Aproveite ao Máximo Polímeros com Reforço de Fibras Curtas: Dicas para Otimização e Desempenho Superior

The Long and Short of It (Part 2)—Tips for Molding Short-Fiber Reinforced Polymers

Moldar polímeros reforçados com fibras curtas apresenta nuances que podem tanto potencializar quanto comprometer a qualidade dos produtos finais. Enquanto as fibras curtas oferecem ganhos significativos em termos de resistência e leveza, a sua integração ao processo de moldagem requer atenção a detalhes específicos que influenciam diretamente as propriedades mecânicas e a estética dos componentes. Vamos explorar os fatores a serem considerados ao trabalhar com esses materiais, oferecendo dicas práticas para otimizar a produção.

Visão Geral dos Polímeros Reforçados com Fibras Curtas

Os polímeros reforçados com fibras curtas são obtidos pela mistura em fusão de fibras picadas com uma resina, utilizando um extrusora de compostos. As fibras de vidro têm em média cerca de 5 mm de comprimento, enquanto as de carbono são um pouco mais longas, atingindo 6 mm. A simplicidade da fabricação de compostos de fibras curtas geralmente se reflete em um custo mais acessível em comparação com os polímeros reforçados com fibras longas, que exigem processos mais complexos como a pultrusão.

Esses materiais são amplamente aplicáveis em processos de moldagem como injeção, compressão e extrusão. A composição dos polímeros também desempenha um papel vital; por exemplo, polímeros semicristalinos tendem a ser reforçados de maneira mais eficaz do que polímeros amorfos. Resinas populares que podem ser reforçadas com fibras curtas incluem nylons, poliolefinas e termoplásticos de engenharia. A flexibilidade nos materiais utilizados é uma vantagem significativa no design de aplicações industriais.

Considerando o Encolhimento

Uma das principais diferenças entre a moldagem de resinas não modificadas e a execução de compostos reforçados com fibras curtas é o comportamento de encolhimento. Quando os pellets são derretidos, as fibras tendem a se alinhar na direção do fluxo, o que resulta em encolhimento anisotrópico; isto significa que, enquanto as fibras resistem ao encolhimento na direção do fluxo, permitem que ocorram em direções transversais, aumentando o risco de deformações. Esse efeito se intensifica à medida que a carga de fibra e o comprimento da peça aumentam.

Para moldes projetados para resinas não reforçadas, pode ser necessário ajustar alguns parâmetros de processamento quando se utiliza materiais reforçados com fibras. Por exemplo, um molde mais frio pode congelar a orientação das fibras, resultando em uma redução na deformação. Embora essa estratégia ajude a mitigar problemas de warpage, também deve-se considerar o aumento do tempo de ciclo que isso pode acarretar, equilibrando eficiência e qualidade do produto final.

Materiais e Design dos Moldes

Devido à natureza abrasiva das fibras, existe uma degradação gradual da superfície do molde. As extremidades das filamentos de fibra curtas agem como pequenas agulhas, impactando o aço do molde em diferentes ângulos, o que pode desgastá-lo mais rápido do que se acredita. Por isso, recomenda-se o uso de um aço mais duro, como H-13 ou P-20, que são projetados para suportar esse nível de abrasão. Adicionar uma placa dura na superfície da cavidade do molde também é uma prática aconselhável.

No design do molde, é fundamental evitar ângulos de 90° sem fillets, pois eles podem quebrar as fibras. O uso de corredores em forma de arco reduz as tensões e garante um fluxo de material mais eficiente. Além disso, os portões devem ser localizados em posições que não interfiram com a orientação das fibras, uma vez que esta é crucial para otimizar a resistência e rigidez do componente.

Equipamentos de Moldagem

O aumento da viscosidade desses compostos requer ajustes no equipamento de moldagem para minimizar a quebra das fibras. Um bico de injeção maior, como de 7/32 ou 9/32 polegadas, pode garantir um fluxo de material sem restrições. Além disso, a escolha de um bico reverso torna-se vantajosa, pois reduz a força de cisalhamento aplicada, mantendo as fibras mais longas e protegendo-as de degradação térmica excessiva durante o processo.

Outro aspecto a considerar é a configuração do parafuso de injeção. Parafusos de baixa compressão que operam a velocidades entre 50-199 rpm e uma pressão de retorno reduzida (50-200 psi) podem resultar em menor cisalhamento e, consequentemente, preservar melhor a integridade das fibras. Essa atenção aos detalhes faz uma diferença significativa na qualidade e na durabilidade dos produtos moldados.

Parâmetros de Processamento

Maximizar o comprimento das fibras durante o processamento é essencial para o desempenho do material nos componentes moldados. Uma série de fatores podem amenizar a integridade das fibras, incluindo a velocidade de injeção e as características do molde. Por exemplo, evitar um preenchimento muito rápido de moldes com paredes finas pode evitar a quebra das fibras adicionais.

As práticas recomendadas incluem um controle rigoroso sobre a umidade antes do processamento, evitando áreas de fluxo restrito onde as fibras podem ser danificadas. A velocidade de injeção deve ser mais lenta que 25.4 mm por segundo, permitindo que o material flua sem restrições e minimize as forças de cisalhamento. Com essas práticas, será possível alcançar resultados desejáveis na moldagem de peças complexas e tecnicamente exigentes.

Design da Peça

O design da peça deve ser feito de maneira estratégica, levando em conta as principais vantagens e limitações dos polímeros reforçados com fibras curtas. Especial atenção deve ser dada à espessura das paredes. Estruturas muito finas podem aumentar as forças de cisalhamento durante o preenchimento do molde, resultando não apenas em quebra de fibras, mas também tornando as superfícies mais texturizadas, o que pode ser indesejável para algumas aplicações. Idealmente, deve-se evitar paredes com espessura inferior a 0,762 mm (0,030 in), especialmente em peças com longos comprimentos de fluxo.

Perspectivas Futuras

Os compostos de polímeros reforçados com fibras representam um mercado significativo e em crescimento, com uma demanda crescente nas indústrias de transporte, elétrica, eletrônica e outros setores de engenharia. Com o crescimento projetado superior a 8% ao ano para compostos de fibra de carbono até 2024, a indústria precisa adaptar-se rapidamente às inovações tecnológicas e às exigências do mercado. A popularidade dos materiais reforçados com fibras curtas garante que muitos moldadores terão que se familiarizar com esses compostos, utilizando práticas adequadas para otimizar a resistência e rigidez das peças fabricadas.

Sobre o Autor: Zachary Alderman, engenheiro sênior da ADTS, Avient Corp. Com uma vasta experiência em suporte de engenharia de aplicação, é especialista em materiais plásticos e moldagem por injeção. Formado em engenharia de plásticos e tecnologia de polímeros pela Pennsylvania State University-Altoona, ele traz um amplo conhecimento técnico que beneficia a indústria de compósitos e plásticos.