Usinagem CNC de acrílico | Material, processo, aplicação

O acrílico, ou polimetilmetacrilato (PMMA), é um polímero termoplástico versátil, amplamente utilizado na indústria devido à sua alta transparência óptica, dureza superficial e resistência às intempéries, sendo frequentemente empregado como uma alternativa leve e resistente a estilhaços em comparação ao vidro. A obtenção de precisão em componentes acrílicos exige um conhecimento específico de suas propriedades e de como elas interagem com diferentes processos de usinagem e conformação. Este artigo apresenta uma visão geral do plástico acrílico e dos métodos de fabricação utilizados na produção.

O que é acrílico?

O polimetilmetacrilato, comumente conhecido como acrílico, é formado pela polimerização por adição de monômeros repetidos de metacrilato de metila, através da abertura das ligações duplas C=C. Sua fórmula molecular é (C₅H₈O₂)_n, onde n representa o grau de polimerização, resultando tipicamente em uma massa molecular entre 10,000 e 12,000. Possui uma densidade de 1.18–1.19 g/cm³.³Possui um baixo índice de refração de aproximadamente 1.49, uma transmitância luminosa de 92% e uma opacidade de no máximo 2%. É um material orgânico transparente.

Tipos de Acrílico

As chapas acrílicas podem ser divididas em chapas fundidas e chapas extrudadas, com base no processo de produção.

Acrílico fundido

Essas chapas possuem alto peso molecular, proporcionando excelente rigidez, resistência e superior resistência química. Portanto, são mais adequadas para o processamento de sinalização e placas em grande escala, embora exijam um tempo ligeiramente maior durante o processo de amolecimento. Elas se caracterizam pelo processamento em pequenos lotes, flexibilidade incomparável em sistemas de cores e texturas de superfície, além de uma gama completa de especificações de produto adequadas para diversas finalidades especiais.

Acrílico Extrudado

Em comparação com as chapas acrílicas fundidas, as chapas acrílicas extrudadas apresentam menor peso molecular, propriedades mecânicas ligeiramente inferiores e maior flexibilidade. No entanto, essa característica é benéfica para processos de curvatura e termoformagem, com tempos de amolecimento mais curtos. No manuseio de chapas grandes, facilita diversos processos rápidos de moldagem por sucção a vácuo. Ao mesmo tempo, a tolerância de espessura das chapas acrílicas extrudadas é menor do que a das chapas acrílicas fundidas. Como as chapas acrílicas extrudadas são produzidas por meio de produção automatizada em larga escala, o ajuste de cores e especificações é inconveniente, o que limita a variedade de produtos.

Propriedades do Acrílico

1. Propriedades físicas: O PMMA apresenta excelentes propriedades ópticas, com uma transmitância luminosa de até 92%, o que representa um aumento de 10% em relação ao vidro inorgânico. É incolor, praticamente não absorve luz visível, transmite luz ultravioleta a 270 nm e possui boa capacidade de coloração. Não apresenta praticamente nenhuma descoloração ou desbotamento sob calor. Possui índice de refração de 1.49, refletividade superficial de no máximo 4% e alto brilho superficial. A densidade relativa do PMMA é baixa (1.17–1.20), correspondendo a cerca de metade da densidade do vidro inorgânico.
2. Propriedades Mecânicas: O PMMA possui alta resistência mecânica à temperatura ambiente e é minimamente afetado pela temperatura. No entanto, a resistência cai drasticamente à medida que se aproxima do ponto de amolecimento e da temperatura de transição vítrea. O PMMA apresenta baixa dureza superficial e resistência a riscos, e sua tenacidade ao impacto também é baixa, frequentemente exigindo modificação com borracha. Possui alta absorção de água e significativa contração dimensional.
3. Propriedades térmicas: O PMMA possui um alto coeficiente de expansão térmica, o que leva a mudanças dimensionais significativas causadas pela temperatura.
4. Propriedades elétricas: Em uma ampla faixa de frequências, o fator de potência do PMMA diminui com o aumento da frequência, tornando-o adequado para aplicações elétricas externas de longa duração. Possui boa resistência ao arco voltaico e à formação de trilhas elétricas, alta resistência superficial e alto isolamento elétrico.
5. Resistência química: O PMMA é resistente a ácidos fortes, bases fortes, sais inorgânicos, óleos e hidrocarbonetos alifáticos.
6. Resistência ao envelhecimento: O PMMA possui excelente resistência às intempéries. Mesmo após longa exposição ao ar livre, sua transparência e brilho sofrem alterações mínimas.

Usinagem CNC de acrílico

O plástico PMMA pode ser usinado mecanicamente, incluindo serragem, fresagem, furação e alargamento.

Exemplo de usinagem CNC em acrílico

O desenho abaixo mostra um componente acrílico com uma estrutura oca de paredes finas. Ele exige alta precisão dimensional e deve manter a transmitância luminosa original do material após o processamento para atender aos requisitos de faixa de medição.

Esta peça pode ser processada em tornos CNC, mas se os parâmetros e a sequência do processo forem selecionados incorretamente, podem surgir fissuras com facilidade, resultando em descarte. Se o método de tratamento de superfície for escolhido incorretamente, a superfície ficará com aspecto rasgado, perdendo a transparência original do PMMA e não atendendo aos requisitos de uso.

Impacto do calor de corte na usinagem de acrílico

A condutividade térmica do PMMA é muito baixa, apenas 1/450 a 1/175 da de materiais metálicos comuns. O calor gerado durante o corte não se dissipa rapidamente, acumulando-se no ponto de contato entre a ferramenta e a peça, o que leva ao desgaste acelerado da ferramenta. Simultaneamente, o coeficiente de expansão térmica do PMMA é de 1.5 a 2 vezes maior que o de metais em geral, e a temperatura de transição vítrea é de aproximadamente 100 °C. O calor excessivo gerado pelo corte causa alterações volumétricas e vitrificação, reduzindo a precisão do processo. A expansão volumétrica também intensifica o atrito entre a ferramenta e a peça, criando um ciclo vicioso de aumento de temperatura.

Como o ponto de fusão do PMMA é baixo (apenas 160–200 °C), trata-se de um material termoplástico. O calor intenso do corte facilita o derretimento da superfície usinada. Especificamente, ao usinar furos internos, a dissipação de calor inadequada pode causar o aparecimento de pequenas fissuras na superfície, semelhantes a rasgos. Isso é frequentemente confundido com fragilidade do material ou defeitos internos. No entanto, testes de transparência ou estanqueidade à água não revelam vazamentos; pelo contrário, a peça não atende aos requisitos técnicos de transparência, apresentando-se opaca e sem a textura natural do material.

Impacto dos parâmetros de usinagem

À temperatura ambiente, o PMMA é um material duro e quebradiço. Para estruturas de paredes finas, a seleção inadequada dos parâmetros de corte leva a forças de corte instáveis, fazendo com que a peça rache ou mesmo se quebre.

Rigidez da superfície

Devido à sua baixa dureza, o rigidez da superfície O acabamento do PMMA após a usinagem costuma ser ruim. Para garantir que os requisitos técnicos sejam atendidos, materiais e processos de polimento especiais devem ser empregados após a usinagem.

Solução de usinagem CNC em acrílico

Para garantir precisão dimensional, rugosidade superficial e atender aos requisitos técnicos, além de melhorar a taxa de rendimento, o furo interno deve ser usinado após a usinagem da face final e do chanfro de parada da face final. Para evitar o retorno elástico do material, a taxa de avanço da furação é controlada entre 0.05 e 0.08 mm. Simultaneamente, a vazão e o fornecimento de fluido de corte são controlados para garantir temperatura constante durante a furação. Após a conclusão do furo interno, utiliza-se um dispositivo auxiliar de posicionamento de parada. Uma ponta de contraponto é utilizada contra o furo central auxiliar do dispositivo para garantir a limitação axial durante a usinagem do diâmetro externo. O diâmetro externo de 50 mm é usinado primeiro, utilizando a folga da ferramenta de deslocamento, seguido por uma única passada para formar o diâmetro externo de 20 mm, concluindo o processo de corte.

Outras tecnologias de processamento de acrílico

Outras tecnologias para a moldagem de acrílico incluem fundição, moldagem por injeção, extrusão e termoformagem.

Formação do elenco

A moldagem é utilizada para formar chapas, barras e outros perfis de PMMA através do método de polimerização em massa. Os produtos após a moldagem requerem pós-tratamento; as condições típicas são 60°C por 2 horas e 120°C por 2 horas.

Moldagem por Injeção

A moldagem por injeção utiliza materiais granulares produzidos por polimerização em suspensão. O processo é realizado em máquinas de moldagem por injeção padrão, do tipo êmbolo ou parafuso.

Extrusão

O polimetilmetacrilato também pode ser moldado por extrusão. Materiais granulares provenientes da polimerização em suspensão são utilizados para preparar chapas, barras, tubos e tiras. No entanto, os perfis preparados dessa forma, especialmente as chapas, apresentam propriedades mecânicas, resistência ao calor e resistência a solventes inferiores em comparação com os perfis fundidos, devido ao menor peso molecular do polímero. A vantagem reside na alta eficiência de produção, particularmente para tubos e outros perfis de difícil fabricação com moldes de fundição. A moldagem por extrusão pode utilizar extrusoras ventiladas de estágio único ou duplo, com uma relação comprimento/diâmetro da rosca geralmente entre 20 e 25.

Termoformagem

A termoformagem é o processo de fabricação de chapas ou tiras de PMMA em produtos de diversos tamanhos e formatos. O material bruto é cortado nas dimensões desejadas, fixado em uma estrutura de molde, aquecido para amolecer e, em seguida, pressurizado para se ajustar à superfície do molde e obter o formato desejado. Após o resfriamento e a cura, as bordas são aparadas para obter o produto final. A pressão pode ser aplicada por meio de estampagem a vácuo ou pressão direta com um molde macho. Ao utilizar a termoformagem rápida a vácuo com baixa profundidade, recomenda-se uma temperatura próxima ao limite inferior; para produtos complexos com estampagem profunda, deve-se utilizar uma temperatura próxima ao limite superior. Geralmente, são aplicadas temperaturas normais.

Tratamento Térmico e Tratamento de Superfícies

Os produtos acrílicos são propensos a desenvolver tensões internas durante operações secundárias, como usinagem ou termoformagem. Se não forem tratadas, essas tensões podem levar a microfissuras ou mesmo falhas estruturais quando expostas a calor, solventes ou estresse ambiental. Para mitigar esse problema, o acrílico requer um tratamento térmico pós-fabricação conhecido como anelamento.

Recozimento para peças usinadas por CNC

Para peças acrílicas fabricadas por processos de usinagem CNC, coloque-as em uma estufa à temperatura ambiente e aumente a temperatura a uma taxa de aproximadamente 15 °C por hora. Assim que a temperatura alvo de 90 °C for atingida, o tempo de permanência (tempo de aquecimento) deve ser proporcional à espessura do material.

• Chapa de 3 mm: 1 hora
• Chapa de 6 mm: 2 horas
• Chapa de 12 mm: 4 horas
• Chapa de 20 mm: 6 horas

Após o período de imersão, resfrie as peças até a temperatura ambiente. A taxa de resfriamento deve ser rigorosamente controlada em aproximadamente 10°C por hora para evitar a formação de novas tensões devido à rápida contração térmica.

Recozimento para peças termoformadas

Para produtos acrílicos que foram curvados a quente ou moldados a vácuo, a temperatura de recozimento é ligeiramente inferior à de outros materiais. Peças usinadas CNC, geralmente variando entre 70°C e 85°C. Os requisitos de tempo de imersão permanecem os mesmos que os listados para chapas usinadas acima.

Recozimento para peças moldadas por injeção

Os parâmetros para componentes moldados por injeção dependem em grande parte do projeto específico da peça e da espessura da parede. A temperatura de homogeneização geralmente fica entre 60°C e 80°C. O tempo de homogeneização é controlado entre 2 e 4 horas.

Tratamento da superfície

Para aprimorar características de desempenho específicas, como melhorar a resistência ao desgaste ou aumentar o brilho da superfície, os produtos de PMMA podem ser submetidos a diversas operações secundárias. Esses tratamentos, incluindo polimento, pintura ou gravação a laser, podem ser utilizados para atender às demandas específicas de diferentes ambientes de trabalho.

Revestimentos protetores podem ser aplicados a componentes acrílicos por meio de revestimento por fluxo (para chapas grandes e não perfuradas), revestimento por aspersão (para formatos complexos ou irregulares) ou revestimento por imersão (para peças pequenas). Esses tratamentos químicos criam uma película protetora densa na superfície do acrílico para atender aos requisitos de alta dureza e resistência ao desgaste.

O revestimento por fluxo é o método mais econômico; as chapas podem ser endurecidas primeiro e depois submetidas a processos secundários, como o corte.

A deposição física de vapor (PVD) pode ser usada para depositar um filme ultrarresistente na superfície. Esse processo minimiza a interferência de impurezas durante a produção, resultando em densidade e uniformidade de revestimento superiores. Embora a PVD aumente significativamente a dureza da superfície e a resistência à abrasão, é um processo de alto custo. Também possui requisitos específicos quanto à espessura do material e geralmente é mais adequada para chapas finas.

Aplicações de Acrílico

Graças às suas propriedades ópticas superiores, o PMMA é utilizado em diversos setores industriais. O PMMA de uso geral é encontrado principalmente em caixas de luz para publicidade, sinalização, luminárias, banheiras, instrumentos, bens de consumo e móveis. O PMMA de alta qualidade é essencial para aplicações como telas de LCD, PMMA com proteção contra radiação, fibras ópticas, células fotovoltaicas solares, lentes automotivas, vidros à prova de balas, cabines de aeronaves e materiais poliméricos biomédicos.

Biomedical

A biocompatibilidade e a baixa toxicidade das microesferas de PMMA as tornam um material preferencial para o transporte de fármacos, estruturas de engenharia de tecidos e marcação celular. Através da modificação da superfície, as microesferas podem transportar moléculas de fármacos para liberação direcionada, prolongando a meia-vida do medicamento. Como materiais para reparo ósseo, sua resistência mecânica e plasticidade auxiliam na cicatrização de fraturas. Em cultura de células, as microesferas fornecem uma estrutura de suporte 3D para promover a proliferação celular. Microesferas com tamanho de partícula de 100 nm são facilmente englobadas pelas células, tornando-as adequadas para terapia tumoral e administração de vacinas.

Placas guia de luz de exibição

O módulo de retroiluminação de uma placa guia de luz LCD consiste principalmente em uma fonte de luz, uma placa guia de luz e filmes ópticos. A placa guia de luz é usada em módulos de retroiluminação LCD para direcionar uniformemente a luz emitida pela fonte de luz para a superfície da tela; o principal material utilizado é o PMMA.

LED Lighting

No setor de iluminação, a iluminação LED é um novo tipo de fonte de luz ecológica. Comparada às fontes tradicionais, ela economiza energia, é ecologicamente correta, tem longa vida útil e é compacta. É amplamente utilizada em indicadores, displays, decoração, iluminação de fundo, iluminação geral e paisagens urbanas noturnas.

Os painéis de LED utilizam placas guia de luz para converter fontes de luz pontuais ou lineares de LED em fontes de luz difusas, permitindo que a luz seja emitida uniformemente pela frente. Os painéis de LED utilizam principalmente placas guia de luz de PMMA como matéria-prima devido à sua maior transmitância luminosa.

Materiais de fibra óptica PMMA

As fibras ópticas de plástico feitas de PMMA são excelentes para transmissão de dados em curtas distâncias e são consideradas a melhor solução para o "último quilômetro" da Fibra até a Casa (FTTH). Além da comunicação, as fibras de PMMA são utilizadas em iluminação paisagística, como nos projetos paisagísticos das cerimônias de abertura e encerramento dos Jogos Olímpicos de Londres de 2012.

Materiais leves para a indústria automotiva

Com a implementação de subsídios para veículos de novas energias, o aumento da autonomia é um grande desafio. A tecnologia de veículos leves é uma forma eficaz de melhorar a autonomia; para cada redução de 10% no peso do veículo, o consumo de energia pode diminuir entre 6% e 8%.

O PMMA é amplamente utilizado em diversas posições em veículos devido às suas excelentes propriedades ópticas, leveza e resistência às intempéries:

• Luzes: Requer materiais com boa transmissão de luz, resistência a impactos e resistência ao envelhecimento. O PMMA é amplamente utilizado em lentes de lanternas traseiras de veículos de novas energias.
• Vidro da janela: A utilização de materiais leves e de baixa densidade para janelas é uma estratégia fundamental para a redução de peso. O PMMA atende aos requisitos de transmissão de luz, resistência a impactos e baixa fragmentação, além de oferecer proteção UV. É utilizado por muitos fabricantes europeus em janelas laterais e traseiras, reduzindo o peso em 40% a 50% em comparação com o vidro tradicional.
• Painéis: O PMMA possui excelente tenacidade e alta resistência ao impacto. Não racha sob vibração ou testes de pressão e proporciona alta transparência óptica.
• Para-choques: Os compósitos de PMMA e ABS podem ser usados ​​em para-choques, combinando a resistência a riscos e o respeito ao meio ambiente do PMMA com a resistência a impactos e ao calor do ABS, tudo a um custo menor do que as ligas de magnésio-alumínio.

Como o Getzshape pode ajudar

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