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Tecnologia & Inovação

Injeção assistida por água: Novo conceito materializado num novo sistema

04 Maio 2023

Atualmente, na produção de peças poliméricas com geometrias complexas e ocas é utilizada a tecnologia de injeção assistida por água/gás. O processo consiste na injeção de água a pressões elevadas (até 200 bar), isto ocorre após o fecho do molde e injeção de polímero até ao preenchimento total da zona moldante. A injeção de água a pressões elevadas vai forçar o polímero, do núcleo da peça, a ser expulso para um reservatório. Esta expulsão de material é possível não só graças às elevadas pressões da água, mas também porque o polímero ainda se encontra num estado viscoso, facilitando o seu escoamento.


Deste modo, o proposto projeto surge da experiência da empresa MoldetipoII, no domínio da injeção com água que prevalece no grupo desde 2012. Neste domínio, têm sido implementados importantes avanços tecnológicos e internalizados diversos conhecimentos no domínio do processo da injeção assistida por água.



INJEÇÃO ASSISTIDA POR FLUIDO

A presente secção pretende explicar o conceito do projeto, vantagens e as diferentes variantes do processo de injeção assistida por fluido, para a criação de componentes poliméricos de secção vazada.


Nos últimos anos, esta tecnologia tem vindo a ter uma maior procura, para a fabricação de peças plásticas, graças à sua capacidade de produzir peças mais leves, com ciclos mais rápidos e uma maior poupança de matéria-prima (Liu & Wu, 2007). Estas características são ótimas para a produção de componentes para o sector automóvel e aeronáutica, pois é possível a produção de inúmeras peças com o seu interior vazado, com tempos de ciclo reduzidos e poupança na matéria-prima utilizada.



INJEÇÃO ASSISTIDA POR GÁS VERSUS ÁGUA

O processo assistido a gás, além de ter uma menor sustentabilidade, também demonstra outras desvantagens em relação ao processo assistido por água. O arrefecimento da peça é cerca de 50 % mais lento do que o processo a água, pois este meio possui um coeficiente de condutividade térmica superior ao do gás (Fleck, 2007), condição necessária para a redução do tempo de ciclo de produção. Na Figura 1, pode-se verificar a diferença de temperaturas, após a injeção de um componente (tubo com 10mm diâmetro), entre a injeção a gás ou a água.


A incompressibilidade da água permite um melhor controlo do processo, colocando exigências mais rigorosas à unidade de injeção de água, visto que é necessário fornecer um fluxo volumétrico, de forma contínua. Uma das vantagens da água em relação ao gás verifica-se durante as fases de compactação e arrefecimento, uma vez que o melhor desempenho da água permite que o fundido possa ser arrefecido no seu interior, reduzindo consideravelmente o tempo de arrefecimento (Protte & Konejung, 2003).


Nas peças de secção vazada, torna-se evidente a diferença entre a moldação por injeção assistida a gás e assistida a água, onde a reduzida fase de compactação utilizada na IAG pode causar um aspeto de espuma na superfície interior da peça moldada. Neste sentido, no processo de injeção assistida por água, a utilização de água proporciona uma solidificação da superfície interna muito rápida, o que vai originar um não gotejamento de fusão a partir das paredes, como se verifica no processo de injeção assistida por gás, provocando a grande rugosidade ou efeito de espuma no interior da peça moldada, conforme demonstra a Figura 2 (Liu, et al., 2018).


A distribuição da espessura residual da parede ao longo do caminho do fluxo é um dos critérios essenciais para a produção de componentes de plástico com uma secção vazada. Por um lado, as propriedades mecânicas da peça são diretamente afetadas pela distribuição da espessura residual das paredes, assim como a contração e os empenos da peça (Kamal, et al., 2009).


Contudo, o processo de injeção assistida a água pode dar origem a defeitos não verificados no processo de injeção assistida por gás. Os defeitos ilustrados na Figura 3 são os erros mais comuns no processo IAA, mas podem ser eliminados mediante a escolha adequada dos parâmetros de processamento, nomeadamente taxas e pressões de escoamento e pressão.


O defeito “partial shaping with steam" (moldação parcial com vapor) é causado por uma taxa de caudal de água insuficiente. No caso dos “pore" (poro), a pressão da água é definida de modo que se forme lentamente uma pele fina a baixa pressão, a qual é então penetrada pela pressão da água. Os processos de difusão da água são responsáveis pelos defeitos de "bubble" (bolhas) e "chamber" (câmaras), “void" (vazio), desenvolvidos durante a solidificação do material fundido sob baixa pressão, quer no lado do molde quer no lado do fluido. A contração característica do material permite a formação de vazios entre as camadas de solidificação exteriores. Os vazios podem igualmente ser eliminados ou minimizados recorrendo à utilização de umo elevado caudal durante a fase de injeção e de uma pressão de água elevada durante a fase de compactação/arrefecimento. A solidificação lenta do material proporcionará a redução da formação de espaços vazios (Protte & Konejung, 2003).



CONCEITO E SOLUÇÃO PROPOSTA

A solução proposta resulta na criação de um sistema com a tecnologia que proporcione de forma eficiente, a injeção de peças vazadas (ocas) com recurso a um conjunto de inovações desenvolvidas no âmbito do projeto.


Entre as principais características do sistema de injeção assistida por água desenvolvido, destaca-se o controlo preciso das características das peças injetadas. Com este sistema, é possível ajustar de forma precisa vários parâmetros de injeção, como o fluxo de injeção de água, a definição precisa das etapas de injeção, tanto do polímero como da água injetada e também o controlo específico da temperatura do meio transiente. Esses ajustes permitem obter peças com maior precisão dimensional, reduzindo a necessidade de retrabalhos permitindo a injeção de produtos de complexidade superior garantindo a qualidade final do produto.


A presente proposta teve como base a produção de componentes vazados com várias ramificações para permitir a produção de peças complexas num único ciclo de injeção.


A abordagem primordial consiste na aplicação de vários injetores para jato de água, que são canalizados para as respetivas ramificações por vazar. Para que esta metodologia seja viável, os vários fluxos de água provenientes das várias ramificações têm de intercetar simultaneamente nas bifurcações, isto significa que cada corrente de água proveniente de cada canal ramificado tem de se intercetar simultaneamente com a corrente de água do corpo da secção vazada principal. Caso isto não aconteça, pode ocorrer a solidificação das paredes das várias ramificações, impedindo assim o escape do fluxo de polímero das ramificações levando a não vazar a peça na totalidade, ou mesmo esta falta de interceção pode vir a danificar o equipamento.


Perante este desenvolvimento o grupo Moldetipo deteve novas competências no setor da injeção de polímero assistido por água e adquiriu know how bastante específico a esta tipologia, sendo um dos pontos diferenciadores perante o mercado atual. Na Figura 4, podemos observar algumas peças injetadas pelo sistema desenvolvido.


Com o desenvolvimento deste projeto, o consórcio criou uma solução otimizada e de melhor performance do que atualmente o mercado oferece e que fará parte de uma solução comercializável: molde +


Sistema de injeção assistida água, chave na mão.



Texto: Artur Mateus e Ruben Silva (Centro para o Desenvolvimento Rápido e Sustentado de Produto - Politécnico de Leiria); Tiago Marques (Moldetipo-II), Madail Mendes (Teclena), António Pontes e Hugo Rodrigues (Instituto de Polímeros e Compósitos / Departamento de Polímeros - Universidade do Minho)
Publicação: Revista Molde 137