Como melhorar o controle do aquecimento de áreas específicas em moldes de injeção
O aquecimento por indução é um dos métodos mais rápidos e eficientes de aquecimento para uso na moldagem por injeção quando se faz necessário controlar a temperatura do molde. Contudo, mesmo esse método possui grande potencial de aumento da eficiência. Pode-se poupar valiosos tempos de ciclo com o uso do controle de temperatura e do aquecimento em áreas bem definidas do molde.
A. Maucher e W. Schinköthe
Data: 22/04/2019
Edição: PI Março 2019 - Ano 21 - No 247
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A figura mostra um indutor simples para o aquecimento de pequenas cavidades-gaveta de molde. O projeto do indutor pode ser simplificado por meio de um controle adequado de temperatura e da influência sobre as correntes parasitas induzidas (IKFF)
A adoção micos de demoldagem processos por isotér- in- jeção frequentemente não é sufi- ciente para produzir peças sofisti- cadas de resinas termoplásticas. Em tais casos são usados processos de moldagem por injeção em que o molde apresenta temperatura variá- vel (Variotherm). Há vários méto- dos que permitem variar ciclica- mente a temperatura dos moldes. Desde meados da década de 1960 o controle de processos térmicos indutivos em moldes tem sido um tema central de estudo no Institu- to de Projetos e Produção em En- genharia de Precisão da Universi- dade de Stuttgart (Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik – IKFF der Uni- versität Stuttgart), na Alemanha. Há diversas variantes de projeto, mas o objetivo sempre é conseguir um aquecimento com padrão espe- cífico e, portanto, rápido e eficien- te do ponto de vista do consumo de energia para áreas relevantes do molde. Os indutores podem ser dispostos externa- mente, ou seja, na fren- te da superfície a ser aquecida, ou interna- mente, diretamente sob a superfície do mol- de (figura 1).
Os arranjos externos também requerem um dispositivo para mover o indutor para dentro e para fora do centro do molde. Tal sistema po de posicionar os indutores precisamente na frente da superfície a ser aqueci- da, mas a energia de aquecimento somente poderá ser aplicada com o molde aberto. Uma vez que o calor já está se dispersando quando o molde é fechado e a cavidade já está se resfriando novamente no início da injeção, a demanda por energia é maior do que a que o processo realmente necessita.
Ao contrário dessa situação, no arranjo interno os indutores encontram-se integrados na placa do molde, tão próximos quanto possível da cavidade. Consequentemente, a cavidade pode ser aquecida independentemente da abertura da máquina e da fase do ciclo. Neste caso é necessário que o calor seja conduzido através de um curto trajeto até alcançar a superfície da cavidade. Durante esse período de tempo o calor se dispersa não apenas na direção da cavidade, mas em todas as direções. Como resultado disso, ao adotar esta variante de projeto, ocorre desperdício de valioso tempo de ciclo e de energia até que seja alcançado o valor requerido de temperatura do molde, uma vez que algumas partes do molde são desnecessariamente aquecidas.
Fig. 1 – Dependendo dos requisitos, é recomendado um arranjo externo (à esquerda) ou interno (à direita) do indutor (IKFF)
Controle de temperatura por meio de bolsões de ar
Quando se usa o arranjo interno é possível incorporar bolsões de ar, preferivelmente finos, nas placas do molde, de modo a conduzir o calor de forma mais específica na direção requerida. Esses bolsões de ar “emolduram” a área ao redor do indutor, de forma que o calor só possa fluir na direção prescrita (figura 2). Uma série de simulações confirmou que, como resultado do uso dos bolsões de ar, o calor que é gerado ao redor do indutor é inicialmente forçado a fluir apenas na direção da cavidade. Somente após ultrapassar os bolsões de ar é que o calor será distribuído em todas as direções e próximo da superfície. Essa vantagem foi demonstrada de forma muito clara por meio de medições reais feitas em projetos incorporando bolsões de ar, quando se constatou redução superior a 60% do tempo de aquecimento em comparação com a mesma geometria sem os bolsões de ar. O tempo de resfriamento também foi redu- zido acima de 60% graças à menor quantidade de calor induzido que ocorreu com tal arranjo.
Uma camada de cobre direciona as correntes parasitas induzidas
Embora os bolsões de ar possam guiar o calor na direção da cavidade, ainda assim são induzidas correntes parasitas na placa ao longo de todo o comprimento do indutor, as quais promovem seu aquecimento. Se é necessário que determinadas áreas do molde próximas ao indutor sejam excluídas do aquecimento, isso pode ser conseguido, por exemplo, adotando-se maior espaçamento entre os indutores e as correspondentes partes ferromagnéticas. Isso só é possível dentro dos orifícios do indutor se seus diâmetros forem alargados. Isso inevitavelmente implica maior demanda por espaço físico e um enfraquecimento adicional do componente nas adjacências da cavidade.
Fig. 2 – Modelo CAD do corte de parte da geometria do revestimento usada no teste. À esquerda: seção longitudinal; à direita: seção transversal. Não é mostrado o indutor em seu canal (fonte: IKFF)
Para superar esse problema é possível usar um revestimento superficial com boa condutividade elétrica para conduzir, com menores perdas, as correntes parasitas para áreas onde o aquecimento é desejado. O cobre foi usado para atender a esse objetivo na geometria de teste aqui adotada. Todas as peças condutoras ao redor do indutor que não devem ser aquecidas são revestidas com esse metal.
Devido ao assim chamado efeito de pele, as correntes parasitas induzidas fluem nas camadas periféricas do revestimento de cobre, uma vez que a perda é baixa nessas regiões. Elas estão curto-circuitadas em si mesmas, e encontram-se opostas na direção axial à sua origem, a corrente do indutor. Isto significa que, para o modelo aqui mostrado, elas se curto-circuitam a partir da placa de cobre, passando pelo bloco central a ser aquecido e pela superfície (linha de partição). Essas duas áreas requerem aquecimento e, portanto, a camada de cobre é interrompida, de forma que as correntes parasitas agora fluam sobre um material com maior resistência ôhmica. Como resultado disso, as perdas ôhmicas aumentam, intensificando o aquecimento nessas áreas.
Uma vez que as correntes parasitas são deslocadas até uma certa profundidade de pele, dependendo de sua frequência, a camada de cobre nas áreas “frias” precisa apresentar espessura pelo menos igual à dessa pele. Se a camada de cobre for fina demais, as correntes parasitas podem não ficar completamente contidas no revestimento, ou seja, parte dessas correntes fluirão no material ferromagnético, apresentando então maior densidade de corrente. Neste caso, também a área revestida sofre aquecimento(1).
Vantagens do novo processo
No caso de componentes com requisitos especiais, tais como altas razões de aspecto ou superfícies especiais, são necessários processos de moldagem por injeção dotados de controle de temperatura do molde. A indução magnética pode ser usada como um método rápido e eficiente para aquecer a cavidade do molde. Ele permite abreviar valiosos tempos de ciclo por meio do controle balanceado da geração e distribuição de calor usando, por um lado, revestimentos superficiais eletricamente condutores e, por outro, finos bolsões de ar. Dessa forma, uma vez que uma menor quantidade de energia é introduzida no processo como um todo, não apenas o tempo de aquecimento, como também o tempo necessário para o resfriamento do molde, podem ser reduzidos.
Fig. 3 – Comparação qualitativa entre as simulações térmicas da tira de metal sólido (parte superior da figura) e uma tira revestida de cobre e com bolsão de ar (parte inferior da figura). Esta última é aquecida apenas no bloco central não revestido (IKFF)
Combinação das duas variantes
A peça que apresenta a geometria testada mostra a combinação das duas variantes aqui discutidas, vista em seção transversal e longitudinal (figura 2). Por um lado, as correntes parasitas induzidas são conduzidas através do revestimento de cobre, de forma que elas são curto-circuitadas por conta do aço existente no centro da placa. Aqui as correntes parasitas conduzidas para essa área aquecem o bloco central não revestido. Por outro lado, desta forma, as áreas da placa que não requerem aquecimento são “isoladas” das perdas de corrente parasita. De forma similar, correntes parasitas e, portanto, energia térmica, são induzidas diretamente na área não revestida. São dispostos bolsões de ar ao longo do canal do indutor para guiar a dispersão do calor assim gerado para a área central.
Uma comparação qualitativa entre duas simulações – uma feita com uma tira sem bolsão de ar e sem revestimento, a partir daqui designada simplesmente como sendo material sólido, e outra feita com uma tira revestida contendo bolsão de ar – deixa claro que esta última registra maiores perdas ôhmicas no bloco central não revestido como consequência das correntes parasitas induzidas, de forma que essa área sofre aquecimento.
Durante a simulação não ocorreu aquecimento nas áreas com revestimento de cobre. A condução térmica para as áreas adjacentes foi grandemente reduzida no caso da geometria vista na parte inferior da figura 3, em comparação com o material sólido na parte superior da figura 3, como consequência da introdução dos bolsões de ar.
Fig. 4 – Projeto real submetido a teste, feito com aço-ferramenta tipo 1.2312 (pintado de negro). Os orifícios permitem a medição da curva de temperatura (fonte: IKFF)
Medições feita no projeto real
Foram feitos vários orifícios na superfície da geometria do projeto real usado no teste para permitir a medição da distribuição de temperaturas em pontos relevantes (figura 4). Os resultados do teste (figuras 5 e 6) confirmaram as constatações feitas anteriormente. As leituras nos sensores #4 e #5 mostraram que a área central não revestida é significativamente mais aquecida do que as áreas adjacentes (figura 6). O sensor #4 encontra-se localizado próximo ao indutor, enquanto o sensor #5 está próximo da superfície. Como resultado dos bolsões de ar dispostos ao redor do indutor, inicialmente é evi- tada a dispersão de calor para as áreas periféricas (sensor #3) na direção transversal à da corrente. Somente quando os bolsões de ar são ultrapassados é que o calor se espalha também para o exterior.
O sensor #7 mostra a temperatura no lado exterior na direção axial. Aqui também se acumula uma quantidade bem menor de calor em comparação com o centro, porque nessas áreas as correntes parasitas são conduzidas com baixas perdas através do revestimento de cobre.
Fig. 5 – Imagem termográfica da geometria revestida usada no teste. A imagem mostra o aquecimento indutivo da área central de uma tira revestida com bolsões de ar (IKFF)
O aquecimento da camada de cobre não pode ser completamente evitado, uma vez que também ocorrem perdas aqui, mas elas são muito pequenas, desde que se adote uma espessura adequada de revestimento. Por motivos técnicos, no caso específico desta geometria de teste não foi possível aplicar o revestimento de cobre com espessura suficiente no interior dos furos do indutor; portanto, também ocorreram perdas algo maiores nessa área.
Também é mostrada no gráfico (figura 6), para efeitos de comparação, a curva de temperatura correspondente à geometria usada no teste, com as mesmas dimensões, mas sem os bolsões de ar e sem o revestimento de cobre.
Aquecimento mais rápido com menos energia
Para um mesmo aporte de energia, os sensores #4 e #5 registraram aquecimento significativamente menor na superfície após o mesmo período de tempo, enquanto, quando a mesma temperatura ob- jetivada foi alcançada, os sensores nas áreas exteriores (#1, #3 e #7) apresentaram temperaturas mais altas, uma vez que não ocorreu controle de temperatura neste caso.
Fig. 6 – Comparação do aquecimento indutivo registrado em vários pontos de medição entre a tira revestida com bolsões de ar e a assim chamada tira de metal sólido. A curva de temperatura para o sensor #3 é idêntica em ambos os casos (fonte: IKFF)
O auxílio dos bolsões de ar isolantes dispostos ao redor da área do canal do indutor permite que o calor que emana da parede do canal seja guiado na direção da cavidade. Todas as outras direções encontram-se inicialmente bloqueadas por bolsões de ar. Desta forma, o tempo requerido para aquecer as áreas desejadas pode ser substancialmente reduzido para um mesmo aporte de energia.
Se, ao mesmo tempo, outras áreas que não requeiram aquecimen- to (por exemplo, os cabos do indutor ou áreas do molde irrelevantes ao processo) forem revestidas com superfícies condutoras apre- sentando espessura adequada, a energia de aquecimento aplicada pode ser ainda mais focalizada e, dessa forma, reduzida. No final, a combinação dessas duas medidas não apenas proporciona melhor balanço de energia, como também exerce significativa influência sobre o tempo de resfriamento necessário, uma vez que, em termos totais, será requerida menor quantidade de energia. Isso torna o processo de aquecimento por indução mais eficiente do ponto de vista energético e leva a tempos de ciclo globais mais curtos.
Referências Bibliográficas
- www.kunststoffe.de/4972353