperatura durante o processo de arrefecimento.
As tensões internas nos produtos moldados por injeção podem ser classificadas em dois tipos principais: tensão de moldagem e tensão térmica.
Quando o polímero fundido é injetado numa cavidade de molde mais fria, ocorre uma rápida solidificação na interface da parede da cavidade. Este arrefecimento súbito faz com que as cadeias de polímero "congelem" num estado de não-equilíbrio, resultando numa fraca condutividade térmica e em gradientes de temperatura acentuados ao longo da espessura do produto. O núcleo do produto solidifica mais lentamente, levando frequentemente a cenários em que a porta solidifica antes da solidificação completa do núcleo. Este fenómeno impede que a máquina de moldagem por injeção compense o encolhimento induzido pelo arrefecimento.
Consequentemente, desenvolve-se uma distribuição complexa de tensões no interior do produto: o interior sofre tensões de tração, enquanto a camada superficial sofre tensões de compressão. Esta distribuição de tensões cria um padrão de contração interna que se opõe ao comportamento da camada de pele rígida.
Durante a fase de enchimento, a geração de tensões não é atribuída apenas aos efeitos da contração volumétrica. A expansão do sistema de canais e da região da comporta também contribui significativamente. As tensões induzidas pela contração alinham-se com a direção do fluxo da massa fundida, enquanto as tensões relacionadas com a expansão actuam perpendicularmente ao fluxo, originadas pela expansão localizada na saída da porta.
Em condições de arrefecimento rápido, a orientação pode provocar a formação de tensões internas no material polimérico. A elevada viscosidade da fusão do polímero significa que a tensão interna não pode relaxar rapidamente, o que afecta as propriedades físicas e a estabilidade dimensional do produto.
Efeitos dos parâmetros no stress de orientação:
Uma temperatura de fusão elevada conduz a uma viscosidade baixa e a uma tensão de corte reduzida, resultando numa orientação reduzida. No entanto, a temperatura elevada também acelera o relaxamento da tensão e aumenta a libertação da orientação. Se a pressão da máquina de moldagem por injeção não for ajustada, a pressão da cavidade aumentará, conduzindo a um efeito de cisalhamento mais forte e a um aumento da tensão de orientação.
O prolongamento do tempo de espera antes do fecho do bocal aumenta a tensão de orientação.
O aumento da pressão de injeção ou de retenção aumenta a tensão de orientação.
Uma temperatura elevada do molde garante que o produto arrefeça lentamente, desempenhando um papel de desorientação.
O aumento da espessura do produto reduz a tensão de orientação porque os produtos de paredes espessas arrefecem lentamente, o que leva a um aumento lento da viscosidade e a um longo processo de relaxamento da tensão, resultando numa pequena tensão de orientação.
Como referido anteriormente, o grande gradiente de temperatura entre a massa fundida e a parede do molde durante o enchimento do molde resulta em tensão de compressão (tensão de contração) na camada exterior e tensão de tração (tensão de orientação) na camada interior.
Se o molde for preenchido durante um período de tempo mais longo sob a influência da pressão de retenção, o polímero fundido é novamente preenchido na cavidade, aumentando a pressão da cavidade e alterando a tensão interna causada pela temperatura irregular. No entanto, se o tempo de retenção for curto e a pressão da cavidade for baixa, o produto manterá o seu estado de tensão original durante o arrefecimento.
Se a pressão da cavidade for insuficiente nas fases iniciais do arrefecimento do produto, a camada exterior do produto formará uma depressão devido à contração da solidificação. Se a pressão da cavidade for insuficiente nas fases posteriores, quando o produto tiver formado uma camada dura e fria, a camada interior do produto pode separar-se devido à contração ou formar uma cavidade.
A manutenção da pressão da cavidade antes do fecho do portão ajuda a aumentar a densidade do produto e a eliminar a tensão da temperatura de arrefecimento, mas também provoca uma elevada concentração de tensão junto ao portão.
Por conseguinte, ao moldar polímeros termoplásticos, uma pressão mais elevada no molde e um tempo de espera mais longo ajudam a reduzir a tensão de contração causada pela temperatura e aumentam a tensão de compressão.
A tensão interna de um produto influencia significativamente as suas propriedades mecânicas e o seu desempenho global. A distribuição não uniforme das tensões pode levar à formação de fissuras durante a utilização do produto, comprometendo a integridade estrutural e a longevidade.
Quando utilizados abaixo da temperatura de transição vítrea, os produtos podem sofrer deformações ou deformações irregulares. Além disso, pode ocorrer um "branqueamento" ou turvação da superfície, degradando as propriedades ópticas e o aspeto estético. Estes fenómenos são frequentemente manifestações de tensões residuais retidas no material durante o processamento.
Para atenuar a distribuição desigual das tensões e melhorar a uniformidade das propriedades mecânicas, podem ser utilizadas várias estratégias:
Tanto os polímeros cristalinos como os amorfos apresentam uma resistência à tração anisotrópica, uma caraterística intimamente ligada à orientação molecular durante o processamento. A relação entre a resistência à tração e os parâmetros de processamento varia consoante o tipo de polímero e a orientação da porta:
Para polímeros amorfos:
Este comportamento é atribuído à interação entre os efeitos de orientação e desorientação. Temperaturas de fusão mais elevadas aumentam a mobilidade molecular, promovendo a desorientação e reduzindo o aumento da resistência induzido pela orientação. A orientação da porta influencia os padrões de fluxo, afectando assim o alinhamento molecular.
Os polímeros amorfos apresentam normalmente uma anisotropia mais forte do que os polímeros cristalinos, o que resulta numa maior resistência à tração perpendicular à direção do fluxo. O grau de anisotropia mecânica depende da temperatura:
Esta sensibilidade à temperatura sublinha a importância de um controlo preciso do processo para obter as propriedades mecânicas desejadas.
Em resumo, o aumento da temperatura de fusão diminui geralmente a resistência à tração, tanto para os polímeros cristalinos como para os amorfos. No entanto, os mecanismos subjacentes são diferentes:
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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