Sebenta · Efetuar estudos reológicos com recurso a análise por elementos finitos (UC02890)

Introdução

Um molde de injeção é um investimento grande e demorado a corrigir depois de fabricado. Por isso, antes de a máquina de comando numérico tocar no aço, o técnico de desenho e projeto de moldes usa um estudo reológico por elementos finitos (CAE) para prever como o polímero fundido vai escoar, arrefecer e deformar dentro do molde.

Esta sebenta segue o percurso completo dessa competência: a reologia dos polímeros fundidos (o que faz um material escoar de uma maneira e não de outra), o ciclo de moldação por injeção e os seus parâmetros, a preparação de um estudo CAE (geometria, malha, material), a interpretação dos resultados (enchimento, linhas de soldadura, gás, empeno) e, por fim, como transformar essa interpretação em estratégias de trabalho e em relatórios que orientam decisões sobre o molde e sobre o produto.

Objetivos de aprendizagem (referencial): preparar a informação para um estudo de análise reológica; analisar a informação produzida pelo estudo CAE; e estabelecer estratégias de trabalho baseadas nesse estudo, cumprindo as normas de preparação, considerando os resultados para propor soluções e para melhorar o design de produto, e efetuando os registos segundo as normas definidas.

1. Reologia: como escoa um polímero fundido

A reologia estuda como a matéria escoa e se deforma sob a ação de forças. No projeto de um molde, o que escoa é o polímero fundido, e compreender esse escoamento é a base de todo o estudo CAE.

Grandezas fundamentais:

• Tensão (σ): força aplicada por unidade de área, em Pa.
• Deformação (ε): variação relativa de forma ou dimensão, adimensional.
• Taxa de deformação ou taxa de corte (γ̇): rapidez com que a deformação ocorre, em s⁻¹. É a grandeza que aparece em quase todos os relatórios CAE.
• Elasticidade: capacidade de recuperar a forma original quando a tensão cessa.
• Plasticidade: deformação que fica permanente depois de a tensão cessar.

O polímero fundido é viscoelástico: mistura comportamento elástico com comportamento viscoso, mas para o objetivo desta UC (preparar e interpretar estudos de enchimento) o comportamento dominante a dominar é o viscoso, descrito pela viscosidade.

Viscosidade: newtoniana vs não newtoniana

A viscosidade (η), em Pa·s, mede a resistência interna de um fluido ao escoamento. Um fluido newtoniano (água, óleo fino) tem viscosidade constante, independente de como é agitado. Um polímero fundido é não newtoniano: a sua viscosidade varia com dois fatores, e é essencial não os confundir:

1. Com a taxa de corte (efeito mecânico, à mesma temperatura).
2. Com a temperatura (efeito térmico, à mesma taxa de corte).

Comportamento pseudoplástico (shear thinning)

A grande maioria dos polímeros fundidos usados em moldação por injeção é pseudoplástica: a viscosidade diminui quando a taxa de corte aumenta. É o sentido certo desta relação e não pode ser trocado: mais corte, menos viscosidade, nunca o contrário.

Um modelo simples e muito usado para descrever este comportamento é a lei da potência:

η = K · γ̇^(n − 1)

onde K é a consistência do material e n é o índice de pseudoplasticidade (n < 1 para um material pseudoplástico; n = 1 seria newtoniano).

Exemplo resolvido: curva de pseudoplasticidade

Com K = 5 000 Pa·sⁿ e n = 0,35, a viscosidade a diferentes taxas de corte:

Cálculo do primeiro valor: η = 5 000 × 10^(0,35 − 1) = 5 000 × 10^(−0,65) ≈ 1 119 Pa·s. Entre 10 e 5 000 s⁻¹, a viscosidade cai cerca de 98%: junto às paredes do canal, onde a taxa de corte é máxima, o material está muito mais fluido do que no centro do canal.

O efeito, independente, da temperatura

Subir a temperatura do fundido também reduz a viscosidade, por um mecanismo diferente do corte: as cadeias moleculares ganham mobilidade térmica. Este é o segundo fator que baixa a viscosidade, e não deve ser confundido com o efeito da taxa de corte: são dois fenómenos distintos que empurram a viscosidade na mesma direção.

2. O ciclo de moldação por injeção

A moldação por injeção repete um ciclo com fases bem definidas:

1. Fecho do molde.
2. Injeção (enchimento): o fundido é empurrado, sob pressão, para dentro da cavidade.
3. Compactação (packing/holding): mantém-se pressão depois do enchimento, para compensar a contração do material enquanto arrefece e evitar marcas de chupado.
4. Arrefecimento: a peça continua a solidificar até estar suficientemente rígida para ser extraída sem deformar. Começa, na prática, logo que o fundido toca na parede do molde, não só depois da compactação.
5. Abertura do molde e extração da peça.

O tempo de ciclo total é a soma destas fases, e é uma das métricas mais importantes de um projeto de molde: determina diretamente a produtividade.

Exemplo resolvido: tempo de ciclo e produtividade

Peça em PP, parede de 2 mm, molde de 4 cavidades. Dados de partida:

• Fecho do molde: 1,0 s.
• Enchimento: 2,0 s.
• Compactação: 3,0 s.
• Abertura e extração: 1,5 s.
• Tempo de arrefecimento total necessário (contado desde a entrada do fundido até estar pronta para extrair): 7,7 s.

O erro mais comum aqui é somar o arrefecimento total por cima do enchimento e da compactação. Não se pode: o enchimento e a compactação já fazem parte desse arrefecimento total, porque a peça já está a perder calor durante essas fases. Só se soma o arrefecimento residual:

• Arrefecimento residual = 7,7 − (2,0 + 3,0) = 2,7 s.
• Tempo de ciclo total = 1,0 + 2,0 + 3,0 + 2,7 + 1,5 = 10,2 s.
• Ciclos por hora = 3 600 / 10,2 ≈ 352,9 ciclos/hora.
• Peças por hora, com 4 cavidades = 352,9 × 4 ≈ 1 412 peças/hora.

3. Sistemas de alimentação e ataque

O caminho do fundido, da máquina até à cavidade, segue uma sequência fixa de elementos, com nomes precisos que não se devem trocar:

Tipos de ataque (ponto de injeção)

• Ataque direto (sprue gate): o gito ataca diretamente a cavidade; simples, mas deixa uma marca grande.
• Ataque de canal lateral (edge gate): o mais comum, na linha de junção do molde.
• Ataque submarino (submarine gate): automático, o gito é cortado ao abrir o molde; usado quando a marca de ataque não pode ser visível.
• Ataque em leque (fan gate): distribui a entrada por uma largura maior, reduzindo tensões locais.

Determinar o tipo, a quantidade e a localização dos pontos de injeção é uma das aptidões centrais desta UC, e faz-se a partir dos resultados do estudo CAE, nunca por regra fixa isolada da geometria concreta da peça.

Canais equilibrados e o cuidado com as percentagens

Num molde de várias cavidades, o sistema de canais deve idealmente ser naturalmente equilibrado (por exemplo, um layout em H, com o mesmo comprimento e diâmetro até cada cavidade), para que todas encham ao mesmo tempo e com a mesma pressão.

Exemplo resolvido: desequilíbrio entre duas cavidades

Num molde de 2 cavidades com canais de comprimentos diferentes, a simulação mostra: cavidade A enche em 1,8 s; cavidade B, com canal mais comprido, enche em 2,2 s.

• Comparando em relação a A: B é (2,2 − 1,8) / 1,8 × 100% ≈ 22,2% mais lenta do que A.
• Comparando em relação a B: A é (2,2 − 1,8) / 2,2 × 100% ≈ 18,2% mais rápida do que B.

Os dois números descrevem a mesma diferença absoluta de 0,4 s, mas não são a mesma percentagem, porque a base de comparação (o denominador) é diferente. Ao relatar um desequilíbrio de enchimento, diz-se sempre em relação a que cavidade ou tempo se está a comparar.

4. Parâmetros do processo e unidades do sistema internacional

Pressões de injeção

A pressão de injeção é a pressão que o fundido exerce ao ser empurrado pelos canais e pela cavidade. Varia com o material, a espessura e o comprimento de escoamento, mas situa-se tipicamente entre 40 e 180 MPa nas máquinas de injeção convencionais.

Unidades do sistema internacional usadas nesta UC

Exemplo resolvido: tempo de enchimento a partir do caudal

Uma cavidade tem volume V = 50 cm³ e a máquina injeta a um caudal Q = 25 cm³/s. O tempo de enchimento:

t = V / Q = 50 / 25 = 2,0 s.

Exemplo resolvido: queda de pressão num canal de distribuição

Canal circular: comprimento L = 100 mm, diâmetro D = 6 mm, caudal Q = 20 cm³/s, viscosidade aparente do fundido η = 200 Pa·s (valor típico à taxa de corte que se verifica nesse canal).

Como aproximação didática (fluido newtoniano equivalente, só para estimar a ordem de grandeza), usa-se a equação de Hagen-Poiseuille:

ΔP = (128 · η · Q · L) / (π · D⁴)

Em unidades SI (L = 0,10 m; D = 0,006 m; Q = 20 × 10⁻⁶ m³/s):

ΔP = (128 × 200 × 20 × 10⁻⁶ × 0,10) / (π × 0,006⁴) ≈ 12,6 MPa

Isto é só a queda de pressão neste canal; a pressão que a máquina precisa fornecer soma as quedas em todos os troços, do bico até à cavidade mais desfavorável. Note-se o peso do diâmetro na fórmula: como D aparece elevado à quarta potência, duplicar o diâmetro do canal reduz a queda de pressão para cerca de 1/16 do valor original.

Temperaturas de molde e bicos de injeção

A temperatura do molde controla a velocidade de arrefecimento, o brilho superficial e o nível de tensões residuais. Cada material tem uma janela recomendada pelo fabricante da resina (por exemplo, o PP costuma trabalhar com moldes entre 20 e 60 °C, enquanto materiais como o POM ou o PC costumam precisar de moldes mais quentes). O bico de injeção também tem temperatura controlada, para não deixar o fundido solidificar antes de entrar no molde nem degradá-lo por excesso de calor.

5. Fatores de contração

O fator de contração (shrinkage) é a redução percentual de dimensão do polímero ao arrefecer, do estado fundido até à temperatura ambiente. É específico de cada material e a cavidade do molde tem de ser dimensionada maior do que a peça final, na proporção deste fator.

Contração diferencial: a causa mais comum de empeno

Em materiais semicristalinos sem reforço (como o PP), a contração no sentido do fluxo costuma ser diferente da contração transversal ao fluxo, por causa da orientação das cadeias moleculares durante o escoamento.

Exemplo resolvido: contração diferencial numa peça de 150 mm

Peça em PP com 150 mm nominal, contração no sentido do fluxo de 1,8% e contração transversal de 2,3%:

• Contração no sentido do fluxo: 150 × 0,018 = 2,7 mm → dimensão final 147,3 mm.
• Contração transversal: 150 × 0,023 = 3,45 mm → dimensão final 146,55 mm.
• Diferença entre as duas direções: 3,45 − 2,7 = 0,75 mm.

Esta diferença de 0,75 mm entre direções não é um defeito de fabrico: é uma propriedade do material e da orientação do fluxo, prevista pelo estudo CAE, e é uma das causas mais comuns de empeno.

6. Preparar a informação para o estudo CAE

Preparar a informação para o estudo de análise reológica é a primeira realização do referencial desta UC. Antes de simular, reúne-se:

• Desenho técnico da peça (geometria 3D, espessuras, cotas) e as normas aplicáveis ao produto e ao processo.
• Dados do material: curva de viscosidade (γ̇ e temperatura), fator de contração, janela de temperaturas de processamento.
• Layout previsto do molde: número de cavidades e localização provável do(s) ponto(s) de injeção.
• Objetivo do estudo: o que se quer validar (enchimento? comparação de ataques? empeno?).

Um estudo mal preparado dá um resultado tecnicamente correto para uma pergunta errada. A ligação com o desenvolvimento de produto acontece já aqui: espessuras uniformes, ângulos de saída e raios de concordância bem desenhados favorecem um comportamento mais previsível no estudo, enquanto variações bruscas de espessura tendem a gerar zonas de arrefecimento desigual, visíveis mais tarde como pontos quentes ou empeno.

7. Definição de malhas

A malha (mesh) discretiza a geometria da peça em elementos finitos, sobre os quais o software resolve as equações de escoamento e de temperatura. É a base numérica de qualquer análise por elementos finitos.

A escolha é um compromisso entre rigor e tempo de cálculo. Uma malha de má qualidade (elementos muito distorcidos, densidade insuficiente, poucas camadas na espessura em malhas sólidas) produz resultados numericamente pouco fiáveis mesmo com a geometria correta: aumentar a densidade de elementos sem necessidade também não é boa prática, porque multiplica o tempo de cálculo sem ganho proporcional de rigor.

8. Software CAE e o fluxo da simulação

O software de CAE (Computer-Aided Engineering) de análise reológica simula o comportamento do fundido antes de o molde ser fabricado. O fluxo de trabalho comum a qualquer software:

1. Importar a geometria e criar a malha.
2. Atribuir o material (curva de viscosidade e fator de contração).
3. Definir condições de processo: ponto de injeção, temperaturas, perfil de velocidade/pressão.
4. Correr a simulação (enchimento, compactação, arrefecimento, empeno).
5. Interpretar os resultados e documentar em relatório.

Um estudo tipicamente calcula: tempo de enchimento e evolução da frente de fluxo; pressão necessária em cada ponto e a máxima na máquina; temperatura do fundido durante o enchimento e no fim da compactação; localização previsível de linhas de soldadura e de aprisionamentos de gás; e o empeno previsto.

9. Interpretar defeitos de enchimento

Defeitos de enchimento ocorrem durante a fase de injeção, antes da compactação:

• Enchimento incompleto (short shot): o fundido solidifica antes de preencher toda a cavidade, tipicamente numa zona fina e longe do ponto de injeção.
• Rebarba (flash): o fundido escapa pela linha de junção do molde, por pressão excessiva, força de fecho insuficiente ou molde mal fechado.
• Hesitação: o fluxo abranda ou para numa zona fina antes de a preencher.
• Enchimento desequilibrado: cavidades ou zonas enchem a ritmos diferentes (ver capítulo 3).

Exemplo resolvido: corrigir um short shot

Achado da simulação: short shot numa nervura fina, longe do ponto de injeção. A correção depende do sistema identificado como causa:

A refrigeração não é o sistema relevante para este defeito, porque o short shot acontece durante o enchimento, antes de a fase de arrefecimento dominar o comportamento da peça. Escolher o sistema errado (por exemplo, mexer só na refrigeração) não resolve o problema.

10. Linhas de soldadura e aprisionamento de gás

Uma linha de soldadura (weld line) forma-se onde duas frentes de fluxo se encontram, depois de contornar um obstáculo (furo, nervura) ou vindas de dois pontos de injeção distintos. É uma zona mecanicamente mais fraca e, muitas vezes, visível na superfície.

Correções, por sistema: alimentação (reposicionar ou acrescentar pontos de injeção para afastar a linha de zonas críticas); geometria (acrescentar uma bolsa de sobrenchimento para onde a frente "fria" escoa); processo (subir temperatura de fundido e velocidade de injeção, para que as frentes se encontrem ainda quentes e fundam melhor entre si).

O aprisionamento de gás ocorre quando o ar dentro da cavidade não consegue escapar antes de o fundido o rodear, ficando preso; visualmente aparece como bolhas de ar ou queimaduras localizadas (efeito diesel). Correções: molde (abrir ou acrescentar respiros na linha de junção, junto à zona de aprisionamento); geometria (evitar zonas fechadas sem saída de ar); processo (reduzir a velocidade de injeção na fase final do enchimento, dando tempo ao ar de escapar). A localização das fugas de gás previstas na simulação é o que orienta a colocação dos respiros no molde real.

11. Refrigeração, pontos quentes e postiços

O sistema de refrigeração (canais de água no molde) tem de retirar o calor do fundido de forma uniforme. Canais mal distribuídos criam pontos quentes: zonas que arrefecem mais devagar, aumentam localmente o tempo de ciclo (a peça só se extrai quando a zona mais quente estiver suficientemente rígida) e são uma das causas de empeno.

Exemplo resolvido: corrigir um ponto quente

Achado da simulação: ponto quente numa zona de parede mais espessa, distante dos canais de água.

• Refrigeração: aproximar um canal de água da zona, ou usar um circuito com maior caudal ali.
• Geometria da peça: reduzir a espessura, se o desenvolvimento de produto o permitir.
• Postiços: em zonas de geometria complexa (nervuras profundas, ressaltos) onde não cabe um canal contínuo, colocam-se postiços de material com boa condutividade térmica (por exemplo, cobre-berílio) para retirar calor localmente.

A colocação de postiços no projeto decide-se a partir do mapa de temperatura da simulação, e não como prática genérica aplicada a qualquer zona espessa.

12. Deformação, empeno e defeitos em peças plásticas

O empeno (warpage) é a distorção da peça depois de extraída e arrefecida à temperatura ambiente, resultado da contração diferencial (capítulo 5) e de tensões residuais do processo. Causas típicas: contração diferente entre direções, arrefecimento desigual, espessuras muito variáveis e compactação mal distribuída entre pontos de injeção.

Outros defeitos em peças plásticas: marcas de chupado (sink marks), junto a nervuras ou ressaltos mais espessos, corrigidas com mais tempo/pressão de compactação ou pelo redesenho da nervura (regra prática: espessura da nervura entre 50% e 60% da parede adjacente); e tensões residuais visíveis, associadas a arrefecimento e compactação desequilibrados.

13. Estabelecer estratégias de trabalho e otimizar o design

Estabelecer estratégias de trabalho baseadas no estudo CAE é a terceira realização desta UC: passar de um relatório de resultados para uma decisão concreta.

Metodologia recomendada:

1. Listar os achados da simulação.
2. Para cada achado, identificar o sistema responsável (alimentação, refrigeração, geometria ou processo).
3. Priorizar: primeiro o que compromete a função da peça, depois o aspeto.
4. Testar a alteração numa nova simulação antes de a propor ao molde real.
5. Documentar a decisão e a razão no relatório.

Otimizar o design de enchimento vai além de resolver o defeito visto isoladamente: procura-se o equilíbrio entre tempo de ciclo curto, pressão dentro da capacidade da máquina e ausência de defeitos visíveis ou estruturais, comparando variantes de posição de ataque e de perfil de velocidade/pressão, e verificando sempre o impacto de cada mudança nas outras métricas.

14. Relatórios de resultados e desenvolvimento de produto

Um relatório de resultados deve permitir a outro técnico entender o estudo sem o repetir: objetivo, geometria e material usados, condições de simulação (malha, ataques, temperaturas, perfil de processo), resultados com imagens dos mapas, interpretação de cada resultado, recomendação (com o sistema a que pertence) e limitações do estudo, isto é, o que ainda só se confirma no ensaio do molde.

O estudo reológico alimenta também o desenvolvimento de produto, sempre que os resultados apontam para uma alteração na própria peça. Comunicar com dados concretos ("esta zona precisa de mais 0,3 mm de parede para evitar o ponto quente") em vez de opiniões vagas é o que distingue um relatório técnico de uma impressão pessoal. Considerar os resultados CAE para a melhoria do design de produto é um dos critérios de desempenho avaliados nesta UC, tal como cumprir as normas de preparação do estudo e efetuar os registos segundo as normas definidas.

Erros comuns

• Inverter o sentido da relação pseudoplástica: dizer que a viscosidade sobe com a taxa de corte.
• Confundir o efeito da temperatura com o efeito da taxa de corte na viscosidade, ou usá-los como se fossem a mesma causa.
• Chamar "gito" a todo o sistema de alimentação, em vez de o reservar ao troço cónico dentro da bucha.
• Reportar uma percentagem de desequilíbrio sem indicar em relação a que base foi calculada.
• Somar o tempo de arrefecimento total por cima do enchimento e da compactação, contando duas vezes o mesmo arrefecimento.
• Apresentar um resultado de simulação como se fosse uma medição da peça real, sem mencionar as hipóteses de malha, fronteira e material.
• Corrigir um defeito no sistema errado (por exemplo, subir a pressão para resolver um aprisionamento de gás, quando o que falta é um respiro).
• Ignorar a ligação entre o estudo CAE e o desenvolvimento de produto, resolvendo tudo só do lado do molde.

Glossário

• Reologia: estudo do escoamento e da deformação da matéria.
• Viscosidade (η): resistência interna de um fluido ao escoamento, em Pa·s.
• Pseudoplástico (shear thinning): comportamento em que a viscosidade diminui quando a taxa de corte aumenta.
• Taxa de corte (γ̇): rapidez da deformação por corte, em s⁻¹.
• Gito (sprue): troço cónico dentro da bucha, entre o bico e os canais.
• Canal de distribuição (runner): percurso que leva o fundido do gito até cada cavidade.
• Ponto de injeção (gate): restrição final por onde o fundido entra na cavidade.
• Malha (mesh): discretização da geometria em elementos finitos.
• CAE: Computer-Aided Engineering, engenharia assistida por computador.
• Short shot: enchimento incompleto da cavidade.
• Linha de soldadura (weld line): junção de duas frentes de fluxo, zona mais fraca.
• Aprisionamento de gás: ar preso na cavidade por falta de saída, visível como bolha ou queimadura.
• Ponto quente: zona da peça que arrefece mais devagar do que o resto.
• Postiço: inserto de boa condutividade térmica para retirar calor localmente.
• Empeno (warpage): distorção da peça, geralmente por contração diferencial.
• Marca de chupado (sink mark): depressão superficial junto a uma zona mais espessa.
• Fator de contração (shrinkage): redução percentual de dimensão do polímero ao arrefecer.
• Ensaio do molde: primeira injeção real, onde se validam as previsões do estudo CAE.

Síntese

O trabalho desta UC segue sempre a mesma lógica: entender a reologia do polímero (viscosidade pseudoplástica, dependente da taxa de corte e da temperatura) para preparar um estudo CAE completo (geometria, malha, material, objetivo); correr a simulação e interpretar cada resultado (enchimento, linhas de soldadura, gás, empeno) ligando-o sempre a um sistema concreto (alimentação, refrigeração, geometria, processo); e decidir, com uma estratégia de trabalho documentada num relatório, o que muda no molde ou no produto, sabendo que o resultado final só se confirma no ensaio do molde.

Exercícios resolvidos

1. Um relatório CAE diz que a viscosidade do fundido desceu de 250 Pa·s para 56 Pa·s numa zona do canal. O que se pode concluir?

Resolução: que essa zona tem uma taxa de corte mais alta (ou uma temperatura mais alta) do que a zona de referência, porque num polímero pseudoplástico a viscosidade desce quando a taxa de corte ou a temperatura sobem. Sem mais informação, não se pode dizer qual dos dois efeitos domina; seria preciso comparar os mapas de taxa de corte e de temperatura do próprio relatório.

2. Calcula o tempo de ciclo total de uma peça com fecho de 0,8 s, enchimento de 1,5 s, compactação de 2,5 s, arrefecimento total de 6,0 s e abertura/extração de 1,2 s.

Resolução: o arrefecimento residual é 6,0 − (1,5 + 2,5) = 2,0 s. Tempo de ciclo = 0,8 + 1,5 + 2,5 + 2,0 + 1,2 = 8,0 s.

3. Duas cavidades enchem em 2,0 s e 2,5 s respetivamente. Calcula a diferença percentual das duas formas possíveis e explica porque não coincidem.

Resolução: em relação à cavidade mais rápida (2,0 s), a mais lenta demora (2,5 − 2,0) / 2,0 × 100% = 25% mais. Em relação à cavidade mais lenta (2,5 s), a mais rápida é (2,5 − 2,0) / 2,5 × 100% = 20% mais rápida. Não coincidem porque cada percentagem usa uma base (denominador) diferente; a diferença absoluta de 0,5 s é a mesma nos dois casos, a percentagem não.

4. A simulação mostra um aprisionamento de gás junto a um ressalto da peça. Que sistema se corrige primeiro e como?

Resolução: o molde, acrescentando ou abrindo um respiro (vent) na linha de junção, perto do ressalto. Complementarmente, pode reduzir-se a velocidade de injeção na fase final do enchimento para dar tempo ao ar de escapar. Subir a pressão de injeção não resolve este defeito e pode agravar outros (por exemplo, rebarba).

5. Uma peça em PP com 200 mm tem contração de 1,8% no sentido do fluxo e 2,4% na direção transversal. Calcula a diferença de contração em milímetros e o que isso implica para a peça.

Resolução: contração no sentido do fluxo = 200 × 0,018 = 3,6 mm; transversal = 200 × 0,024 = 4,8 mm; diferença = 4,8 − 3,6 = 1,2 mm. Esta diferença é uma causa provável de empeno, porque a peça contrai de forma desigual consoante a direção, distorcendo a forma final.