Moldagem por injeção de policarbonato:guia especializado para materiais, processos e design

O policarbonato (PC) é um material valorizado pela sua resistência ao impacto e transparência. Pode parecer vidro, mas em termos de resistência, é tão pouco parecido com vidro quanto você poderia imaginar:você pode encontrá-lo em janelas à prova de balas, escudos anti-motim e outras peças ultra-resistentes projetadas para serem quase inquebráveis.

Embora possa ser processado por extrusão, termoformagem e até impressão 3D, uma das melhores formas de fabricar peças de policarbonato é a moldagem por injeção. O material plástico fundido é bastante viscoso, mas ainda pode ser injetado com precisão nas cavidades do molde para fazer peças plásticas de vários formatos e tamanhos.

Este artigo aborda os fundamentos da moldagem por injeção de policarbonato, incluindo parâmetros de processo, regras de projeto e aplicações populares.

O que é policarbonato?

Transparentes como o vidro e fortes como alguns metais, os policarbonatos (PC) são polímeros termoplásticos cujas estruturas químicas contêm grupos carbonato. Adequados para uma variedade de processos de fabricação, incluindo moldagem por injeção e termoformação, esses materiais são fortes e resistentes, oferecendo também boa resistência térmica e transparência.

Quimicamente, o policarbonato é um poliéster de ácido carbônico formado de duas maneiras:através de uma reação de policondensação entre bisfenol A (BPA) e fosgênio (COCl₂), ou por transesterificação usando carbonato de difenila. A unidade estrutural repetitiva do policarbonato contém anéis aromáticos ligados por grupos carbonáticos, o que confere ao material notável rigidez e transparência.

Como o policarbonato é um termoplástico, ele pode ser derretido e moldado, tornando-o ideal para processos como moldagem por injeção. Pelotas de PC para moldagem por injeção são feitas extrusando o material em fios e cortando-o em pedaços uniformes. Esses pelotas de plástico normalmente custam alguns dólares por quilograma. Comparativamente falando, os materiais de policarbonato custam mais do que os termoplásticos comuns como ABS, PE e PP, mas são comparáveis ​​em preço a muitos nylons.

Em resumo, o policarbonato é um plástico bastante funcional, conhecido por sua clareza, resistência e resistência ao calor, tornando-o um material ideal para produtos moldados como lentes, escudos de segurança e caixas eletrônicas.

Propriedades do material de policarbonato
Propriedade Valor Nota Densidade 1,20–1,22 g/cm3Moderado para um termoplástico de engenharia; mais denso que o ABS, mas menos que o vidro, tornando o PC adequado para redução de peso óptico e estruturalYoung ’ módulo 2,0–2,4 GPaRigidez moderada; mais rígido que PE e PP, mas menos que acrílicosResistência à tração 55–75 MPaRelativamente alto para um termoplástico amorfo; semelhante ao náilon e próximo a algumas ligas de alumínioTemperatura de transição vítrea 147 °CMuito alto para um termoplástico comum, levando a boa estabilidade dimensional e resistência ao impacto em altas temperaturasFaixa de temperatura de trabalho -40 °C a 130 °CJanela operacional relativamente ampla; mantém a resistência em temperaturas abaixo de zero sem ficar quebradiço

O Processo de Moldagem por Injeção de Policarbonato

A moldagem por injeção de policarbonato é um processo poderoso e econômico para a produção de grandes volumes de peças plásticas de alta resistência com um bom nível de clareza. Embora o processo de moldagem por injeção de policarbonato seja semelhante a outros plásticos em certos aspectos, ele requer controle preciso de temperatura devido ao alto ponto de fusão do material.

O processo em resumo:

• Secagem de pellets
• Enchimento da tremonha
• Derretimento de pellets em barril
• Injeção na cavidade do molde
• Ejeção de peças acabadas
• Pós-processamento

Antes do início do processo de fabricação, os pellets de policarbonato são normalmente secos em temperaturas moderadas. Isso ocorre porque o PC é altamente higroscópico e a falta de secagem adequada dos pellets pode levar a defeitos de fabricação causados ​​pela água absorvida.

Depois que os pellets de PC são preparados, eles são alimentados no funil da máquina de moldagem por injeção, onde um parafuso alternativo os move para o cilindro aquecido. As temperaturas de moldagem por injeção de policarbonato estão normalmente na faixa de 260 a 320 °C, significativamente mais altas do que materiais de baixo custo como ABS. Devido à sua viscosidade relativamente elevada, o policarbonato fundido é então injectado a uma pressão bastante elevada na cavidade do molde.

O policarbonato derretido preenche a cavidade do molde. À medida que esfria e solidifica, assume a forma da cavidade. Uma vez totalmente solidificado, o molde é ejetado do molde aberto usando pinos ejetores.

Os tempos de ciclo para moldagens de policarbonato variam de cerca de 30 segundos a cerca de dois minutos, dependendo do tamanho da peça, espessura da parede, temperatura do molde e outros fatores.

De certa forma, o policarbonato é um material de extremos. Seu nível excepcionalmente alto de transparência óptica, resistência e resistência ao calor o torna desejável em muitos setores. No entanto, essas propriedades exigem parâmetros de processo bastante extremos, como altas temperaturas e pressões de injeção.

Os fatores que afetam os parâmetros de moldagem ideais incluem o tipo específico de material de PC, a geometria da peça e a espessura da parede, e o tipo de molde.

• Temperatura do barril :Normalmente 260–320 °C, com classes de uso geral próximas de 270–300 °C e classes reforçadas ou retardantes de chama em direção ao limite superior. O perfil de temperatura deve aumentar gradualmente da zona de alimentação até o bico para garantir uma fusão uniforme sem degradação.
• Temperatura do molde :80–120 °C, superior à maioria dos termoplásticos, para reduzir o estresse interno e melhorar a clareza óptica ou o acabamento superficial. Temperaturas mais baixas do molde podem reduzir os tempos de ciclo (o material esfria e solidifica mais rápido), mas acarretam o risco de empenamento ou embaçamento nas peças transparentes.
• Pressão de injeção :15.000–25.000 psi, pois a viscosidade do PC é relativamente alta. Peças de paredes finas ou complexas podem precisar de pressões mais altas ou velocidades de injeção mais rápidas para evitar injeções curtas.
• Taxa de injeção :Moderado a rápido, garantindo tempo suficiente para o preenchimento completo da cavidade sem correr o risco de tensão induzida por cisalhamento ou queima da porta causada pelas altas temperaturas envolvidas.
• Controle de umidade :3–4 horas de secagem a 120 °C, pois o PC é altamente higroscópico e até mesmo vestígios de umidade causam degradação hidrolítica, resultando em bolhas ou resistência reduzida nas moldagens finais. Os pellets também devem ser mantidos em recipientes fechados ou secadores até a hora de serem usados.

Técnicas de moldagem por injeção não padronizadas também podem ser usadas para moldar peças de policarbonato. Por exemplo, a moldagem por injeção assistida por água pode ser implantada para evitar defeitos em peças grandes e de paredes finas, enquanto a moldagem por injeção por compressão é melhor para peças de paredes espessas que, de outra forma, poderiam sofrer marcas de afundamento.

Materiais de policarbonato para moldagem por injeção

Os materiais de moldagem por injeção de policarbonato vêm em diferentes graus e podem ser misturados com certos aditivos para produzir efeitos diferentes, e alguns plásticos de PC são otimizados para um uso final ou indústria específica. Os principais produtores de materiais de PC incluem Covestro, SABIC, Mitsubishi Chemical e LG Chem.

• PC de uso geral oferece um equilíbrio entre resistência, transparência e resistência ao calor para a mais ampla gama de aplicações.
• PC de alto fluxo tem um índice de fluidez mais alto e pode usar aditivos como tereftalato de polibutileno de baixo peso molecular para melhorar o fluxo, facilitando a injeção nas cavidades do molde.
• PC retardador de chamas normalmente contém aditivos à base de fósforo ou enxofre para suprimir o fogo.
• PC de qualidade alimentar geralmente é aprovado por uma agência como a FDA para contato direto com substâncias alimentares.
• PC de nível de saúde geralmente é aprovado por uma agência como o FDA e pode ser biocompatível e aprovado para esterilização gama, EtO ou vapor.
• PC resistente às intempéries normalmente contém estabilizadores UV para melhorar a resistência às intempéries e é usado na indústria automotiva e em outras indústrias.

Embora seja um material forte e elegante, o policarbonato pode ser reforçado com vidro picado ou fibras de carbono. Modificadores de impacto também podem ser adicionados para melhorar a resistência e a resistência ao impacto. Algumas classes incluem agentes desmoldantes que evitam que as peças moldadas acabadas grudem no molde de metal. Outros aditivos podem incluir enchimentos, aditivos antiestáticos e corantes para fornecer cor fixa às moldagens acabadas.

Misturas de policarbonato são usadas para obter diferentes propriedades de materiais ou reduzir o custo de peças moldadas. As misturas comuns incluem PC/ABS para melhor processabilidade, PC/PBT para melhor resistência química e PC/PMMA para melhor resistência a arranhões, mantendo excelente clareza óptica.

Moldes para Policarbonato

A moldagem de policarbonato requer um molde de metal durável que possa sobreviver a altas temperaturas e pressões durante vários ciclos. Os moldes de PC são, portanto, geralmente feitos de aços para ferramentas endurecidos, como H13, S7, ou graus inoxidáveis ​​como 420. Esses materiais podem resistir à fadiga térmica, ao desgaste e à corrosão causada pela exposição prolongada ao fundido de PC quente.

Uma dificuldade na moldagem por injeção de policarbonato é que o material tem tendência a aderir ao interior do molde, tornando a ejeção mais difícil do que com outros termoplásticos. Por causa disso, os acabamentos de alto polimento no molde são preferidos aos texturizados, e o revestimento de níquel ou cromo pode ser aplicado para melhorar a liberação enquanto mantém a clareza óptica das peças transparentes.

Os moldes de alumínio podem ser usados para prototipagem de policarbonato ou produção de baixo volume, mas sua relativa suavidade em comparação com os aços para ferramentas pode causar problemas. Independentemente do material do molde, a ventilação adequada é fundamental para evitar marcas de tensão ou bolhas.

Acabamento de superfície em policarbonato

Diversas técnicas de pós-processamento e acabamento superficial são utilizadas para moldagem por injeção de policarbonato. Porém, a escolha da técnica depende do uso final da peça, sendo que as peças ópticas requerem tratamento diferenciado das peças mecânicas ou estruturais.

O policarbonato moldado dá uma impressão fiel da superfície do molde, por isso muitas vezes é aconselhável criar moldes com acabamento de alto polimento, conforme mencionado na seção anterior. Isso é importante para peças ópticas, onde a texturização superficial indesejada pode reduzir a clareza em peças como lentes ou caixas de luminárias. No outro extremo do espectro, as peças que requerem um certo grau de rugosidade superficial podem ser feitas por gravação química ou a laser no interior do molde. Tais peças podem exigir um ângulo de inclinação maior para superar o atrito adicional e facilitar a ejeção.

Técnicas de acabamento de superfície para moldagem por injeção de policarbonato
Processo Função Notas Texturização Ajusta a rugosidade da superfície. Texturas adicionadas diretamente ao interior do molde; maior ângulo de inclinação necessário para texturas muito ásperasLixar e polir Remove pequenas manchas, suaviza superfícies, melhora a clareza ópticaTécnicas manuais e mecânicas são possíveisPolimento a vapor Suaviza superfícies, cria maior nível de transparênciaCloreto de metileno ou outros vapores de solventes são mais eficazes, mas são necessárias condições controladasPintura e revestimento Adiciona cor, proteção UV ou resistência a arranhões. Excelente adesão possível; acrílicos de revestimento duro são um revestimento comum para peças transparentesGalvanoplastia e metalização Adiciona camada metálica para estética ou blindagem EMI. É necessária uma camada de base condutora; metalização a vácuo e niquelagem eletrolítica mais comunsImpressão Adiciona logotipos, símbolos e texto. Boa adesão de tinta por meio de impressão em bloco ou serigrafia

Guia de projeto de moldagem por injeção de policarbonato

Ao projetar peças complexas de moldagem por injeção a serem feitas de plástico PC, os engenheiros precisam considerar os princípios de design para fabricação (DFM) da moldagem por injeção, bem como as propriedades exclusivas do policarbonato.

Espessura da parede

1 –4  mm

O PC deve ter uma espessura de parede relativamente uniforme para evitar tensões internas e distorção óptica. Seções finas abaixo de 1 mm podem ser difíceis de preencher devido à alta viscosidade de fusão do material, enquanto paredes espessas acima de 4 mm correm o risco de marcas de afundamento e longos tempos de resfriamento.

Ângulo de projeto

0,5–2 ° (até 3 –5 ° para superfícies texturizadas)

Como o PC adere fortemente ao aço polido e tem baixo encolhimento, ângulos de inclinação generosos são importantes para uma ejeção adequada. Superfícies texturizadas ou foscas requerem maior tiragem para evitar arranhões ou branqueamento por estresse.

Raios

Pelo menos 0,6 mm ou ¼–½ espessura da parede Os cantos agudos concentram a tensão e podem causar rachaduras, especialmente em peças transparentes de PC. Os raios internos e externos melhoram o preenchimento do molde e a resistência ao impacto, enquanto as transições dos raios devem ser suaves e filetadas.

Costelas

Altura até  3× espessura da parede; espessura ½ espessura da parede

As costelas proporcionam rigidez sem adicionar peso. Como o PC esfria lentamente, as nervuras muito grossas podem causar marcas de afundamento nas superfícies visíveis. Bases de nervuras radiadas e espaçamento uniforme podem ajudar a obter melhores resultados.

Chefes

Espessura da base  ½ espessura da parede

As saliências devem ter núcleo para evitar seções espessas e risco de vazios internos. Parafusos ou inserções roscadas são comuns para montagem de peças de PC, mas devem evitar tensão excessiva para evitar rachaduras.

Tolerância

± 0,05 –0,2mm

As peças de PC podem atingir alta precisão dimensional graças ao baixo encolhimento (~0,5–0,7%) do plástico. Mas tolerâncias muito restritas devem ser evitadas em peças ópticas ou grandes, pois podem ocorrer tensões internas e empenamento durante o resfriamento.

Portões

As portas de borda, leque ou aba são preferidas para fluxo uniforme e tensão de cisalhamento reduzida. Para peças ópticas, use portas grandes para diminuir a velocidade de injeção e evitar linhas de fluxo.

Aberturas

0,02–0,04 mm

A ventilação adequada evita armadilhas de gás e marcas de queimadura, especialmente devido à alta viscosidade do PC. As aberturas de ventilação precisam ser pequenas o suficiente para evitar flashes e, ao mesmo tempo, permitir que o ar preso escape. Recomenda-se a ventilação perto de linhas de solda ou características espessas.

Assistência de software

Muitas ferramentas CAD oferecem assistência de moldagem por injeção para facilitar o projeto de peças moldadas de policarbonato. Esses recursos podem incluir:

• D F Análise M :verifica os principais recursos, como espessura da parede, ângulos de saída, cortes inferiores e posicionamento da porta para validar o projeto para moldagem por injeção.
• Análise de processos :Recursos como análise de fluxo do molde, previsão de contração e análise de elementos finitos (FEA) dão aos usuários uma ideia de como o PC se comportará durante a moldagem.
• Criação de molde :Geração automática de moldes simples ou complexos com base no design da peça, incluindo posicionamento do pino ejetor e outros recursos.
• Integração CAM :Integração com software CAM que controla os equipamentos de fabricação, garantindo uma transição perfeita do projeto à produção.

Aplicações de moldagem por injeção de policarbonato

Com seu equilíbrio de propriedades mecânicas e ópticas desejáveis, o policarbonato moldado por injeção é usado em diversas indústrias, encontrando uso em peças como faróis automotivos e dispositivos médicos. As aplicações potenciais e reais do PC moldado são fornecidas abaixo, classificadas por setor.

Óptico :Plásticos transparentes moldados por injeção, como o policarbonato, são uma alternativa segura ao vidro para produtos como lentes para óculos de sol e óculos, bem como óculos de segurança para uso em laboratórios, locais de trabalho e outros ambientes perigosos. O termoplástico forte e transparente também pode ser usado em peças como lentes de câmeras e óculos de realidade aumentada.

Automotivo :Na indústria automotiva, as peças moldadas por injeção de policarbonato incluem peças de plástico transparente, como lentes de faróis. O material é adequado para esse fim devido à sua transparência, resistência ao impacto e baixo peso. No entanto, estas peças são normalmente tratadas com revestimentos de superfície para melhorar a sua resistência a riscos e evitar a degradação UV. Outros usos de nicho incluem suportes para células de baterias EV.

Eletrônicos :Por ser um bom isolante elétrico e ter alta temperatura de deflexão térmica, o policarbonato é amplamente utilizado em eletrônica. Caixas e carcaças duráveis são produtos moldados comuns, enquanto alguns corpos de smartphones como o Samsung Galaxy S21 foram feitos desse material. Alguns computadores robustos, como o Panasonic Toughbook, também apresentam corpos de PC para maior durabilidade. Um tipo específico de moldagem por injeção é usado para produzir discos de armazenamento de dados (CDs, DVDs, etc.) de policarbonato. A produção de armazenamento de dados requer um molde de injeção com um carimbo contendo um negativo do conteúdo do disco.

Saúde :Com aprovação regulatória, determinados tipos de PC podem ser usados para aplicações de saúde. Os exemplos incluem equipamentos de proteção, como óculos de proteção e protetores faciais, invólucros para máquinas de diálise e outros dispositivos médicos, equipamentos de diagnóstico, como kits de teste, e sistemas de administração de medicamentos, como canetas, bombas e tubos. A clareza do PC e a capacidade de ser esterilizado em temperaturas bastante altas também o tornam adequado para peças de cateteres.

Construção e arquitetura :Por ser um material transparente até 250 vezes mais resistente que o vidro, o policarbonato é a resina transparente preferida para muitas peças estruturais de plástico transparente. A moldagem por injeção de policarbonato transparente pode produzir peças como escudos de caixas de banco, janelas de cabines de proteção, tampas de lâmpadas de rua, claraboias, gabinetes de medidores elétricos e difusores de luz.

Bens de consumo :A moldagem de plástico transparente de policarbonato pode ser usada para fabricar produtos de consumo, como garrafas de água e outros utensílios para bebidas, peças de processadores de alimentos e outros utensílios de cozinha, mamadeiras, capas de telefone, gabinetes para pequenos eletrodomésticos, como escovas de dente elétricas, malas rígidas e artigos esportivos.

Prós e contras da moldagem por injeção de policarbonato

A moldagem por injeção de plástico de policarbonato tem benefícios importantes, como a produção de peças transparentes de alta qualidade, mas não é o material mais fácil de manusear devido ao seu alto ponto de fusão e características de fluxo relativamente pobres.

Vantagens

• Clareza óptica :A moldagem por injeção com molde de metal de alto polimento preserva a transparência do policarbonato, produzindo peças plásticas transparentes de nível óptico.
• Outras propriedades desejáveis :Os materiais moldados de policarbonato oferecem boa resistência ao calor e ao frio, resistência ao impacto, isolamento elétrico, estabilidade dimensional e retardamento de chama.
• Processo rápido e eficiente :A moldagem por injeção é ideal para fabricar grandes volumes de peças de PC com baixo custo por peça.
• Tolerâncias restritas :O baixo encolhimento do policarbonato permite um alto nível de precisão e tolerâncias restritas.
• Reciclabilidade :O PC pode ser reciclado por meio de reciclagem mecânica ou química, mas a última é melhor para manter a resistência ao impacto do material.

Desvantagens

• Material exigente :O alto ponto de fusão e a baixa fluidez do policarbonato significam que ele requer uma alta temperatura de moldagem por injeção e altas pressões de injeção, que podem ser mais difíceis de manter ao longo de muitos ciclos.
• Resistência a arranhões :Dado que o policarbonato é frequentemente usado em peças ópticas, sua suscetibilidade a arranhões pode ser um problema, embora possa ser mitigada com aditivos ou revestimentos protetores.
• Resistência aos raios UV :Também falta resistência aos raios UV do policarbonato, o que pode ser um problema para peças externas, como faróis de carros, a menos que seja mitigado com uma camada protetora.
• Sensibilidade à umidade :O PC é altamente higroscópico e requer secagem abrangente antes da moldagem por injeção.

Moldagem por injeção de policarbonato confiável com 3ERP

O policarbonato é um termoplástico altamente versátil e eficaz para peças de plástico transparente e muito mais. No entanto, como é mais difícil de trabalhar do que outros plásticos comuns, como ABS ou PP, é essencial escolher um parceiro de moldagem por injeção qualificado e confiável.

Com mais de 15 anos de experiência no ramo, a 3ERP pode realizar projetos de moldagem por injeção de policarbonato de qualquer tamanho, desde protótipos até produção em massa. Nossa experiência profissional nos permite lidar com DFM, fabricação de moldes, produção de peças de qualidade e acabamento superficial, supervisionando o processo de moldagem de PC do início ao fim.

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Perguntas frequentes (FAQ)

O policarbonato composto moldado por injeção pode ser pintado?

Sim, tintas e revestimentos aderem bem ao policarbonato e compósitos relacionados. No entanto, o material apresenta baixa resistência a solventes. Os pellets de PC também podem ser misturados com pigmentos coloridos antes da moldagem usando masterbatch, mistura a seco ou outros métodos.

Quão fino o policarbonato pode ser moldado por injeção?

A espessura mínima da parede de policarbonato é de cerca de 1 mm. A alta viscosidade do termoplástico dificulta a injeção em cavidades mais finas.

O policarbonato moldado por injeção é mais forte que outros plásticos?

O PC moldado por injeção é muito forte e oferece alta resistência ao impacto, daí seu uso em aplicações exigentes, como escudos antimotim. Sua resistência é superior à da maioria dos plásticos em sua faixa de preço, enquanto sua resistência ao impacto é superior à de muitos metais.

A que temperatura o policarbonato é moldado por injeção?

As configurações da máquina de moldagem por injeção de policarbonato incluem uma temperatura do cilindro em torno de 260–320 °C e uma temperatura do molde em torno de 80–120 °C.

O policarbonato é um bom substituto para o vidro?

O policarbonato pode substituir o vidro em muitas aplicações, especialmente onde a resistência à quebra e a segurança são uma prioridade, uma vez que é muito mais resistente. Suas principais desvantagens em comparação ao vidro incluem tendência ao amarelecimento após resistência prolongada aos raios UV e baixa resistência a arranhões.