Sistemas de diagnóstico nos moldes de injeção permitem monitorar processos

O projeto da futura “Indústria 4.0” prevê que as máquinas usadas na produção estejam plenamente conectadas às redes digitais, bem como os processos a elas associados. O objetivo principal é a otimização eficiente de processos e o uso racional dos recursos, alocação dos equipamentos necessários e o planejamento dos intervalos entre manutenções. Para atender a esses requisitos é necessário desenvolver novos conceitos para as injetoras e seus moldes. Sua implantação prática significa a “informatização” dos moldes de injeção dentro do contexto da “Fabricação de Moldes 4.0”.


T. Seul, A. Wenzel, M. Schneider, P. Röstel, R. Jahn & R. Schlutter

Data: 13/03/2018

Edição: PI Janeiro 2018 - Ano - 20 No 233

Compartilhe:

Configuração dos circuitos eletrônicos do Sistema Integrado de Diagnóstico (foto fornecida pela FH Schmalkalden)

Os setores industriais em que se usa ferramental de produção passarão por uma transformação radical. Já nos dias de hoje os moldes inovadores são considerados meios de produção qualificados em processos validados e não são mais vistos, portanto, como componentes isolados. Eles se encontram integrados a processos de fabricação altamente complexos. Os fabricantes de moldes que não atenderem às demandas de seus clientes em termos de preço e qualidade certamente terão poucas chances no competitivo mercado mundial.

Esses desenvolvimentos trouxeram consequências para a fabricação dos moldes. Por um lado, há requisitos prioritários para o futuro, tais como flexibilidade, precisão e melhor aproveitamento dos recursos. Por outro, espera-se que a indústria de moldes identifique suas não conformidades e modifique espontaneamente seus processos de fabricação.

Apesar da existência de numerosos sensores nos moldes, com os quais é possível medir a pressão interna da sua cavidade, as temperaturas de contato com a resina fundida e outros parâmetros de processo, a análise e aproveitamento desses dados ficam reservados ao operador das máquinas, ou seja, ao transformador. A análise dos dados dos sensores geralmente é feita pela máquina, em sistemas de computação ou equipamentos externos de terceiros. Para implementar o conceito “Fabricação de Moldes 4.0” é vital dispor do registro e análise dos dados dos sensores e dos parâmetros de processo, bem como definir as ações necessárias com relação ao molde no caso de flutuações de processo.

Trazendo inteligência para o molde

Dentro de um projeto de pesquisa desenvolvido pelo Centro da Turíngia para Engenharia Mecânica (Thüringer Zentrums für Maschinenbau) foi desenvolvido um sistema integrado de diagnóstico (Eingebettetes Diagnosesystem, EDS) para a análise e exploração inteligente dos processos de moldagem por injeção. Esse projeto de pesquisa, denominado “Powermoulds”, é um trabalho conjunto entre a Faculdade de Engenharia Mecânica, o Laboratório para Tecnologia Aplicada de Plásticos e a Faculdade de Eletrotécnica com o Grupo de Pesquisa “Sistemas Integrados de Diagnóstico”, ambos integrantes da Escola Superior de Ciências Aplicadas de Schmalkalden (Fachhochschule Schmalkalden).

Fig. 1 – Representação em CAD tridimensional do molde para a confecção dos corpos de prova para ensaio de tração, constituídos por dois componentes com o sistema integrado de diagnóstico (em amarelo, à direita do lado do extrator)

O objetivo deste projeto de pesquisa foi desenvolver um sistema global inteligente que pudesse ser integrado ou incorporado ao molde. Ele deve assumir o registro de parâmetros relevantes de processo com a ajuda de sensores instalados no molde, bem como ajustar e processar sinais analógicos e digitais. Dessa forma é possível obter um alto grau de flexibilização e otimização dos processos de produção. Esse projeto de pesquisa também teve como objetivo caracterizar as condições de desgaste e armazenamento do ferramental. Esses valores medidos devem possibilitar um planejamento dos intervalos de manutenção que sejam adequados às necessidades e assegurar um manejo adequado do molde quando ele estiver fora das instalações de produção.

Para alcançar os objetivos acima descritos, foi integrado um total de 14 sensores a um molde de injeção. Foram estabelecidos os fundamentos para o desenvolvimento de um diagnóstico autônomo da máquina por meio da implementação de sensores, circuitos eletrônicos e algoritmos inteligentes para análise. Atualmente é comum que a análise de diversos parâmetros de processo e sua avaliação fora de linha ocorra em diferentes instâncias. A partir desses resultados, o objetivo central dos trabalhos seguintes será o desenvolvimento de um sistema para análise em linha integrado ao molde e a realimentação dos resultados no processo.

O conceito modular dos circuitos eletrônicos digitais

Fig. 2 – Diagrama de blocos dos componentes usados no circuito eletrônico. Todos os dados dos sensores convergem através de um amplificador de medição para a placa do microcontrolador. A placa com microprocessador analisa e armazena os dado

Foi usado um molde para injeção de peças com dois componentes, dotado de mesa rotativa, para efetuar o desenvolvimento do Sistema Integrado de Diagnóstico (figura 3). A peça usada nas demonstrações foi um corpo de prova para ensaio de tração constituído por dois componentes apresentando diferentes superfícies em contato. Um aspecto essencial é o emprego de componentes padronizados na área dos sensores. Dessa forma o mercado oferece uma ampla seleção de componentes. Após os sensores terem sido selecionados de forma adequada às necessidades foi preciso dimensionar os circuitos eletrônicos para efetuar as medições. Aqui foi adotado um conceito modular, o qual poderá ser posteriormente adaptado de maneira fácil a outros moldes de injeção.

Para viabilizar o acoplamento térmico, o Sistema Integrado de Diagnóstico foi incorporado a um gabinete. Dessa forma é possível garantir um perfeito funcionamento dos circuitos eletrônicos de medição enquanto o sistema de resfriamento ativo evita a ocorrência de elevadas solicitações térmicas.

Os circuitos eletrônicos para medição desenvolvidos são constituídos atualmente por:

Os dados dos sensores convergem para o amplificador no microcontrolador e são analisados e armazenados na placa do microprocessador (figura 2). A configuração atual dos circuitos digitais do sistema integrado de diagnóstico assumiu a forma de um kit prático (ver a figura no início do artigo).

Registro e análise dos dados medidos

É necessário dispor de um conceito de temporizador sofisticado para poder armazenar a grande quantidade de sinais provenientes dos sensores. Ele deve garantir que os valores medidos em cada sensor sejam coletados da maneira mais rápida possível e sincronizada ao longo do tempo (3). Ao ligar o sistema, todos os dispositivos periféricos são inicializados. Entre eles incluem, por exemplo, o amplificador dos sensores de força e o conversor analógico/digital dos termopares. Todos os sinais dos sensores são registrados sob taxa de amostragem de 1 kHz, convertidos em valores digitais e transferidos. Foram escritos muitos programas para apresentação dos dados, usando o pacote Scilab, os quais se destinam à interpretação dos blocos de dados nas análises feitas fora de linha. Inicialmente foram considerados todos os dados para o desenvolvimento dos circuitos digitais; contudo, durante sua implementação prática, foi necessário restringir o processamento aos parâmetros realmente relevantes (por meio da redução da amostragem ou downsampling).

Fig. 3 – Esquema do procedimento do algoritmo de classificação para determinação autônoma da qualidade da produção. Dentro do sistema integrado de diagnóstico os dados medidos são analisados por meio de um modelo de classificação. Na fase de otimização é necessário mostrar qual modelo fornece as informações mais seguras

Sinais como, por exemplo, os de pressão oriundos dos sensores piezoelétricos, são transferidos na forma de um fluxo de dados primários por meio de uma interface serial e armazenados na forma de dados ASCII (caracteres). Uma vantagem da transferência dos dados primários está na redução do esforço computacional do microcontrolador, garantindo dessa forma um rápido encaminhamento dos dados dos sensores para a unidade de análise. Além disso, essa abordagem possibilita a extração direta de informações por meio de análise posterior feita na própria máquina, de modo que ela mal possa ser percebida, ou até mesmo não seja percebida pelo operador do equipamento.

Fig. 4 – O operador da máquina adéqua o programa computacional conforme os módulos de circuitos eletrônicos utilizados com auxílio de um diagrama de blocos. Isso possibilita uma operação intuitiva, não sendo necessários grandes conhecimentos sobre programação

É necessário determinar os parâmetros ótimos do processo para que sirvam de referências a serem assumidas durante a análise dos dados medidos. Isso foi conseguido efetuando um planejamento de experimentos com moldes de injeção complexos. Foi executado um número definido de séries de ensaios de moldagem por injeção conforme um planejamento estatístico de experimentos. Foi determinada uma janela de processos otimizada a partir dos parâmetros objetivados, a qual passou a servir de referência. Uma vantagem adicional deste procedimento experimental é a geração mais ou menos acidental de defeitos nas peças moldadas por injeção.

Esses defeitos fornecem características para a classificação autônoma feita pela máquina – o algoritmo de classificação (figura 3) pode ser treinado de forma a detectar a diferença entre peças moldadas por injeção “boas” ou “ruins”.

Testes funcionais dos circuitos eletrônicos para medição e análise

Inicialmente havia as variáveis de entrada e a classificação manual ou a feita pela máquina. Essas informações constituem os fundamentos para um modelo grosseiro de classificação, o qual fornece como variável de saída a classificação automática “bom” ou “ruim”. Este modelo grosseiro pode ser ajustado e melhorado de forma autônoma ao longo da operação da injetora por meio de algoritmos de otimização. O operador da máquina também pode ajustar o programa usando pacotes como Matlab e Simulink, a partir da geração de código pela máquina e diagramas de blocos simples (figura 4).

Foi proposto um abrangente plano de experiências para verificar a funcionalidade dos circuitos dos amplificadores de medição que foram desenvolvidos dentro deste projeto. Foi estabelecido um planejamento de experimentos fatorial parcial com 36 variações dos parâmetros de ajuste do equipamento usando o programa Minitab16 para gestão da qualidade. Todas as variações propostas se restringiram à injeção do primeiro componente; o segundo componente sempre foi processado mantendo-se constantes os parâmetros ajustados no equipamento. Foram impostas variações nos seguintes parâmetros:

O objetivo proposto foi conseguir máximo grau de adesão na junta de topo entre os dois componentes feitos de plástico que constituíam o composto. O material de ambos os componentes foi polipropileno (PP) (grau PPC 9760, fabricado pela Total Petrochemicals & Refining AS/NV, de Bruxelas, Bélgica). O segundo componente foi colorido por meio de um masterbatch (grau 6301050 RAL 6037, 2% verde, fabricado pela Masterbatch Winter GmbH, de Mühlheim/ Main, Alemanha).

Fig. 5 – Diagrama de efeitos principais para o parâmetro objetivado, ou seja, a adesão entre os dois componentes que constituem o corpo de prova para ensaio de tração. O conhecimento sobre os principais parâmetros de influência permite uma otimização conveniente do processo. Os resultados foram utilizados para o treinamento do algoritmo de classificação existente no sistema integrado de diagnóstico

O ponto de transição foi determinado de forma volumétrica. As oscilações de viscosidade não foram compensadas, uma vez que essa ocorrência será tema de estudos posteriores. O planejamento de experimentos serviu simultaneamente para treinar o programa computacional de avaliação. Foram provocadas irregularidades no processo, de forma automática, por meio de amplas variações dos parâmetros operacionais, as quais não são facilmente detectadas no componente acabado. A ideia era verificar se essas irregularidades poderiam ser reveladas a partir da avaliação dos parâmetros de processos efetuada pelo sistema de diagnóstico incorporado com base nos sinais dos sensores.

Nesta oportunidade foi confirmado o bom funcionamento dos amplificadores para medição. Para fins de comparação, foram introduzidos conjuntos de parâmetros, sendo então os sensores de pressão no interior do molde e de temperatura de contato com a resina fundida ajustados com os amplificadores de medição já existentes na injetora (modelo 5060D, fabricado pela Priamus, como também o modelo KIG3132-7, fabricado pela Kistler Instrumente AG, de Winterthur, Suíça).

Fig. 6 – Comparação entre as evoluções de pressão dentro de duas séries de medição (números 2 e 15) do planejamento de experimentos. Em função de diferentes temperaturas nos canais quentes e do meio de resfriamento ocorrem diferentes condições de pressão no interior do molde, as quais são detectadas e registradas pelo sistema de diagnóstico

Conforme já era esperado, foi possível constatar, a partir dos resultados do planejamento dos experimentos com moldagem por injeção, que a temperatura do meio de resfriamento e a temperatura dos canais quentes exerceram máxima influência sobre a adesão entre os dois componentes que constituem o corpo de prova para ensaio de tração (figura 5). A influência de ambas as temperaturas sobre o comportamento do preenchimento da cavidade do molde é mostrada tomando como exemplo as séries de ensaios 2 e 15: as linhas que mostram a evolução da pressão interna do molde apresentam forte desvio entre si (figura 6). As contramedidas que se fazem necessárias podem ser inferidas a partir dos valores medidos pelos sensores de temperatura. Agora, com o processo sendo executado em série, os valores medidos devem ficar restritos a uma janela de processo definida. O sistema efetua a realimentação e, dessa forma, ficou possível a adoção de contramedidas adequadas.

O processo foi otimizado com o objetivo de alcançar a máxima adesão possível entre os componentes da peça por intermédio do modelo de planejamento de experimentos aqui executado. O ponto ótimo de trabalho determinado pelo modelo foi implementado e o sistema de diagnóstico incorporado foi testado. Simultaneamente, os dados medidos pelos sensores foram combinados, obtendo-se assim uma janela de processo em que os valores objetivados pudessem ser obtidos.

Há igualmente supervisão fora do ambiente de produção. As condições de estocagem dos moldes são medidas e armazenadas por meio de sensores integrados para medir a umidade do ar, temperatura ambiente e iluminação. Caso os moldes apresentem, por exemplo, múltiplas ocorrências de corrosão em sua cavidade ou danos provocados mecanicamente, a empresa pode usar esses dados para identificar as causas desses problemas.

Conclusões

Sistemas integrados de diagnóstico proporcionam a seus usuários uma base para coletar e armazenar importantes parâmetros de processo já em sua origem, além efetuar a realimentação que permite que o processo seja executado dentro de uma janela operacional otimizada. Esses sistemas criam a possibilidade do fabricante de ferramental fornecer seus moldes juntamente com dados de processo. Dessa forma seu cliente recebe informações importantes sobre a operação de seu molde e não precisa dispender longos períodos para sua preparação. Ao mesmo tempo, o molde fica protegido contra uso inadequado.

Além disso, o Sistema Integrado de Diagnóstico é capaz de armazenar ou confirmar dados de peças, de projetos de molde e intervalos de manutenção. Assim, alterações nos dados das peças ou nas geometrias do molde podem ser percebidas e armazenadas de forma direta. Pode-se também assegurar, particularmente no caso de alterações construtivas ou das condições de armazenamento dos moldes em novas plantas, que todas as informações serão disponibilizadas de forma atualizada. As medidas de manutenção são documentáveis e comprováveis.

Um estágio adicional para o aperfeiçoamento do Sistema Integrado de Diagnóstico seria a conexão com uma interface na injetora. Ela poderia ser usada para intervir regularmente no processo de moldagem por injeção e, dessa forma, garantir a estabilidade a longo prazo do processo.

Isso significa que, no futuro, processos integrados em rede com recursos de auto-otimização, autoconfiguração e auto-diagnóstico até a cognição se tornarão uma opção real para a fabricação de ferramentas. Assim, surge a possibilidade de que os fabricantes de moldes descubram novas áreas de negócio que se estendam além da mera fabricação original de ferramentas para injeção. Esses desenvolvimentos significarão para seus clientes a possibilidade de possuírem processos mais robustos dentro de um ambiente válido de produção.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Banco do Desenvolvimento da Turíngia (Thüringer Aufbaubank) pelo aprovisionamento das verbas necessárias ao projeto, usando os recursos do Fundo Social Europeu (Europäischen Sozialfond – ESF).

Bibliografia

As referências bibliográficas deste artigo podem ser encontradas no seguinte endereço da internet: www.kunststoffe.de/1149676