Behaviour of core and cavity inserts in injection moulding of high-performance polymers

Abstract

This dissertation project comes to conclude the Master in Polymer Engineering at University of Minho. Performed at Celoplás the work was based on the study of the behaviour of core and cavity inserts in injection moulding of high-performance polymers, specifically polyetherimide and polybutylene terephthalate, an amorphous and a semicrystalline polymer respectively. The primary objectives of this work focused on designing two prototype parts and the respective productive tool (mould), followed by the production of those parts, through injection moulding. The ultimate purpose was to assess wear in different types of steel chosen for the mould components. Variations were incorporated into the feeding system, part geometry, raw material, and processing conditions. Each factor was investigated at two levels: feeding system with both fan and tunnel designs (with different tunnel gate diameters), prototype part geometry, raw materials: PEI (ULTEM 1010 1000 NAT) and PBT (ULTRADUR B4406 G6 BLACK) and injection velocities (100 mm/s and 170 mm/s). The injection mould was designed to evaluate the deformation resistance properties of different steels. Therefore, the mould inserts were made from 1.2311, 1.2343, and 1.2083 steels to assess their performance simultaneously. Textured and polished finish surfaces were added to the cavity inserts in order to study their behaviour when submitted to the processing conditions of the mentioned raw materials. To analyse the effects of these factors on mould component wear, an experimental design (DOE) was employed, leading to the planning of eight injection trials. Through Moldex 3D, simulations were conducted to draw insights regarding filling behaviour, temperature distribution, and shear rates. The evaluation of wear on the mould components included visual inspection, optical analysis, and the measurement of surface roughness. Thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and capillary rheometry tests were performed on the raw materials. The capillary rheometry tests were also extended to the injected parts to evaluate the degradation of the processed material during the injection moulding tests. The results indicate that the type of steel significantly influenced wear, with 1.2311 steel exhibiting more wear compared to 1.2343. Injection velocity also played an important role, with higher velocities resulting in increased wear. Gate configuration affected wear, with the 0.85 mm and fan gates showing higher wear. PEI caused accentuated wear than PBT-GF30, on both core and cavity inserts.

Este trabalho foi realizado na empresa Celoplás e teve como propósito o estudo do comportamento dos elementos moldantes na moldação por injeção de polímeros de elevado desempenho, nomeadamente a poliéterimida (PEI) e o poli(tereftalato de butileno) (PBT). O trabalho centrou-se no desenvolvimento de duas peças protótipo e respetiva ferramenta produtiva (molde), seguindo-se a produção dessas peças, pelo processo de moldação por injeção. O objetivo final foi avaliar o desgaste em diferentes tipos de aço escolhidos para os componentes do molde, tendo em conta as diferentes variáveis em estudo. Foram consideradas variações no sistema de alimentação, na geometria da peça, na matéria prima e nas condições de processamento. Cada fator foi estudado a dois níveis: sistema de alimentação com ataque em leque e submarino (com diferentes diâmetros), geometria da peça, matérias-primas: PEI e PBT e velocidades de injeção: 100 mm/s e 170 mm/s. O molde de injeção foi projetado com insertos moldantes em aços 1.2311, 1.2343 e 1.2083 e foram incorporados acabamentos texturizado e polido aos insertos da cavidade, a fim de estudar o comportamento dos aços quando sujeitos às condições de processamento das matérias-primas mencionadas. Para analisar os efeitos destes fatores no desgaste dos componentes do molde, foi utilizada a ferramenta de análise DOE, que levou ao planeamento de oito ensaios de injeção. O software Moldex 3D foi utilizado para realizar simulações relativas ao comportamento de fluxo durante o enchimento das peças, distribuição de temperatura e taxas de corte durante a injeção. O desgaste nos componentes do molde foi avaliado através de inspeção visual, análise ótica e medição da rugosidade da superfície. Foram realizados ensaios de análise terrmogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e reometria capilar às diferentes matérias-primas. Os testes de reometria capilar foram também estendidos às peças injetadas para avaliar a degradação do material processado durante os ensaios de injeção. Os resultados mostram que o tipo de aço influencia significativamente o desgaste, com o aço 1.2311 a apresentar maior desgaste em comparação com o aço 1.2343. A velocidade de injeção também revelou ter um desempenho fundamental, com velocidades mais elevadas a dar origem ao maior desgaste dos insertos moldantes. A configuração do ataque afetou o desgaste dos insertos, com o ataque submarino de 0.85 mm e o ataque em leque a originarem maior desgaste. Relativamente às diferentes matérias-primas, o PEI causou um desgaste mais acentuado do que o PBT reforçado, tanto nos insertos da bucha como da cavidade.