Estudo compara aço e alumínio na fabricação de ferramental de injeção

Muitos especialistas acham que, na fabricação de moldes para injeção, o alumínio está associado tanto à curta vida útil quanto a altos níveis de desgaste. Contudo, em alguns casos esse material oferece enorme potencial em relação aos aços-ferramenta convencionais. A susceptibilidade do alumínio ao desgaste pode ser combatida atualmente com o uso de sistemas de revestimento aperfeiçoados, os quais tornam o metal ainda mais atraente devido à sua densidade três vezes menor, condutibilidade térmica mais alta e difusividade térmica seis vezes melhor.


B. Hennrich, M. Bastian e P. Heidemeyer

Data: 12/05/2017

Edição: PI Março 2017 - Ano - 19 No 223

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Microscopia em lâmina fina usando luz polarizada transmitida de uma peça de PA 6.6 fabricada por injeção em molde de alumínio: ainda há preconceito em relação ao uso de alumínio na fabricação de moldes (figura fornecida pelo SKZ)

Apesar de seus enormes benefícios físicos, nas últimas decadas o alumínio não apresentou uma posição condizente com suas vantagens na fabricação de moldes e ficou restrito ao nicho da construção de protótipos. Uma enquete feita no mundo dos transformadores de plásticos e fabricantes de moldes revelou um confuso conjunto de afirmações pró e contra o uso de alumínio na fabricação de ferramentas para injeção. Elas refletem um levantamento real feito entre 46 empresas transformadoras de plástico e fabricantes de moldes na Alemanha, que revelou, inclusive, algumas contradições.

Esse foi o caso, por exemplo, da opinião de alguns entrevistados sobre as tendências claramente melhores em termos de contração e distorção das peças fabricadas com moldes das peças fabricade alumínio, enquanto outros afirmaram exatamente o contrário. As conclusões conflitantes também ocorreram no caso do potencial de redução dos tempos de ciclo, assim como nas opiniões divididas quanto à qualidade da reprodução de estruturas superficiais. Somente quatro dos entrevistados afirmaram usar alumínio de forma bem-sucedida em seus moldes para injeção, produzindo até mesmo peças em série usando ferramental feito com esse metal (figura 1). Afinal, o que essas empresas sabem mais do que as demais?

Uma revisão bibliográfica feita sobre as questões mencionadas também não trouxe nenhuma resposta inequívoca. Em consequência disso, foi implementado o projeto de pesquisa “Moldes de Alumínio para a Produção em Série”, patrocinado pelo estado livre da Bavária, na Alemanha. Nesse trabalho foram comparados dois materiais competidores em potencial, o 1.2312 (40CrMnMoS8-6), como representante dos aços-ferramenta, e o 3.4365 (Fortal 7075), como representante das ligas de alumínio (tabela 1), do ponto de vista dos seguintes critérios:

Uma vez que as possibilidades de resposta dos materiais poliméricos são imensamente amplas, foram escolhidos dois representantes de cada tipo principal de resina, ou seja, parcialmente cristalina e amorfa, para efetuar as comparações entre os materiais para moldes (tabela 1).

O corpo de prova moldado por injeção apresentava formato de placa com espessura de 3 mm, uma nervura longitudinal e duas regiões com superfície funcionalizada (figura 2). Para garantir igualdade de condições, o controle de temperatura e a geometria do ponto de entrada de resina fundida na cavidade do molde de ambas as ferramentas, de aço e alumínio, foram idênticos. Em termos de parâmetros da injetora, foram variados apenas os parafusos de ajuste correspondentes às temperaturas da resina e da entrada no molde, bem como a velocidade de injeção.


Propriedades detalhadas dos materiais competidores, aço e alumínio, bem como das resinas selecionadas para efetuar as comparações


Fig. 1 – Um levantamento feito pelo SKZ abordouexperiência prática com moldes de alumínio 46 empresas sobre sua

Em ambos os casos a temperatura de desmoldagem foi mantida constante. Para tanto, o ciclo foi adaptado de forma a reduzir o tempo de resfriamento residual. A competição entre ambos os materiais para moldes ocorreu numa injetora com 800 kN (aproximadamente 81 toneladas) de força de fechamento (modelo HM800, fabricada pela Wittmann Battenfeld GmbH, sediada em Kottingbrunn, Áustria), disponível nas oficinas do Centro de Plásticos da Alemanha Meridional (Süddeutsches Kunststoff-Zentrum, SKZ), em Würzburg.









Reprodução de estruturas superficiais

A reprodução de estruturas superficiais foi determinada em ambas as regiões funcionalizadas do corpo de prova com ajuda de um dispositivo para aferição de brilho. Os efeitos assim medidos devem ser interpretados de maneira diferente conforme a superfície. Uma superfície polida que apresenta alto grau de brilho corresponde ao caso de uma reprodução de estrutura superficial muito boa, porque a maior parte da luz que incide sobre uma superfície com polimento fino se reflete e, dessa forma, ocorre pouco espalhamento. Já em superfícies erodidas ocorre o contrário: neste caso, um alto grau de brilho constitui um índice associado à má reprodução da estrutura superficial. Caso a estrutura da superfície erodida seja mal reproduzida no plástico, suas elevações e vales angulosos serão alisados e, dessa forma, a luz incidente não será dispersa sobre a superfície.


Fig. 2 – Os corpos de prova usados nos ensaios para comparação entre moldes de aço e de alumínio incluíam duas regiões funcionalizadas e uma nervura longitudinal

No caso de superfície polida e com alto brilho, as peças moldadas por injeção usando ferramentas de aço ou alumínio, feitas com as resinas amorfas ABS e PC, não apresentaram diferença. Já no caso das resinas parcialmente cristalinas, a má reprodução da estrutura superficial ficou visível no caso das peças fabricadas usando moldes de alumínio. Ocorreu uma constatação inequívoca no caso da região erodida: neste caso, o molde de alumínio reproduziu de forma menos satisfatória as estruturas superficiais do que o molde de aço, tanto no caso das resinas amorfas quanto das parcialmente cristalinas (figura 3).

Placar parcial: Aço 1 x 0 Alumínio

Fig. 3 – Os resultados da aferição de brilho nas superfícies erodidas para as resinas de PEAD e ABS provaram que ocorreu pior reprodução das estruturas superficiais no caso do molde feito de alumínio do que no feito de aço. A razão para isso são as propriedades térmicas mais altas do alumínio

Fig. 4 – No caso das peças injetadas de PA 6.6 feitas em molde de alumínio ocorreu significativa queda do módulo de elasticidade (à esquerda), enquanto os resultados obtidos para o ABS amorfo mantiveram-se dentro de amplas faixas de variação sobrepostas (à direita)

Apesar de ter sido usada a mesma temperatura de entrada no molde, a maior condutibilidade térmica do alumínio fez com que a superfície da cavidade apresentasse menores temperaturas, o que degradou a reprodução das estruturas superficiais, especialmente no caso das superfícies com estrutura erodida.

Propriedades mecânicas

O segundo critério de julgamento foi definido por um conjunto de propriedades mecânicas: módulo de elasticidade, limite de resistência e alongamento. No caso das resinas amorfas foram obtidos os mesmos valores dessas propriedades, independentemente do fato de elas terem sido moldadas por injeção em ferramentas de aço ou de alumínio. Os valores das propriedades medidas variaram apenas dentro de faixas gerais de dispersão. Por sua vez, as duas representantes das resinas parcialmente cristalinas reagiram de maneira significativamente sensível ao material usado na fabricação do molde. Especialmente no caso da poliamida, os valores do módulo de elasticidade mostraram-se significativamente inferiores no caso dos corpos de prova confeccionados em moldes de alumínio (figura 4).

Placar parcial: Aço 2 x 0 Alumínio

Ainda que somente as propriedades mecânicas dos polímeros parcialmente cristalinos tenham sido degradadas, o ponto no placar vai para o aço. Isto porque a alta taxa de resfriamento no molde de alumínio retardou a formação da estrutura cristalina o que, em consequência, levou à obtenção de menores valores de propriedades mecânicas.

Contração

Ao passo que os moldes de aço se mostraram superiores nos dois primeiros critérios, a situação se inverteu nos resultados dos testes de contração feitos neste estudo. Todas as peças fabricadas usando moldes de alumínio mostraram graus de contração menores ou, no máximo, iguais aos das que foram feitas nos moldes de aço. Conforme já era esperado a partir da experiência prática, os valores de contração subiram, para ambos os tipos de material de molde, para temperaturas crescentes de molde e de resina (figura 5).

Placar parcial: Aço 2 x 1 Alumínio

Do ponto de vista da contração, as menores temperaturas no ponto de entrada da resina fundida no molde no início do ciclo e a extração de calor mais rápida que ocorre nos moldes de alumínio exerceram efeito positivo. Portanto, o alumínio foi claramente o vencedor deste critério.

Distorção

Fig. 5 – Os resultados da contração na direção da largura para duas resinas, PA 6.6 e PEAD, em função da temperatura do molde, mostram a influência da maior condutividade térmica e das menores temperaturas de molde a ela associadas

Os valores de distorção foram determinados ao longo da nervura usando um dispositivo para medição por coordenadas. Os resultados confirmaram as respostas contraditórias observadas nas entrevistas com os especialistas. Os valores obtidos de distorção para a poliamida ao usar o molde de alumínio situaram-se um pouco acima dos conseguidos nos corpos de prova confeccionados em molde de aço, enquanto se obteve situação inversa no caso do PEAD. Contudo , quando os corpos de prova foram removidos tura do molde. Sob maiores temperaturas do molde, ao substituir o aço por alumínio, o tempo de ciclo pôde ser reduzido em quase um terço (até 31%). Mesmo em termos médios, a redução ainda foi da ordem de 20%. A mensuração da temperatura de desmoldagem foi feita por meio de termografia em linha (figura 6).

Placar final: Aço 3 x 3 Alumínio

O resultado do último critério mostrou a razão mais importante para se usar alumínio na fabricação de moldes. Além do material empregado na fabricação do molde, a resina que está sendo processada influencia fortemente o potencial de redução do tempo de ciclo. De fato, foi constatado que o ABS apresentou apenas um pequeno potencial de economia, que variou somente de 11 a 18%. Este efeito pode ser entendido quando se observa que o ABS mostra valores de condutividade térmica significativamente menores em relação às demais resinas selecionadas para este trabalho. De fato, no caso do ABS, o transporte de calor desde o interior da parede da peça moldada até a superfície do molde é mais de 50% pior em relação à PA 6.6.


Fig. 6 – Registros termográficos para o PEAD durante a adaptação desde tempos de ciclo para mesmas temperaturas de desmoldagem (parte superior da figura) a tempos de ciclo iguais e diferentes temperaturas de desmoldagem (parte inferior da figura): o molde de alumínio apresenta claras vantagens em termos de tempo de ciclo

Conclusões

Seguramente o alumínio não é o material de molde mais adequado para todas as resinas ou geometrias de peça. Mas se os requisitos impuserem que se deve ter o menor tempo de ciclo possível, então é imperativo que o alumínio seja incluído como uma alternativa econômica.

Agradecimentos

Este estudo feito pela Associação Patrocinadora do Centro do Plástico da Alemanha Meridional (Fördergemeinschaft für das Süddeutsche KunststoffZentrum, FSKZ) foi financiado pelo programa para patrocínio da “Pesquisa Cooperativa Industrial” do Ministério do Estado da Baviera para Economia, Infraestrutura, Trânsito e Tecnologia (Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie).

Os autores gostariam de agradecer às seguintes empresas pelo apoio e manufatura das placas para os moldes:

Além disso, também são devidos agradecimentos a todos os colaboradores do Centro do Plástico da Alemanha Meridional (Süddeutsches Kunststoff-Zentrum, SKZ) que participaram deste trabalho, como Sven Ehrke, Sören Seidel e Manfred Popp, cuja ajuda foi fundamental para que esse trabalho fosse executado dentro de condições adequadas.