Processo de moldagem por injeção de garrafas plásticas

Processo de moldagem por injeção: a tecnologia central da moldagem termoplástica

O processo de moldagem por injeção é uma tecnologia de moldagem eficiente que transforma materiais termoplásticos em diversos produtos por meio de moldes. Com as vantagens de alta automação, rápida eficiência de produção e alta precisão do produto, tornou-se um dos processos mais amplamente utilizados no processamento moderno de plásticos. De utensílios de mesa e capas de celular de plástico do dia a dia a peças automotivas de precisão e dispositivos médicos, a tecnologia de moldagem por injeção, com sua forte adaptabilidade e flexibilidade, apoia a fabricação de produtos em diversos setores e ocupa uma posição insubstituível na ciência dos materiais e na produção industrial.

1、 Princípios do processo e elementos essenciais

O princípio básico do processo de moldagem por injeção é o processo cíclico de fusão, fluxo de formação e solidificação: partículas sólidas de plástico são aquecidas e fundidas em um fundido dinâmico e fluido, que é injetado sob pressão em uma cavidade fechada do molde. Após o resfriamento e a solidificação na cavidade, o fundido forma um produto consistente com o formato da cavidade do molde. Esse processo precisa ser alcançado por meio do efeito sinérgico dos três elementos principais: matérias-primas, equipamentos de moldagem por injeção e moldes.

Requisitos para características da matéria-prima

O processo de moldagem por injeção possui requisitos específicos para o desempenho das matérias-primas (termoplásticos), o que afeta diretamente a qualidade e a eficiência da moldagem. A taxa de fluxo de fusão (MFR) é um indicador-chave que reflete a fluidez do plástico fundido. Uma MFR excessiva pode levar a uma grande contração e a um tamanho instável do produto; se for muito baixa, a fluidez será baixa, podendo ocorrer problemas como escassez de material e enchimento insuficiente. É necessário escolher o plástico MFR apropriado de acordo com a complexidade do produto, como PP e ABS de alta fluidez para peças de precisão e PC e PA de alta resistência para peças estruturais.

A estabilidade térmica dos plásticos é igualmente importante. Eles precisam ser capazes de suportar a temperatura de aquecimento do cilindro do material (geralmente 150-350 ℃) sem degradação, caso contrário, causará descoloração e diminuição das propriedades mecânicas do produto. Portanto, antes do processamento, é necessário confirmar a temperatura de decomposição térmica do plástico. Por exemplo, o PVC precisa ser adicionado com um estabilizador de calor para evitar a decomposição. Além disso, a taxa de retração do plástico (a proporção da retração por resfriamento após a moldagem) precisa ser compatível com o projeto do molde. Diferentes plásticos têm diferenças significativas nas taxas de retração (como a taxa de retração do PE de 1,5% a 3%, a taxa de retração do PC de 0,5% a 0,7%), e o molde precisa reservar uma margem de retração para garantir a precisão dimensional do produto.

Os plásticos moldados por injeção comuns incluem plásticos gerais (PP, PE, ABS, PS), plásticos de engenharia (PC, PA, POM, PBT) e plásticos especiais (PEEK, PI), que são adequados para cenários com diferentes requisitos de resistência, resistência à temperatura e resistência química.

Composição do equipamento de moldagem por injeção

A máquina de moldagem por injeção é o equipamento central do processo de moldagem por injeção, consistindo em quatro partes: sistema de injeção, sistema de fixação do molde, sistema de transmissão hidráulica e sistema de controle elétrico. O sistema de injeção é responsável pela fusão e injeção do plástico, incluindo funil, cilindro, rosca e bico: o funil armazena as partículas de plástico, que caem no cilindro por gravidade; um anel de aquecimento envolve a parte externa do cilindro de material para aquecer o plástico até o estado fundido; o parafuso realiza o transporte, a compactação e a plastificação (mistura do fundido) do plástico por meio de rotação e movimento axial, e o fundido plastificado é injetado no molde por meio de um bico.

O sistema de fixação do molde realiza a abertura, o fechamento e o travamento do molde, consistindo de um gabarito fixo, um gabarito móvel, uma haste de tração e um cilindro de fixação. A força de fixação precisa corresponder à pressão de injeção e à área projetada do produto para evitar que o molde seja esticado e aberto, causando rebarbas durante a injeção. A fórmula para calcular a força de fixação é: força de fixação (kN) = área projetada do produto (cm²) x pressão de injeção (MPa) x fator de segurança (1,2-1,5).

O sistema de transmissão hidráulica fornece energia para a injeção e o fechamento do molde, controlando a velocidade e a pressão do movimento de cada componente; o sistema de controle elétrico (CLP + tela sensível ao toque) controla com precisão os parâmetros do processo (temperatura, pressão, tempo) para automatizar a produção. As máquinas de moldagem por injeção de ponta também são equipadas com servomotores, proporcionando uma economia de energia superior a 30%.

Pontos-chave do projeto do molde

O molde é a chave para determinar a forma e a qualidade do produto, consistindo de cavidade, núcleo, sistema de vazamento, sistema de resfriamento e sistema de ejeção. As superfícies externa e interna do produto, formadas pela cavidade e núcleo, são feitas principalmente de aço para moldes (como P20, 718H), que precisa ser temperado e polido para garantir a lisura da superfície e a resistência ao desgaste.

O sistema de vazamento introduz o material fundido do bico na cavidade do molde, incluindo o canal principal, o canal de desvio e o canal de injeção: o canal principal conecta o bico e o canal de desvio, e um cone (2° a 5°) precisa ser projetado para facilitar a desmoldagem; o canal de desvio distribui o fundido para múltiplas cavidades; o canal de injeção é o canal final para o fundido entrar na cavidade do molde, com um tamanho pequeno (geralmente 0,5 a 2 mm), o que é conveniente para cortar o fundido e separar o produto. Os tipos comuns de canais de injeção incluem canais laterais, canais de injeção pontuais e canais de injeção ocultos, que precisam ser selecionados de acordo com o formato do produto.

O sistema de resfriamento dissipa o calor da massa fundida através da circulação de água, acelerando a solidificação do produto. O canal de água de resfriamento precisa estar próximo à superfície da cavidade do molde (15-25 mm de distância) para garantir um resfriamento uniforme. O tempo de resfriamento representa de 50% a 70% do ciclo de moldagem, afetando diretamente a eficiência da produção. O sistema ejetor (pino ejetor, placa superior, tubo ejetor) empurra o produto para fora do molde após o resfriamento para evitar deformações ou arranhões.

2、 Fluxo do processo e parâmetros-chave

O processo de moldagem por injeção é um ciclo contínuo, e o controle dos parâmetros de cada elo afeta diretamente a qualidade do produto. O processo completo inclui três etapas: preparação da matéria-prima, moldagem por injeção e pós-processamento.

Etapa de preparação da matéria-prima

As matérias-primas precisam passar por pré-tratamento e secagem: o pré-tratamento inclui triagem (remoção de impurezas) e mistura (adição de masterbatch de cor e aditivos em proporção) para garantir a uniformidade das matérias-primas; a secagem é direcionada a plásticos higroscópicos (como PA, PC, PBT), que são propensos a absorver umidade do ar e podem produzir defeitos como bolhas e fios de prata quando derretidos. É necessário usar uma máquina de secagem (secagem por ar quente ou secagem por desumidificação) para reduzir o teor de umidade para abaixo de 0,02% -0,05%. Os parâmetros de secagem variam dependendo do plástico (como temperatura de secagem de PC de 120 ℃ por 4 a 6 horas; temperatura de secagem de PA6 é de 80 a 90 ℃ por 4 horas.

Estágio de moldagem por injeção

Este é o cerne do processo, que consiste em cinco etapas: plastificação, injeção, manutenção da pressão, resfriamento e abertura e ejeção do molde. Plastificação: A rotação do parafuso transporta as partículas de plástico para a frente e as funde sob o aquecimento do cilindro e o cisalhamento do parafuso, formando uma fusão uniforme. A qualidade da plastificação depende da temperatura do cilindro, da velocidade do parafuso e da contrapressão (contrapressão durante a rotação do parafuso). Se a contrapressão for muito alta, o tempo de plastificação será prolongado e, se for muito baixa, resultará em uma plastificação irregular.

Injeção: O parafuso se move rapidamente para a frente para injetar o fundido na cavidade do molde a alta pressão e velocidade. A pressão de injeção é geralmente de 50 a 150 MPa e a velocidade de 30 a 150 mm/s. Ela precisa ser ajustada de acordo com a espessura e a complexidade do produto: produtos de paredes finas requerem alta pressão e alta velocidade (para reduzir o resfriamento do fundido), enquanto produtos de paredes espessas requerem baixa pressão e baixa velocidade (para evitar transbordamento).

Retenção de pressão: Após o material fundido preencher a cavidade do molde, a rosca mantém uma certa pressão para repor o material na cavidade, compensando a contração do material fundido por resfriamento. A retenção de pressão é geralmente de 60% a 80% da pressão de injeção, e o tempo de retenção é determinado de acordo com a espessura do produto (produtos com paredes espessas precisam de um tempo de retenção maior). A retenção insuficiente pode levar à indentação e ao tamanho reduzido do produto.

Resfriamento: Após a conclusão da manutenção da pressão, o sistema de resfriamento do molde trabalha para reduzir a temperatura do produto para abaixo da temperatura de deformação térmica, permitindo que ele se solidifique e se molde. A fórmula para o cálculo do tempo de resfriamento é: tempo de resfriamento (s) = (espessura máxima da parede do produto (mm)) ² × coeficiente de material. Diferentes coeficientes plásticos são diferentes (como coeficiente PE 0,8, coeficiente PC 1,2).

Abertura e ejeção do molde: Após o resfriamento, o sistema de fechamento do molde aciona o molde móvel para recuar e abrir o molde. O sistema de ejeção ejeta o produto do molde em velocidade lenta e uniforme para evitar deformação ou branqueamento do produto.

Estágio de pós-processamento

Alguns produtos exigem pós-processamento para melhorar o desempenho: remoção do excesso de material do canal de injeção e da superfície de separação por meio da remoção de rebarbas; tratamento de recozimento (como manter produtos de PC em um forno a 120 ℃ por 2 horas) elimina o estresse interno e evita rachaduras no produto; tratamento de superfície (pintura em spray, galvanoplastia, serigrafia) melhora a aparência e a funcionalidade; para produtos de qualidade alimentar, limpeza e desinfecção são necessárias para remover manchas de óleo e impurezas.

3、 Controle de qualidade e problemas comuns

A qualidade dos produtos moldados por injeção precisa ser controlada sob três aspectos: aparência, tamanho e propriedades mecânicas. Defeitos comuns precisam ser solucionados por meio da otimização de parâmetros durante a produção.

Indicadores de inspeção de qualidade

Os requisitos de qualidade da aparência incluem ausência de defeitos como rebarbas, materiais faltantes, bolhas, fios prateados, marcas de encolhimento, arranhões, etc., que podem ser obtidos por meio de inspeção visual ou visual automatizada (com precisão de 0,01 mm); A precisão dimensional deve estar em conformidade com a tolerância do desenho (como ± 0,1 mm), e as dimensões principais devem ser medidas usando um instrumento de medição de coordenadas ou paquímetro; As propriedades mecânicas (resistência à tração, resistência ao impacto) devem atender aos requisitos de uso, e os padrões de desempenho são garantidos por meio de amostragem e testes de matérias-primas e produtos acabados.

Defeitos comuns e soluções

Defeitos na produção são frequentemente causados por parâmetros ou problemas de molde e podem ser ajustados de acordo: rebarbas (excesso de material na borda do produto) precisam ser aumentadas ou diminuídas devido à força de fixação insuficiente do molde ou alta pressão de injeção; Material insuficiente (cavidade não preenchida) devido à baixa fluidez do fundido ou volume de injeção insuficiente, é necessário aumentar a temperatura do cilindro do material, aumentar a pressão de injeção ou aumentar o tempo de retenção; As bolhas precisam ser mais secas ou a velocidade do parafuso deve ser reduzida (para reduzir o aprisionamento de ar) devido à secagem insuficiente de matérias-primas ou à inclusão de ar no fundido; Marcas de retração (depressões superficiais) exigem aumento da pressão de retenção ou otimização do canal de água de resfriamento devido à pressão insuficiente ou resfriamento irregular; A deformação por empenamento é causada por estresse interno excessivo e é necessário reduzir o gradiente de temperatura do molde ou ajustar a posição do portão para garantir um fluxo uniforme do fundido.

4. Campos de aplicação e tendências de desenvolvimento

O processo de moldagem por injeção, com suas vantagens de alta eficiência e precisão, é amplamente utilizado em vários setores e está se atualizando em direção à inteligência e à sustentabilidade com o progresso tecnológico.

Principais áreas de aplicação

A indústria de embalagens é o maior mercado para tecnologia de moldagem por injeção, produzindo tampas de garrafas, recipientes, caixas de rotatividade, etc. Por exemplo, tampas de garrafas de água mineral usam moldagem por injeção de PP para garantir a vedação por meio de formação de roscas; A indústria automotiva usa moldagem por injeção para produzir peças internas (painel, painéis de portas), peças externas (para-choque) e peças funcionais (conectores) e plásticos de engenharia (liga PC/ABS) para substituir metais para redução de peso; A indústria de eletrodomésticos produz conchas (gavetas de geladeira, câmaras de ar de máquinas de lavar) e componentes estruturais (engrenagens, suportes), com o ABS se tornando o material principal devido à sua fácil coloração e resistência moderada; A indústria médica usa moldagem por injeção de plásticos de grau médico (PC, PP) para produzir seringas, invólucros de conjuntos de infusão e componentes de dispositivos médicos, exigindo moldes limpos e matérias-primas não tóxicas; A indústria 3C produz peças de precisão, como invólucros de telefones celulares, teclados, conectores, etc., exigindo uma tolerância dimensional de ± 0,02 mm e máquinas e moldes de moldagem por injeção de alta precisão.

Tendências de desenvolvimento tecnológico

A inteligência é a direção central, e as máquinas de moldagem por injeção são equipadas com sensores (pressão, temperatura, deslocamento) e algoritmos de IA para monitorar o estado fundido e a qualidade do produto em tempo real. Por meio do controle adaptativo, os parâmetros são ajustados automaticamente para reduzir a intervenção manual, e a taxa de refugo é reduzida para menos de 0,5%. A internet industrial permite a conexão em rede de equipamentos, o monitoramento remoto dos dados de produção e do consumo de energia, além de melhorar a eficiência da gestão.

A ecologização se concentra na conservação de energia, redução do consumo e utilização circular, com uma taxa de penetração de máquinas de moldagem por injeção de servomotor de mais de 80% e uma redução de 30% no consumo de energia; A tecnologia de moldagem por injeção para plásticos reciclados está madura e, por meio de limpeza e modificação, PP e ABS reciclados podem ser usados para produtos sem contato com alimentos; A aplicação de moldagem por injeção de plásticos de base biológica (PLA, PBAT) está se expandindo, reduzindo a dependência de recursos fósseis.

Avanço em tecnologia de moldagem especial e de precisão, a micromoldagem por injeção pode produzir microprodutos pesando menos de 0,1 g (como micropeças médicas) com uma precisão de ± 0,001 mm; a moldagem por injeção assistida por gás usa injeção de nitrogênio para tornar produtos de paredes espessas ocos, reduzindo marcas de contração e peso; Moldagem por injeção de duas cores/multicoloridas para moldagem única de produtos multimateriais ou multicoloridos, aprimorando a integração de aparência e funcionalidade.

Como tecnologia central do processamento de plásticos, o processo de moldagem por injeção reflete a inovação colaborativa de materiais, equipamentos e moldes em seu processo de desenvolvimento. De necessidades diárias a peças industriais de alta qualidade, a tecnologia de moldagem por injeção apoia o desenvolvimento da indústria de manufatura moderna com suas características eficientes e flexíveis. Com o aprofundamento da tecnologia inteligente e verde, o processo de moldagem por injeção desempenhará um papel cada vez mais importante na produção de precisão e na conservação de recursos, impulsionando a indústria de manufatura a caminhar em direção à alta qualidade.