Influência dos parâmetros de moldagem na estrutura e propriedade de peças de paredes espessas e finas de polipropileno isotático injetadas em moldes-protótipo fabricados por vazamento de resina epóxi

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaA necessidade de protótipos com as mesmas propriedades do produto final, fez com que as técnicas de prototipagem rápida evoluíssem para métodos de fabricação rápida de ferramentas. Nesse contexto, tem se difundido o emprego de moldes de resina na moldagem de termoplásticos por injeção, em virtude do baixo custo, breve tempo de fabricação e razoável precisão dimensional. Entretanto, em comparação aos metais, as resinas apresentam baixas resistência mecânica, estabilidade térmica e condutividade térmica, resultando em menor durabilidade da ferramenta e em moldados com propriedades diferentes dos obtidos em moldes de produção convencional. A revisão do estado da arte da moldagem por injeção em moldes de fabricação rápida em resina revelou que a literatura se aprofunda pouco na investigação das influências dos parâmetros de injeção na estrutura e nas propriedades da peça e fornecem apenas recomendações genéricas, mais focadas na preservação física da ferramenta. Assim, o objetivo geral do trabalho é ampliar o conhecimento do processo de injeção em moldes de fabricação rápida em resina, concentrando-se sobre as influências das variáveis de controle do processo nas propriedades da peça moldada. Comparativamente ao processamento em moldes de aço, investigou-se a influência da temperatura do molde, temperatura de injeção, pressão de recalque e velocidade de injeção nas propriedades de peças de polipropileno isotático injetadas em moldes fabricados por vazamento de resina epoxídica. Peças com paredes espessas e finas foram moldadas segundo um planejamento fatorial fracionado, para que as combinações de parâmetros de injeção cobrissem uma ampla janela de processamento. As técnicas de caracterização incluíram microscopia ótica com luz polarizada, difração de raios-x, coluna de gradiente de densidade, análise termomecânica dinâmica e ensaio de tração, além da análise dimensional para investigação da contração. Os resultados mostram que a estrutura das peças injetadas em epóxi é significativamente afetada pela variação dos parâmetros operacionais. A menor espessura da pele nas peças injetadas em epóxi facilita o preenchimento das cavidades de paredes finas. O módulo, a tensão máxima e a contração das peças injetadas em epóxi são semelhantes às dos moldados em aço, mas o alongamento na ruptura é muito menor quando as regulagens de temperatura do material e do molde não são adequadamente corrigidas. Portanto, embora os parâmetros de injeção afetem as propriedades das peças segundo as mesmas tendências gerais do processamento em aço, a moldagem em epóxi requer uma regulagem apropriada e específica para que as propriedades do protótipo moldado sejam adequadas às especificações comerciais. Rapid tooling methods for injection moulding process emerged from rapid prototyping techniques to supply the growing demand for faster product development not only in conception and detailing phases but also in manufacturing of prototypes and pre-series of parts with properties as similar as possible to end parts. In this context, it has spread out the use of resin casting moulds for thermoplastic injection moulding, due to its low cost, briefing manufacture time and reasonable dimensional accuracy. However, in comparison to metals, the resins present low values of mechanical strength, thermal stability and thermal conductivity, resulting in lower durability of the tool and in different properties of mouldings. The state of the art review of the injection molding in resin rapid tools showed little information on the process-structureproperties relations. It has found only generic recommendations, more focused on the physical preservation of the tool than on morphological and microstructural alteration. Little information has also found on thin-walled parts processing in resin rapid tools, despite the remarkable growing commercial interesting on this kind of product. Therefore, the general objective of this work is to extend the knowledge of the injection moulding in resin rapid tools, studying the influences of the processing variables on part structure and properties. Comparatively to the processing in steel molds, it was investigated the influences of mold temperature, melt temperature, holding pressure and filling rate on the properties of isotactic polypropylene parts injected in epoxy cast moulds. Thick and thin walled parts were moulded according to a fractional factorial design, so that the combinations of injection parameters covered a wide range of process settings. The characterization techniques included polarized light microscopy, wideangle x-rays diffraction, density gradient column, dynamic thermomechanical analysis and tensile test. Further, cavity and part dimensions were measured to assess shrinkage. The results showed that the structure of the parts injected in epoxy tools is significantly affected by operational parameters variation. The thinner skin layer observed in the thin-walled parts injected in the epoxy mould facilitates cavity filling. Elastic modulus, yield strength and shrinkage of the parts injected in epoxy are very similar to the observed for parts moulded in steel. However, the strain at break is very low when mould and melt temperatures are not adequately adjusted for processing in the epoxy tool. Therefore, even so the injection parameters affect the properties of the parts according to same general trends of the processing in steel, the moulding in epoxy tooling requires an appropriate and specific set of parameters in order to provide prototypes with suitable properties for commercial requirements