8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ANÁLISE DA SIMULAÇÃO DE REFRIGERAÇÃO NO PROCESSO DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS. Carlos Mauricio Sacchelli*, Christian Allan Cardoso *Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET-SC, Joinville-SC, Brasil. * RESUMO Os processos de transformação dos materiais poliméricos mais usuais são: injeção, extrusão, sopro, compressão e termoformagem, sendo o de injeção um dos mais utilizados. No processo de injeção, o tempo de cada ciclo de injeção é o somatório de vários tempos. Dentre todos os tempos, o de refrigeração é o maior. Para auxiliar na realização do projeto do molde de injeção, há disponível no mercado softwares de simulação, contudo, devido às muitas opções de métodos de cálculo e de resultados, erros de interpretações são cometidos. Assim este trabalho tem como objetivo analisar a simulação do sistema de refrigeração em um molde de injeção de termoplástico através da utilização de um molde instrumentado, comparando os métodos de cálculo e os resultados apresentados. PALAVRAS CHAVE: processo de injeção de termoplástico, sistema de refrigeração, simulação do processo.

2 INTRODUÇÃO Dentre os processos utilizados na transformação de polímeros, atualmente a moldagem por injeção é um dos mais utilizados e de maior importância. Esse fato se deve a possibilidade da fabricação de produtos injetados de elevada complexidade geométrica, baixo custo, grande volume de produção [1]. Além disso, essas características fazem com que este processo seja utilizado em diversas áreas que vão desde a indústria de utilidades domésticas até a aeronáutica. Isso é possível devido ao emprego dos termoplásticos de engenharia, com os quais são fabricados componentes de elevada resistência mecânica e baixo peso. Outras aplicações do processo de moldagem por injeção também podem ser observadas no nosso dia-a-dia, tais como televisores, refrigeradores, telefones, computadores, brinquedos, entre outros, sendo responsável por cerca de 70% da fabricação de produtos plásticos [2]. No processo de injeção, o tempo para a obtenção de um produto injetado, é denominado de ciclo, em que é composto da somatória dos seguintes tempos: fechamento do molde, preenchimento da cavidade, refrigeração, e, abertura do molde, sendo o tempo de refrigeração o maior de todos [3]. Segundo Fouray [4], há dois aspectos importantes a serem analisados no projeto do sistema de refrigeração: a eficiência e a uniformidade da distribuição de temperatura no molde. A eficiência da troca de calor entre o material polimérico e o molde é um fator decisivo para uma performance econômica no processo de injeção. Alguns trabalhos na literatura atestam ganhos significativos com melhorias nos sistema de refrigeração, com redução de até 33% do tempo total do ciclo de injeção [5]. Assim, para a obtenção de um bom sistema de refrigeração o projeto do molde e a seleção dos parâmetros do processo de injeção devem ser realizados corretamente. Contudo, a seleção dos parâmetros de processo não é tão simples, devido ao fato de que para a obtenção de produtos injetados de boa qualidade é necessário o ajuste correto de todo um conjunto de parâmetros e não apenas ajustes individuais. Para auxiliar nesta problemática, têm-se os simuladores de injeção de termoplásticos, também conhecidos como softwares de CAE Computer Aided Engineering, por exemplo, o Moldflow, Moldex 3D, Moldcae, Planets e 3D- Sigma [6]. Contudo há vários métodos de calculo disponíveis para a realização da simulação, além de vários resultados que podem confundir a pessoa que trabalha com a análise de injeção. Assim, o presente trabalho aborda o estudo comparativo entre os resultados obtidos durante a simulação de injeção e os resultados obtidos durante o processo de injeção através de um molde instrumentado, com o monitoramento e aquisição das temperaturas em 8 (oito) pontos selecionados. Com essa comparação, espera-se determinar qual o método de cálculo e qual o resultado da simulação de injeção que melhor representa os resultados do processo de injeção real. MATERIAIS E MÉTODOS O mode de injeção utilizado neste experimento foi o molde de 2 cavidades destinado a obtenção de corpos de prova de tração (Fig.1) e, o material polimérico, o Polipropileno PP (XM 6150K) da empresa Polibrasil. A máquina injetora utilizada foi a Sandretto Micro 65, e o equipamento de aquisição de dados registrador Field Logger modelo V2.0X, e para a simulação de injeção o software Moldflow Plastics Insight versão 4.1 foi utilizado.

3 Fig. 1: Modelo geométrico do corpo de prova e seus canais de refrigeração Para o experimento, foi confeccionado um molde de 2 (duas) cavidades, com a possibilidade de inserção de 8 (oito) termopares alojados a 5 mm da superfície da cavidade, realizado o processo de injeção e o de simulação, verificou-se que não era possível obter a temperatura na simulação em pontos que não estivessem em contato com o material injetado, assim foi usinado novamente o molde, com a finalidade de deixar 2 (dois) termopares em contato direto com o material polimérico no momento da injeção. Na Fig. 2, observa-se a localização dos termopares, em que são numerados de 1 a 8, sendo os de número 3 e 7 posicionados diretamente na cavidade, onde o material polimérico irá se localizar, e os outros termopares localizados a uma distância de 5 mm da cavidade. Alojamento para a passagem dos termopares Fig. 2: Pontos na cavidade onde foram alojados os termopares Os parâmetros de processo de injeção utilizados são apresentados na Tab. 1. Cabe ressaltar que os mesmos parâmetros foram utilizados na simulação do processo de injeção. Tabela 1: Parâmetros do processo de injeção Parâmetros Pressão injeção: 163,3 bar Temperatura de injeção: 210 C Força de fechamento: 7 ton Tempo injeção: 2,2s Tempo abertura do molde: 6s Pressão recalque: 80%

4 Temperatura do molde: 30 C Tempo recalque: 10s Tempo resfriamento: 20s Vazão de injeção: 76cm³/s Contra pressão: 0 Temperatura água: 30 C Vazão da água de refrigeração: 1,43l/min Velocidade de rotação da rosca injetora: 150 rpm A duração do ensaio na máquina injetora foi de 60 minutos, em que os termopares registraram os valores das temperaturas, sendo capturados pela placa de aquisição de dados, gerando assim um relatório com as temperaturas nos oito pontos de fixação durante o ciclo. RESULTADOS Com os dados obtidos, foi gerado um gráfico relacionando a variação da temperatura registrada nos termopares com o tempo, que pode ser visualizado na Fig. 3. Também para verificação das temperaturas, foi impresso o relatório com todas as temperaturas obtidas a cada 1 segundo de experimento. Durante este período verificou-se o aumento gradativo de temperatura em todos os pontos de monitoramento. Resultado esperado, pois como o material polimérico está a uma temperatura na saída da máquina de injeção de aproximadamente 210 C e o molde está em uma temperatura ambiente (30 C), ocorre a troca térmica entre o molde e o material fundido, ocasionando um constante aumento de temperatura do molde até sua estabilizar. Cabe a observação, de que como este experimento durou apenas 60 minutos, a estabilização não ocorreu, o que se observou foi ao final do tempo de coleta dos dados, havia certa tendência de estabilização da temperatura. Este aumento de temperatura pode ser considerado normal já que o processo não estava totalmente estabilizado e o molde ainda não se encontrava em equilíbrio térmico com o material injetado. Fig. 3: Gráfico temperatura x tempo (1h) nos termopares de 1 a 8. Para uma melhor interpretação dos resultados optou-se pela elaboração de gráficos que relacionam as temperaturas em um intervalo de tempo menor (aproximadamente 10 minutos), que podem ser visualizados nas Fig. 4 e 5.

5 Fig. 4: Gráfico temperatura x tempo (10min,) nos termopares de 1 a 8. Fig. 5: Gráfico temperatura x tempo (10min.) nos termopares de 1 a 8. Para fins de comparação dos dados, será considerado as temperaturas do sexto período, devido ao fato que devem ser as temperaturas próximas a estabilização do sistema.

6 Após a coletada dos dados referentes ao processo de injeção, realizou-se a simulação de injeção no software Moldflow. Para tanto, foi necessário desenhar o modelo geométrico do corpo de prova, juntamente com os canais de alimentação e de refrigeração, além de inserir os parâmetros de processo utilizados na máquina injetora. Na simulação, pode-se optar por dois métodos de cálculo, utilizando o algoritmo de Fill+Cool+Flow, ou com o de Cool+Flow. Como resultado da simulação de injeção, o software apresenta duas opções para verificação da temperatura, a primeira denominada de máxima temperatura na peça e a segunda, de temperatura no topo da peça, o que pode confundir a pessoa que realiza a simulação, pois aparentemente as duas deveriam informar a temperatura do produto injetado. Na Tab. 2, observa-se um comparativo, entre os resultados do processo de injeção e da simulação tanto da máxima temperatura a peça, como no topo da peça. Tabela 2: Comparação entre os valores do processo de injeção x simulação Termopar Temperatura do processo real ( C) Temperatura da simulação máxima temperatura na peça( C) Diferença real/simulado (%) Temperatura da simulação no topo da topo da peça( C) Diferença real/simulado (%) CF FCF CF FCF CF FCF CF FCF ,67 42,24 4,05-36,00 42,87 36,87-35,05-44, ,8 7,69-32,62 44,35 37,1-31,77-42, ,06 42,75-2,90-36,19 41,04 36,86-38,75-44, ,86 42,69 6,33-30,02 41,03 35,67-32,74-41, ,4 41,39-3,94-37,29 38,91 35,6-41,05-46, ,5 40,74 5,93-30,95 38,05 35,08-35,51-40, ,98 41,09-0,03-34,78 38,24 35,17-39,30-44, ,12 41,17 6,98-30,22 38,42 35,18-34,88-40,37 *CF- Cool +Flow; FCF-Fill+Cool+Flow. Na Fig. 6, tem-se o gráfico de demonstra a variação do erro percentual da simulação de injeção, em relação à temperatura verificada no termopar.

7 Erro das temperaturas por termopares 20,00 10,00 Erros (%) 0,00-10,00-20,00-30, ,00-50,00 Termopares Máx. temp. peça (CF) Temp. topo peça (CF) Máx. temp. peça (FCF) Temp. topo peça (CFC) Figura 6: Comparação entre os valores do processo de injeção x simulação Pode-se observar que a simulação com menor erro foi a utilizando o método Cool+Flow, com o resultado de máxima temperatura no produto. Observa-se também que nos pontos 3 e 7 que coletavam os dados da superfície da cavidade os erros foram de 2,9 e 0,03 %, e que os outros termopares demonstraram erros de até 7,7%, valores estes já esperados, já que estavam a 5 mm da superfície da cavidade. CONCLUSÃO Após os experimentos, verificou-se que a escolha do algoritmo de determinação da simulação de refrigeração possui grande impacto para a veracidade dos resultados, pois utilizando o método Fill+Cool+Flow, os resultados não foram coerentes, contudo utilizando o método Cool+Flow, obteve-se resultados mais próximos do real. Outro fato importante é saber ao certo qual o resultado da analise que deve ser considerada, como pudemos constatar, o resultado da máxima temperatura da peça foi o mais próximo do real. Como podemos também observar os termopares que não estiveram em contato com o polímero, tiveram um erro máximo de aproximadamente 7,7%. Com base nestes resultados, pode-se considerar que o processo de simulação de injeção nos mostra com grande proximidade os resultados do processo de injeção, contudo dever-se estar atento com os métodos de calculo e os resultados, pois, pode induzir a erros significativos. REFERENCIAS 1. H. Rees. Mold Injection. New York: Hanser, J. Y. H. Fuh; Y. F. Zhang; A.Y.C. Nee; M.W. Fu. Computer-Aided Injection Mold Design and Manufacture. New York: Marcel Dekker, 2004.

8 3. A. Y. F. Mylla. Influência do Resfriamento na Qualidade de Peças Termoplásticas Moldadas por Injeção, com Estudo de Caso em Sistemas CAE. Florianópolis, Dissertação de Mestrado, UFSC, A. Fouray; S. Marichez; F. Planquais. The Aluminum solution. Antec, L. Q. Tang; K. Pochiraju; C. Chassapis; S. Manoochehri. Optimal design of cooling system for injection molding. Antec, C. M. Sacchelli; A. F. Souza; R. K. Scalice; L. M. Gilapa; M. M. Lacerda. Estudo da manufatura de produtos que utilizam ferramentais. Revista do IST Ano 6 nº 7, p , 2006.

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