Shrinkage and ejection forces in thermoplastics reinforced with glass fibres and nanoclays

Abstract

The process of injection moulding is a complex theme of study, and the manufacture of the moulds requires knowledge about materials, processing and design methods. The larger challenge for designers and engineers is to obtain one product within established tolerances. The prediction of shrinkage enables the engineers to know the final size and shape of the parts. There are commercial codes to simulate the injection moulding process and, thus, help to design runner system, cooling system, weld lines, air traps, and shrinkage. However, there is no software known that could determine the ejection force and, therefore, help to design the ejection system. In this work, a study of shrinkage and ejection force was carried out using deep tubular parts of several materials. This work develops a model to predict the shrinkage and ejection force of mouldings in polypropylene composites reinforced with glass fibre or nanoclays. The experimental part of this work consists in producing the parts with an instrumented mould with monitorisation of the temperature, pressure and ejection force. The final dimensions were also measured after 48 hours to calculate as-moulded shrinkage. Several other tests were done to characterize the material namely DSC, DMA, TMA and rheometry. The tensors of orientation of fibres were determined due to its influence on the shrinkage. The content of fibre, the length and diameter of the glass fibres were evaluated. The coefficient of friction between the steel and polymer was determined to calculate the ejection force. The simulations using the Moldflow software provided the temperature profile across the thickness of the part. The mathematical model that was developed is based on the thermomechanical model to calculate the residual stresses and shrinkage in composites, developed by Kaspar Jansen, and a thermomechanical model to calculate the ejection force in tubular mouldings produced in unreinforced materials, developed by António Pontes. The proposed model is an attempt to predict the shrinkage and ejection force combining those previous models. The results of the model were compared with the experimental results and were found to be in a good agreement.

O processo de moldação por injeção é complexo e o fabrico de ferramentas para produzir uma peça requer conhecimento sobre materiais, processamento e metodologias de projeto. O maior desafio para os projetistas e engenheiros é obter uma peça moldada dentro das tolerâncias estabelecidas. A previsão da contração permite aos projetistas prever a dimensão final e a forma das peças produzidas. Há softwares comerciais para simular o processo de injeção e prever, desta maneira, o sistema de alimentação, arrefecimento, linhas de soldadura, retenções de ar, e a contração, mas, não existe software conhecido, para prever a força de extração e, portanto, o sistema de extração. Neste trabalho, um estudo da contração e força de extração foi realizado em moldações tubulares profundas para diversos materiais. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo para prever a contração e força de extração moldadas em compósitos de polipropileno com fibra de vidro e nanoargila. A parte experimental deste trabalho consiste em produzir peças num molde instrumentado com sensores de temperatura, pressão e força de extração e após 48 horas procedeu-se a medição das moldações para efetuar o cálculo da contração pós moldação. Diversos outros testes foram realizados para caracterizar o material como DSC, DMA e TMA e reometria. Os tensores de orientação das fibras foram determinados, pois influenciam a contração. A quantidade de fibra, o comprimento e diâmetro da fibra de vidro foram também medidos. Os coeficientes de atrito entre o aço e o polímero foram medidos, pois são necessários para calcular a força de extração. Os campos de temperatura ao longo da espessura da peça foram obtidos através das simulações com o software Moldflow. O modelo matemático foi baseado no modelo termomecânico para prever as tensões residuais e contração em materiais reforçados com Fibras de Vidro Curtas desenvolvido por Kaspar Jansen e no modelo termomecânico para prever as forças de extração e contração em peças tubulares com materiais não reforçados desenvolvido por António Pontes. O modelo proposto é uma tentativa de prever a contração e a força de extração combinando os modelos anteriores de Kaspar Jansen e António Pontes. Os resultados de previsão do modelo desenvolvido foram comparados com os resultados experimentais e apresentaram uma boa concordância.