BR112013029695B1

BR112013029695B1 - aparelho de moldagem por injeção

Info

Publication number: BR112013029695B1
Application number: BR112013029695-0A
Authority: BR
Inventors: Gene Michael Altonen; Ralph Edward Neufarth; Gary Francis Schiller
Original assignee: Imflux, Inc
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2020-11-10
Also published as: JP5824143B2; AU2012259036B2; RU2013151838A; BR112014028693A2; BR112013029695A2; EP2709813B1; KR20140001251A; US20120294963A1; US20120328724A1; PH12014502589A1; CA2836783A1; RU2573483C2; CN103547430A; CA2836783C; AU2012259036A1; US10076861B2; JP2014517784A; WO2012162218A1; JP2015520050A; EP2709813A1

Abstract

"APARELHO DE MOLDAGEM POR INJEÇÃO" Trata-se de uma máquina de moldagem por injeção a pressão constante baixa que forma peças moldadas mediante injeção de material termoplástico fundido em uma cavidade de molde a pressões baixas substancialmente constantes de 41,4 MPa (6.000 psi) e menos. Como resultado, a máquina de moldagem por injeção a pressão constante baixa inclui um molde formado de material facilmente usinável que tem fabricação menos dispendiosa e mais rápida do que os moldes de injeção típicos.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se a aparelhos e métodos para moldagem por injeção e, mais particularmente, a aparelhos e métodos para produzir peças moldadas por injeção a pressão constante baixa.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] A moldagem por injeção é uma tecnologia comumente usada para a fabricação de alto volume de peças produzidas a partir de material passível de ser fundido, mais comumente, de peças produzidas a partir de polímeros termoplásticos. Durante um processo de moldagem por injeção repetitivo, uma resina plástica, mais frequentemente sob a forma de pequenas microesferas ou péletes, é introduzida em uma máquina de moldagem por injeção que funde as microesferas de resina sob calor, pressão e cisalhamento. A resina, agora fundida, é injetada, de modo forçado, em uma cavidade de molde que tem um formato da cavidade particular. O plástico injetado é mantido sob pressão na cavidade de molde, resfriado, e, então, removido como uma peça solidificada que tem um formato que essencialmente repete exatamente o formato da cavidade do molde. O molde, em si, pode ter uma única cavidade ou múltiplas cavidades. Cada cavidade pode ser conectada a uma canaleta de fluxo por meio de uma porta, a qual direciona o fluxo da resina fundida para o interior da cavidade. Uma peça moldada pode ter uma ou mais portas. É comum que peças grandes tenham duas, três ou mais portas, para reduzir a distância de fluxo que o polímero precisa percorrer para preencher a parte moldada. A uma ou múltiplas portas por cavidade podem estar situadas em qualquer lugar na geometria da peça, e possuem qualquer formato de seção transversal como sendo essencialmente circulares ou sendo conformadas com uma razão de aspecto de 1,1 ou mais. Dessa forma, um procedimento de moldagem por injeção típico compreende quatro operações básicas: (1) aquecer o plástico na máquina de moldagem por injeção para permitir que o mesmo flua sob pressão; (2) injetar o plástico fundido em uma cavidade, ou cavidades, de molde, definida entre duas metades de molde que foram fechadas; (3) permitir que o plástico resfrie e endureça na cavidade, ou nas cavidades, enquanto mantido sob pressão; e (4) abrir as metades de molde para fazer com que a peça seja ejetada do molde.

[0003] A resina de plástico fundido é injetada na cavidade de molde e a resina plástica é empurrada à força através da cavidade por um elemento de injeção da máquina de moldagem por injeção, até que a resina plástica alcance o local na cavidade mais distante da porta. O comprimento e espessura de parede resultante da peça é um resultado do formato da cavidade de molde.

[0004] Embora possa ser desejável reduzir a espessura de parede de peças moldadas injetadas para reduzir o teor de plástico e, dessa forma, o custo, da peça final, reduzir a espessura de parede com o uso de um processo de moldagem por injeção convencional pode ser uma tarefa dispendiosa e não banal, particularmente quando são projetadas espessuras de parede menores que 15, 10, 5, 3 ou 1,0 milímetro. Conforme uma resina plástica líquida é introduzida em um molde para injeção em um processo de moldagem por injeção convencional, o material adjacente às paredes da cavidade imediatamente começa a "congelar", ou solidificar e curar. Conforme o material flui através do molde, uma camada-limite de material é formada contra os lados do molde. Conforme o molde continua a ser preenchido, a camada limite continua a se tornar espessa, finalmente impedindo a trajetória de fluxo de material e impedindo que material adicional flua para dentro do molde. A resina plástica que congela nas paredes do molde é exacerbada quando os moldes são resfriados, uma técnica usada para reduzir o tempo de ciclo de cada peça e aumentar a velocidade da máquina.

[0005] Também pode ser desejável projetar uma peça e o molde correspondente, de modo que a resina plástica líquida flua das áreas que tenham a maior espessura de parede em direção às áreas que tenham a menor espessura de parede. Aumentar a espessura em certas regiões do molde pode assegurar que material suficiente flua para dentro de áreas em que se necessita de resistência e espessura. Esse requisito de trajetória de fluxo "espesso-para-delgado" pode contribuir para o uso ineficiente de plástico e resultar em maior custo de peça para os fabricantes de peça moldada por injeção, visto que material adicional precisa ser moldado em peças em locais em que o material é desnecessário.

[0006] Um método para diminuir a espessura de parede de uma peça é o de aumentar a pressão da resina plástica líquida conforme a mesma é introduzida no molde. Mediante o aumento de pressão, a máquina de moldagem pode continuar a forçar o material líquido no interior do molde antes que a trajetória de fluxo fique impedida. Aumentar a pressão, entretanto, tem desvantagens tanto no que se refere a custo quanto a desempenho. Conforme a pressão necessária para moldar o componente aumenta, o equipamento de moldagem precisa ser forte o suficiente para suportar a pressão adicional, o que geralmente significa, ser mais caro. Um fabricante pode ter que adquirir novo equipamento para acomodar essas pressões maiores. Dessa forma, uma diminuição na espessura de parede de uma dada peça pode resultar em gastos de capital significativos para realizar a fabricação através de técnicas de moldagem por injeção convencionais.

[0007] Adicionalmente, quando o material plástico líquido flui para dentro do molde para injeção e rapidamente congela, as cadeias de polímero retêm os altos níveis de estresse que estavam presentes quando o polímero estava em forma líquida. As moléculas poliméricas congeladas retêm níveis maiores de orientação induzida pelo fluxo quando a orientação molecular fica retida na peça, resultando em um estado estressado congelado. Essas tensões "no interior do molde" podem levar a peças que empenam ou afundam após a moldagem, que têm propriedades mecânicas reduzidas e têm resistência reduzida à exposição química. As propriedades mecânicas reduzidas são particularmente importantes para controlar e/ou minimizar peças moldadas por injeção, como tonéis de parede fina, peças de junta viva, e sistemas de fechamento.

[0008] Em um esforço para evitar algumas das desvantagens mencionadas acima, muitas operações de moldagem por injeção convencionais usam material plástico cuja viscosidade diminui sob cisalhamento, para aprimorar o fluxo do material plástico no interior da cavidade de molde. Conforme o material plástico, cuja viscosidade diminui sob cisalhamento, é injetado no interior da cavidade de molde, forças de cisalhamento geradas entre o material plástico e as paredes da cavidade do molde tendem a reduzir a viscosidade do material plástico, permitindo, por meio disso, que o material plástico flua mais livre e facilmente para o interior da cavidade de molde. Como resultado, é possível preencher peças de parede fina de modo rápido o suficiente para evitar que o material congele antes que o molde seja completamente preenchido.

[0009] A redução na viscosidade está diretamente relacionada à magnitude das forças de cisalhamento geradas entre o material plástico e o sistema de alimentação, e entre o material plástico e a parede de cavidade de molde. Dessa forma, fabricantes desses materiais cuja viscosidade diminui sob cisalhamento e os operadores de sistemas de moldagem por injeção, têm acionado pressões de moldagem por injeção maiores em um esforço para aumentar o cisalhamento, reduzindo, assim, a viscosidade. Tipicamente, sistemas de moldagem por injeção injetam o material plástico na cavidade de molde a pressões de material fundido de 103,4 MPa (15.000 psi) ou mais. Os fabricantes de material plástico cuja viscosidade diminui sob cisalhamento ensinam aos operadores de moldagem por injeção a injetarem o material plástico no interior das cavidades de molde acima de uma pressão mínima de material fundido. Por exemplo, resina de polipropileno é tipicamente processada a pressões maiores que 41,4 MPa (6.000 psi) (a faixa recomendada pelos fabricantes de resina de polipropileno é tipicamente de mais que 41,4 MPa a cerca de 103,4 MPa (6.000 psi a cerca de 15.000 psi). Os fabricantes de resina recomendam não exceder a extremidade superior da faixa. Os fabricantes de prensa e engenheiros de processamento tipicamente recomendam processar polímeros cuja viscosidade diminui sob cisalhamento na extremidade superior da faixa, ou significativamente acima, para alcançar potencial máximo de diminuição de viscosidade sob cisalhamento, que é tipicamente maior que 103,4 MPa (15.000 psi), para extrair o máximo de adelgaçamento e melhores propriedades de fluxo do material plástico. Os polímeros termoplásticos cuja viscosidade diminui sob cisalhamento, em geral são processados na faixa de mais de 41,4 MPa até cerca de 206,8 MPa (6.000 psi a cerca de 30.000 psi).

[00010] Os moldes usados em máquinas de moldagem por injeção precisam ser capazes de suportar essas altas pressões de material fundido. Ademais, o material que forma o molde precisa ter um limite de fadiga que possa suportar o estresse cíclico máximo para o número total de ciclos que se espera que um molde realize ao longo de seu tempo de vida. Como resultado, fabricantes de molde, tipicamente, formam o molde a partir de materiais que têm alta dureza, tipicamente maior que 30 Rc, e mais tipicamente, maior que 50 Rc. Esses materiais com alta dureza são duráveis e equipados para suportar as altas pressões de aperto necessárias para manter os componentes de molde pressionados um contra o outro durante o processo de injeção de plástico. Esses materiais com alta dureza são também mais capazes de resistir ao desgaste que ocorre devido ao contato repetido entre as superfícies de moldagem e o fluxo de polímero.

[00011] Máquinas de moldagem por injeção de alta produção (isto é, máquinas de moldagem de classe 101 e classe 102), que produzem produtos ao consumidor de paredes finas, usam exclusivamente moldes que tenham a maior parte do molde produzida a partir dos materiais com alta dureza. Máquinas de moldagem por injeção de alta produção produzem, tipicamente, 500.000 ciclos por ano ou mais. Moldes de produção de qualidade industrial devem ser projetados para suportar pelo menos 500.000 ciclos por ano, de preferência mais de 1.000.000 ciclos por ano, com mais preferência mais de 5.000.000 ciclos por ano, e com mais preferência ainda mais de 10.000.000 ciclos por ano. Essas máquinas têm moldes com múltiplas cavidades e sistemas de resfriamento complexos para aumentar as taxas de produção. Os materiais com alta dureza são mais capazes de suportar as repetidas operações de prensagem a alta pressão do que materiais com menor dureza. Entretanto, materiais com alta dureza, como a maioria dos aços para ferramenta, têm condutividades térmicas relativamente baixas, em geral menores que 34,6 W/(m*C) (20 BTU/HR FT °F), o que leva a longos tempos de resfriamento, já que o calor é transferido através do material plástico fundido através do material com alta dureza.

[00012] Em um esforço para reduzir os tempos de ciclo, máquinas típicas de moldagem por injeção de alta produção, que têm moldes produzidos a partir de materiais com alta dureza, incluem sistemas de resfriamento interno relativamente complexos que fazem circular fluido de resfriamento no interior do molde. Esses sistemas de resfriamento aceleram o resfriamento das peças moldadas, permitindo, assim, que a máquina complete mais ciclos em uma dada quantidade de tempo, o que aumenta as taxas de produção e, assim, a quantidade total de peças moldadas produzidas. Em algumas classes 101, mais de 1 ou 2 milhões de ciclos por ano podem ser executados, esses moldes são algumas vezes chamados de "moldes de produtividade ultra-alta". Os moldes de classe 101 que são usados em prensas de 400 toneladas ou maiores, são algumas vezes chamados de moldes de "classe 400" na indústria.

[00013] Outra desvantagem do uso de materiais com alta dureza para os moldes é que materiais com alta dureza, como aços para ferramenta, geralmente são razoavelmente difíceis de usinar. Como resultado, moldes de injeção de alta velocidade conhecidos exigem tempo de usinagem extensivo e equipamento de usinagem dispendioso para formar, e etapas de pós-usinagem dispendiosas e demoradas para aliviar tensões e otimizar a dureza do material.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00014] As modalidades apresentadas nos desenhos são ilustrativas e exemplificadoras por natureza e não se destinam a limitar o assunto definido pelas reivindicações. A descrição detalhada a seguir das modalidades ilustrativas pode ser melhor compreendida quando lida em conjunto com os seguintes desenhos, em que estruturas similares são indicadas com números de referência similares e em que: A Figura 1 ilustra uma vista esquemática de uma máquina de moldagem por injeção, construída de acordo com a descrição; A Figura 2 ilustra uma modalidade de uma peça de parede fina formada na máquina de moldagem por injeção da Figura 1; A Figura 3 é um gráfico de pressão de cavidade vs. tempo para a máquina de moldagem por injeção da Figura 1; A Figura 4 é uma vista em corte transversal de uma modalidade de um molde da máquina de moldagem por injeção da Figura 1; A Figura 5 é uma vista em perspectiva de um sistema de alimentação; As Figuras 6A e 6B são vistas superior e frontal de um sistema de alimentação naturalmente equilibrado; As Figuras 7A e 7B são vistas superior e frontal de outro sistema de alimentação naturalmente equilibrado; A Figura 8 é uma vista superior de um sistema de alimentação artificialmente equilibrado que pode ser usado na máquina de moldagem por injeção da Figura 1; e As Figuras 9A e 9B são vistas superiores de sistemas de alimentação não equilibrados que podem ser usados na máquina de moldagem por injeção da Figura 1.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00015] As modalidades da presente invenção geralmente se referem a sistemas, máquinas, produtos e métodos de produção de produtos por moldagem por injeção e, mais especificamente, a sistemas, produtos e métodos de produção de produtos por moldagem por injeção de baixa pressão constante.

[00016] O termo "pressão baixa", como usado aqui, que diz respeito à pressão de fusão de um material termoplástico, significa pressões de fusão em uma adjacência de um bocal de uma máquina de moldagem por injeção de 41,4 MPa (6.000 psi) e menos.

[00017] O termo "pressão substancialmente constante", conforme usado no presente documento em relação a uma pressão do material fundido de um material termoplástico, significa que desvios de uma pressão do material fundido de linha de base não produzem alterações significativas em propriedades físicas do material termoplástico. Por exemplo, "pressão substancialmente constante’ inclui, mas não se limita a, variações de pressão pelas quais a viscosidade do material termoplástico fundido não se altera significativamente. O termo "substancialmente constante" nesse aspecto, inclui desvios de aproximadamente 30% de uma pressão de fusão de linha de base. Por exemplo, o termo "uma pressão substancialmente constante de aproximadamente 31,7 MPa (4.600 psi)"inclui oscilações de pressão dentro da faixa de cerca de 41,4 MPa (6.000 psi) (30% acima de 31,7 MPa (4.600 psi)) a cerca de 22,1 MPa (3.200 psi) (30% abaixo de 31,7 MPa (4.600 psi). Uma pressão do material fundido é considerada substancialmente constante desde que a pressão do material fundido flutue não mais que 30% com relação à pressão citada.

[00018] Suporte para material fundido, como usado aqui, se refere à porção de uma máquina de moldagem por injeção que contém o plástico fundido em comunicação fluida com o bocal da máquina. O suporte para material fundido é aquecido, de modo que um polímero possa ser preparado e mantido a uma temperatura desejada. O suporte para material fundido é conectado a uma fonte de alimentação, por exemplo, um cilindro hidráulico ou servomotor elétrico, que está em comunicação com uma unidade de controle central, e pode ser controlado para avançar um diafragma para forçar o plástico fundido através do bocal da máquina. O material fundido flui, então, através do sistema de jito na cavidade de molde. O suporte para material fundido pode ter seção transversal cilíndrica, ou ter seções transversais alternativas que irão permitir que um diafragma force o polímero sob pressões que podem situar-se na faixa de, desde tão baixas quanto 0,69 MPa (100 psi) a pressões de 275,8 MPa (40.000 psi) ou mais, através do bocal da máquina. O diafragma pode, opcionalmente, ser integralmente conectado a um parafuso reciprocante com voos projetados para plasticizar o material polimérico antes da injeção.

[00019] Com referênciaàs Figuras em detalhes, a Figura 1 ilustra um aparelho de moldagem por injeção a baixa pressão constante exemplificador 10, para produzir peças com parede fina a altos volumes (por exemplo, um molde para injeção de classe 101 ou 102, ou um "molde de produtividade ultra-alta"). O aparelho de moldagem por injeção 10 inclui, geralmente, um sistema de injeção 12 e um sistema de prensagem 14. Um material termoplástico pode ser introduzido no sistema de injeção 12 sob a forma de péletes termoplásticos 16. Os péletes termoplásticos 16 podem ser colocados em uma tremonha 18, que alimenta os péletes termoplásticos 16 em um cilindro aquecido 20 do sistema de injeção 12. Os péletes termoplásticos 16, após serem alimentados no cilindro aquecido 20, podem ser direcionados para a extremidade do cilindro aquecido 20 por um parafuso reciprocante 22. O aquecimento do cilindro aquecido 20 e a compressão dos péletes termoplásticos 16 pelo parafuso reciprocante 22, fazem com que péletes termoplásticos 16 se fundam, formando um material termoplástico fundido 24. O material termoplástico fundido é tipicamente processado a uma temperatura de cerca de 130°C até cerca de 410°C.

[00020] O parafuso reciprocante 22 força o material termoplástico fundido 24 em direção a um bocal 26 para formar uma dose que compreende material termoplástico, que será injetada em uma cavidade de molde 32 de um molde 28. O material termoplástico fundido 24 pode ser injetado através de uma porta 30, que direciona o fluxo do material termoplástico fundido 24 para a cavidade de molde 32. A cavidade de molde 32 é formada entre a primeira e a segunda peças de molde 25, 27 do molde 28 e a primeira e a segunda peças de molde 25,27 são mantidas juntas sob pressão por uma prensa ou unidade de prensagem 34. A prensa ou unidade de prensagem 34 aplica uma força de prensagem na faixa de aproximadamente 6,89 MPa (1.000 psi) até aproximadamente 41,4 MPa (6.000 psi) durante o processo de moldagem, para manter a primeira e a segunda peças de molde 25, 27 juntas, enquanto o material termoplástico fundido 24 é injetado na cavidade de molde 32. Para suportar essas forças de prensagem, o sistema de prensagem 14 pode incluir uma armação de molde e uma base de molde, sendo que a armação de molde e a base de molde são formadas a partir de um material que tem uma dureza superficial maior que cerca de 165 BHN e, de preferência, menor que 260 BHN, embora materiais que tenham valores de dureza superficial BHN maiores que 260 possam ser usados, desde que o material seja facilmente usinável, conforme discutido adicionalmente abaixo.

[00021] O molde pode compreender uma única cavidade de molde ou uma pluralidade de cavidades de molde. Uma pluralidade de cavidades de molde pode compreender cavidades similares ou cavidades dissimilares, que irão render partes dissimilares. O molde pode compreender também família agrupada de cavidades dissimilares.

[00022] Uma vez que a dose que compreende o material termoplástico fundido 24 é injetada na cavidade de molde 32, o parafuso reciprocante 22 interrompe o percurso para frente. O material termoplástico fundido 24 assume a forma da cavidade de molde 32 e o material termoplástico fundido 24 resfria dentro do molde 28 até que o material termoplástico 24 solidifique. Uma vez que o material termoplástico 24 tenha solidificado, a prensa 34 libera a primeira e a segunda peças de molde 25, 27, a primeira e a segunda peças de molde 25, 27 são separadas uma da outra, e a peça acabada pode ser ejetada do molde 28. O molde 28 pode incluir uma pluralidade de cavidades de molde 32 para aumentar as taxas de produção gerais.

[00023] Um controlador 50 é conectado, de maneira comunicável, a um sensor 52 e a um controle de parafuso 36. O controlador 50 pode incluir um microprocessador, uma memória, e um ou mais links de comunicação. O controlador 50 pode ser conectado ao sensor 52 e ao controle de parafuso 36 através de conexões com fio 54, 56, respectivamente. Em outras modalidades, o controlador 50 pode ser conectado ao sensor 52 e ao controle de parafuso 56 por meio de uma conexão sem fio, uma conexão mecânica, uma conexão hidráulica, uma conexão pneumática, ou qualquer outro tipo de conexão de comunicação conhecido por aqueles com habilidade comum na técnica, que permitam que o controlador 50 se comunique tanto com o sensor 52 quanto com o controle de parafuso 36. Pode haver unidades operacionais intermediárias na rota de comunicações entre o sensor, o controlador e o controle de parafuso.

[00024] Na modalidade da Figura 1, o sensor 52 é um sensor de pressão que mede (direta ou indiretamente) a pressão do material fundido do material termoplástico fundido 24 no bocal 26. O sensor 52 gera um sinal elétrico que é transmitido para o controlador 50. O controlador 50, então, comanda o controle de parafuso 36 para avançar o parafuso 22 a uma taxa que mantenha uma pressão do material fundido substancialmente constante do material termoplástico fundido 24 no bocal 26. Embora o sensor 52 possa medir diretamente a pressão do material fundido, o sensor 52 pode medir outras características do material termoplástico fundido 24, como temperatura, viscosidade, taxa de fluxo, etc., que são indicativas da pressão do material fundido. De modo semelhante, o sensor 52 não precisa estar situado diretamente no bocal 26, mas, ao invés disso, o sensor 52 pode estar situado em qualquer local dentro do sistema de injeção 12 ou molde 28 que esteja conectado de modo fluido com o bocal 26. O sensor 52 não precisa estar em contato direto com o fluido injetado e, alternativamente, pode estar em comunicação dinâmica com o fluido e ter a capacidade de captar a pressão do fluido e/ou outras características de fluido. Se o sensor 52 não estiver situado dentro do bocal 26, fatores de correção adequados podem ser aplicados na característica medida para calculara pressão do material fundido no bocal 26. Ainda em outras modalidades, o sensor 52 não precisa estar disposto em um local que esteja conectado de maneira fluida ao bocal. Ao invés disso, o sensor pode medir a força de prensagem gerada pelo sistema de prensagem 14 em uma linha divisória de molde entre a primeira e a segunda peças de molde 25, 27. Em um aspecto, o controlador 50 pode manter a pressão de acordo com a entrada do sensor 52.

[00025] Um sensor pode estar situado próximo à extremidade de preenchimento na cavidade de molde. Esse sensor pode proporcionar uma indicação de quando a frente de molde se aproxima da extremidade de preenchimento na cavidade. O sensor pode captar pressão, temperatura, de maneira óptica, ou outros meios de identificação da presença do polímero. Quando a pressão é medida pelo sensor, essa medição pode ser usada para comunicar-se com a unidade de controle central para fornecer uma "pressão de compactação"-alvo para o componente moldado. O sinal gerado pelo sensor pode ser usado para controlar o processo de moldagem, de modo que as variações na viscosidade do material, nas temperaturas de molde, nas temperaturas de fusão e outras variações que influenciam na taxa de preenchimento, possam ser ajustadas pela unidade de controle central. Esses ajustes podem ser feitos imediatamente durante o ciclo de moldagem, ou as correções podem ser feitas em ciclos subsequentes. Ademais, pode-se calcular a média de várias leituras ao longo de vários ciclos, então usadas para fazer ajustes ao processo de moldagem pela unidade de controle central. Dessa forma, o ciclo de injeção atual pode ser corrigido com base em medições que ocorrem durante um ou mais ciclos em um ponto no tempo anterior. Em uma modalidade, pode-se calcular a média das leituras de sensorao longo de muitos ciclos de modo a alcançar consistência do processo.

[00026] Embora um controlador de circuito fechado, ativo 50 seja ilustrado na Figura 1, outros dispositivos de regulação de pressão podem ser usados ao invés do controlador de circuito fechado 50. Por exemplo, uma válvula de regulação de pressão (não mostrada) ou uma válvula de alívio de pressão (não mostrada), pode substituir o controlador 50 para regular a pressão de material fundido do material termoplástico fundido 24. Mais especificamente, a válvula de regulação de pressão e a válvula de alívio de pressão podem evitar sobrepressurização do molde 28. Outro mecanismo alternativo para evitar a superpressurização do molde 28 é um alarme que é ativado quando uma condição de superpressurização for detectada.

[00027] Voltando-se agora para a Figura 2, uma peça moldada exemplificadora 100 é ilustrada. A peça moldada 100 é uma peça de parede fina. Considera-se, em geral, as peças moldadas como sendo de paredes finas quando um comprimento de um canal de fluxo L dividido por uma espessura do canal de fluxo T é maior que 100 (isto é, L/T > 100). Em algumas indústrias de moldagem por injeção, peças de parede fina podem ser definidas como peças que têm um L/T > 200 ou um L/T > 250. O comprimento da canaleta de fluxo L é medido desde uma porta 102 até uma extremidade de canaleta de fluxo 104. As peças de parede fina são especificamente predominantes na indústria de produtos para consumidor.

[00028] As peças de parede fina apresentam certos obstáculos na moldagem por injeção. Considera-se, em geral, as partes moldadas como sendo de paredes finas quando um comprimento de um canal de fluxo L dividido por uma espessura do canal de fluxo T é maior que 100 (isto é, L/T > 100). Para cavidades de molde que tenham uma geometria mais complicada, a razão L/T pode ser calculada ao integrar a dimensão T ao longo do comprimento da cavidade de molde 32 desde uma porta 102 até a extremidade da cavidade de molde 32, e determinar o comprimento mais longo de fluxo desde a porta 102 até a extremidade da cavidade de molde 32. A razão L/T pode ser então determinada mediante a divisão do comprimento mais longo de fluxo pela espessura média de peça.

[00029] Por exemplo, a finura da canaleta de fluxo tende a resfriar o material termoplástico fundido antes que o material alcance a canaleta de fluxo extremidade 104. Quando isso acontece, o material termoplástico congela e não flui mais, o que resulta em uma peça incompleta. Para superar esse problema, máquinas de moldagem por injeção tradicionais injetam o material termoplástico fundido a pressões muito altas, tipicamente maiores que 103,4 MPa (15.000 psi), de modo que o material termoplástico fundido preencha rapidamente a cavidade de molde antes que tenha a chance de resfriar e congelar. Esse é um motivo pelo qual fabricantes dos materiais termoplásticos instruem realizar a injeção a pressões muito altas. Outro motivo tradicional pelo qual máquinas de moldagem por injeção injetam a pressões altas é o maior cisalhamento, o que aumenta as características de fluxo, conforme discutido acima. Essas pressões de injeção muito altas exigem o uso de materiais muito duros para formar o molde 28 e o sistema de alimentação.

[00030] Máquinas de moldagem por injeção tradicionais usam aços para ferramenta ou outros materiais duros para produzir o molde. Embora esses aços para ferramenta sejam robustos o suficiente para suportar as pressões de injeção muito altas, aços para ferramenta são condutores térmicos relativamente insatisfatórios. Como resultado, sistemas de resfriamento muito complexos são usinados nos moldes para otimizar os tempos de resfriamento quando a cavidade de molde é preenchida, o que reduz os tempos de ciclo e aumenta a produtividade do molde. Entretanto, esses sistemas de resfriamento muito complexos agregam muito tempo e custos ao processo de produção de molde.

[00031] Os inventores constataram que termoplásticos cuja viscosidade diminui sob cisalhamento (mesmo termoplásticos cuja viscosidade diminui minimamente sob cisalhamento) podem ser injetados no molde 28 a pressão baixa substancialmente constante, sem qualquer efeito adverso significativo. Exemplos desses materiais incluem, mas não se limitam a, polímeros e copolímeros que compreendem polipropileno, polietileno, elastômeros termoplásticos, poliéster, poliestireno, policarbonato, poli(acrilonitrila-butadieno-estireno), poli(ácido lático), poliidroxialcanoato, poliamidas, poliacetais, borrachas de etileno-alfa- olefina e copolímeros de bloco de estireno-butadieno-estireno. De fato, as peças moldadas a pressões baixas substancialmente constantes exibem algumas propriedades superiores em comparação à mesma peça moldada a uma pressão alta convencional. Essa constatação contradiz diretamente o conhecimento convencional dentro da indústria que ensina que maiores pressões de injeção são melhores. Sem se ater à teoria, acredita-se que injetar material termoplástico fundido no molde 28 a pressões baixas substancialmente constantes, cria uma frente de fluxo contínuo de material termoplástico que avança através do molde, desde uma porta até uma parte mais distante da cavidade de molde. Ao manter um baixo nível de cisalhamento, o material termoplástico permanece líquido e fluido a temperaturas e pressões muito mais baixas do que se acredita normalmente ser possível em sistemas de moldagem por injeção de alta pressão convencionais.

[00032] São fornecidas resinas termoplásticas exemplificadoras, juntamente com suas faixas de pressão operacional recomendadas, no gráfico a seguir:

[00033] Voltando-se agora à Figura 3, uma típica curva de pressão- tempo para um processo de moldagem por injeção de alta pressão convencional, é ilustrada pela linha tracejada 200. Em contraste, uma curva de pressão-tempo para a máquina de moldagem por injeção de pressão baixa constante apresentada, é ilustrada pela linha contínua 210.

[00034] No caso convencional, a pressão do material fundido é rapidamente aumentada para bem além de 103,4 MPa (15.000 psi) e, então, mantida a uma pressão relativamente alta, mais de 103,4 MPa (15.000 psi), por um primeiro período de tempo 220. O primeiro período de tempo 220 é o tempo de preenchimento no qual o material plástico fundido flui para dentro da cavidade de molde. Consequentemente, a pressão do material fundido é diminuída e mantida em uma pressão inferior, porém ainda relativamente alta, 68,9 MPa (10.000 psi) ou mais, por um segundo período de tempo 230. O segundo período de tempo 230 é um tempo de compactação no qual a pressão do material fundido é mantida para assegurar que todos os vãos na cavidade de molde sejam preenchidos. A cavidade de molde em um sistema de moldagem por injeção de alta pressão convencional, é carregada a partir da extremidade do canal de fluxo de volta na direção da porta. Como resultado, plástico, em vários estágios de solidificação, é compactado um sobre o outro, o que pode causar inconsistências no produto final, conforme discutido acima. Ademais, a compactação de plástico em vários estágios de solidificação resulta em algumas propriedades de material não ideais, por exemplo, estresses sob moldagem, afundamento, e propriedades ópticas não ideais.

[00035] O sistema de moldagem por injeção a baixa pressão constante, por outro lado, injeta o material plástico fundido na cavidade de molde a uma pressão baixa substancialmente constante por um único período de tempo 240. A pressão de injeção é menor que 41,4 MPa (6.000 psi). Ao usar uma pressão baixa substancialmente constante, o material termoplástico fundido mantém uma parte frontal de material fundido contínuo que avança através da canaleta de fluxo, desde a porta em direção à extremidade da canaleta de fluxo. Dessa forma, o material plástico permanece relativamente uniforme em qualquer ponto ao longo da canaleta de fluxo, o que resulta em um produto final mais uniforme e consistente. Ao preencher o molde com um material plástico relativamente uniforme, as peças finais moldadas formam estruturas cristalinas que têm melhores propriedades mecânicas e ópticas do que peças convencionalmente moldadas. Ademais, as camadas superficiais de peças moldadas a pressões baixas constantes exibem características diferentes das camadas superficiais de peças convencionalmente moldadas. Como resultado, as camadas superficiais de peças moldadas sob pressão baixa constante podem ter melhores propriedades ópticas do que camadas superficiais de peças convencionalmente moldadas.

[00036] Ao manter uma pressão do material fundido substancialmente constante e baixa (por exemplo, menor que 41,4 MPa (6.000 psi)) dentro do bocal, podem ser usados materiais mais usináveis para formar o molde 28. Por exemplo, o molde 28 ilustrado na Figura 1 pode ser formado a partir de um material que tem um índice de usinagem por moagem maior que 100%, um índice de usinagem por perfuração maior que 100%, um índice de usinagem por fio EDM maior que 100%, um índice de usinagem por EDM dissipador de grafite maior que 200%, ou um índice de usinagem por EDM dissipador de cobre maior que 150%. Os índices de usinagem têm como base testes de moagem, perfuração, fio EDM, e EDM dissipador de vários materiais. Os métodos de teste para determinar os índices de usinagem são explicados em maiores detalhes abaixo. Exemplos de índices de usinagem para uma amostra de materiais são compilados abaixo na Tabela 1.

Tabela 1

[00037] O uso de materiais facilmente usináveis para formar o molde 28, resulta em tempo de fabricação bastante reduzido e, dessa forma, uma diminuição nos custos de fabricação. Ademais, esses materiais usináveis, em geral, têm melhor condutividade térmica do que aços para ferramenta, o que aumenta a eficácia de resfriamento e diminui a necessidade de sistemas de resfriamento complexos.

[00038] Ao formar o molde 28 desses materiais facilmente usináveis, é também vantajoso selecionar materiais facilmente usináveis que tenham boas propriedades de condutividade térmica. Materiais que tenham condutividades térmicas de mais de 51,9 W/(m*C) (30 BTU/HR FT °F) são particularmente vantajosos. Por exemplo, materiais facilmente usináveis que têm boas condutividades térmicas incluem, mas não se limitam a, Alcoa QC-10, Alcan Duramold 500, e Hokotol (disponível junto à Aleris). Materiais com boa condutividade térmica transmitem de maneira mais eficiente calor do material termoplástico para fora do molde. Como resultado, podem ser usados sistemas de resfriamento mais simples. Adicionalmente, sistemas de alimentação não naturalmente equilibrados são também possíveis para uso nas máquinas de moldagem por injeção a pressão baixa constante aqui descritas.

[00039] Um exemplo de um molde com múltiplas cavidades 28 é ilustrado na Figura 4. Moldes com múltiplas cavidades incluem, geralmente, uma tubulação de fluxo de alimentação 60 que direciona material termoplástico fundido desde o bocal 26 até as cavidades de molde individuais 32. A tubulação de fluxo de alimentação 60 inclui um jito 62, que direciona o material termoplástico fundido para uma ou mais canaletas ou canais de fluxo de alimentação 64. Cada jito pode alimentar múltiplas cavidades de molde 32. Em muitas máquinas de moldagem por injeção de alta capacidade, os jitos são aquecidos para acentuar a fluidez do material termoplástico fundido. Devido à viscosidade do material termoplástico fundido ser muito sensível ao cisalhamento e variações de pressão a altas pressões (por exemplo, acima de 68,9 MPa (10.000 psi)), tubulações de fluxo de alimentação convencionais são naturalmente equilibradas para manter viscosidade uniforme. Tubulações de fluxo de alimentação naturalmente equilibradas são tubulações nas quais o material termoplástico fundido percorre uma distância igual desde o jito até qualquer cavidade de molde. Ademais, os formatos de seção transversal de cada canaleta de fluxo são idênticos, o número e tipo de voltas são idênticos, e as temperaturas de cada canaleta de fluxo são idênticas. Tubulações de fluxo de alimentação naturalmente equilibradas permitem que as cavidades de molde sejam preenchidas simultaneamente de modo que cada peça moldada tenha condições de processamento e propriedades de material idênticas. As tubulações de alimentação naturalmente equilibradas têm a sua fabricação dispendiosa e, de alguma forma, limitam os projetos de molde.

[00040] A Figura 5 ilustra um exemplo de uma tubulação de fluxo de alimentação naturalmente equilibrada 60. A tubulação de fluxo de alimentação naturalmente equilibrada 60 inclui uma primeira trajetória de fluxo 70 desde o jito 62 até uma primeira junção 72, sendo que a primeira trajetória de fluxo 70 se divide em segunda e terceira trajetórias de fluxo 74, 76, sendo que a segunda trajetória de fluxo termina em uma segunda porta 78a e a terceira trajetória de fluxo 76 termina em uma terceira porta 78b, em que cada porta serve a uma cavidade de molde individual (não mostrado na Figura 5). Material termoplástico fundido que flui do jito 62 para a segunda porta 78a ou para a terceira porta 78b, percorre a mesma distância, passa pelas mesmas temperaturas, e é submetido às mesmas áreas de fluxo de seção transversal. Como resultado, cada cavidade de molde é preenchida simultaneamente com material termoplástico fundido que tem propriedades físicas idênticas.

[00041] As Figuras 6A e 6B ilustram, esquematicamente, a tubulação naturalmente equilibrada 60. A tubulação naturalmente equilibrada 60 das Figuras 6A e 6B é uma tubulação de múltiplos níveis. Cada trajetória de fluxo 74, 76 tem características idênticas em locais idênticos ao longo da trajetória de fluxo. Por exemplo, após a junção 72, cada trajetória de fluxo se estreita na mesma distância. Ademais, cada trajetória de fluxo serve a um número idêntico de cavidades de molde 32. Tubulações de fluxo naturalmente equilibradas 60 são de importância crítica para máquinas de moldagem por injeção de alta pressão, para manter propriedades de fluxo de plástico idênticas e para assegurar peças uniformes.

[00042] As Figuras 7A e 7B ilustram outra tubulação naturalmente equilibrada 60. A tubulação naturalmente equilibrada 60 das Figuras 7A e 7B é uma tubulação de múltiplos níveis.

[00043] Em contraste, as Figuras 8, 9A, e 9B ilustram tubulações não naturalmente equilibradas, com a Figura 8 ilustrando uma tubulação artificialmente equilibrada e as Figuras 9A e 9B ilustram tubulações não equilibradas.

[00044] A máquina de moldagem por injeção a pressão baixa constante, apresentada no presente documento, permite que tubulações artificialmente equilibradas, e mesmo tubulações não equilibradas, sejam usadas devido ao fato de que materiais termoplásticos injetados a pressão baixa constante não são tão sensíveis a diferenças de pressão ou diferenças de cisalhamento devido às diferenças de característica de canaleta de fluxo. Em outras palavras, os materiais termoplásticos injetados a pressão baixa constante retêm propriedades de material e fluxo quase idênticas, independentemente das diferenças no comprimento, na área de seção transversal ou na temperatura de canaleta de fluxo. Como resultado, as cavidades de molde podem ser carregadas sequencialmente, ao invés de simultaneamente.

[00045] A tubulação artificialmente equilibrada 160 da Figura 8 inclui um jito 62, uma primeira canaleta de fluxo 174, e uma segunda canaleta de fluxo 176. A primeira canaleta de fluxo 174 termina em uma primeira porta 178a e a segunda canaleta de fluxo 176 termina em uma segunda porta 178b. A primeira canaleta de fluxo 174 é mais curta do que a segunda canaleta de fluxo 178 nessa modalidade. A tubulação artificialmente equilibrada 160 varia em outros parâmetros da canaleta de fluxo (por exemplo, área de corte transversal ou temperatura), de modo que o material que flui através da tubulação 160 forneça fluxo equilibrado para cada cavidade, similarmente a uma tubulação naturalmente equilibrada. Em outras palavras, o material termoplástico que flui através da primeira canaleta de fluxo 174 terá pressão do material fundido aproximadamente igual ao material termoplástico que flui através da segunda canaleta de fluxo 176. Como tubulações de fluxo de alimentação artificialmente equilibradas, ou não equilibradas, podem incluir canaletas de fluxo de diferentes comprimentos, uma tubulação de fluxo de alimentação artificialmente equilibrada, ou não equilibrada, pode fazer uso muito mais eficaz de espaço. Ademais, as canaletas de fluxo de alimentação e canaletas de banda de aquecedor correspondentes podem ser usinadas de maneira mais eficiente. Adicionalmente, tubulações de fluxo de alimentação naturalmente equilibradas são limitadas a moldes que têm números pares distintos de cavidades de molde (por exemplo, 2, 4, 8, 16, 32, etc.). Tubulações de fluxo de alimentação artificialmente equilibradas, e não equilibradas, podem ser projetadas para fornecer material termoplástico fundido a qualquer número de cavidades de molde.

[00046] A tubulação de fluxo de alimentação artificialmente equilibrada 160 também pode ser construída a partir de um material que tem alta condutividade térmica para acentuar a transferência de calor para o material termoplástico fundido em jitos quentes acentuando, assim, o fluxo do material termoplástico. Mais especificamente, a tubulação de fluxo de alimentação artificialmente equilibrada 160 pode ser construída a partir do mesmo material que o molde para reduzir ainda mais os custos de material e acentuar a transferência de calor dentro de todo o sistema.

[00047] As Figuras 9A e 9B ilustram tubulações não equilibradas 260. As tubulações não equilibradas 260 podem incluir um número ímpar de cavidades de molde 232, e/ou canaletas de fluxo que têm diferentes formatos em corte transversal, diferentes número e tipo de voltas, e/ou as diferentes temperaturas. Ademais, as tubulações não equilibradas 260 podem alimentar cavidades de molde que têm tamanhos e/ou formatos diferentes, conforme ilustrado na Figura 9B.

Métodos de teste de índice de capacidade de usinagem de perfuração e moagem

[00048] Os índices de capacidade de usinagem de perfuração e moagem mencionados acima na Tabela 1 foram determinados ao testar os materiais representativos em métodos de teste cuidadosamente controlados, que são descritos a seguir.

[00049] O índice de capacidade de usinagem para cada material foi determinado mediante a medição de carga de fuso necessária para perfurar ou moer um pedaço do material com todas as outras condições da máquina (por exemplo, taxa de alimentação de estoque, rpm de fuso, etc.) sendo mantidas constantes entre os vários materiais. A carga de fuso é relatada como uma razão entre a carga de fuso medida em relação à carga de torque de fuso máxima de 101,7 Nm (75 ft-lb) em 1.400 rpm para o dispositivo de perfuração ou moagem. A porcentagem do índice foi calculada como uma razão entre a carga de fuso para aço 1117 e a carga de fuso para o material de teste.

[00050] A máquina de moagem ou perfuração de teste foi um Centro de Usinagem Hass VF-3. Condições de perfuração

Tabela 2 Condições de moagem

Tabela 3

[00051] Para todos os testes, foi usado resfriamento por "rajada de inundação". O agente refrigerante foi Koolrite 2290.

Métodos de teste de índice de capacidade de usinagem de EDM

[00052] Os índices de capacidade de usinagem de EDM dissipador de grafite e cobre, mencionados acima na Tabela 1, foram determinados ao testar os materiais representativos em um método de teste cuidadosamente controlado, que é descrito abaixo.

[00053] O índice de capacidade de usinagem de EDM para os vários materiais foram determinados mediante a medição do tempo que levou para queimar uma área (detalhes abaixo) nos vários metais de teste. A porcentagem de índice de capacidade de usinagem foi calculada como a razão entre o tempo que levou para queimar em aço 1117 e o tempo necessário para queimar a mesma área nos outros materiais de teste. Fio EDM

Tabela 4 Dissipador EDM – grafite

Tabela 5 Dissipador EDM – cobre

Tabela 6

[00054] As máquinas de moldagem por injeção a baixa pressão constante apresentadas empregam vantajosamente moldes construídos a partir de materiais facilmente usináveis. Como resultado, as máquinas de moldagem por injeção a baixa pressão constante apresentadas são menos dispendiosas e mais rápidas de produzir. Adicionalmente, as máquinas de moldagem por injeção a baixa pressão constante apresentadas são capazes de empregar estruturas de suporte mais flexíveis e estruturas de liberação mais adaptáveis, como larguras de rolo de impressão mais largas, maior espaçamento de barra de fixação, eliminação de barras de fixação, construção de peso mais leve para facilitar movimentos mais rápidos, e sistemas de alimentação não naturalmente equilibrados. Dessa forma, as máquinas de moldagem por injeção a pressão baixa constante apresentadas podem ser modificadas para se adaptar às necessidades de liberação e são mais facilmente personalizadas para peças moldadas particulares.

[00055] Deve-se observar que os termos "substancialmente", "cerca de" e "aproximadamente", exceto se especificado o contrário, podem ser usados na presente invenção para representar o grau inerente de incerteza que pode ser atribuído a qualquer comparação, valor, medição, ou outra representação quantitativa. Esses termos também são usados na presente invenção para representar o grau pelo qual uma representação quantitativa pode variar a partir de uma referência declarada sem resultar em uma alteração da função básica do assunto em questão. Exceto se definido de outro modo no presente documento, os termos "substancialmente", "cerca de" e "aproximadamente"significam a comparação, valor, medição, ou outra representação quantitativa que podem se situar dentro de 20% da referência citada.

[00056] Deve ser agora aparente que as várias modalidades dos produtos ilustrados e descritos no presente documento podem ser produzidos por um processo de moldagem por injeção a pressão baixa constante. Embora referência particular tenha sido feita no presente documento a produtos para conter produtos de consumidor ou aos próprios produtos de consumidor, deve ser aparente que o método de moldagem por injeção de pressão baixa constante discutido no presente documento pode ser adequado para uso em conjunto com produtos para uso na indústria de produtos de consumidor, na indústria de serviço de alimentos, na indústria de transporte, na indústria médica, na indústria de brinquedos, e similares. Ademais, o versado na técnica reconhecerá que os ensinamentos apresentados no presente documento podem ser usados na construção de moldes de pilha, moldes de múltiplos materiais, incluindo moldes traseiros rotacionais e de núcleo, em combinação com decoração em molde, moldagem de elemento de inserção, montagem em molde, e similares. Ademais, o versado na técnica reconhecerá que os ensinamentos apresentados no presente documento podem ser usados na construção de moldes de pilha, moldes de múltiplos materiais, incluindo moldes traseiros rotacionais e de núcleo, em combinação com decoração em molde, moldagem de elemento de inserção, montagem em molde, e similares.

[00057] Todos os documentos citados na Descrição Detalhada da Invenção estão, em sua parte relevante, aqui incorporados, a título de referência. A citação de qualquer documento não deve ser interpretada como admissão de que este represente técnica anterior com respeito à presente invenção. Se qualquer significado ou definição de um termo deste documento escrito entrar em conflito com qualquer significado ou definição do mesmo termo em um documento incorporado por referência, terá precedência o significado ou definição atribuída ao termo no presente documento escrito.

[00058] Embora modalidades particulares tenham sido ilustradas e descritas no presente documento, deve ser entendido que várias outras alterações e modificações podem ser feitas sem que se desvie do caráter e âmbito do assunto reivindicado. Ademais, embora vários aspectos do assunto reivindicado tenham sido descritos no presente documento, tais aspectos não precisam ser utilizados em combinação. Pretende-se, portanto, que as reivindicações anexas abranjam todas essas alterações e modificações que estão dentro do escopo do assunto reivindicado.

Claims

1. Aparelho de moldagem por injeção (10) incluindo: um suporte para material fundido (12) para pressurizar plástico fundido (24) antes da injeção em um molde (28) possuindo uma pluralidade de cavidades de molde (32); um elemento de injeção (12) para aplicar uma força ao plástico fundido para avançar o plástico fundido a partir do suporte para material fundido através de um bocal (26) e para o molde; um sensor (52) em comunicação dinâmica com o suporte para material fundido para sentir uma pressão do plástico fundido no bocal; e em que o aparelho ainda compreende: um controlador (50) em comunicação com o sensor e o elemento de injeção, em que o controlador é configurado para controlar o elemento de injeção para manter uma pressão de fusão substancialmente constante entrando em pelo menos uma cavidade de molde menor do que 41,37 MPa (6000 psi) no bocal, em que a pressão substancialmente constante flutua menos do que 30% durante o enchimento, caracterizado pelo fato de que o molde possui uma condutividade térmica média maior do que 51,9 W/(m*C) (30 BTU/HR FT °F) e o molde possui pelo menos um dentre um índice de usinagem de moagem maior do que 100%, um índice de usinagem de perfuração maior do que 100%, e um índice de usinagem de fio EDM maior do que 100%, e a pelo menos uma cavidade de molde na pluralidade de cavidades de molde é uma cavidade de molde de parede fina possuindo uma L/T > 100.

2. Aparelho de moldagem por injeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador é configurado para controlar o elemento de injeção para manter a pressão de fusão substancialmente constante, em que a pressão substancialmente constante flutua menos do que 20%.