Por que alguns produtos racham ou deformam inesperadamente? É fundamental entender as forças ocultas dentro dos materiais. Este artigo explora como as tensões internas se formam durante o processo de resfriamento de produtos moldados por injeção, concentrando-se nos efeitos dos gradientes de temperatura e das pressões de moldagem. Você aprenderá como essas tensões afetam a qualidade do produto e descobrirá estratégias para minimizá-las, garantindo materiais mais fortes e confiáveis. Mergulhe de cabeça para descobrir os segredos por trás das tensões internas e aprimorar seu processo de fabricação.
1. A geração de estresse interno
Em produtos moldados por injeção, o estado de tensão apresenta variações locais, influenciando significativamente os padrões de deformação do produto. Essas tensões, conhecidas como "tensões de formação", surgem principalmente dos gradientes de temperatura durante o processo de resfriamento.
As tensões internas em produtos moldados por injeção podem ser categorizadas em dois tipos principais: tensão de moldagem e tensão térmica.
Quando o polímero fundido é injetado em uma cavidade de molde mais fria, ocorre uma rápida solidificação na interface da parede da cavidade. Esse resfriamento repentino faz com que as cadeias de polímeros "congelem" em um estado de não equilíbrio, resultando em baixa condutividade térmica e gradientes de temperatura acentuados ao longo da espessura do produto. O núcleo do produto se solidifica mais lentamente, muitas vezes levando a cenários em que a porta se solidifica antes da solidificação completa do núcleo. Esse fenômeno impede que a máquina de moldagem por injeção compense o encolhimento induzido pelo resfriamento.
Consequentemente, uma distribuição complexa de tensão se desenvolve dentro do produto: o interior sofre tensão de tração, enquanto a camada superficial sofre tensão de compressão. Essa distribuição de tensão cria um padrão de encolhimento interno que se opõe ao comportamento da camada de pele rígida.
Durante a fase de enchimento, a geração de tensão não é atribuída apenas aos efeitos de contração volumétrica. A expansão do sistema de canais e da região do portão também contribui significativamente. As tensões induzidas pela retração se alinham com a direção do fluxo de fusão, enquanto as tensões relacionadas à expansão agem perpendicularmente ao fluxo, originando-se da expansão localizada na saída da porta.
Sob condições de resfriamento rápido, a orientação pode causar a formação de tensões internas no material polimérico. A alta viscosidade da fusão do polímero significa que a tensão interna não pode relaxar rapidamente, o que afeta as propriedades físicas e a estabilidade dimensional do produto.
Efeitos dos parâmetros no estresse de orientação:
Uma alta temperatura de fusão leva a uma baixa viscosidade e a uma tensão de cisalhamento reduzida, resultando em uma orientação reduzida. No entanto, a alta temperatura também acelera o relaxamento da tensão e aumenta a liberação da orientação. Se a pressão da máquina de moldagem por injeção não for ajustada, a pressão da cavidade aumentará, levando a um efeito de cisalhamento mais forte e ao aumento da tensão de orientação.
O aumento do tempo de retenção antes do fechamento do bocal aumenta a tensão de orientação.
O aumento da pressão de injeção ou de retenção aumenta a tensão de orientação.
Uma alta temperatura do molde garante que o produto esfrie lentamente, desempenhando um papel de desorientação.
O aumento da espessura do produto reduz a tensão de orientação porque os produtos com paredes espessas esfriam lentamente, o que leva a um aumento lento da viscosidade e a um longo processo de relaxamento da tensão, resultando em uma pequena tensão de orientação.
Como dito anteriormente, o grande gradiente de temperatura entre a massa fundida e a parede do molde durante o preenchimento do molde resulta em tensão compressiva (tensão de contração) na camada externa e tensão de tração (tensão de orientação) na camada interna.
Se o molde for preenchido por um longo período de tempo sob a influência da pressão de retenção, o polímero derretido será reabastecido na cavidade, aumentando a pressão da cavidade e alterando a tensão interna causada pela temperatura irregular. Entretanto, se o tempo de retenção for curto e a pressão da cavidade for baixa, o produto manterá seu estado de tensão original durante o resfriamento.
Se a pressão da cavidade for insuficiente nos estágios iniciais do resfriamento do produto, a camada externa do produto formará uma depressão devido ao encolhimento da solidificação. Se a pressão da cavidade for insuficiente nos estágios posteriores, quando o produto tiver formado uma camada dura e fria, a camada interna do produto poderá se separar devido ao encolhimento ou formar uma cavidade.
A manutenção da pressão da cavidade antes do fechamento da porta ajuda a aumentar a densidade do produto e a eliminar a tensão da temperatura de resfriamento, mas também causa uma alta concentração de tensão perto da porta.
Portanto, ao moldar polímeros termoplásticos, uma pressão mais alta no molde e um tempo de retenção mais longo ajudam a reduzir a tensão de contração causada pela temperatura e aumentam a tensão de compressão.
A tensão interna em um produto influencia significativamente suas propriedades mecânicas e seu desempenho geral. A distribuição não uniforme da tensão pode levar à formação de rachaduras durante o uso do produto, comprometendo a integridade estrutural e a longevidade.
Quando utilizados abaixo da temperatura de transição vítrea, os produtos podem apresentar deformação irregular ou empenamento. Além disso, pode ocorrer "branqueamento" ou turvação da superfície, degradando as propriedades ópticas e o apelo estético. Esses fenômenos geralmente são manifestações de tensões residuais presas no material durante o processamento.
Para atenuar a distribuição desigual da tensão e aumentar a uniformidade das propriedades mecânicas, várias estratégias podem ser empregadas:
Tanto os polímeros cristalinos quanto os amorfos apresentam resistência à tração anisotrópica, uma característica intimamente ligada à orientação molecular durante o processamento. A relação entre a resistência à tração e os parâmetros de processamento varia de acordo com o tipo de polímero e a orientação da porta:
Para polímeros amorfos:
Esse comportamento é atribuído à interação entre os efeitos de orientação e desorientação. Temperaturas de fusão mais altas aumentam a mobilidade molecular, promovendo a desorientação e reduzindo o aumento de resistência induzido pela orientação. A orientação do portão influencia os padrões de fluxo, afetando, assim, o alinhamento molecular.
Os polímeros amorfos geralmente apresentam anisotropia mais forte em comparação com os polímeros cristalinos, resultando em maior resistência à tração perpendicular à direção do fluxo. O grau de anisotropia mecânica depende da temperatura:
Essa sensibilidade à temperatura ressalta a importância do controle preciso do processo para obter as propriedades mecânicas desejadas.
Em resumo, o aumento da temperatura de fusão geralmente diminui a resistência à tração dos polímeros cristalinos e amorfos. Entretanto, os mecanismos subjacentes são diferentes:
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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