1. INTRODUÇÃO

Contracção corresponde à diferença entre as dimensões do molde frio e as da peça fria, vulgarmente expressa como percentagem. O conhecimento da contracção e dos factores que a afectam é naturalmente importante na construção dos moldes e no ajustamento dos parâmetros de moldação por forma que as peças possam ser moldadas com as dimensões pretendidas.

No arrefecimento, desde as temperaturas de fusão a que são processados, os plásticos contraem em volume – os polímeros amorfos cerca de 6% a 7% e os parcialmente cristalinos até 1 5% ou ainda mais. Esta elevada contracção é descrita pela curva volume específico – temperatura e, no estado sólido, pelo coeficiente de contracção. A contracção é responsável por diversos fenómenos:

	1.1. Surge a contracção livre tal como foi acima referida.
	1.2. O arrefecimento progressivo provoca inicialmente solidificacão do material junto às paredes da cavidade, caminhando depois para o interior, o que conduz ao aparecimento de tensões internas. Esta distribuição de tensões internas é responsável pelos chupados e pelos chochos, e ainda pelo empeno que surge em peças sujeitas a maquinação posterior.
	1.3. Restringindo a contracção pode-se introduzir tensões nos locais onde o polímero é impedido de contrair livremente; este facto pode por vezes ser minimizado suavizando os contornos das peças, ou pode ser agravado pela utilização de inserções metálicas.
	1.4. O fluxo a que um polímero é submetido durante o enchimento do molde introduz na peça um estado de orientação molecular com importantes efeitos na contracção.
	1.5. A contracção depende das condições de processamento do polímero, especialmente da temperatura e pressão do fundido; a uniformidade ou não da temperatura do molde ajuda por vezes a corrigir distorções pontuais.

2. CONTRACÇÃO LIVRE

Consideremos uma placa plana obtida a partir de uma cavidade alimentada em lâmina, ou uma régua comprida obtida de uma cavidade alimentada por uma das suas extremidades.
O molde está frio. O polímero injectado na cavidade está quente.
Se a cavidade é completamente cheia de fundido e este é deixado arrefecer, o polímero solidificará durante o arrefecimento e irá contrair. A peça moldada será portanto menor que a cavidade, sendo de 2% uma contracção linear típica de polímeros amorfos e cerca do dobro deste valor para os polímeros parcialmente cristalinos.

Esta é a conclusão mais simples que advém da observação do fenómeno da contracção.
Aqui, o ponto mais importante reside no facto de que a moldação é livre de contrair em qualquer direcção donde resulta o conceito de contracção livre ou não restringido. É propositadamente excluído deste conceito qualquer efeito da orientação molecular resultante do enchimento da cavidade.

Um htmecto secundário associado à contracção deriva do facto de a peça poder “descolar” e perder o contacto térmico com o molde durante a fase de arrefecimento, o que poderá conduzir a um tempo de arrefecimento um pouco superior ao que se poderia teoricamente prever – pouco se pode fazer a este respeito.

3. DESENVOLVIMENTO DE TENSÕES INTERNAS

Comecemos por considerar um molde frio, definindo uma cavidade que é instantaneamente cheia de polímero em fusão – não nos preocupemos aqui como o fundido lá apareceu.

O polímero em contacto com a superfície da cavidade solidifica imediatamente e mantém-se à temperatura do molde (fig. 1). Esta película não tem quaisquer tendências para continuar a contrair. Com o decorrer do tempo a espessura do polímero solidificado continua a aumentar à custa do núcleo ainda em fusão. Este núcleo ao arrefecer tende a contrair no que é impedido pela “capa” já sólida que o rodeia, a qual já contraiu o que tinha a contrair pelo efeito térmico do arrefecimento.

Figura 1	Chupados e chochos em secções espessas

O polímero fica então sujeito a uma compressão na sua zona exterior mas, perto do centro (último ponto a solidificar), o material encontra-se num estado de tracção hidrostática. A distribuição de tensões é parabólica ao longo da espessura da peça.

O que é que isto significa em termos práticos?

Primeiro, se o polímero é flexível no seu estado sólido, a contracção do núcleo da peça “puxa” a superfície exterior da mesma dando origem a chupados (fig. 1). Quanto mais espessa for a secção da peça, tanto maior será a tendência para o chupado. Polímeros parcialmente cristalinos com pequeno módulo de elasticidade (grande flexibilidade) ocasionarão maiores chupados do que polímeros rígidos e amorfos. Polímeros rígidos resistem aos chupados dando origem a elevadas tensões internas. Se antes do fundido ter solidificado completamente a tensão hidrostática no núcleo for muito elevada, o fundido romperá dando origem ao aparecimento de chochos (fig.1). Quanto mais espessa for a secção da peça, tanto maior será a tendência para a formação de chochos.

Segundo, secções espessas localizadas terão maior probabilidade de originar chupados ou chochos. Alhetas e sobreespessuras localizadas são normalmente responsáveis por chupados. Para minimizar (mas raramente eliminar) estes chupados é recomendável desenhar as alhetas com uma espessura igual ou inferior a 2/3 da espessura da placa onde estão inseridos (fig. 2). A utilização de camuflagem poderá eventualmente ser útil (fig. 3).

Figura 2	Redução dos chupados e chochos

Figura 3	Disfarçar potenciais chupados

Terceiro, temos a distribuição de tensões internas. A moldação fria está internamente em equilíbrio estático. Se uma camada do polímero é retirada da superfície de uma placa plana, o polímero que resta deixa de estar em equilíbrio. A conclusão é evidente: maquinação de secções esbeltas conduz provavelmente a distorções. O problema não é tão grave se tivermos de maquinar secções espessas pois é natural que a secção restante seja ainda suficientemente rígida para resistir à flexão.

Quarto, a distribuição interna de tensões é vantajosa em peças sujeitas à flexão – as tensões de compressão na sua superfície ajudam a resistir às tensões de tracção devidas à flexão. É claro que no caso de ser aplicada uma tensão axial de tracção, o núcleo da peça será menos resistente pois já ali existe uma tensão do mesmo tipo.

Nesta altura é conveniente considerar o que sucede quando se injecta um polímero em fusão numa cavidade fria: solidificação progressiva que ocorre durante e depois do enchimento. Durante a fase de enchimento, e quando o fundido progride na cavidade, a pressão cresce por detrás da superfície de avanço do material. Esta é uma tensão hidrostática de compressão. Quando a cavidade enche, o fluxo pára. No sentido de compensar a contracção anteriormente referida é costume aplicar uma pressão de manutenção (2.ª pressão) ao material da cavidade durante o tempo em que o canal de alimentação permanece fluido. Logo que o ponto de entrada do material esteja completamente solidificado, o núcleo da peça, ainda em fusão, continua a contrair mas a pressão hidrostática contraria ali em certa medida o pleno desenvolvimento das tensões de tracção. Conclui-se portanto que um método de reduzir as tensões internas e o risco de chupados e chochos é aplicando uma maior pressão de manutenção. Conclui-se também que quanto mais tempo a pressão puder ser aplicada ao fundido, melhor; portanto, se for absolutamente necessário que a peça tenha secções com espessura muito diferentes, é aconselhável alimentá-la pelas secções mais espessas (fig. 4).

Figura 4	Localização da entrada do material

Se a um provete injectado de GPS é aplicada longitudinalmente uma tensão uniaxial de tracção verifica-se que, para determinado valor da carga surgem pequenas fissuras que progridem, através da secção do provete perpendicularmente à direcção da carga. Quando as fissuras são suficientemente extensas, o provete parte. O exame da superfície de fractura (fig. 5) revela uma superfície polida que teve início perto de um dos lados menores do provete e cresceu lentamente até ter atingido mais de metade do percurso até ao outro lado. A restante superfície da fractura, incluindo uma faixa estreita em redor da zona polida, apresenta uma textura muito mais grosseira.

Figura 5	Superfície de uma barra injectada em poliestireno cristal

Esta observação confirma o facto de a orientação na superfície do provete ser perpendicular ao desenvolvimento da rotura, com o interior do provete essencialmente não orientado, e confirma também que a superfície exterior se encontrava em compressão e o núcleo submetido a tracção.

4. RESTRIÇÃO DA CONTRACÇÃO PELO MOLDE

No ponto 2 a simples placa plana ou a régua não estavam impedidas pelo molde de contraírem livremente em todas as direcções. No ponto 3 esta contracção, apesar de livre, dá origem mesmo assim a um estado de tensões internas.

Em muitas moldações existem regiões do molde que impedem a livre contracção da peça. Por exemplo, a bucha que molda o interior de um copo, de um balde, ou de qualquer estrutura em forma de caixa. A bucha tem uma dimensão fixa que impede a contracção no sentido do perímetro. Deste modo, o polímero contrai sobre a bucha dificultando a extracção da peça. Elevada saída no sentido da extracção ajuda a resolver o problema (fig. 6).

Figura 6	Ângulos de saída facilitam a extracção

Os ângulos de saída variam geralmente entre 1/2º e 2º por lado. Em superfícies texturizadas os ângulos de saída devem ser, pelo menos de 1º por lado por cada 0,025 mm de profundidade da textura e o seu desenho deve ser orientado na direcção da saída. É possível injectar peças com menores saídas mas, nestes casos a bucha deve ser convenientemente polida e deve ser prevista a utilização da placa de extracção.

A necessidade de se providenciar ângulos de saída pode por vezes conduzir a chupados ou chochos não uniformes. Por exemplo, a nervura interna de uma estrutura tipo caixa representada na fig.7 tem prevista saída para facilitar a extracção. Em consequência disto, a marca do chupado na face exterior ir-se-á progressivamente agravando na direcção do fundo da caixa.

Figura 7	Alheta com saída na direcção da extracção

Restrição à contracção pode também surgir quando uma sobreespessura no extremo de uma secção esbelta não permite que a contracção longitudinal se faça livremente. Uma vez que a contracção volumétrica terá sempre de ter lugar, todas as dimensões à excepção da(s) restrita(s) terão de contrair mais para que o total do volume a contrair seja alcançado. A restrição pode induzir consideráveis tensões de moldação.

A figura 8 apresenta uma sequência de situações que exemplificam o problema por ordem crescente. A fig.8(a) representa uma situação sem problemas – contracção livre pode ter lugar. A fig.8(b) já não é tão favorável embora o generoso raio na concordância com a sobreespessura ajude a minimizar a restrição pois as extremidades ao contrair podem mover-se axialmente. Na fig.8(c) as extremidades estão rigidamente presas no molde e desenvolver-se-á na fina secção central uma tensão interna longitudinal a qual, no caso de um material frágil, poderá conduzir ao aparecimento de fendas nas arestas interiores da peça. Na fig. 8(d) o entalhe moldado na peça induzirá um elevado estado hidrostático de tensões no vértice da fenda. Em polímeros utilizados francamente abaixo da sua temperatura de transição vítrea (i.e., polímeros rígidos e frágeis), esta tensão hidrostática sobrepõe-se à tensão de compressão na superfície da peça (ponto 3) e pode conduzir ao aparecimento de fissuras no polímero antes ou durante a extracção, o que representa uma maior probabilidade de rotura prematura da peça.

Figura 8	Zona com contacção restringida podem desenvolver tensões

É natural que inserções metálicas, especialmente aquelas que possuem perfis roscados, possam também ser dadas como exemplo de situações em que a contracção é restringida. Em redor do metal da inserção roscada, representada na fig. 9(a), o polímero solidifica e tenta contrair dando origem a uma tensão de tracção na direcção tangencial. Entre os fios da rosca existe também uma tensão axial restringida (fig. 9 (b)), situação esta comparável à do sistema da fig. 8(d). Em polímeros frágeis esta situação conduzirá provavelmente a fissuras radiando das pontas do perfil da rosca como representado na fig. 9(c).

Figura 9	Fontes de tensão provocadas por uma inserção metálica inserta

5. ARREFECIMENTO DO MOLDE

Procura-se, regra geral, que as paredes da peça a moldar tenham uma espessura uniforme e que o molde esteja a uma temperatura uniforme (conduzindo assim a um arrefecimento uniforme da peça), ou seja que, em princípio, a contracção seja uniforme. Mesmo desprezando os efeitos da orientação, nem sempre é possível aplicar estes princípios nos casos reais de moldação. As dificuldades surgem de factores tais como o espaço existente entre os canais de refrigeração, a forma da peça, a necessidade de utilizar ângulos de saída e a existência de raios de concordância nas arestas interiores.

Se uma peça tem secções espessas e delgadas, e as superfícies da zona moldante estão a uma temperatura uniforme no momento da extracção, então após a peça ser extraída a secção espessa irá contrair mais do que a delgada (pois o seu núcleo estava mais quente na altura da extracção) o que irá provavelmente conduzir a uma distorção da peça (fig. 10). A fig. 11 exemplifica alguns métodos a utilizar no sentido de se conseguir uma espessura uniforme na peça.

Figura 10	Arrefecimento depois da extracção

Figura 11	Técnicas para manter a espessura uniforme

Variações de espessura localizadas afectam não só o tempo de arrefecimento mas aumentam também o risco de empenos devido à contracção adicional. Deste modo, se se quiser moldar um perfil ligeiro em T será necessário providenciar raios de curvatura nas arestas internas (fig. 12) para tornar o perfil mais resistente aos esforços aplicados. Este raio de curvatura irá aumentar a espessura efectiva naquele local o que conduzirá a uma maior contracção. Simultaneamente, o arrefecimento junto das arestas interiores C1, será menos eficiente do que na superfície plana C2 e, deste modo, o perfil poderá empenar ligeiramente. Compensando o arrefecimento do molde poder-se-á provavelmente resolver o problema do empeno ainda que os chupados ou os chochos não sejam possíveis de eliminar.

Numa placa plana uniforme é possível conseguir que o arrefecimento seja razoavelmente uniforme em ambas as superfícies da peça. Mas supondo que a placa tem perpendicularmente à sua superfície um ou mais cilindros com dimensões semelhantes ao corpo de uma esferográfica (fig.13), a taxa de arrefecimento do interior do cilindro depende do modo como o calor é removido do seu macho e será certamente inferior em média à verificado no exterior do cilindro. Tal diferença na taxa de arrefecimento conduz a um maior cicio de moldação e isto deve-se mais à dificuldade em extrair o calor do longo núcleo metálico do que a quaisquer outras implicações térmicas que possam advir do formato da peça. Num problema desta natureza será talvez necessário providenciar um sistema de refrigeração separado e mais eficaz para o núcleo metálico por forma que este seja refrigerado mais intensamente que o resto da peça.

Figura 12	Espessuras localizadas provocam distorções		Figura 13	Saliência fina e profunda

Peças planas têm tendência para empenar sempre que as temperaturas do molde nas faces opostas da cavidade sejam desiguais. A diferença de temperatura DT entre as superfícies da peça conduz a uma contracção desigual a qual é directamente responsável pela flexão. Assim, o empeno de uma placa depende directamente de DT, do coeficiente de dilatação do material, e do quadrado da dimensão lateral da placa, e é inversamente proporcional à sua espessura. É do conhecimento prático que peças delgadas empenam mais do que peças espessas e que placas de grandes dimensões empenam mais facilmente do que placas pequenas. Qualquer artifício geométrico que aumente a espessura efectiva de uma placa, como sejam alhetas ou curvaturas, ajudam a minimizar este tipo de distorção.

Não é pois de surpreender que seja bastante vulgar o tipo de distorção representado na fig.14. Em muitos casos esta distorção terá pouca importância sob o ponto de vista funcional. Contudo, em situações em que a peça é projectada para suportar esforços de compressão ou de corte, a sua funcionalidade será drasticamente reduzida. Soluções para este tipo de distorção passam pela refrigeração uniforme das superfícies da cavidade de modo a que as peças sejam extraídas com uma temperatura uniforme; poder-se-á também deixar arrefecer a peça num dispositivo exterior ao molde que a obrigue a manter as suas dimensões. Soluções alternativas de projecto podem incluir acidentes na forma da peça para aumentarem a sua rigidez tais como alhetas, ressaltes ou curvaturas, com o objectivo de aumentar a sua espessura efectiva. Do que foi dito é de esperar que uma reentrância de perfil quadrado distorça bastante mais do que uma de perfil circular (fig. 15).

Figura 14	Bordo de uma caixa visto de baixo para cima		Figura 15	Distorções em saliências redondas e quadradas

6. EFEITO DE ORIENTAÇÃO

A experiência indica que nas peças plásticas a contracção é maior na direcção da orientação do que perpendicularmente a ela. Assim, no caso de placas alimentadas em lâmina verificar-se-á maior contracção na direcção do fluxo unidireccional; isto significa que se a cavidade do molde for quadrada, a peça será rectangular com o comprimento na direcção do fluxo menor do que a dimensão que lhe é perpendicular. Na prática poder-se-á compensar as dimensões da cavidade por forma a obter uma placa quadrada.

A situação torna-se bastante mais complicada no caso de um disco injectado ao centro. Verifica-se aqui que a orientação no sentido do fluxo radial é bastante mais desenvolvida do que na direcção tangencial. Isto conduz a uma maior contracção radial do que tangencial ficando a circunferência com um perímetro demasiado grande para o raio. Assim, a peça empena tomando uma forma de sela (fig.16). Este problema é bem conhecido e não é de fácil solução numa cavidade já existente.

Figura 16	Saliência fina e profunda

Uma vez que peças planas tendem a empenar se forem injectadas ao centro é recomendável evitar, sempre que possível, secções planas de reduzida espessura em áreas de grande dimensão. Quando isto não for possível, os seguintes artifícios poderão ajudar a reduzir os empenos (fig. 17):

	a) Tornar a secção mais espessa, o que conduz a uma maior rigidez mas utiliza mais material e necessita de maior tempo de arrefecimento. Uma maior espessura reduz a orientação.
	b) Introduzir na peça uma ligeira curvatura (simples ou dupla). Esta solução torna a cavidade mais cara. A peça deixa de ser plana mas o seu bordo terá menor tendência para empenar.
	c) Peça com ressalto (em vez da curvatura sugerida no ponto anterior).
	d) Uma solução para o empeno do disco será reforçar o seu bordo, artifício vulgarmente usado em rodas dentadas (fig. 18).
	e) Incorporar na peça alhetas com disposição alveolar. A cavidade será mais cara e a peça terá uma espessura efectiva maior.
	f) No caso de uma peça plana delgada é de evitar a sua injecção ao centro devendo esta ser feita, de preferência, em lâmina num bordo lateral ou através de entradas múltiplas o que conduz a um enchimento com fluxo essencialmente unidireccional. As diferenças de contracção entre a direcção do fluxo e a direcção normal ao fluxo não provocam empenos nem geram tensões de compressão no plano da peça.

Figura 17	Modos de reduzir empenos de painéis

Figura 18	Roda dentada com bordo reforçado

Convém aqui salientar que o empeno terá maior probabilidade de aparecer – e em maior grau nos polímeros reforçados com fibra de vidro do que nos não reforçados. As razões disto ainda não estão perfeitamente determinadas. As fibras contraem menos do que o polímero e tendem a alinhar-se na direcção do fluxo. Num polímero reforçado injectado ao centro de uma cavidade plana, as fibras de reforço no seu núcleo apresentam a tendência para se orientar na direcção tangencial. O fluxo tangencial é perfeitamente admissível no modelo do disco injectado ao centro pois o material também tem de se “espalhar” pela peça; mas como o núcleo onde este alinhamento é preferencial ainda está quente quando o enchimento se completa e o fluxo pára, o polímero tem a possibilidade de desfazer a sua orientação, ao passo que as fibras de reforço, devido às suas maiores dimensões, são retidas na posição que lhes foi determinada pelo fluxo.

7. EFEITO DAS CONDIÇÕES DE MOLDAÇÃO

Na análise que seguidamente se irá efectuar apenas uma variável é alterada de cada vez; todos os outros parâmetros permanecem constantes a menos que seja expressa indicação em contrário.

7.l. Aumento de temperatura do fundido

Após o enchimento do molde, um fundido mais quente terá de arrefecer mais do que um fundido mais frio e, portanto, apresentará uma maior contracção. Quanto maior for a contracção tanto maiores serão os chupados e os chochos e mais pronunciada será a distribuição de tensões internas no material (fig. 19). Contudo, este efeito não é muito pronunciado o que sugere que o crescimento das tensões internas no fundido pouco depende da sua temperatura, indicando talvez que ascensões no fundido são rapidamente equilibradas e que a contracção é determinada sobretudo pelo arrefecimento do polímero já no estado sólido.

Figura 19	Contracção média em função da temperatura do molde

7.2. Alteração na temperatura do molde

A peça estará mais quente quando da sua extracção de um molde a maior temperatura e, por conseguinte, ela contrairá mais. Os valores apresentados na fig.19 estão de acordo com o que foi dito. Como é de esperar, a conjugação de uma elevada temperatura do fundido com uma alta temperatura do molde conduzem a uma contracção ainda mais pronunciada.
Deve ser recordado que uma maior temperatura do molde reduz a velocidade de arrefecimento da peça o que favorece uma elevada cristalinidade nos polímeros parcialmente cristalinos.

7.3. Alteração da pressão

Um aumento da pressão de manutenção (2ª pressão) comprime mais material na cavidade o que resulta numa maior pressão hidrostática residual quando do fecho da entrada do material. A compressão residual no núcleo em arrefecimento reduz a tendência para a formação de chupados e de chochos e em certa medida reduz a contracção, tal como é indicado na fig. 20.

Figura 20	Efeito da pressão de injecção na contracção mantendo constantes a temperatura do molde e do cilindro

7.4. Alteração da velocidade de injecção

É pouco provável que uma mudança na velocidade de injecção tenha algum efeito significativo na contracção livre, embora possa afectar a orientação e possa também ser acompanhada por uma alteração da pressão de injecção o que já poderá ter certo efeito na contracção.

Joaquim Godinho, 1983
1º Congresso da Indústria de Moldes – Cefamol