Os transformadores de resinas plásticas estão cada vez mais coletando e analisando dados provenientes de máquinas e processos para que eles possam ser otimizados. Com o aumento da potência computacional e a expansão contínua das redes de sistemas é fácil ter a impressão de que qualquer problema de moldagem por injeção pode ser resolvido pela compilação adequada de todos os dados disponíveis. Contudo, ainda não se pode garantira pronta disponibilidade das variáveis do processo de moldagem e da qualidade da peça moldada que gerem informações de alto valor. Para conseguir variáveis relevantes é necessário dispor de softwares inteligentes capazes de processar sinais presentes no equipamento ou de tecnologia suplementar de sensores. Uma variável de processo que proporciona informações valiosas é a respiração do molde⁽¹⁾.

Moldes de para-choques foram o foco de estudos sobre respiração de moldes visando à otimização do processo. Na imagem um exemplo do portfólio de para-choques da Schneider Form (Julia Lav/Shutterstock.com)

 

A qualidade da peça é determinada pela interação entre variáveis físicas: pressão, temperatura e volume na cavidade. Esse volume não permanece constante ao longo do ciclo. Ele inicialmente diminui à medida que a força de fechamento é aplicada e então aumenta devido à pressão de abertura exercida pela resina fundida (figura 1). Esta compensação na expansão do molde como resultado da pressão de abertura varia de alguns milésimos a até vários centésimos de milímetro. É chamada de “respiração do molde”.

Fig. 1 – A respiração de molde em resumo (desenhos exagerados): quando o molde fecha sem aplicação de força, inicialmente não há compressão significativa. À medida que a força de fechamento aumenta, a altura do molde e o volume da cavidade (figura central) são reduzidos. Parte dessa compressão é compensada pela pressão de abertura da resina fundida durante a injeção (à direita). As alterações resultantes no volume da cavidade e na altura do molde constituem a chamada respiração do molde (Schneider Form)

 

Usada para peças grandes

O efeito cumulativo da respiração local no molde altera a força exercida sobre suas placas. Esta alteração pode ser detectada por sensores integrados à injetora. A Engel desenvolveu o “controle de fechamento iQ”, um sistema para auxílio que usa o sinal da força aplicada pela unidade de fechamento para calcular a respiração do molde ao longo de toda a superfície projetada, e otimizar a força de fechamento de maneira totalmente automática⁽²⁾.

A Schneider Form GmbH (Alemanha), fabricante de moldes especializada na fabricação de grandes peças superficiais para carrocerias de automóveis, especialmente para-choques (figura no início do artigo), por sua vez, desenvolveu um sistema denominado “OptiCheck”, que usa sensores para medir a respiração do molde diretamente na linha de partição (3) , determinando, assim, a respiração local (figura 2). Foram instalados vários sensores em posições críticas do molde para assegurar que todos os efeitos essenciais fossem registrados. Estas posições foram determinadas por análises pelo método de elementos finitos e simulações de preenchimento.

Fig. 2 – As medições feitas pelo sistema Opticheck, mostradas aqui no molde 2, são feitas por sensores instalados em vários pontos na cavidade (círculos verdes). Os círculos vermelhos marcam os pontos de injeção (Schneider Form)

 

Pode-se esperar significativas diferenças locais na respiração, especialmente no caso de grandes moldes. Os para-choques são preenchidos em cascata através de vários pontos de injeção, um processo que pode levar a significativas diferenças na pressão da cavidade ao longo do trajeto do fluxo e, portanto, na força local de abertura. A respiração nas amplas regiões laterais do para-choque, dispostas de forma quase paralela ao eixo longitudinal da injetora, é frequentemente diferente da respiração observada nas superfícies perpendiculares ao mesmo eixo.

Isso torna particularmente interessante a observação dos dados obtidos localmente, ao passo que testa o sinal integrado de respiração da injetora que foi medido. A Schneider e a Engel executaram testes conjuntos usando dois moldes de para-choques com força de fechamento de 40.000 kN (figura 3) na planta piloto da Schneider Form, e compararam os resultados obtidos pelos seus respectivos sistemas. O molde #1 processou acrilonitrila butadieno estireno (ABS) com massa injetada de resina igual a 4.440 g, enquanto o molde #2 processou polipropileno (PP) com massa injetada de resina igual a 2.950 g.

Fig. 3 – Os testes foram feitos na planta-piloto da Schneider Form, usando uma injetora Engel modelo duo 23050/4000 (Schneider Form)

 

Sinais na bancada de teste

Sobre a comparação entre os sinais, a figura 4 mostra a pressão hidráulica de injeção, bem como os sinais de respiração determinados pelo OptiCheck em três posições (superior central, inferior central e laterais), além da respiração calculada pelo controle de fechamento iQ para um processo de injeção usando o molde 1. As quedas na curva de pressão de injeção indicam os instantes em que as agulhas de fechamento se abriram. Elas são representadas no gráfico em linhas verticais pontilhadas.

Fig. 4 – Comparação da evolução dos sinais de respiração do molde provenientes dos sistemas OptiCheck e controle de fechamento iQ durante um ciclo de injeção feito no molde 1 (ABS). A pressão hidráulica de injeção foi incluída como referência. A abertura das agulhas de fechamento é indicada pelas linhas tracejadas, enquanto o ponto de comutação é indicado por uma linha sólida (Engel)

 

Ficou claro que os sinais que retornaram pelos sensores do OptiCheck variaram conforme sua posição no molde. Enquanto o sensor “superior central” respondeu de forma marcante à abertura de várias agulhas de fechamento, o sensor “inferior central”, que se encontrava mais distante das agulhas, mal registrou a ocorrência. Este fato ilustra a importância do posicionamento adequado dos sensores. Por exemplo, se o sensor “superior central” fosse suprimido, o pico de pressão que ocorre no momento da abertura das agulhas não seria revelado. O sensor nas regiões laterais do para-choque respondeu principalmente à abertura da segunda e terceira agulha. Os valores de respiração local são muito diferentes, mesmo durante a fase de compactação.

Nas injetoras da série duo o sinal de respiração determinado pelo controle de fechamento iQ se baseia nos sinais de pressão obtidos pelas placas reguladoras de pressão das quatro colunas. É apresentado ao usuário o valor médio de respiração através de toda a área projetada. O sinal é emitido em resposta a todas as aberturas de agulha. Uma vez que se trata de um sinal integrado, a única forma de separar os efeitos locais consiste em executar atribuições temporais a eventos específicos, tais como a abertura de agulha. Um único sinal não é capaz de permitir a distinção entre os valores de respiração ocorrendo na região lateral e no centro. A curva de respiração calculada pelo controle de fechamento iQ apresenta concordância muito boa, tanto qualitativa como quantitativamente, com o valor médio dos três sinais gerados pelo OptiCheck.

Os parâmetros de injeção, a distribuição de forças no molde e a força de fechamento ajustada precisam estar coordenados para se ter um processo otimizado. Se algum desses fatores não for considerado, intencionalmente ou não, então deverá ser aceito um compromisso quanto à qualidade da peça moldada, à vida útil da injetora e dos componentes do molde, ou à eficiência energética. Os sinais de respiração provenientes do molde ou da injetora podem ser úteis em todos os estágios do processo e da otimização do molde.

 

Evitando custos adicionais

Os moldes de para-choques são preenchidos por uma cascata de pontos de injeção. Portanto, a respiração do molde fornece informações valiosas sobre a deformação local e as condições de pressão reinantes na cavidade. A figura 5 mostra a pressão hidráulica de injeção, as curvas de respiração geradas pelo “OptiCheck central” e “OptiCheck lateral”, e a curva global de respiração determinada pelo controle de fechamento iQ para dois ajustes diferentes de agulhas de fechamento no molde 2.

Fig. 5 – Influência do ajuste das válvulas sobre as evoluções da pressão hidráulica de injeção e os vários sinais de respiração do molde 2 (PP). A curva laranja mostra um ajuste desfavorável, enquanto a curva verde mostra a variante otimizada para baixa pressão de abertura. Os detalhes expandidos à direita mostram o intervalo de tempo antes do ponto de comutação (Engel)

 

A curva laranja indica um ajuste desfavorável das agulhas de fechamento. Neste caso, as agulhas são abertas em cascata e permanecem assim até o final da fase de pressão de compactação. A respiração aumenta significativamente antes do ponto de comutação porque a pressão de injeção requerida para o preenchimento através das agulhas gera uma força adicional de abertura no centro da peça moldada. Após a comutação para a pressão de compactação, a pressão se equaliza na peça moldada e a respiração do molde se reduz em seu centro, mas aumenta nas regiões laterais.

O fato de que a respiração do molde não se dissipa completamente no final da fase de pressão de compactação sugere que a cavidade se encontra sobrecompactada. O aumento resultante de espessura de parede, de alguns poucos centésimos de milímetro, pode significar custos da ordem de dezenas de milhares de euros por ano no caso da fabricação de peças superficiais externas de grande porte. O desperdício de matériaprima pode ser efetivamente evitado pela otimização dos ajustes relativos à injeção, considerando a respiração do molde.

 

Otimização reduz a força de fechamento necessária

A curva verde mostra um ajuste otimizado de produção. As agulhas localizadas no centro do molde são fechadas após as agulhas presentes em pontos mais distantes serem abertas. Isso pode evitar o aumento abrupto na respiração do molde na região central da peça, assegurando que ocorra muito menos respiração durante a pressão de compactação.

Um exame mais detalhado da curva de pressão de injeção revela que esta até mesmo diminui na região antes do ponto de comutação no caso do ajuste desfavorável. Isso, à primeira vista, parece contradizer as condições de pressão observadas no molde. Uma vez que todos os canais quentes permanecem abertos, a perda de pressão no canal quente é menor durante o preenchimento. Isso faz com que ocorra uma melhor distribuição de pressão no interior do molde, reduzindo a pressão de injeção.

Neste caso, o sinal de pressão de injeção obviamente não é o correto para avaliar as condições de pressão no molde. Os sinais de respiração do molde, por outro lado, respondem de maneira muito sensível a alterações na pressão de abertura e podem ser efetivamente usados para otimizar o processo de injeção pela minimização da pressão de abertura. Os efeitos positivos puderam ser vistos tanto nos sinais do OptiCheck quanto na respiração do molde calculada pelo controle de fechamento iQ. Os processos otimizados de respiração reduzem a carga sobre o molde e também a força de fechamento requerida.

 

Ajuste mais eficiente

São usadas placas de pressão no molde de para-choques para ajustar a pressão superficial ao longo da linha de partição, evitando assim a ocorrência de deformação plástica, especialmente na borda de selamento. A Schneider, ao longo de mais de oitenta séries de testes, usou a respiração do molde para desenvolver um método que reduziu substancialmente os tempos necessários para o lixamento localizado da peça. As medições mostraram como os diferentes sinais de respiração reagem à remoção de algumas placas de pressão nas áreas laterais do para-choques (figura 6).

Fig. 6 – Comparação entre os perfis de vários sinais de respiração do molde 1 (ABS) com todas as placas de pressão (linha verde) e com algumas placas removidas (linha laranja) nas áreas laterais (Engel)

 

Nas áreas onde as placas de pressão foram removidas ocorreu a consequente redução da rigidez do molde, levando a uma maior compressão tanto de forma local como global para a mesma força de fechamento. A respiração local aumentou apenas nas áreas com rigidez reduzida, ou seja, sobre as superfícies laterais, enquanto ela permaneceu inalterada nas áreas centrais. Isso pôde ser visto claramente nos sinais gerados pelo OptiCheck. O sistema de assistência do controle de fechamento iQ detectou a rigidez reduzida da estrutura global e também o aumento na respiração média, mas não forneceu informações sobre diferenças locais.

 

Facilitando a otimização

Outra aplicação possível para o sinal de respiração do molde é a otimização da força de fechamento. Se essa força for reduzida gradualmente, o valor de pico para a respiração do molde aumenta de forma exponencial devido à remoção de tensões no aço da área da linha de partição. Se o valor ajustado para a força de fechamento for alterado ao longo de muitos ciclos e o operador da injetora observar como a respiração se altera, ele poderá recorrer ao conhecimento empírico ou seguir instruções específicas para o cliente para otimizar a força de fechamento com a ajuda do OptiCheck.

O sistema de assistência da Engel avançou um passo adiante e disponibilizou uma função que usa critérios objetivos para determinar a força mínima de fechamento sob condições instantâneas do processo para um dado molde, sem a necessidade de instruções adicionais para o usuário. Após a ativação, a injetora altera automaticamente o valor ajustado para a força de fechamento ao longo de diversos ciclos, determinando então o valor otimizado de força de fechamento em função da alteração no valor de pico da respiração. A experiência com o controle de fechamento iQ sob condições de produção mostrou que os intervalos para manutenção do molde podem ser prolongados substancialmente como resultado do ajuste da força de fechamento.

 

Conclusão

O sistema OptiCheck determina a respiração do molde em posições definidas, enquanto o controle de fechamento iQ fornece uma “imagem” média para o molde. Os custos de investimento naturalmente são diferentes porque o sistema de assistência de controle de fechamento iQ usa os sensores já existentes na injetora. Já o investimento requerido pelo OptiCheck pode valer a pena, especialmente no caso de grandes moldes com diferenças muito grandes nos efeitos locais.

As otimizações de processo descritas neste artigo, com referência a moldes de para-choques, podem ser aplicadas a todos os tipos e tamanhos de ferramental. Por exemplo, na edição de 2019 da Feira K a Engel apresentou o controle de fechamento iQ para sua série de injetoras totalmente hidráulicas Victory, de pequeno e médio porte. Já se dispõe de software para todos os tipos de injetoras fornecidas por esta empresa.

Ficou claro que as informações obtidas pela respiração do molde podem ser muito úteis nas fases de otimização do molde e do processo de moldagem por injeção. Além disso, as diferentes abordagens adotadas pelos fabricantes de moldes e de injetoras estão ampliando o entendimento sobre este assunto. Em princípio, é de importância secundária saber se o sinal benéfico é proveniente do molde ou da injetora.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

As referências bibliográficas citadas neste artigo podem ser encontradas no seguinte endereço da Internet: www.kunststoffe.de/2020-1