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.
Nos produtos moldados por injeção, o estado de tensão varia localmente e o grau de deformação do produto dependerá da distribuição da tensão. Estas tensões podem ocorrer quando o produto tem um gradiente de temperatura enquanto está a arrefecer e são, por isso, referidas como "tensão de formação".
Existem dois tipos de tensão interna nos produtos moldados por injeção: tensão de moldagem e tensão de temperatura.
Quando o material plástico derretido é injetado num molde com uma temperatura mais baixa, o material plástico perto da parede da cavidade solidifica rapidamente, fazendo com que as cadeias moleculares "congelem". Isto resulta numa fraca condutividade térmica e num grande gradiente de temperatura na espessura do produto. O núcleo do produto solidifica-se mais lentamente, levando a uma situação em que a porta é fechada antes de a massa fundida ter solidificado no centro do produto. Isto impede que a máquina de moldagem por injeção reponha a retração de arrefecimento.
Consequentemente, o interior do produto está sujeito a um estiramento estático, enquanto a camada superficial está sujeita a uma compressão estática. O encolhimento interno do produto é oposto ao da camada de pele dura.
Durante o processo de enchimento, a tensão não é apenas causada pelo efeito de contração do volume, mas também pelo efeito de expansão do corredor e da saída da comporta. A tensão causada pelo efeito de retração do volume está relacionada com a direção do fluxo do plástico fundido, enquanto a tensão causada pelo efeito de expansão é perpendicular à direção do fluxo, devido à expansão na saída.
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 presença de tensões internas num produto pode afetar significativamente as suas propriedades mecânicas e a sua capacidade de utilização. A distribuição desigual das tensões internas pode provocar fissuras no produto durante a sua utilização.
Quando utilizado abaixo da temperatura de transição vítrea, o produto pode sofrer deformações ou deformações irregulares, e a sua superfície pode tornar-se "esbranquiçada", turva, com propriedades ópticas prejudicadas.
A redução da temperatura no portão e o aumento do tempo de arrefecimento lento podem ajudar a melhorar a tensão desigual no produto e tornar as suas propriedades mecânicas mais uniformes.
Tanto os polímeros cristalinos como os amorfos apresentam uma resistência à tração anisotrópica. A resistência à tração dos polímeros amorfos varia consoante a localização da porta. Quando a porta está alinhada com a direção de enchimento, a resistência à tração diminui à medida que a temperatura de fusão aumenta. Quando a porta é perpendicular à direção de enchimento, a resistência à tração aumenta com o aumento da temperatura de fusão.
Um aumento da temperatura de fusão reforça o efeito de desorientação e reduz o efeito de orientação, reduzindo a resistência à tração. A orientação do portão pode afetar a orientação, influenciando a direção do fluxo.
Os polímeros amorfos têm uma maior resistência à tração na direção perpendicular à direção do fluxo do que os polímeros cristalinos, devido à sua maior anisotropia. A injeção a baixa temperatura tem maior anisotropia mecânica do que a injeção a alta temperatura, sendo a relação de intensidade da direção vertical para a direção do fluxo de 2 quando a temperatura de injeção é baixa e de 1,7 quando é alta.
Em conclusão, o aumento da temperatura de fusão diminui a resistência à tração tanto para os polímeros cristalinos como para os amorfos, mas o mecanismo é diferente, sendo este último devido a uma redução na orientação.
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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