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Manual
de
Moldagem
Rotacional
Ciência da Moldagem Rotacional
(capítulo I)
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Índice
Índice ............................................................................................................... 2 1 Conceito:.................................................................................................... 3 Lógica da formação da camada .............................................................................. 3 2 Parâmetros de processo da sinterização dinâmica - variáveis de processo: ..................... 3 3 Conceitos básicos adotados para definição dos parâmetros de processo:........................ 4 a) Rotações do Platô e do Braço (máquina com movimentos biaxiais):........................... 4 b) Posição inicial de referência do molde: ............................................................ 5 c) Com o molde parado na posição inicial de referência define-se o centro de gravidade da partícula de referência e a linha de centro da carga de material dentro do molde: ............... 6 d) Mudança na linha de nível do material dentro do molde em movimento: ................... 6 e) Velocidade de deposição: ............................................................................. 7 f) Definição da velocidade de deposição: ............................................................. 9 Primeiro Passo: Cálculo da distância a ser percorrida pela resina em cada rotação do molde. ..... 9 Segundo Passo: Definição da velocidade de deposição em função do tipo de resina e da granulometria. ................................................................................................... Considerações básicas: ....................................................................................... Faixas de velocidades de deposição: ......................................................................... Exemplo de cálculo de rotações ............................................................................ Cálculos:........................................................................................................ Ajuste de velocidade: ........................................................................................ Trajetórias do material dentro do molde: ................................................................... Condição básica: .............................................................................................. Exemplos de trajetórias (capítulo 3 – Lógicas de Distribuição) ........................................ Informações Complementares: ................................................................................ Curva de distribuição granulométrica: .................................................................... Tabela de tamanho de partículas nas escalas Tyler e US Mesh: .......................................
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um desequilíbrio térmico, assim sendo, mesmo que ocorra um número equilibrado de contatos com a resina, a deposição será desuniforme com a moldagem de camadas com espessuras diferentes.
3 Conceitos básicos adotados para definição dos parâmetros de
processo:
Em virtude de a moldagem rotacional ser um processo dinâmico no qual os moldes carrega- dos com resina micronizada estão em movimento constante, recebendo energia térmica que promo- vem as mudanças de estado da resina dentro do molde em cada fase do “ tpf ” (tempo de permanên- cia no forno) foram definidas algumas condições para facilitar a análise de cada etapa do processa- mento.
a) Rotações do Platô e do Braço (máquina com movimentos biaxiais):
As máquinas de moldagem rotacional com conceito biaxial podem ser configuradas com dife- rentes geometrias de braços. Podem ser centralizados ou retos, descentralizados ou “off set”, entre outras geometrias. Para efeito de estudos serão adotadas as configurações de braços mais utiliza- dos.
A figura nº 01 mostra o cabeçote de sincronismo dos movimentos biaxiais de um braço cen- tralizado ou reto utilizado normalmente em máquinas tipo “carrossel” e tipo “shuttle”.
A montagem dos moldes sobre o braço de uma máquina de rotomoldagem (biaxial) pode ser realizada fixando-se um molde diretamente sobre o platô ou um suporte porta moldes também co- nhecido como “aranha ou spider”, mostrado na figura nº 02 abaixo.
Figura nº 01: Definições das rotações do platô e do braço reto de máquina com movimentos biaxiais
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b) Posição inicial de referência do molde:
Para efeito de análise considera-se o braço com os moldes posicionados horizontalmente conforme mostrado na figura nº 03. Os pontos identificados com as letras “ A e B’ ” consistem na posição do centro de gravidade da partícula de referência e linhas de centro das cargas de resina depositadas em cada um dos moldes montados no braço da máquina. Os pontos “ A’ e B ” consistem em pontos futuros do mesmo centro de gravidade da partícula de referência e da linha de centro da carga de material depositado em cada um dos moldes quando ocorrer um giro de 180° no braço da máquina.
Figura nº 02: Montagem de moldes sobre o platô de uma máqui- na com braço reto com indicação dos movimentos biaxiais.
Figura nº 03: Posição inicial do molde e pontos de referência adotados para cálculos da trajetória do material, velocidades e tempo de contato da partícula.
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A variação dos parâmetros básicos é influenciada pelo índice de fluidez seca (dry flow) da resina e pela velocidade periférica tangencial do molde.
Quanto menor for o índice de fluidez seca (flui em menor tempo) tanto menor será o ângulo de arraste do material, assim como, quanto menor for a velocidade tangencial do molde, também menor será o ângulo de arraste da resina.
Para que ocorra menor variação no processo de deposição da resina deve-se adotar a velo- cidade de deposição adequada ao tipo de resina utilizada com índice de fluidez sob controle.
Se a resina micronizada apresentar variações de parâmetros além da faixa de controle, difi- cilmente o processo de moldagem mostrar-se-á capaz de gerar peças tecnicamente adequadas, no entanto, se a resina estiver sob controle, o movimento da resina dentro do molde manter-se-á cons- tante seguindo uma trajetória matemática perfeita e paralela com o ponto de referência a uma distân- cia correspondente ao ângulo de arraste.
e) Velocidade de deposição:
A velocidade de deposição da resina deve ser calculada em função das características do molde e da resina a ser processada. Quando se adota parâmetros aleatórios, sem considerar as ca- racterísticas técnicas do processo, na maioria dos casos pode ocorrer a formação de defeitos na su- perfície interna da peça e na uniformidade da espessura de parede da peça.
Quando a velocidade adotada for muito baixa pode ocorrer excesso de deposição de resina a cada contato com o molde e a espessura da parede se formar com poucas deposições de sub cama- das (as subcamadas terão espessuras maiores). Desta maneira, dificilmente se consegue distribuir adequadamente o material por toda a superfície interna do molde e gerar paredes com espessuras uniformes mesmo com equilíbrio térmico e tempos de contato adequados.
Figura nº 05: Diferenças entre os parâmetros básicos de processo com o molde parado em comparação com o molde em movimento.
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Por outro lado, quando a velocidade de deposição for demasiadamente alta, as partículas em contato com a superfície do molde que apesar de aquecidas podem não ter tempo de contato sufici- ente para atingir a temperatura de taque necessária (adquirir a consistência adesiva) para se fixarem e se desprendem da parede do molde que ao retornarem sobre a carga de resina solta entram em contato com outras partículas podendo formar pequenos aglomerados de resina.
Estes aglomerados, pelo efeito da segregação de partículas são a última porção de material a se fixar no molde formando saliências na superfície interna da peça, conforme ilustra a figura nº 06 , figura nº 07 e figura nº 08.
Figura nº 06: Desprendimento de partícula de resi- na da superfície do molde
Figura nº 07: Defeitos gerados na superfície interna da peça (grumos).
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Considerando-se a peça mostrada na figura nº 09 , montada no braço de uma máquina de moldagem rotacional com movimentos biaxiais, temos que definir:
- Perímetro (em metros) a ser percorrido pelo material na trajetória gerada pelo movimento do braço durante uma volta completa:
- Perímetro (em metros) a ser percorrido pelo material na trajetória definida pelo movimento do platô durante uma volta completa:
A peça mostrada da figura nº 09 está sendo moldada com o molde montado em um braço re- to de máquina com movimentos biaxiais, nas condições mostradas abaixo.
Para peças com outra geometria, porém moldadas utilizando-se as mesmas condições de montagem no braço, conforme figura nº 11 , o cálculo das distâncias a serem percorridas pelo mate- rial dentro do molde torna-se:
P 1 = 2 (L + D) m
P 2 = (∏. D) m
Figura nº 10: Condições de montagem dos moldes em braço reto
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- Perímetro (em metros) a ser percorrido pelo material na trajetória definida pelo movimento do platô durante uma volta completa:
- Perímetro (em metros) a ser percorrido pelo material na trajetória definida pelo movimento do braço durante uma volta completa:
Segundo Passo: Definição da velocidade de deposição em função
do tipo de resina e da granulometria.
A velocidade tangencial periférica (velocidade de deposição da resina) dos moldes depende das características reológicas das resinas, tais como a temperatura inicial de deposição e final de fusão, índice de fluidez, etc.
As rotações do braço e do platô devem ser definidas a partir da velocidade de deposição (ve- locidade tangencial periférica do molde) que depende do tempo de contato, da quantidade de energia térmica específica do molde e da granulometria das partículas.
Figura nº 11: Cálculo de distância a ser percorrida pelo material dentro do molde utilizando-se diâmetro médio
P 1 = (∏. Dm) m
P 2 = 2 (H + Dm) m
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Os movimentos gerados pelas rotações do braço e do platô geram uma velocidade resultante que deve atender às indicações do gráfico na figura nº 12.
Faixas de velocidades de deposição:
1- PeAD – PP e ABS : Resinas com índices de fluidez de 8,0 a 30 g/10 min (190°C – 2, Kg – também para PP) e granulometria de #35 mesh devem ser processados com veloci- dade de deposição na faixa de 0,8 a 6,0 m/min, com limite máximo em 15 m/min (indica- dos na faixa verde do ábaco). A utilização de velocidades acima de 15 m/min não é indi- cada por dificultar às partículas atingirem a temperatura de taque. Em muitos casos, a re- sina inicia o processo de degradação antes da deposição (podendo criar o efeito torra- deira que possibilita ao produto degradar antes de se fixar nas paredes).
2- PVC – Plastisóis : Resinas líquidas com índices de fluidez de 3 a 10 g/10 min com tempe- ratura ambiente sem pressão devem ser processadas com velocidades de deposição de 0,4 a 2,0 m/min. As resinas com viscosidades mais baixas devem ser processadas com velocidades maiores para evitar escorrimentos e formação de caroços na superfície inter- na da peça – faixa de 2,0 a 8,0 m/min. As resinas de PVC micropeletizadas ou microniza- das devem ser processadas com velocidades de 0,1 a 0,4 m/min na fase de deposição e velocidades de 2,0 a 8,0 m/min na fase de cura (processamento com dois passos de mol- dagem).
3- PeLMD – PeLBD : Resinas micronizadas com granulometria de #30 mesh e índices de fluidez entre 4,0 e 10,0 g/10 min (190°C – 2,16Kg) devem ser processadas com velocida- des de deposição de 10,0 a 25,0 m/min. Para resinas com índice de fluidez de 1,5 até 3, g/10 min (190°C – 2,16 Kg) devem ser processadas com velocidades de deposição entre 4,0 e 10,0 m/min e resinas com índices de fluidez menores que 1,5 g/10 min (190°C –
Figura nº 13: Velocidades geradas pelos movimentos do platô e braço
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2,16 Kg) devem ser micronizadas com granulometria de #40 mesh ou menor e processa- das com velocidades de 0,4 a 4,0 m/min.
As velocidades de deposição acima de 30 m/min são utilizadas para moldagens de peças com múltiplas camadas simultâneas (em ciclo único) e que dependem do efeito da segregação de partículas para promover a separação das camadas.
As rotações do braço e platô são calculadas a partir de:
- Trajetórias do material dentro do molde comandadas pelos movimentos do platô e do braço.
- Definição da “ predominância ” e da “ evolução ” da trajetória do material de acordo com a ge- ometria e posição de montagem dos moldes sobre o platô.
- Definição da lógica de distribuição.
- Definir a velocidade de deposição a ser aplicada em função da resina e granulometria.
Exemplo de cálculo de rotações
Dados: Especificações técnicas indicadas na ficha técnica do produto
- Resina a ser moldada: PeLMD
- Escala Granulométrica: #30 mesh (600 microns)
- Índice de Fluidez: 5,0 g/10 min (190°C – 2,16 Kg)
- Temperatura inicial de deposição: 126°C
- Temperatura final de fusão: 148°C
Definição da faixa de velocidade de deposição indicada para o material a ser moldado, de a- cordo com a especificação do gráfico da figura nº 12.
Para moldagem com resinas de polietileno linear de média densidade com índice de fluidez de 4,0 a 10,0 g/10 min (190°C – 2,16 Kg) a faixa de velocidade de deposição indicada é de 10,0 a 25,0 m/min.
O parâmetro inicial de velocidade que deve ser adotado sempre será o valor médio e que de- verá ser ajustado ao final dos cálculos para conciliar os parâmetros ideais para processamento da resina com os recursos disponíveis no equipamento de moldagem rotacional, assim sendo, a veloci- dade inicial de deposição será de 18,0 m/min.
Dados dos moldes montados sobre o platô (item 3f ):
- Perímetro médio do molde no sentido do movimento gerado pelo platô: 3,0 metros
- Perímetro médio do molde no sentido do movimento gerado pelo braço: 1,5 metros
De acordo com a geometria, a espessura de parede da peça e a posição que o molde está montado no braço da máquina de moldagem rotacional define-se a trajetória ideal para o material dentro do molde (as lógicas de distribuição que definem trajetórias, evolução e predominância de movimentos estão definidas no capitulo 3 – Lógicas de distribuição).
No exemplo definimos que a predominância do movimento é definida pelo movimento do bra- ço da máquina e a evolução definida pelo movimento do platô. Para peças com paredes finas e geo- metrias regulares deve-se adotar uma repetibilidade de distribuição no terceiro quadrante e relação de transmissão “ i = 0,625 ”.
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Considerando-se partículas com formas esféricas produzidas com resina de polietileno linear de média densidade, temos:
- Características geométricas das partículas:
- Temperatura final de fusão da resina: 148°C
- Calor Específico da resina PeLMD : C = 0,55 a 0,70 kJ/kg °C (1kJ = 0,2339 kcal)
- Energia Consumida Q = m C ∆T (kcal)
- Densidade da resina: 0,935 g/cm³
Dados das partículas de resina
Ф D
( μ m)
Volume V (mm³)
Área S (mm²) Massa (g)
Temperatura inicial de deposição (°C)
Energia Consumida Q 1 (kcal)
Temperatura final de fusão (°C)
Energia Consumida Q 2 (kcal)
150 1,7671 x 10-3^ 0,07068 1,6522 x 10-6^126 2,7066 x 10-8^148 3,2847 x 10- 600 0,1131 1,13094 1,0575 x 10-4^126 1,7324 x 10-6^148 2,1024 x 10-
Dados: C = 0,68 kJ/kg °C = 0,15905 kcal/kg °C Temperatura inicial da partícula T0 = 23°C
A principal transferência de energia térmica para a partícula ocorre através do contato entre molde e partícula (na fase térmica do processo de deposição), assim sendo, o tempo de contato defi- ne a quantidade de energia térmica transferida a cada movimento do molde.
“ Tempo de contato ” consiste no período de tempo em que o molde contata uma partícula de resina no ponto “ A ” até atingir o ponto “ D ”, sendo que se ao final deste intervalo de tempo a partícula adquiriu a temperatura de deposição ocorre sua fixação sobre a superfície interna do molde, caso contrário, a partícula retorna para a massa de resina solta dentro do molde.
Figura nº 14: Tamanho das Partículas de resina x Tempo de Fusão
Volume = 4/3 ∏ R³ Área Superficial = 4 ∏ R² Diâmetro D = 2 R
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Obs: Tempo de contato tem evolução regressiva em função da redução do volume de material solto em deposição dentro do molde, tendendo a zero quando a deposição for concluída. A temperatura do molde e do material depositado no molde tem evolução progressiva com o avanço do tpf.
As variáveis que definem o tempo de contato são o ângulo de contato da resina, o nível da carga de material dentro do molde e a velocidade tangencial periférica, conforme mostra a figura nº 15.
As partículas em contato com o molde têm velocidade relativa nula sendo arrastadas pelo movimento do molde promovendo um movimento de mistura das partículas dentro da massa de resi- na em deposição e a possibilidade de segregação de acordo com a massa das partículas.
Figura nº 15: Ilustração esquemática do “tempo de contato” e variáveis do processo
Figura nº 16: Velocidade relativa nula na região de contato da partícula com o molde
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A energia térmica recebida pela partícula progride para as demais áreas gerando um fluxo de calor que tende a promover o equilíbrio térmico das massas, conforme figura nº 19.
Quando a moldagem ocorre com velocidade muito baixas, a deposição da resina acontece sem segregação de partículas, pois o tempo de contato se torna demasiadamente longo e transmite energia térmica suficiente para as partículas adquirirem a temperatura de deposição independente do tamanho. Quando acontece tal efeito a superfície externa da peça moldada se compõe de partículas aleatórias gerando na maioria dos casos a formação de microporos.
Os microporos são normalmente gerados pelos espaços vazios entre partículas que não ad- quirem a viscosidade necessária para preenchê-los.
Figura nº 19: Fluxo de calor dentro da partícula de resina em aquecimento
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Após a conclusão da fase de deposição da resina inicia-se a fase de cura da resina, na qual as partículas de resina amolecem progressivamente unindo-se entre si até a formação de uma pare- de compacta sem a presença de microbolhas de ar, conforme ilustração abaixo:
Trajetórias do material dentro do molde:
A distribuição do material dentro do molde se assemelha ao processo de enrolamento de uma linha em um novelo que pode ser feito no sentido do diâmetro ou da altura do carretel. Para melhor entendimento subdivide-se o molde em quadrantes ( figura nº 23 ), sendo que o ponto de partida do processo de deposição adotado se localiza no ponto “ 0° ”, no qual o material se encontra no primeiro momento do processo de moldagem.
Figura nº 22: Evolução da união das partículas em contato entre si em função do aumento da temperatura
Figura nº 20: Formação de camada de espessura com micropellets, sem a ocorrência de segregação de partículas.
Figura nº 21: Deposição de partículas micronizadas
