FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA CARLOS EDUARDO CORRÊA DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO PLÁSTICA EM AMBIENTE 3D

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA CARLOS EDUARDO CORRÊA DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO PLÁSTICA EM AMBIENTE 3D SOROCABA 2010

2 ii FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABA CARLOS EDUARDO CORRÊA DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO PLÁSTICA EM AMBIENTE 3D Monografia apresentada no curso de Polímeros da FATEC SO, como requerido para obter o título de Tecnólogo em Polímeros. Orientador: Prof. José Ângelo Bortoloto SOROCABA 2010

3 iii CORRÊA, CARLOS EDUARDO DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO PLÁSTICA EM AMBIENTE 3D Trabalho de conclusão de curso apresentado como exigência parcial para obtenção do título de Tecnológo em Polímeros na Faculdade de Tecnologia de Sorocaba. Prof. José Ângelo Bortoloto Orientador Prof. Msc. José Carlos Moura Professor Convidado Prof. Msc. Maíra de Lourdes Rezende Professora Convidada SOROCABA 2010

4 iv DEDICATÓRIA Aos meus pais, Vicente de Jesus e Maria Aparecida, pela minha formação e valores; a minha esposa Renata e aos meus filhos Felipe e Gabriel; pelo apoio e compreensão nas horas de ausência.

5 v AGRADECIMENTOS Ao professor José Angelo Bortoloto, que contribuiu na orientação do trabalho. Ao professor Dr. Francisco Carlos Ribeiro, pela contribuição na forma e estrutura do trabalho. Aos professores membros da banca examinadora pelas observações que serão realizadas na defesa. A Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, pela oportunidade de formação na área de Polímeros. A empresa Dental Morelli Ltda, pela oportunidade de crescimento profissional e pessoal, pelo contato com tecnologias e profissionais do ramo de injeção.

6 vi Corrêa, Carlos Eduardo, Desenvolvimento de metodologia de projeto de moldes de injeção plástica em ambiente 3D, 62 páginas. Trabalho de conclusão de curso da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, Sorocaba, São Paulo, Brasil. RESUMO O objetivo deste trabalho é estabelecer uma seqüência lógica para o projeto de moldes de injeção de termoplásticos, quando utilizamos de softwares 3D paramétricos; enumerando as etapas comuns, estabelecendo as verificações necessárias, racionalizando o trabalho com a utilização de bibliotecas de moldes e componentes padrões, trato com clientes, interação e troca de informações, histórico das atividades de projeto; ou seja, praticamente consiste na elaboração de um manual passo a passo para a elaboração de um projeto de molde consistente e funcional. O trabalho foi embasado em conhecimento empírico (vivência profissional) e em literaturas técnicas de apoio. Palavras chave: Etapas de projeto de moldes de injeção plástica, CAD 3D, CAE, moldes, plástico, injeção, Solidworks, Simulação de injeção, Moldflow.

7 vii Corrêa, Carlos Eduardo, Development of plastic mold design methodology on 3D environment, 62 pages. Course conclusion work from Sorocaba Technology College, Sorocaba, São Paulo, Brazil. ABSTRACT The goal of this work is establish a logic plastic mold design sequence when using 3d cad parametric software s numbering common steps, establishing needed verifications, rationalizing work with mold and standard parts libraries, how to treat with customers, interaction and share of data, project history This work will be like a step by step guide for mold design. Key words: Plastic injection mold design steps, CAD 3D, CAE, molds, plastic, injection, Solidworks, Plastic injection simulation, Moldflow.

8 viii SUMÁRIO RESUMO......vi ABSTRACT... vii LISTA DE FIGURAS... xi LISTA DE TABELA... xiii 1 INTRODUÇÃO Descrição do problema Objetivo do Trabalho Estrutura do Trabalho O PROCESSO DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS E CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS MOLDES DE INJEÇÃO Princípio básico da injeção de termoplásticos Definição de molde de injeção Componentes e tipos de moldes de injeção Porta Molde ou Base do Molde Função dos elementos do molde Tabela de Materiais para Construção de Moldes Classificação dos moldes de injeção Tipos de Moldes de Injeção Tipos de moldes de injeção com as suas vantagens e desvantagens Definição de sistema de alimentação Sistema de Extração Sistema de Refrigeração Sistema de Ventilação TECNOLOGIAS CAD NO AUXÍLIO DO PROJETO DE MOLDES Prancheta X CAD Uso do CAD no projeto de moldes Representação de modelos 2D/3D Melhoria de desempenho dos modelos CAD, Associatividade, Parametrização e Recursos (Features) Associatividade... 25

9 ix Parametrização Recursos (Features) Interfaces e o uso do CAD Integrado IGES VDA-FS VDA-IS VDA-PS SET STEP DXF FORMATOS NATIVOS INTERFACE DIRETA SAT A administração de dados e fluxo de informações Aplicação de CAD em fabricação de moldes Modelamento Contração (Shrinkage) Linhas de Partição do Molde (Linhas de Fechamento) Drafts (Ângulos de Saída) Canais de Injeção (System Gates) Módulos Unidades Padrão Controle de Projeto (Design Control) Funções Integradas para Mold-Making Colisão de vista (Collision view) Geração do Desenho 2D Programação CNC Verificação da Qualidade Metrologia Preparação do Conjunto / Documentação Técnica Apresentação / Marketing Simulação de Elementos Finitos (FE) Prototipagem Extensão Função Aplicações Específicas Possibilidades proporcionadas às engenharias concorrentes através do uso de CAD.. 43

10 x 4 SEQUENCIAMENTO LÓGICO DO PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO Partindo da ideia, à realização do produto Sequenciamento de Projeto de Moldes Sequênciamento de projeto Fluxo de Trabalho Menges (2001) Estudo de Caso - Simulação de Projeto de Molde Etapa 1 Análise preliminar do produto Etapa 2 Recebimento do projeto de produto Etapa 3 Definição da máquina injetora, numero e layout das cavidades Etapa 4 Definição da linha de partição Etapa 5 Sistema de alimentação e balanceamento das cavidades Etapa 6 Análise reológica (Moldflow ou similar) Etapa 7 Definição do porta molde Etapa 8 - Projeto do sistema de extração Etapa 9 Projeto do sistema de refrigeração Etapa 10 Analise das saídas de gases Etapa 11 Projeto dos demais componentes Etapa 12 - Detalhamento dos componentes CONCLUSÃO Sugestões para trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 62

11 xi INDICE DE FIGURAS Figura 1 - Ciclo de Moldagem... 3 Figura 2 - Componentes Básicos de uma Injetora... 4 Figura 3 - Esquema simplificado do material plástico penetrando da cavidade... 4 Figura 4 - Porta Molde e seus componentes - Fonte: Catálogo Eletrônico Polimold... 5 Figura 5 - Anel de Centragem - Fonte: Acervo do autor... 6 Figura 6 - Bucha de Injeção - Fonte:Acervo do autor... 6 Figura 7 - Bucha do Molde - Fonte: Acervo do autor... 7 Figura 8 - Coluna do Molde - Fonte: Acervo do autor... 7 Figura 9 - Bico tipo "Engate Rápido" Fonte: Acervo do Autor... 7 Figura 10 - Coluna e Bucha de Extração - Fonte: Acervo do autor... 8 Figura 11 - Gavetas, pinos e guia da gaveta - Fonte: Acervo do autor... 9 Figura 12 - Pino Tope ou Encosto Padrão - Fonte: Acervo do autor... 9 Figura 13 - Disposição dos Pinos de Retorno - Fonte: Acervo do autor Figura 14 Inserto Cavidade Superior - Fonte: Acervo do autor Figura 15 - Inserto Cavidade Inferior Fonte: Acervo do autor Figura 16 - Extratores Diversos - Fonte: Catálogo Eletrônico Tres-s Figura 17 - Molde de 2 placas Figura 18 - Molde de 3 placas Figura 19 - Molde com partes móveis Figura 20 - Molde com Sistema de Câmara Quente Figura 21 - Stack Mold Figura 22 - Molde com núcleo rotativo Figura 23 - Sistema de alimentação - Fonte: Tonolli (2003) Figura 24 - Layout e Seção Transversal do Sistema de Alimentação Figura 25 - Tipos de canais de corte (Entradas de Material) - Fonte: Tonolli (2003) Figura 26 - Sistema de Refrigeração Fonte:Acervo do autor Figura 27 - Ventilação (Saída de Gás) - Fonte: Acervo do autor Figura 28 - Prancheta com Tecnigráfo - Fonte: 20 Figura 29 - Tipos de Modelos 3D Figura 30- Descrição de Peças pelo Volume dos Modelos Figura 31 - Exemplo de sólido paramétrico... 26

12 xii Figura 32 - Exemplos de recursos (Features) Figura 33 - Duas maneiras de representar uma distância Figura 34 - Diminuindo a complexidade com a utilização de interfaces padronizadas Figura 35- Suporte para geração do modelo 3D Figura 36 - Principio da Linha de Fechamento (Parting Line) Figura 37 - Uso do CAD na cadeia produtiva de moldes Figura 38 - Verificação de movimentos em um molde Figura 39 - Aplicação do Modelo 3D na apresentação de um produto Figura 40 - Etapas de desenvolvimento de molde em paralelo Figura 41 - funções de modelo 3D para integrar o projeto do produto e do molde Figura 42 - Vista geral das etapas de modelamento Figura 43 Vistas do produto Fonte: Acerto do autor Figura 44 - Análise Reológica - Moldflow - Fonte: Acervo do autor Figura 45 - Linha de Fechamento ou Partição - Fonte: Acervo do autor Figura 46 - Sistema de Alimentação Figura 47 - Blocos Cavidade Superior e Inferior - Fonte: Acervo do autor Figura 48 - Tempo de Preenchimento fornecido pelo Moldflow - Fonte: Acervo do autor Figura 49 - Porta Molde 100 x Fonte: Acervo do autor Figura 50 - Corte do sistema de extração - Fonte: Acervo do autor Figura 51 - Representação do Circuito de Água - Fonte: Acervo do autor Figura 52 - Eficiência do sistema de resfriamento - Moldflow Figura 53 - Análise de gás aprisionado - (Air traps) - Moldflow Figura 54 - Exemplo de desenho de detalhe do conjunto - Acervo do Autor... 60

13 xiii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Tabela de Materiais para Moldes - Fonte: Apostila Proj. de Moldes p/ Plásticos - Senai (2001) Tabela 2 - Demandas na geração de geometrias Tabela 3 - Atividades propostas para as fases do projeto do molde de injeção segundos diferentes autores... 47

14 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Descrição do problema Um simples brinquedo infantil, ou uma peça técnica como um coletor de automóvel, que necessita suportar altas temperaturas, resistir a óleo e graxas; tem em comum hoje em dia, o fato de ambos serem produzidos em material plástico; lógico que para cada aplicação, exige-se um tipo de plástico com características condizentes com a solicitação requerida (resistência a esforços, a altas temperaturas, transparência, inerte a produtos químicos, brilho, etc.), e entre a matéria prima correta e o produto que satisfaça as necessidades do cliente, está o molde de injeção, que se bem projetado, consegue superar as expectativas da entrada de projeto, e produzir peças técnicas, ou simples componentes com qualidade, repetibilidade e custo ideal. A abordagem metodológica do projeto de um molde de injeção é tema de discussão em vários trabalhos acadêmicos facilmente encontrados na Internet, e por alguns autores como Harada (2004) e Menges (2001); entretanto, a abordagem focada no dia a dia do projetista de moldes, a utilização das tecnologias atuais para tomada de decisão e escolha da melhor solução técnica no desenvolvimento do molde, as interações com os clientes internos e externos do projeto, a organização dos dados e seu armazenamento adequado, a saída dos dados de projeto para fabricação dos componentes; ou seja, a realidade do departamento de projetos na visão de um projetista é mostrada superficialmente, e o foco desse trabalho é abordar com mais detalhes cada etapa do desenvolvimento de um projeto de moldes, utilizando um CAD 3D. 1.2 Objetivo do Trabalho O objetivo desse trabalho consiste no detalhamento das etapas de projeto de moldes de injeção de termoplásticos, projeto este realizado em software 3D paramétrico, mais especificamente utilizando-se do Solidworks 1 ; apresentando as possibilidades que a tecnologia CAD 3D oferece, apresentando o dia a dia do projetista e as ferramentas utilizadas para alcançar o objetivo de projetar um molde funcional com qualidade e em menor tempo possivel. 1 SolidWorks é um software 3D paramétrico da companhia Dassault Systems S.A.

15 2 1.3 Estrutura do Trabalho O trabalho está estruturado e dividido em cinco capítulos, incluindo a Introdução. O Capitulo 2 apresenta o processo de injeção de termoplásticos e os componentes e tipos de moldes. O Capitulo 3, aborda a evolução do projeto, da prancheta ao CAD, e apresenta toda a trajetória de desenvolvimento dos sistemas CAD 3D, e seu uso no projeto de moldes, utilização de prototipagem para avaliação de caracteristicas de produto, análises reológicas para verificação de projeto (Moldflow). O Capítulo 4 apresenta o sequenciamento do projeto, com enfoque na paralelização das atividades. O Capitulo 5 apresenta as conclusões obtidas.

16 3 2 O PROCESSO DE INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS E CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DOS MOLDES DE INJEÇÃO Segundo Harada (2004), o ciclo de injeção é o intervalo total de tempo entre o instante em que o molde se fecha durante um ciclo e o período correspondente em que ele se fecha no ciclo seguinte. O ciclo total é a soma do tempo do ciclo da máquina mais o tempo que o operador leva para abrir a porta, retirar a peça, e fechar a porta (em moldes não automáticos). O termo Ciclo da Máquina refere-se à parte do ciclo total que é o controlado pelo timer do painel. O ciclo da máquina começa quando o operador fecha a porta que ativa o fechamento do molde. As operações que se seguem (fechamento do molde, injeção, resfriamento e abertura do molde), ocorrem automaticamente. O ciclo da máquina termina quanto o timer de molde fechado chega a zero e o molde se abre até o limite previamente imposto. Figura 1 - Ciclo de Moldagem (Fonte:

17 4 2.1 Princípio básico da injeção de termoplásticos Transporte do material termoplástico; Aquecimento e plastificação do material; Homogeneização do material plastificado; Injeção do material plastificado no interior da cavidade do molde; Resfriamento e solidificação do material na cavidade; Extração da peça moldada. Figura 2 - Componentes Básicos de uma Injetora (Fonte: 2.2 Definição de molde de injeção Segundo Harada (2004), o molde de injeção é uma unidade completa com condições de produzir peças moldadas. Suas cavidades possuem as formas e as dimensões da peça desejada. O molde é adaptado ao final da máquina de injeção e recebe, em sua cavidade, o material plástico fundido, introduzido por meio de pressão. A figura 3 apresenta um esquema simplificado do material plástico penetrando na cavidade. Placa fixa da máquina injetora Placa móvel da máquina injetora Cavidade com produto moldado Figura 3 - Esquema simplificado do material plástico penetrando da cavidade (Fonte:http://www.custompartnet.com/wu/images/im/injectionMolding_machine_all.png)

18 5 2.3 Componentes e tipos de moldes de injeção Porta Molde ou Base do Molde É um conjunto de placas de aço, que aloja as cavidades do molde. A figura 4 apresenta o porta molde e seus componentes. Figura 4 - Porta Molde e seus componentes - Fonte: Catálogo Eletrônico Polimold Função dos elementos do molde Placa Base Superior Fixação do molde na parte fixa da injetora através de garras. Neste elemento estão fixados o anel de centragem e a bucha injetora Anel de Centragem Tem a função de centralizar o molde em relação à linha de centro da injetora e fixação da bucha de injeção. É fixado no molde através de parafusos, e deve se encaixar no furo central da placa fixa da injetora com o ajuste H7n6, para proporcionar um alinhamento perfeito entre o bico do canhão da injetora e a bucha de injeção do molde. 2 O tópico e seus subitens foram extraído da Apostila Projeto de Moldes para Plásticos SENAI-SP (2001)

19 6 Figura 5 - Anel de Centragem - Fonte: Acervo do autor Bucha de injeção Faz a ligação do bico do cilindro de injeção com o interior do molde. Figura 6 - Bucha de Injeção - Fonte:Acervo do autor Porta Cavidade (Placa Cavidade Superior) Placa onde são insertas as cavidades em forma de canecas ou placas inteiriças. Alojam-se em suas laterais as colunas do molde, responsáveis em guiar a parte superior com a inferior do molde. E possibilita a conexão dos bicos de mangueira Porta Macho (Placa Cavidade Inferior) Placa onde são insertados os machos em forma de postiços. Alojam-se em suas laterais as buchas das colunas do molde para ocorrer o deslizamento no momento da abertura e fechamento. A linha de fechamento acontece nas faces das placas porta machos e cavidades Placa Suporte Elemento fixado sobre os calços com a função de suportar a pressão de injeção que incide sobre a área projetada no momento do preenchimento das cavidades, devendo ser previamente calculada sua espessura e prever suportes pilares que servem de sustentação para a placa suporte evitando sua deformação.

20 Bucha do Molde Guia o molde durante a abertura e fechamento. Figura 7 - Bucha do Molde - Fonte: Acervo do autor Coluna do Molde Penetra a bucha no momento de abertura e fechamento do molde. Os desgastes e folgas devem ser o mínimo possível entre este conjunto, para não haver desencontros no produto e manter a guia. Figura 8 - Coluna do Molde - Fonte: Acervo do autor Parafusos Elementos de fixação entre as placas Bico de Mangueira Conexão rápida das mangueiras de entrada e saída do fluído refrigerante, que irão fluir pelos dutos de refrigeração. Figura 9 - Bico tipo "Engate Rápido" Fonte: Acervo do Autor

21 Calços ou espaçadores Responsáveis pela limitação do curso de extração bem como alojar todo o conjunto de extração Placa Porta Extratora Sua função é alojar e fixar os pinos extratores de retorno, molas de retorno e outros sistemas de extração ou mecanismos Placa Extratora Aciona o conjunto extrator e suporta a pressão de injeção que incide sobre os extratores, fato este que justifica sua espessura ser maior que a placa porta extratora. Sendo sempre apoiada sobre os pinos topes Suporte Pilar Garante que a placa suporte não sofra flexão no momento da injeção. A pressão aplicada na área projetada é alta e pode ocasionar flexão da placa suporte, e originar rebarbas ou um mau funcionamento do molde Buchas e Colunas da Extratora Guiam o conjunto extrator. Figura 10 - Coluna e Bucha de Extração - Fonte: Acervo do autor

22 Gavetas Gavetas são elementos móveis utilizados quando no produto há um detalhe que necessita de abertura em uma segunda direção. Podem ser acionadas por pino inclinado ou por dispositivos hidráulicos acoplados no molde. Figura 11 - Gavetas, pinos e guia da gaveta - Fonte: Acervo do autor Pino Tope Evita sujeira sob as placas extratoras, facilitam o ajuste e perpendicularidade em relação aos elementos extratores. Figura 12 - Pino Tope ou Encosto Padrão - Fonte: Acervo do autor Placa Base Inferior Realiza a fixação do molde na parte móvel da injetora através de garras Olhal Elemento para acoplamento do gancho da talha para transporte Tubo Trava Posiciona o conjunto inferior (placa suporte, espaçador e placa base inferior). As demais placas são posicionadas com as cabeças de buchas e colunas. Pode-se usar pinos de guia em substituição dos tubos.

23 Pino de Retorno Levam as placas extratoras ao lugar correto após o fechamento, evitando que fiquem avançados no momento da injeção. Pino de Retorno Figura 13 - Disposição dos Pinos de Retorno - Fonte: Acervo do autor Mola Elementos espirais que retomam as placas extratoras Cavidade Superior ou Cavidade Matriz Sua principal função é ser o elemento formador da peça desejada, com dimensões do produto desejado. É normalmente na matriz que se reproduz a parte externa da peça. É fabricada em aço especial. Figura 14 Inserto Cavidade Superior - Fonte: Acervo do autor

24 Cavidade Inferior ou Cavidade Macho Sua função é ser elemento formador juntamente com a cavidade matriz. Este componente reproduz normalmente a parte interna do produto. A utilização de postiços para as cavidades machos e matriz barateiam o custo do material empregado no molde e podem receber tratamento térmicos, sem deformação na estrutura do molde. E outra vantagem é poderem ser substituídos quando ocorrer qualquer avaria, sem que haja alterações dos demais elementos. São confeccionadas geralmente em aços especiais. Figura 15 - Inserto Cavidade Inferior Fonte: Acervo do autor Pino Extrator Sua função é extrair o produto do interior da cavidade macho. O pino extrator normalmente possui a forma cilíndrica, pois seu custo de fabricação fica mais baixo em relação a outros formatos. Os pinos extratores (Figura 16), são feitos em formatos cilíndricos, mas suas formas dependem freqüentemente dos requisitos da moldagem, assim, muitos extratores são feitos nos formatos de camisas, laminas, etc. Os materiais utilizados são normalmente o AÇO PRATA e VH-13 temperado e revenido com dureza de Rc. Figura 16 - Extratores Diversos - Fonte: Catálogo Eletrônico Tres-s

25 Tabela de Materiais para Construção de Moldes Na sequencia é apresentada uma tabela com os materias mais utilizados na construção dos elementos constituintes dos moldes de injeção. Tabela 1 - Tabela de Materiais para Moldes - Fonte: Apostila Proj. de Moldes p/ Plásticos - Senai (2001) Materiais para construção de moldes Elementos Material Villares Tratamento HRC Placa base superior Placa base inferior Porta matriz Porta macho Placa suporte Espaçadores Placa extratora Porta extratores Anel de centragem ABNT 1020 ABNT 1045 Bucha injetora ABNT 01 VND Temperado 50/55 Bucha guia ABNT 8620 VB-20 Cem. Temp. 60/65 Coluna de guia ABNT 8620 VB-20 Cem. Temp. 60/65 Bucha do poço frio ABNT 01 VND Temperado 50/55 Suporte pilar ABNT 1020 Pino tope ABNT 1020 VND Temperado 50/55 Pino de retorno ABNT H-13 ABNT H-13 Nitretado 50/55 Pino extrator ABNT H-13 ABNT H-13 Nitretado 50/55 Bucha extratora ABNT H-13 ABNT H-13 Nitretado 50/55 Lâmina extratora ABNT H-13 ABNT H-13 Nitretado 50/55 Macho ABNT H-13 ABNT P-20 Aço Inox H-13 P-20 Temperado Nitret./Benef. Materiais clorados 50/55 50 Cavidade Postiço Gaveta Postiço delgado ABNT 5160 VR-60 Temperado 50/55 Suporte para gaveta ABNT 01 VND Temperado 50/ Classificação dos moldes de injeção Os moldes de injeção podem ser classificados levando-se em consideração algumas de suas caractristicas construtivas. * Sistema de extração utilizado. * Tipo de alimentação empregada * Números de placas funcionais e partes móveis.

26 Tipos de Moldes de Injeção O molde de injeção é classificado de acordo com a norma DIN 1670, denominada Moldes de Injeção e Compressão de Componentes em: moldes de duas placas, moldes de três placas ou placa flutuante, moldes com partes móveis, moldes com canal quente, stack molds e moldes com núcleo rotativo; de acordo com Glastrow (apud Sacchelli, 2007 p ) Tipos de moldes de injeção com as suas vantagens e desvantagens Moldes de 2 placas: Molde mais simples, composto da parte móvel e da fixa, é o molde mais utilizado. Vantagem: facilidade de desenvolvimento, custo mais baixo comparado com os outros tipos de moldes. Desvantagem: dificuldade de se obter o componente injetado de forma geométrica complexa. Figura 17 - Molde de 2 placas Moldes de 3 placas: Composto além da placa fixa e móvel da placa flutuante, que tem como função separar o canal de distribuição do componente injetado. Vantagem: utilizado para componentes com múltiplos pontos de injeção, não necessita de etapa posterior de retirada do canal de alimentação do componente injetado. Desvantagem: maior custo de desenvolvimento e maior manutenção, comparado ao molde de 2 placas. Não indicado para componentes de grandes dimensões, devido ao maior peso do molde e de necessitar um maior curso de abertura.

27 14 Figura 18 - Molde de 3 placas Moldes com partes móveis: Possui componentes que se movimentam em direções diferentes da abertura do molde. Vantagem: possibilidade de se obter geometrias com variados detalhes (reentrâncias ou rebaixos). Desvantagem: manutenção elevada, de custo mais elevado comparado ao de 2 e 3 placas. Figura 19 - Molde com partes móveis Moldes com canal quente: Há acessórios neste tipo de molde, que mantém a temperatura do material polimérico elevado dentro do molde, fazendo que o mesmo chegue mais rápido a cavidade e que não se necessite de canais de alimentação. Vantagem: não possui etapa de retirada de canal de alimentação, economia de material, maior produção, devido o ciclo do processo de transformação ser menor. Desvantagem: custo e manutenção elevados. Figura 20 - Molde com Sistema de Câmara Quente

28 Stack molds: Molde que possui a sua abertura em duas regiões, possibilitando assim a obtenção de um número maior de componentes injetados. Vantagem: possibilita o dobro da quantidade de produção dos moldes de 2 e 3 placas. Desvantagem: manutenção elevada. Figura 21 - Stack Mold Moldes com núcleo rotativo: Utilizado para componentes injetados que possuem regiões com roscas. Vantagem: facilidade de construção, comparado com outra alternativa. Desvantagem: manutenção elevada Figura 22 - Molde com núcleo rotativo

29 Definição de sistema de alimentação Segundo TONOLLI (2003), o sistema de alimentação é responsável por conduzir o material desde a saída do canhão da injetora até o interior das cavidades, e é composto por três subsistemas denominados: canal de injeção (resultado da bucha de injeção, também chamado de jito ), canais de alimentação (principal e secundário) e canais de corte (passagem do canal de alimentação para o interior da cavidade). Figura 23 - Sistema de alimentação - Fonte: Tonolli (2003) Os canais de alimentação devem ser projetados de forma a fornecer o mesmo volume de material fundido e a mesma pressão de injeção por todo o percurso de alimentação, até a entrada e preenchimento das cavidades. Como requisito adicional, deve oferecer o menor peso possível e ser facilmente desmoldado. Os canais de alimentação podem ser divididos em canais frios e canais quentes. Os canais quentes também conhecidos por câmara quente podem ser entendidos como uma extensão das condições presentes no bico do canhão da injetora, que se prolongam até o canal de entrada na cavidade do molde. O uso desta tecnologia resulta em menos refugo de material no processo de injeção, em contrapartida, o custo do molde torna-se mais elevado. O sistema de câmara quente (Figura 20) é normalmente adquirido como um componente padrão para um determinado molde cujos principais elementos a serem considerados são: número de cavidades, distribuição e distâncias entre os bicos de alimentação do sistema de câmara quente e o material plástico que será processado. Devido a grande importância dos canais de alimentação, sejam estes aquecidos ou não, foram desenvolvidos sistemas computacionais específicos para análise e desenvolvimento dessa atividade como o CADFEED (Computer Aided Design of the

30 17 FEED), Ong (1995), entretanto, sistemas comerciais mais genéricos como o MoldFlow e o C- MOLD também podem ser utilizados para avaliar os canais de alimentação. Para os sistemas de canais frios, dois aspectos devem ser considerados, que são: a forma da seção transversal e o leiaute do canal. O formato da seção transversal deve ser projetado de forma a permitir o melhor fluxo do material através do molde, enquanto que o leiaute deve prover o menor, ou o melhor, caminho para o material. Na figura 24, são apresentadas as configurações gerais dos sistemas de alimentação e na figura 25, os tipos de canais de corte (entradas de material). O tipo de alimentação que será implementado no molde tem forte influência do projetista, entretanto é o cliente quem decide num primeiro momento qual dos sistemas será utilizado. Figura 24 - Layout e Seção Transversal do Sistema de Alimentação Figura 25 - Tipos de canais de corte (Entradas de Material) - Fonte: Tonolli (2003)

31 Sistema de Extração O sistema de extração tem como função principal, remover a peça moldada do interior do molde, após os processos de injeção (preenchimento do molde e compactação do material) e resfriamento terem terminado. As formas de extração da peça do interior do molde podem ser feitas por meio de pinos extratores, buchas extratoras, lâminas extratoras, placas extratoras, pinças extratoras ou ar, Cruz (1993). Os extratores devem ser posicionados preferencialmente em áreas onde poderão atuar sobre cantos, nervuras e/ou paredes laterais das peças. A extração é uma situação crítica no processo, pois pode comprometer permanentemente a peça moldada devido ao posicionamento inadequado dos extratores, gerando empenamentos, tensões residuais ou marcas. 2.8 Sistema de Refrigeração O sistema de refrigeração tem como principal função, o controle de temperatura do molde, a fim de permitir condições adequadas ao fluxo do material no interior do molde e garantir o resfriamento do componente moldado até atingir o estado sólido. Durante este processo, o sistema deve trabalhar de forma a reduzir ou eliminar possíveis tensões residuais termo-induzidas provenientes do resfriamento desbalanceado. A refrigeração é um dos elementos mais críticos no projeto de um molde. Dela dependerá o tempo de ciclo o qual influenciará diretamente na produção e produtividade do molde que por sua vez influenciará no custo final do produto injetado. Além disso, as características do polímero devem ser consideradas no projeto da refrigeração, ou seja, a estrutura do polímero sendo amorfa ou cristalina repercutirá no projeto. Figura 26 - Sistema de Refrigeração Fonte:Acervo do autor

32 Sistema de Ventilação Os sistemas de ventilação em um molde de injeção têm por finalidade, permitir o escape do ar e dos gases gerados no processo que poderiam ficar retidos no interior do molde durante a fase de preenchimento. A retenção desses gases coloca em risco a adequada operação do molde, uma vez que retardam o preenchimento e podem provocar pontos de queima no produto injetado. A solução para este problema é relativamente simples bastando apenas prover pequenas aberturas em pontos estratégicos do molde. Estas aberturas podem ser pequenas ranhuras entre duas placas, folgas de ajuste entre os insertos de cavidades, machos e extratores ou pela inserção de elementos porosos como grãos de bronze aglomerados, os quais permitem a passagem dos gases pelos espaços intergranulares. Saída de Gás Figura 27 - Ventilação (Saída de Gás) - Fonte: Acervo do autor

33 20 3 TECNOLOGIAS CAD NO AUXÍLIO DO PROJETO DE MOLDES 3.1 Prancheta X CAD Há cerca de 20 anos atrás, aqui no Brasil, iniciou-se a transição nas grandes empresas, do desenho feito em prancheta para os primeiros sistemas CAD 2D, e isso teve um impacto muito significativo na época, pois o projetista acostumado a utilizar papel vegetal, canetas nanquim, prancheta com tecnigrafo, régua aranha, lâminas para raspar o vegetal e corrigir os erros, sépias (cópias reproduzíveis), gabaritos de furos, régua paralela, esquadros e demais acessórios para auxílio na elaboração de desenhos técnicos manualmente; deparou-se com o desafio de abandonar sua forma antiga de trabalho, e utilizar a tela do computador como prancheta eletrônica, e o mouse em substituição a todos os acessórios acima citados. Muitos projetistas em final de carreira, avessos às mudanças, se opuseram a realizar treinamentos ou não se adaptaram, e infelizmente foram substituídos por jovens sem experiência técnica, mais com facilidade no trato com a informática, isso foi uma realidade presenciada pelo autor dessa monografia no ano de 1996, na antiga Fabrica de Aço Paulista (hoje Metso Minerals). Figura 28 - Prancheta com Tecnigráfo - Fonte:

34 Uso do CAD no projeto de moldes Segundo MENGES, (2001, p ) 3, com o uso constante de modernos sistemas de informação, hoje em dia, muitas companhias tem aumentado sua competitividade consideravelmente. O sucesso alcançado com a introdução do sistema CAD 4 ou mudança para um CAD mais avançado, é frequentemente usada como medida em termos de redução de custos e tempos durante o processo de desenvolvimento. De acordo com a literatura comercial, essa redução é em torno de 75%. Similarmente, uma acentuada, porem menos quantificada melhoria dos produtos também é relatada. Enquanto os sistemas CAD foram inicialmente destinados a substituir a prancheta de desenho, a tendência atual é para a obtenção de uma cópia exata do produto na forma de um modelo tridimensional, elaborado o mais rápido possível, durante o desenvolvimento, gerando um protótipo virtual, a fim de que possa ser utilizado, com o auxílio de computadores, por mais estágios de desenvolvimento. Modelos geométricos, por exemplo, para utilização em simulação FEA 5, desenvolvimento de molde protótipo (para produção de pequenos lotes de peças para avaliação), ou prototipagem rápida. Esses modelos geométricos podem ser convertidos com pouco esforço, em alguns casos, a partir do sólido 3D. As fronteiras entre CAD e CAE, tornando-se muito próximas e interligadas. Um estudo encomendado em 1996 pela revista CAD CIRCLE mostrou que na época, apenas duas de cada três empresas usavam sistemas CAD. E as que utilizavam essa ferramenta, principalmente usavam funções 2D, e relativamente pouco uso era feito dos dados CAD gerados para outros estágios de desenvolvimento, por exemplo, de documentação técnica, garantia de qualidade ou a usinagem CNC. Assim, os dados que definem um produto têm de ser gerados repetidamente. Isso é caro em termos de tempo e erros. Apenas uma pequena fração do enorme potencial inerente aos sistemas CAD está sendo explorada atualmente. 3.3 Representação de modelos 2D/3D Comparado com a complexidade por vezes encontrada no design do produto a ser moldado; o projeto de molde demanda uma proporção muito maior de atividades CAD, no campo do desenho clássico, desde que o molde é em grande parte composto de componentes relativamente simples, formas geométricas (retangular, cilíndrica, prismáticas). O modelo 3 Este texto foi traduzido do livro How to Make Injection Molds; páginas 498 a 517, pois não havia texto similar em Português. 4 CAD Computer Aided Design (Desenho Auxiliado por Computador) 5 FEA Análise de elementos fínitos

35 22 CAD de um desenho é uma representação da geometria no computador. O tipo de representação interna conduz a modelos com conteúdo de informação diferentes. A distinção básica pode ser feita entre: -Sistemas gráficos 2D, -Sistemas gráficos 2 ½ D, -Sistemas gráficos 3D. A utilização de sistemas CAD 2D é restrita a elaboração de desenhos, ao nível da tela do computador. O conteúdo informacional é apenas ligeiramente superior ao de um desenho de prancheta. É tarefa do usuário, desenhar todas as vistas e seções transversais necessárias, uma a uma. As vistas diferentes são independentes umas das outras, resultando vistas que não são automaticamente geradas ou atualizadas. A vantagem do CAD 2D sobre um desenho de prancheta, é que essencialmente, uma grande mudança não implica em ter de fazer outro desenho completo. Elementos individuais da geometria podem ser mudados seletivamente; similarmente, as representações de vistas individuais podem ser revisadas. Sistemas CAD 2½D, guardam adicionalmente, informações sobre as espessuras do componente. O trabalho é feito inicialmente em 2 dimensões, ao nível da tela (X,Y). A terceira dimensão é internamente criada pelo computador, pelo deslocamento ou rotação de vetores. Assim, a coerência pode ser garantida entre várias vistas. Somente sistemas 3D descrevem completamente a geometria do modelo que representa a peça. Os sistemas 3D podem ser divididos (Figura 29), de acordo com as diferentes técnicas descritas abaixo: - Modelos de vetor orientado (esqueleto, linha ou modelos wireframe), - Modelos de superfície orientada, - Modelos de volume orientado. Os modelos wireframe, ao contrário dos modelos 2D, não tem restrição de nível. Além dos elementos 2D, 3D splines numericamente calculáveis estão disponíveis. Desde que somente linhas ou curvas são armazenadas, não há informações sobre áreas ou volumes. Por essa razão, funções de processamento de geometria, tais como corte, ou clareamento da visibilidade, não estão disponíveis.

36 23 Figura 29 - Tipos de Modelos 3D Com modelos de superfície, é possível descrever entidades arbitrárias por meio das áreas de limite. São utilizados procedimentos analíticos, de interpolação, de aproximação, para a descrição da área. Além das superfícies que são analiticamente fáceis de capturar, tais como plano, cilindro, cone, esfera, pirâmide, e toróide; o usuário utiliza com freqüência o seguintes tipos: - Superfície de rotação (rotação de um contorno sobre uma linha), -Translação ou superfície perfil (translação de um perfil ao longo de uma linha guia), - Superfície Regrada (ligação de dois contornos por curvas), As diferenças no desempenho de modelos 3D de superfícies vêm principalmente à tona, quando se trata de descrever superfícies livres (áreas matematicamente indeterminadas; áreas que têm uma curvatura diferente em cada ponto). No passado, era usual aplicar o métodos de Coons e Bezier ou B(ase) splines. Novos sistemas de CAD, utilizam algoritmos mais poderosos para a descrição de superfícies. Neste contexto, menção deve ser feita às NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines), um método de descrição de superfície que permite que curvas e superfícies analíticas e não analíticas sejam descritas, de forma que todas as operações geométricas possam ser realizadas com um algoritmo uniforme.

37 24 As superfícies de peças, portanto, podem ser descritas com essas funções. Informações sobre qual lado da área o volume (material) está localizado, no entanto, não são informadas. Operações de secção só podem produzir linhas de intersecção e não geram hachuras do volume seccionado automaticamente. Além disso, somente com o auxílio destas informações adicionais, seria possível um clareamento da visibilidade. O modelo sólido oferece a mais completa descrição das peças. Operações puramente de volume orientado, como a determinação dos volumes de sólidos, centro de gravidade, ou momento de inércia, bem como a execução de vistas seccionadas arbitrárias, são possíveis. Dependendo sobre o tipo de representação da geometria, os modelos sólidos por sua vez podem ser classificados de várias maneiras. Os mais conhecidos são os modelos CSG, B- REP, o FEA e modelos híbridos (Figura 30). Figura 30- Descrição de Peças pelo Volume dos Modelos O modelo CSG (geometria construtiva sólida) é um modelo sólido orientado que é gerado por operações boleanas. Nesse conjunto de operações, são empregadas a união, subtração e a interseção. Uma vez que só uma árvore com a estrutura construtiva e gerada e armazenada, este tipo de modelo ocupa pouco espaço em memória. O histórico de construção continua a ser compreensível e modificações adicionais de elementos individuais, por exemplo, alteração de um diâmetro do cilindro, pode ser realizada facilmente. Modelos CSG são adequados para a construção do modelo parametrizado e da ligação de formas livres. Se modificações têm que ser feitas a uma peça, no entanto, não há acesso às arestas ou pontos, uma vez que não há nenhuma informação nos dados de superfície no modelo. A forma da superfície é descrito apenas indiretamente. As superfícies visíveis e formas de arestas da entidade são apenas determinadas graficamente, e não utilizadas para cálculos.

38 25 Nos modelos B-REP (representação de fronteira), uma peça é definida por seus limites. A superfície delimitada é definida por cada um das suas sub-áreas que por sua vez, são construídas por pontos, linhas e áreas. Embora o modelo de elementos individuais possa ser acessado diretamente para que as modificações possam ser feitas até a superfície, o modelo B-REP não tem preocupação com o histórico de construção. Modelos de superfície são usados em aplicações que exigem precisão na superfície formado das peças; por exemplo, quando um modelo CAD é utilizado para servir como geometria de referência para a técnica de medição por coordenadas. Modelos FEA são modelos aproximados da peça real por ter elementos finitos. Eles são apenas mencionados aqui por uma questão de integridade, uma vez que estes modelos são utilizados exclusivamente para cálculo do comportamento das partes de objetos complexos. Uma rede FEA normalmente não é construída, mas é derivada dos outros modelos descritos aqui. Para explorar as vantagens dos diferentes modelos, hoje em dia, os sistemas de CAD são desenvolvidos, de forma que combinem várias formas de representação gerando os chamados modelos híbridos. A combinação dos modelos CSG e B-REP permitem que complexas superfícies de subcorpos sejam descritas, ao mesmo tempo em que o histórico de construção é entendido e preservado, desde que processados com um modelador de sólidos. 3.4 Melhoria de desempenho dos modelos CAD, Associatividade, Parametrização e Recursos (Features). As diversas possibilidades de representação geométrica computadorizada, foram descritas nas seções anteriores, vamos aos métodos e propriedades de modernos sistemas CAD, que são essencialmente, a rápida e consistente geração e modificação de geometrias. Essas propriedades são: associatividade, parametrização e recursos (features) Associatividade A associatividade representa a relação entre dois ou mais objetos em que uma alteração feita a um objeto, é executada automaticamente nos outros objetos associados. Este inclui a associação de um sólido 3D com o desenho 2D, dele derivado. Se um atributo, tal como a posição de um furo é alterado no modelo 3D, esta mudança afeta imediatamente as várias vistas do desenho. O modelo 3D e o desenho 2D, sempre mantêm-se atualizados como resultado dessa associação. A associatividade também pode ser feita para montar várias peças individuais dentro de um conjunto. Desde que o modelo do conjunto é construído apropriadamente, uma mudança geométrica feita para uma única peça, vai afetar outras peças

39 26 do conjunto. Assim, mudando o diâmetro de um pino extrator, por exemplo, essa mudança influenciará nos diâmetros dos furos das placas do molde. Se o furo do inserto do molde é alterado de posição, ele também se altera nas placas do porta-molde. Outro exemplo de associação, é que o os componentes do modelo do conjunto, sempre coincidem com a lista de componentes, derivada a partir dele Parametrização É a utilização de modelos paramétricos, que permitem aumentar a eficiência. O termo paramétrico se refere à maneira em que elementos desse sistema CAD podem ser gerados e modificados. Em modelos paramétricos, é possível copiar as restrições no modelo de computador e também qualquer atributo de um elemento geométrico (posição, dimensão, cor, material, propriedades, etc.) a qualquer momento durante o projeto. Esta abordagem permite que o modelo seja facilmente adaptado às condições de contorno alteradas, e suporta a rápida geração de peças série ou família de peças, com vários tamanhos originadas de um único arquivo (Figura 31). As relações paramétricas podem ser geradas, não só dentro de uma peça individual, mas também entre os componentes de um conjunto, o que resulta na associatividade mencionada acima. Figura 31 - Exemplo de sólido paramétrico Recursos (Features) Recursos de processamento (Features), podem ser usados individualmente, para elementos geométricos repetitivos, ou elementos funcionais (Figura 32). Eles são objetos parametrizados, que são gerados conforme a aplicação relacionada durante o processo de criação do modelo. Eles carregam informações geométricas e tecnológicas (por exemplo, limites de tolerância), bem como o conhecimento para o manuseio e processamento dessas variantes. No caso das ferramentas de formulário, que servem inicialmente para gerar um

40 27 determinado componente da geometria da peça; as denominações utilizadas freqüentemente são as mesmas dos elementos de projeto que os representam (por exemplo: furos, ou roscas). Tais características são padrões do sistema, mas muitas vezes podem ser definidos pelo usuário, sem a necessidade e programação externa. Figura 32 - Exemplos de recursos (Features) 3.5 Interfaces e o uso do CAD Integrado Interfaces são sempre usadas para transferir dados de um sistema A para o sistema B. Isto se aplica igualmente à informação geométrica (por exemplo, desenhos, modelos), a informação tecnológica (por exemplo, informação de material, programas CNC), e informações sobre a organização (por exemplo, listas de componentes). A sistemática de armazenamento e transferência dessas informações pode ser auxiliada por um modelo 3D do produto. Esse modelo possibilita interligação de informações das áreas de projeto, planejamento do trabalho, controle e planejamento da produção, produção, montagem e garantia da qualidade. A troca de dados de produtos é um importante, se não o mais importante aspecto de integração do processo de desenvolvimento. Desde que diferentes sistemas CAD empregam diferentes modelos de dados internos (Figura 33), os dados a serem trocados devem ser convertidos para o formato adequado. Este é o objetivo das interfaces. Uma vez que cada tipo de intercambio de dados entre sistemas externos, é fundamentalmente propenso a perda de dados, e o pós-processamento dos registros falhos ou incompletos é extremamente demorado e caro; o problema das interfaces de CAD / CAE / CAM é elencado a um alto status de complexidade.

41 28 Figura 33 - Duas maneiras de representar uma distância Interfaces para intercambio de dados podem ser específicas do sistema ("nativas"), específica para vários sistemas (por exemplo, DXF), padronizada em nível nacional (por exemplo, VDA-FS, na Alemanha), ou a um nível internacional (por exemplo, IGES, STEP). Os dados do sistema A são convertidos para o formato de interface por um pré-processador. O pósprocessador lê estes dados no sistema B. A figura 34 mostra que as soluções nativas requerem muito mais processadores do que quando são usadas interfaces padronizadas. Por esta razão, houveram muitas tentativas no passado para se desenvolver formas de intercâmbio de dados, no formato de interfaces padronizadas. Troca de Informação sem interface padronizada Troca de Informação com interface padronizada Figura 34 - Diminuindo a complexidade com a utilização de interfaces padronizadas IGES IGES (Initial Graphics Exchange Specification) foi originalmente concebido para transferir desenhos, e foi posteriormente ampliada para descrever informações geométricas no espaço (superfícies). Além dos dados geométricos, texto e dimensões também podem ser trocados. A possibilidade de copiar curvas livres e superfícies é limitada, pois apenas polinômios até o 3º grau podem ser classificados. Versões posteriores de IGES permitiam, em princípio, o intercambio de modelos sólidos, textos e símbolos, medições, e vistas de desenho.

42 29 IGES é o padrão mais difundido no mundo. A principal crítica a esse formato é o tamanho de arquivo gerado que normalmente é muito grande, e a extensão da interpretação necessária para a especificação da interface, que leva a uma situação em que dificilmente qualquer processador ofereça total compatibilidade. Problemas freqüentes encontrados com essa interface são reproduzidos mais adiante. A possibilidade de intercambio de sólidos é raramente usado na prática devido à falta de processadores VDA-FS A interface de superfície VDA foi desenvolvida pela Associação Automobilística da Alemã (VDA), para transpor os pontos fracos da interface IGES. VDA-FS é usado principalmente para intercâmbio de dados de área afins, sendo utilizado em larga escala para o intercâmbio de dados por fabricantes de automóveis e seus fornecedores, e é empregada principalmente na Alemanha. Informações de desenhos não podem ser trocadas com VDA- FS VDA-IS VDA-IS é um subconjunto mais preciso do formato IGES (IS representa um subconjunto IGES), definida pela VDA para atender as necessidades da indústria automobilística alemã. A interface suporta o intercambio de elementos geométricos e dimensões, bem como superfícies de forma livre. A implementação de conversores de acompanhamento é assim restrita ao selecionado, funções essenciais, um fato que deverá aumentar a qualidade dos dados trocados VDA-PS A interface de programação desenvolvida pela DIN e VDA; VDA-PS é usada na Alemanha para fornecer peças padronizadas e repetitivas. VDA-PS contém a lógica gerativa para as peças padronizadas SET SET (Standard d'exchange et de Transfert) foi desenvolvido pelos franceses como uma melhoria do IGES. Dados descritivos mais detalhados do produto podem ser copiados, especialmente aqueles exigidos pela indústria aeroespacial. SET é usado principalmente na França.

43 STEP Vários anos atrás, sob os auspícios do ISO (ISO 10303) e com base nas experiências coletivas de outros conceitos de interface, o desenvolvimento foi iniciado como interface universal de intercambio de dados. STEP (Standard for the Exchange of Product model data) reivindica ser o único padrão e mais abrangente do futuro, e superar IGES e outros formatos. Além dos dados geométricos, informações de todo o ciclo de vida do produto são transferidas em STEP. Em particular, também se inclui dados organizacionais. Através da divisão nos chamados modelos parciais, e tratando diferentes áreas de aplicação na forma de protocolos; STEP pode ser usado para descrever todos os tipos de informações sobre o produto. Por exemplo, o Protocolo de Aplicação AP 214 da indústria automobilística, não só faz o intercâmbio de dados geométricos, mas também dados da estrutura do produto, dados cinemáticos, dados de programação CNC, informações de material e propriedades de superfícies. Embora ainda não percebido, é concebível o intercambio de modelos paramétricos e recursos de formulário na extensão SET. O formato STEP tem sido utilizado desde 1996 para o intercambio produtivo de modelos sólidos a nível internacional. Além disso, modelos de superfície, módulos estruturais e dados organizacionais podem ser transferidos DXF Enquanto DXF (Formato de Intercambio de desenho) da empresa AutoDesk, não é uma tentativa da comissão de normas para produzir um padrão, essa extensão se tornou o formato de arquivo mais importante para o setor 2D FORMATOS NATIVOS Apesar de todas as tentativas de intercambio de dados geométricos entre diferentes sistemas, através de interfaces neutras; muitos setores operam com dados "nativos", de modo a minimizar as possíveis fontes de erro. Isso significa que o destinatário dos dados geométricos usa o mesmo sistema CAD (e mesma versão) como o transmissor. Esta situação exige gastos elevados sobre os custos e pessoal, especialmente para as empresas sub contratadas, que trabalham para clientes diferentes, devido ao grande número de sistemas CAD utilizados.

44 INTERFACE DIRETA Uma alternativa é a interface direta; que converte o modelo gerado no sistema CAD A, para o sistema CAD B. Desde que conversores diretos foram desenvolvidos especialmente para uma combinação de sistemas, a quantidade de informação transferida é freqüentemente elevada. A desvantagem é o alto custo apresentado para cada interface individual (ver Figura 34) SAT O modelador de sólidos ACIS da empresa Spatial Technologies é o núcleo de um grande número dos sistemas CAD. ACIS processa diferentes objetos geométricos, tais como modelos aramados (wireframe), formas livres e os modelos sólidos, em uma estrutura de dados uniforme. Os sistemas sob esse núcleo permitem o intercâmbio direto de dados via SAT (Save ACIS Text), interface interna de modelos ACIS. Interfaces hoje em dia são indispensáveis para a comunicação entre os inúmeros sistemas do mercado, e elas são o meio mais comum de transferência de dados. No entanto, tem havido nos últimos anos, uma clara tendência de se desenvolver a integração de sistemas CAE / CAM, que até agora, eram programas autônomos, que recebem os dados CAD através de interfaces, em amplos pacotes CAD. A finalidade é evitar as desvantagens associadas com as interfaces: - Nem sempre é possível a transferência de todas as informações necessárias (restrições na capacidade de desempenho das interfaces, e há perdas na transferência). - Os dados existem em diversas representações redundantes, porque eles são duplicados. Grande quantidade de trabalho é necessária, até de que todos os dados tenham o mesmo conteúdo atualizado. Em geral, o objetivo é usar quanto menos sistemas de software diferentes e, portanto, quanto menos possíveis formatos CAD diferentes. Idealmente, haveria uma base de dados que é acessada por todos os programas na cadeia de processo. O modelo CAD deixou de ser puramente baseado em dados geométricos, mas é uma fonte de informações mais detalhadas. Pacotes integrados têm como objetivo apoiar todo o ciclo de desenvolvimento de produtos e oferecer tudo isso em uma única interface de usuário consistente e de fácil manipulação. 3.6 A administração de dados e fluxo de informações As áreas de administração de dados e integração estão intimamente ligadas uma a outra, e devem ser sempre consideradas em conjunto com o respectivo sistema CAD. Isto é

45 32 particularmente verdadeiro nos modernos sistemas CAD 3D. Tão logo os dados para descrever um molde não estão restritos aos desenhos convencionais, a administração de dados torna-se muito importante. Não é somente a administração dos dados, mas também os processos de trabalho, que até agora têm sido dirigidos pelos desenhos convencionais, que têm de ser repensados e adaptados. Tais deliberações produzem uma série de conseqüências não imediatamente aparentes, que são discutidos abaixo. Os seguintes pontos geralmente têm que ser considerados: - Confiabilidade das informações, - Dependências de dados, - Arquivamento de informações, - Processos de trabalho (aprovação de procedimentos e documentação de modificação). Considerando que os desenhos são utilizados para a definição de um produto, hoje em dia são geralmente derivadas do modelo CAD. A criação de tal desenho 2D simplesmente requer informações a respeito de qual modelo 3D deve ser representado, qual a orientação e quais seções e vistas de determinada camada. A informação geométrica (linhas, hachuras, etc), que formam uma vista do desenho, não precisa mais ser criada e armazenada de forma explícita, mas é calculada e gerada a partir da geometria 3D. Muitas vezes a informação é extraída diretamente do modelo 3D, sem que seja elaborado um desenho, como no caso da programação CNC. O modelo CAD é autoritário nesse caso. Isso não significa, porém, que os desenhos deixaram de desempenhar um papel. Se as máquinas CNC não são utilizados para produção, por exemplo, desenhos de detalhamento 2D são requeridos. Até certo ponto, dependendo da empresa e condição econômica, a prática de trabalho será uma mistura de produção direta com base em dados de CAD 3D e produção convencional utilizando desenhos 2D. Deve ser sempre assegurado que os desenhos e modelos CAD estejam atualizados e reflitam a mesma fase de modificação ou desenvolvimento. Isso não se aplica apenas aos modelos CAD e desenho, mas também a todos os dados (programas CNC, modelos computacionais, etc.) Todos estes dados dependentes devem ser atualizados quando as modificações são feitas. Desde que o modelo CAD contém informações fidedignas sobre a definição do molde, deve haver um processo para aprovação dos modelos CAD. Além da aprovação, há a questão da documentação de modificação para dados aprovados serem considerados. Em conexão com modificações, a distribuição da informação desempenha um papel importante. Como dados interdependentes podem ser usados em certas circunstâncias, para tarefas diferentes, em lugares diferentes; não apenas os dados correspondentes devem ser

46 33 disponíveis, mas também informações relativas ao desenvolvimento e as etapas de aprovação. Quando as modificações ocorrerem, aqueles lugares com os dados dependentes, que são afetados pelas modificações, devem ser informado desse fato. Isto é extremamente importante quando várias fases de desenvolvimento são realizadas em paralelo, visando a diminuição do tempo de desenvolvimento. A solução utilizada atualmente para administração de dados, arquivamento e processos de modificação; é extremamente dependente da real necessidade da empresa, do sistema CAD utilizado e de todo o ambiente computacional disponível. A qualidade da solução é crucial para a eficiência do uso do CAD, e, portanto, em última análise, ao desenvolvimento do produto. A maioria dos fabricantes oferece softwares de sistemas de administração de dados adaptadas ao sistema de CAD, que levam em conta a geração de dependências de dados. Além disso, existem potentes e flexíveis sistemas de gestão de dados de engenharia e de produto (EDM e PDM), disponíveis no mercado que oferecem backup para estas áreas especificas. 3.7 Aplicação de CAD em fabricação de moldes Sistemas CAD, especialmente os modernos modeladores sólidos paramétricos, oferecem numerosas possibilidades para uma abordagem eficiente, acelerando o projeto e construção de moldes Modelamento Quanto ao uso do CAD, há geralmente três maneiras possíveis de construir um molde: - Construção 2D, - Construção híbrida, - Construção em 3D. Na construção 2D, a construção do molde inteiro é realizada com o auxílio de um sistema CAD 2D. O resultado são desenhos. Todas as outras fases necessárias para a realização do molde essencialmente ficam para trás nesse tipo de sistema CAD. Complexas superfícies livres podem, por exemplo, ser introduzidos no molde por fresa copiadora, com o auxílio de modelos físicos. Em construção híbrida, as partes do molde formadoras do perfil da peça são criadas em um sistema CAD 3D. Particularmente, para peças complexas, com um grande número de superfícies livres, nesse tipo de construção, permite-se pelo menos, a utilização de programas CNC para a produção dos insertos do molde ou produzir eletrodos para erosão das cavidades,

47 34 com base nos dados CAD. A construção do restante dos componentes é realizada com ferramentas convencionais (CAD 2D, desenhos de prancheta). Na construção em 3D, o molde inteiro é criado com o auxílio de um sistema CAD 3D. Dessa forma, é possível atingir a totalidade dos recursos e facilidades do CAD no processo construtivo. No caso ideal, quase todos os dados que definem o molde são armazenados no modelo de computador. Apesar de geometrias 3D serem muito mais fáceis para o visualizador compreender, em relação a complicados desenhos técnicos em 2D; a geração de modelos sólidos, freqüentemente envolve o uso de sketch 2D para elaboração. É, portanto, prática comum criar uma seção transversal de um perfil como um esboço, e em seguida, convertê-lo em um objeto 3D através da extrusão ou rotação. Neste caso, o desenho 2D é uma etapa necessária para preparar a modelagem de sólidos. Por outro lado, uma vez que o modelamento 3D é concluído, a elaboração de desenhos 2D normalmente é necessária, por exemplo, para representar seções e detalhes na forma de desenhos de detalhamento, para produção de peças individuais. Isso resulta em uma troca constante entre os níveis de representação e modelagem. As atividades de projeto necessárias para um molde de injeção podem ser divididas em duas áreas: a geometria da peça moldada é usada para extrair a forma da cavidade do molde, e as duas metades do molde (cavidades inferior e superior), são construídas em torno dos insertos do molde. Estas atividades produzem as típicas demandas de geração de geometrias, mostradas na Tabela 2. Uma vez que o projetista do molde nem sempre tem um modelo 3d da peça a ser moldada, ele também necessita gerar o "Positivo", razão pela qual, a construção da peça moldada também está listada na tabela. A Modelagem da peça (produto) tem inúmeros paralelos com o projeto dos eletrodos para produção do molde. Funções úteis para a geração do modelo, no projeto de moldes, são explicadas abaixo (Figura 35) Contração (Shrinkage) A peça moldada é projetada com dimensões nominais, ao passo que a contração (encolhimento) do material deve ser contabilizada, para quando as cavidades do molde forem projetadas. Uma maneira adequada de iniciar o projeto das cavidades, é aplicar o fator de contração no produto a ser moldado. Uma vez que a aplicação de escala deve compensar a contração de material, é geralmente necessária, no caso do uso de matéria-prima com propriedades anisotrópicas, para compensar diferentes contrações em diferentes direções. Além disso, uma definição seletiva da contração, na qual diferentes áreas do modelo podem ser escaladas com diferentes fatores, é benéfica. Muitas vezes pode ser desejável isentar

48 35 elementos geométricos individualmente (por exemplo, cilindros perfeitamente circulares) da contração anisotrópica, sob pena de transformar-las em geometrias mais complexas, cuja produção poderia ser mais difícil Linhas de Partição do Molde (Linhas de Fechamento) O projeto da linha de separação do molde é, sem dúvida, uma das mais exigentes tarefas do projeto do molde. O sistema CAD 3D, em geral, deve possuir boas funções de superfícies. Tabela 2 - Demandas na geração de geometrias Peça Modelada (Produto) Produção de superfícies de forma livre Suavização e delimitação de curvas e superfícies Arredondamento de arestas e cantos Modelamento de áreas funcionais (nervuras, encaixes) Modificações na espessura de parede. Copiar, espelhar, modificação de geometrias produzidas anteriormente Insertos do molde (cavidade e macho) Importação do modelo do produto Geração e modificação de inclinações Obtenção das cavidades através do modelo da peça Aplicação do fator de contração do material plástico no modelo do produto Copiar, espelhar, modificação de geometrias produzidas anteriormente Elaboração dos eletrodos a partir dos insertos cavidade Definição de tolerâncias e qualidade das superfícies para a produção dos componentes do molde Porta-Molde Geração das peças prismáticas e cilíndricas Aplicação de raios e chanfros Copiar, espelhar, modificação de geometrias produzidas anteriormente Uso de elementos padrão Uso de bibliotecas (peças padrão e peças repetidas) Figura 35- Suporte para geração do modelo 3D

49 36 Já é possível hoje em dia, no caso de moldes simples, que o sistema CAD calcule automaticamente toda a linha de separação para um pré-determinado movimento de abertura. Esta função vai contra as suas limitações, no caso de complexas peças moldadas. O projetista pode, no entanto, usar as funções de ajuda, como as curvas de silhueta ou projeção do perfil. Esta é uma curva projetada para a peça moldada que representa a aresta visível de um plano paralelo à linha de separação. Esta curva de separação potencial pode então ser usada para projetar a superfície de separação. Uma maneira elegante de gerar a superfície de separação consiste em cortar o bloco do "molde" que envolve a peça moldada, e gerar as cavidades. As modificações no produto são automaticamente levadas em conta, sempre mantendo os contornos atualizados. (Figura 36). Figura 36 - Principio da Linha de Fechamento (Parting Line) Drafts (Ângulos de Saída) Diversos sistemas CAD oferecem suporte à inserção de ângulos de saída (drafts) no produto ou cavidade. Além de conicidade simples, funções tais como ângulos de saída não constantes ou que tangenciem superfícies existentes, são de grande utilidade para o projetista, em especial no caso de peças complexas e para linhas de separação do molde Canais de Injeção (System Gates) O projeto de canais de injeção pode ser simplificado com a ajuda das definições de usuário; conhecidas como UDFs (user designed features). Quando as UDFs são armazenadas adequadamente e de forma paramétrica em uma biblioteca, é possível compor um sistema completo de canais de injeção, com rapidez e flexibilidade, a partir de componentes individuais (canais, entradas, galhos, etc.)

50 Módulos Sistemas CAD 3D que possuem pacotes de extensão de funções, mais conhecidos como módulos, oferecem uma vantagem distinta. Os componentes individuais de um molde são montados no seu respectivo porta molde, com a ajuda de condições de incorporação. Todo o conjunto pode ser modificado, através da característica de associatividade das peças. Por exemplo, para fazer furos para pinos extratores no porta molde, o mesmo pode ser "Perfurado" através das diversas placas que o constituem. Por meio das relações definíveis, o diâmetro e a posição dos pinos extratores podem ser definidos em relação à furação das placas. Isso garante que os furos estão sempre alinhados em todas as placas do molde, e que o diâmetro e posição são adaptados conforme os pinos utilizados. O deslocamento dos pinos extratores conduz automaticamente ao deslocamento dos furos de passagem dos pinos. Se o sistema CAD também é capaz de design variável e manuseio, trocando-se os pinos extratores; automaticamente os diâmetros dos furos das placas são adaptados à nova condição Unidades Padrão Para muitos moldes, é possível adotar um projeto como padrão, e armazená-lo em bibliotecas de peças padronizadas. Nesse caso, seria um molde totalmente montado; onde seria necessário inserir os canais de injeção, insertos e pinos extratores. Mas mesmo moldes que não são predefinidas como padrão podem ser construídos de forma simples e usados novamente como base para projetos semelhantes Controle de Projeto (Design Control) Diversas funções de controle de projeto tornam possível verificar se o projeto foi realizado de uma forma lógica em termos de geometria e em características relacionadas aos plásticos.é possível testar os raios e os ângulos de saída, bem como verificar a existência de negativos no produto e respectivos insertos. Além da capacidade básica de gerar e modificar objetos geométricos, os sistemas CAD devem também suportar a manipulação pelo usuário, de forma segura e com resultados satisfatórios. Para complexos modelos tridimensionais, há ferramentas disponíveis que suportam movimento e posicionamento espacial, e identificação de pontos importantes como pontos de referência. A função de rastreio de objetos, com sensibilidade ajustável é especialmente útil nas tarefas de posicionamento. Devido às diferentes demandas impostas ao suporte de projeto, em diversas áreas de desenvolvimento, modelos 3D de produto, na prática, são freqüentemente gerados em

51 38 sistemas CAD diferentes aqueles utilizados para o projeto do molde. Isto pode gerar problema de transferência de dados, com possíveis perdas de dados, que torna necessária a reparação dos modelos 3D convertidos pela interface. Reparação de modelos CAD, também conhecido como acabamento CAD, exige a disponibilidade de funções de diagnóstico capazes de detectar superfícies danificadas ou incompletas, bem como, ferramentas de manipulação, como arrastar superfícies individuais e inserção superfície para preencher lacunas. Transferência de dados através de interfaces padrão faz com que as informações paramétricas sejam perdidas. Caso o modelo 3D necessite ser escalável, ou mesmo ser usado para fazer um projeto variante eficiente, é necessário parametrizar os dados importados posteriormente. Precisamente, no caso de modelos complexos, isto pode mostrar-se tão difícil quanto fazer novo modelo. Além disso, em muitos casos pode ser melhor fazer um novo modelo, de modo a enfatizar as relações geométricas ou outras restrições Funções Integradas para Mold-Making Quando os modelos 3D da peça a ser moldada e o molde correspondente estão disponíveis, existem inúmeras maneiras de usar as informações desses modelos em toda a cadeia de processo CAD / CAM, como mostra a Figura 37. Não são apenas as áreas clássicas, como a derivação de dados CNC ou pré-processamento para cálculos de simulação suportados, mas diferentes formas de representação podem ser escolhidas levando a um aumento significativo na eficiência nos campos de trabalhos preparatórios, controle de qualidade, documentação técnica, diretamente ao marketing. Figura 37 - Uso do CAD na cadeia produtiva de moldes Direta geração de programas para a produção de ferramental rápido ou protótipo em estereolitografia está rapidamente se tornando difundido.

52 Colisão de vista (Collision view) Colisão de vista é uma forma de verificação da montagem do molde. Ela fornece um meio simples de detecção de sobreposição entre os componentes do molde. O modelo virtual pode ser utilizado para verificar a abertura do molde e do movimento das gavetas e extratores (Ver Figura 38). Em moldes complexos, ele oferece uma maneira simples de verificar o processo de extração do produto. Também é possível planejar a remoção da peça utilizando-se atuador robótico e sincronizar os movimentos de abertura do molde. Além disso, o acesso de ferramentas para montagem, instalação e manutenção pode ser verificado. Figura 38 - Verificação de movimentos em um molde Geração do Desenho 2D Qualquer número de vistas, seções e detalhes podem ser feitos a partir do modelo sólido. O desenho de detalhamento continua a ser indispensável para a produção dos componentes do molde e nas etapas de montagem. Devido à associatividade, desenhos atualizados podem ser obtidos a qualquer momento, a partir do modelo 3D do molde. Se o sistema CAD oferece associatividade bilateral, uma mudança em uma dimensão do desenho 2D é imediatamente reproduzida no modelo 3D a ele associado. No entanto, a derivação inteiramente automática de desenhos ainda é apenas possível no caso de objetos simples Programação CNC Se um modelo 3D do inserto do molde está disponível, programas adequados para a usinagem CNC de cavidades ou para a produção de eletrodos para erosão podem ser criados. Assim, é possível dentro do sistema CAD processar as tarefas que são classificadas como preparação para o trabalho, sem a necessidade de transferência de dados. Sistemas integrados CAD / CAM têm módulos que permitem a geração de formatos padrão de códigos CNC sem

53 40 a necessidade de interface. Alguns sistemas também permitem que o processo de produção seja simulado na tela. Antes que os códigos CNC sejam compilados, dados da máquina, tais como dimensões, deslocamento máximo e os limites das condições de processamento (transversal, velocidade) devem ser informados Verificação da Qualidade Metrologia Se o modelo 3D é complementado com informações sobre tolerâncias (graus de ajuste, tolerâncias de forma e posição), estas informações são adequadas para a realização da verificação de qualidade. Assim como ocorre com a programação CNC, programas adequados de medição para máquinas de medição por coordenadas podem ser compilados no computador permitindo que a geometria de peças acabadas seja avaliada quanto à sua precisão dimensional em relação ao modelo 3D. Além disso, programas adicionais podem ser usados para executar uma análise de tolerâncias, garantindo uma produção tecnicamente perfeita e econômica Preparação do Conjunto / Documentação Técnica Ao posicionar os componentes no espaço tridimensional, qualquer número de representações, e vistas de um molde podem ser gerados, tendo a possibilidade de gerar vistas explodidas. Em conjunto com a lista das peças, que pode ser derivada associativamente a partir do conjunto do molde, é assim é possível com pouco esforço, documentar o processo de montagem para cada caso. Muitas vezes, as tabelas ou imagens necessárias são incorporadas em aplicativos do Office (Word, Excel). Em particular, a persistente tendência de utilizar sistemas de CAD em MS Windows / Windows NT em computadores pessoais, fala em favor da crescente importância do acoplamento de aplicações CAD e aplicativos Office. Outras possibilidades de aplicação consistem, por exemplo, na elaboração de manuais de instruções de manutenção e serviço Apresentação / Marketing A incorporação de apresentações de modelos CAD em documentos de texto beneficia o departamento de marketing e outras áreas. Para fins de apresentação, o modelo de CAD pode ser manipulado com softwares de renderização, para produzir uma imagem semelhante a uma fotografia. Isso gera no inicio uma impressão realista do produto (ver Figura 39). Da mesma forma, seqüências animadas de imagens (por exemplo, para mostrar os movimentos) podem ser criadas para fins publicitários.

54 Simulação de Elementos Finitos (FE) Diversos sistemas CAD oferecem ao projetista a possibilidade de elaborar modelos geométricos para posterior utilização em programas externos de simulação termo-reológica para o projeto do molde. Isso ocorre através da geração de uma rede de elementos finitos baseado em um modelo CAD. Desde que os programas mais comuns de FE, para ambiciosos processos de simulação (por exemplo, CADMOULD, C-MOLD, MOLDFLOW) exclusivamente computam dados em 2D até o momento, não existe a obtenção um modelo de camada central da peça moldada ou cavidade. A geração automática de modelos de camada central continua a ser um problema a ser resolvido adequadamente. Algoritmos para derivação automática da camada central falham no caso de complexas geometrias envolvendo freqüentes mudanças bruscas de espessura da parede e superfícies de forma livre. Os especialistas ainda têm de converter o modelo manualmente e executar simplificações para a simulação. Existem hoje sistemas de CAD no mercado que integraram programas de simulação. Alguns desses programas utilizam dados STL da completa geometria 3D, através da especificação da geometria. Isto proporciona um meio de encontrar as posições finais de linhas de solda e ar preso no molde. Estes módulos são concebidos para avaliações mais simples e diretas, dirigidas aos projetistas para ajudá-los a fazer uma estimativa preliminar, pois são os mais interessados na previsão mais realista possível do comportamento do processo Prototipagem Agora que a prototipagem rápida se estabeleceu no desenvolvimento de produtos nos últimos anos, a ferramenta protótipo (rapid tooling) está começando a crescer em importância. Somente com o advento deste processo, tem sido possível produzir protótipos em lote, coletando informações sobre as influências no processo e utilizando o material que será posteriormente adotado. A maioria dos sistemas CAD 3D, tem a capacidade de converter um modelo CAD em um modelo STL. O formato STL tornou-se o formato padrão no domínio da prototipagem rápida Extensão Função Aplicações Específicas Os sistemas CAD existentes no mercado são geralmente universais, e podem ser usados em inúmeros ramos de atividades. Para garantir que o CAD é utilizado de forma eficiente para uma determinada aplicação (Ex: o desenvolvimento de peças plásticas de um determinado produto); capacidades funcionais podem ser adicionadas aos sistemas CAD. Isto

55 42 é conseguido através da integração ou expansão com produtos específicos (módulos). Um prérequisito para a compilação e integração dos módulos ao programa, é a presença de dados adequados e interfaces de programação (por exemplo, FORTRAN ou C) no sistema CAD. A adaptação da capacidade de desempenho do sistema CAD para a fábrica, inclui a disponibilidade de macros (macros para desenho e projeto), conjuntos de caracteres, componentes padrão, a programação dos procedimentos padrão e das peças com configuração (variant parts). Hoje em dia, as peças de plástico não são freqüentemente oferecidas apenas uma vez no mercado, mas como uma variedade de peças que diferem apenas no tamanho e não na função. Peças de sucesso não são feitas apenas uma vez, tornan-se padrão para gerações de peças que aparecem em intervalos com ligeiras modificações. Para essas peças e os moldes pertinentes, os transformadores de plásticos têm uma quantidade considerável de know-how específico adquirido por cálculos, experimentos, experiências e práticas de produção em série. Esse conhecimento tem que ser informatizado e disponibilizado para o projetista, por exemplo, sob a forma de menus de recursos para a sua estação de trabalho CAD. Figura 39 - Aplicação do Modelo 3D na apresentação de um produto

56 Possibilidades proporcionadas às engenharias concorrentes através do uso de CAD Até certo ponto, dependendo do sistema CAD utilizado e a representação do modelo utilizado, há diferenças consideráveis entre as abordagens adotadas na concepção do molde. O exemplo a seguir mostra a abordagem adotada pela Parametric Technology Corporation usando o sistema CAD Pro-Engineer. Ele usa tecnologia de recursos (features), e tem uma extensa capacidade de integração na cadeia de concepção e produção de moldes de injeção. A abordagem sistemática empregada já foi implementada por várias empresas de transformação de plásticos. O "projeto de molde ideal" pressupõe uma concepção da peça adequada para material plástico. Isso inclui, acima de tudo, tendo em conta as necessidades de produção, que pode ser alcançado por uma intensa cooperação entre os departamentos de projeto da peça e projeto do molde. A cooperação eficaz entre os dois departamentos pode ser ajudada e realizada em paralelo por funções adequadas do Sistema CAD (Figura 40). A base para as fases de desenvolvimento paralelo é o modelo funcional. Este modelo CAD é inicialmente o resultado da conclusão da função, no qual as funções essenciais da peça moldada são definidas e armazenadas no modelo CAD. Inicialmente, os detalhes, tais como ângulos de desmoldagem e raios gerais são ignorados. Este modelo funcional já é suficiente para fornecer uma primeira avaliação, e para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e reológicas. Além disso, ele contém informações suficientes para permitir os primeiros passos na concepção do molde. Este modelo é continuamente melhorado e mais detalhes são adicionados por métodos interativos. A principal vantagem de utilizar um modelo de CAD funcional é que os estágios de desenvolvimento podem ser realizados em paralelo (Engenharia simultanea) 6 em um ponto já muito adiantado no tempo (Figura 41). Isto torna possível aperfeiçoar a peça moldada no início do processo em termos mecânicos, termo-reológicos e nas necessidades de produção. Isso é possível porque inicialmente o modelo tem uma composição geométrica simples, o que atende satisfatoriamente às atividades mais simples e fáceis de realizar, do que seria com um modelo 3D mais complexo e cheio de detalhes. Se a analise por elementos finitos (FEA) é usado para as análises mecânicas, térmicas ou reológicas; a ausência de tais detalhes, como os ângulos de desmoldagem e os raios em geral, torna a preparação necessária do modelo para o 6 Segundo Gerhard Pahl et al (2005), engenharia simultanêa é o trabalho objetivo, interdiciplinar, em paralelo e cooperativo, para o completo desenvolvimento do produto, produção e da distribuição, por todo o ciclo de vida do produto com rigoroso gerenciamento.

57 44 cálculo muito simples. O tempo de processamento da analise pode ser reduzida. Os resultados são geralmente bons e fornecem informações suficientes. Além disso, modelos sólidos para FEA, permitem redes mais simples, com menos elementos, o que reduz drasticamente o tempo de computação. Figura 40 - Etapas de desenvolvimento de molde em paralelo Figura 41 - funções de modelo 3D para integrar o projeto do produto e do molde Paralelamente, o modelo funcional pode ser enviado para a ferramentaria que ira fazer o molde (mold-maker). O modelo CAD pode ser usado para fazer as primeiras análises dos aspectos da produção. Nesta fase, a linha de fechamento do molde é definida. Com o auxílio de funções CAD, informações importantes para o projeto preliminar podem ser determinadas

58 45 com muita facilidade. Isso inclui a detecção de negativos, volume da peça moldada, área projetada, dimensões de moldagem, espessura da parede, e uma estimativa dos comprimentos dos canais de fluxo. Estas informações fornecem uma definição aproximada do molde. Mas, nesta fase, ainda há a possibilidade de fazer alterações de projeto na peça moldada, por razões de produção. Detalhes da peça moldada, portanto, podem ser definidos em paralelo ao projeto do molde, que já foi iniciado. A chave para a capacidade de paralelizar é a associatividade de todos os dados dentro do sistema CAD. Atualizando o modelo automaticamente faz com que todos os dados sejam atualizados. O molde é montado como um módulo composto de várias partes individuais. A determinanão do formato das cavidade do molde é derivada diretamente do modelo 3D do componente a ser moldado. Todos os outros componentes são gerados, tanto quanto possível a partir de bibliotecas de componentes padronizados. O molde completo é gerado a partir da definição de áreas funcionais, ou seja, da peça moldada com fator de escala aplicado, as linhas de fechamento (incluindo gavetas e insertos), placas do molde, sistema de canais, sistema de extração, sistema de controle de temperatura, e diversos elementos detalhados, tais como pinos de guia, parafusos e molas (Figura 42). Figura 42 - Vista geral das etapas de modelamento

59 46 4 SEQUENCIAMENTO LÓGICO DO PROJETO DE MOLDES DE INJEÇÃO 4.1 Partindo da ideia, à realização do produto O processo de desenvolvimento de produtos nas empresas, principalmente as que possuem sistemas da qualidade ISO implantados; tem etapas bem definidas, onde a idéia de um novo produto é avaliada, são geradas especificações e requisitos para o produto (leveza, cor, matérias adequados, geometria, arredondamentos, função ou funções principais do componente, etc.), normalmente todas essas informações geradas pela idéia são passadas do departamento de marketing para a engenharia de produtos, onde é realizado o projeto preliminar do produto, e após várias reuniões, fabricação de protótipos para avaliação (quando necessário), detalhamento 2D do produto e dos seus componentes, é terminada a fase de projeto de produto, e se parte para a realização do produto, onde é dada a saída de projeto da engenharia de produtos para o departamento da empresa responsável pelo projeto do ferramental, para tirar a idéia do campo virtual e transformá-la em um novo item do portfólio da empresa. Suponhamos que o produto projetado seja um produto plástico, nessa fase é que entra o projetista de moldes de injeção, que normalmente já tem conhecimento do que se trata o novo desenvolvimento, pois se a empresa trabalho no sistema de engenharia simultânea, esse projetista de moldes já havia participado das reuniões anteriores à saída de projeto e verificado a viabilidade de fabricação e adequação do produto ao processo de injeção. Dado o recebimento do projeto do produto, inicia-se o desenvolvimento do molde de injeção, fabricação dos componentes do molde, montagem, try-out do molde, adequações quando necessário, produção de lote piloto de peças para emissão de relatórios dimensionais e funcionais do produto, aprovação do produto e liberação do mesmo para a produção. Acima foi apresentada uma visão macro do desenvolvimento de um produto, e na sequencia serão apresentadas todas as fases do projeto de moldes, conforme alguns autores recomendam, e a seguir, será simulado, a título de estudo de caso, o sequenciamento de um projeto de molde, desde o início; comentando-se as etapas até a obtenção do produto final.

60 Sequenciamento de Projeto de Moldes No trabalho de Saccheli (2007), foi tabelada a sequencia de desenvolvimento de projeto de moldes, segundo vários autores; mostrando pequenas divergências na ordem das etapas e na quantidade de etapas. Tabela 3 - Atividades propostas para as fases do projeto do molde de injeção segundos diferentes autores (Fonte: Saccheli, Carlos Mauricio - Sistematização do processo de desenvolvimento integrado de moldes de injeção de termoplásticos Tese de doutorado - Universidade federal de Santa Catarina dez/2007 Página 29) Analisando as informações da tabela e trazendo para a pratica do dia a dia, é interessante fazer uma mescla desses sequenciamentos acima apresentados, para se obter uma sequencia ideal; pois como exemplo, o projeto do sistema de refrigeração, na prática é feito depois de definido o sistema de extração, caso contrário, se projeta a refrigeração; e ao iniciar o posicionamento dos extratores, percebe-se que eles interferem nos furos da refrigeração. Como a posição dos extratores é determinada pelo cliente ou pela própria geometria do produto, é no sistema de refrigeração onde temos mais flexibilidade para alterações. Adaptando as fases acima demostradas à realidade de projeto com paralelização de atividades e utilização de software CAD 3D paramétrico, teriamos:

61 48 1. Análise do Modelo 3D da Engenharia de Produtos para verificação de moldabilidade e estudo de fechamento, verificação da geometria e Moldflow (atividade anterior à saída do projeto de produto); 2. Recebimento do Projeto de Produto (saída de projeto da engenharia de produtos para o setor de projeto de moldes); 3. Definição da máquina injetora, demanda do produto, número e layout de cavidades 4. Definir a linha de partição (Fechamento definitivo) 5. Sistema de alimentação e balanceamento das cavidades 6. Realizar análise reológica (Moldflow ou similar) 7. Definir porta molde (Selecionar da biblioteca padrão) 8. Projetar sistema de extração 9. Projetar sistema de refrigeração 10. Analisar saída de gases 11. Projetar demais componentes 12. Detalhamento dos componentes Na sequência, temos um exemplo gráfico, adaptado de Menges (2001), onde esse sequenciamento acima proposto sera apresentado, num molde de injeção de 2 placas, tornando a compreensão bem intuitiva. Vale ressaltar que o fluxo mostrado no próximo tópico é baseado no exposto por Menges (2001), e não condiz com o sequenciamento descrito na pagina 44, mais pela sua clareza e simplicidade, vale a menção como exemplo de um projeto de molde do inicio ao fim.

62 Sequênciamento de projeto Fluxo de Trabalho Menges (2001) Início Produto: Tampa Dimensões Produto: - Dimensões - Material - Descrições A máquina injetora já foi definida? Sim Não Características da máquina injetora: - Pressão de Injeção - Força de fechamento - Capacidade de injeção - Tamanho das placas - Etc... Características da máquina Lado Móvel Lado Linha de Fechamento Posição do produto Fixo em relação à linha de fechamento. Formato do Cavidade Macho Inserto Cavidade Formato do Inserto Macho Possui negativos? Não Sim Número de Cavidade n=f (taxa de plastificação, força de fechamento, capacidade de injeção, demanda mensal, quantidade do pedido, etc). Selecionado: Número de Cavidades Layout Cavidades das Dimensões do molde relativas aos insertos da cavidade Dimensões do molde relativas aos machos Há necessidade de Gavetas? Não Sim

63 50 Projeto do sistema de canais de injeção Comprimento e seção dos canais Bucha de injeção e canais com entrada de material tipo torpedo Seção dos canais de injeção Selecionado Tipo e seção da entrada Bucha de Injeção Projeto do sistema de Refrigeração Layout dos canais de refrigeração Dimensões dos canais de refrigeração Dimensões da placa cavidade superior Parte fixa Dimensões da placa base superior, fixações entre placas Anel de centragem Montagem dos componentes Montagem das cavidades e machos

64 51 Projeto do sistema de Extração Seleção e layout dos extratores Placa extratora Sim Não Componentes da extração: forma, posicionamento Colunas: tipos, posicionamento, quantidade Buchas das colunas Dimensionamento da placa cavidade inferior Dimensionamento da placa base inferior, fixações Placa extratora Sim Não Placa de alojamento dos extratores Sim Não Calços do porta molde Montagem dos extratores

65 52 Extratores, placas extratoras, formato e dimensões Componentes da extração: dimensões Placa cavidade inf.: Dimensões, furações de fixação, parafusos Montagem da placa base inferior Componentes de atuação do extrator Retorno extração (molas) da Saídas de gás Componentes auxiliares da montagem Montagem do molde Fim

66 Estudo de Caso - Simulação de Projeto de Molde Será admitido o recebimento de um produto para o desenvolvimento de um molde de injeção, e serão seguidas as etapas descritas no tópico 4.2, com respectivos comentários Etapa 1 Análise preliminar do produto Análise do Modelo 3D da Engenharia de Produtos para verificação de moldabilidade, estudo de fechamento, verificação da geometria e Moldflow (atividade anterior à saída do projeto de produto). Nessa etapa, trabalhando em engenharia simultanea, o projetista do produto interage com o projetista de moldes, enviando o modelo 3D do produto para verificar moldabilidade, existência de negativos, estudo da linha de partição (fechamento), análise de preenchimento no Moldflow e demais detalhes. O produto da ilustração abaixo trata-se de um item utilizado pela industria de roupas femininas, e o principal requisito é isenção de rebarbas, pois vai em contato com a pele das usuárias. O material definido é o PEAD (polietileno de alta densidade). Figura 43 Vistas do produto Fonte: Acerto do autor Figura 44 - Análise Reológica - Moldflow - Fonte: Acervo do autor

67 Etapa 2 Recebimento do projeto de produto Nessa etapa, o projeto do produto é enviado oficialmente ao setor de projeto de moldes ou a um fornecedor externo, juntamente com todas as informações necessárias ao desenvolvimento do molde (modelo 3D, especificações de material, requisitos de qualidade, demanda mensal, cores definidas, etc Etapa 3 Definição da máquina injetora, numero e layout das cavidades Nesta fase é avaliado qual ou quais máquinas do parque de máquinas da empresa serão capazes de serem utilizadas para injeção do produto, em função da pressão de injeção, força de fechamento, capacidade de injeção, tamanho das placas, etc. Também é definido o número de cavidades e a disposição das mesmas no molde, de forma simétrica, visando o balanceamento. No caso estudado, devido a baixa demanda e a busca da simplicidade no construtivo do molde, foi adotado 4 cavidades para este exemplo Etapa 4 Definição da linha de partição No início do desenvolvimento, na etapa 1, foi efetuado um estudo preliminar do fechamento, agora é definido o fechamento, que no caso de nosso molde exemplo é um fechamento simples, pois o produto não tem negativos, e a linha de fechamento é plana ou de face, conforme a figura 45. Nesta etapa, também aplica-se o fator de contração ao produto, em função da matéria prima, nesse caso, para o PEAD, o fator de contração é 1.005, que corresponde a 0,5%. Figura 45 - Linha de Fechamento ou Partição - Fonte: Acervo do autor

68 Etapa 5 Sistema de alimentação e balanceamento das cavidades É definida a bucha de injeção, a seção e o comprimento dos canais de alimentação, o tipo de entrada para o produto e a disposição das cavidades no molde. Em nosso caso, pela simplicidade do produto, foi definido canal frio, seção trapezoidal, entrada com canal frio restrito e disposição circular das cavidades. Também são projetados os blocos cavidade, inferior e superior; que são feitos de aço especial, e fixados nas placas cavidade do porta molde. Figura 46 - Sistema de Alimentação Figura 47 - Blocos Cavidade Superior e Inferior - Fonte: Acervo do autor Etapa 6 Análise reológica (Moldflow ou similar) Está etapa é importante para verificar a eficiência do sistema de alimentação e se ter uma prévia dos possíveis problemas, antes dos mesmos acontecerem; podendo assim tomar as ações necessárias, alem de previsão do tempo de injeção, força de fechamento, linhas de solda, ar preso nas cavidades e demais dados importantes para assegurar a qualidade e funcionalidade do projeto; e o principal, eliminar os possíveis problemas, antes que eles aconteção, ganhando tempo e poupando recursos.

69 56 Figura 48 - Tempo de Preenchimento fornecido pelo Moldflow - Fonte: Acervo do autor Etapa 7 Definição do porta molde Em função da área útil de extração necessária aos produtos e verificação de adequação com a máquina injetora; é definido o porta molde, no caso de nosso produto exemplo, é um porta molde 100mm x 150mm; que foi inserido no projeto a partir de uma biblioteca de moldes existente, ganhando em qualidade e tempo. Os elementos do porta molde que necessitam de usinagem, são enviados aos setores correspondentes, conforme metodologia de paralelismo de atividades. Figura 49 - Porta Molde 100 x Fonte: Acervo do autor

70 Etapa 8 - Projeto do sistema de extração O posicionamento dos extratores é feito em função do layout dos produtos, e também seguindo as especificações da engenharia de produtos, pois em alguns casos, não se pode ter marcas de extrator em certas regiões da peça, ou por questão estética, ou por funcionalidade. No caso especifico do produto em estudo, as possíveis rebarbas do extrator ficam alojadas num rebaixo; evitando gerar desconforto à usuária, pois fica em contato com a pele. Os extratores utilizados são cilíndricos, que são de baixo custo e de fácil usinagem dos alojamentos. Figura 50 - Corte do sistema de extração - Fonte: Acervo do autor Etapa 9 Projeto do sistema de refrigeração A refrigeração é de suma importância na qualidade final do produto e determinante no tempo de ciclo. Um bom circuito de refrigeração, via de regra deve cobrir toda a região do moldado, os canais de refrigeração devem estar a uma distância apropriada (de 8mm a 15mm do produto), e devem ser projetados de forma a facilitar o construtivo. No caso do estudo, os canais de refrigeração são do tipo em linha, usinados diretamente nos blocos cavidade, e a interligação dos mesmos com as placas cavidade é feita através de anel o ring; já as entradas e saídas de água são feitas com engates rápidos, proporcionando rapidez no setup do molde. O Moldflow também fornece informações sobre a qualidade e funcionalidade do sistema de refrigeração projetado, justificando sua utilização na previsão do comportamento do sistema de refrigeração e dando a possibilidade de correção do projeto em fase anterior a

71 58 usinagem dos componentes, poupando tempo e recursos da ferramentaria e evitando futuros retrabalhos. Figura 51 - Representação do Circuito de Água - Fonte: Acervo do autor Figura 52 - Eficiência do sistema de resfriamento - Moldflow Etapa 10 Analise das saídas de gases É rara em um projeto de moldes, a preocupação com as saídas de gases, antes do primeiro try-out do molde, parecendo ser uma cultura já estabelecida; onde se espera surgir o problema, para depois resolvê-lo. Com a análise prévia dos possíveis pontos de aprisionamento de gases, seja de maneira empírica, ou com a utilização de software (Moldflow); se tem a localização dos pontos problemáticos e aplicam-se as devidas providências, sejam ranhuras para saída de gases, ou folgas entre extratores; o importante é fazer essa análise e projetar as saídas de gases na atividade de projeto, e não como retrabalho que é mais dispendioso e gera perda de tempo na liberação do ferramental.

72 59 No projeto de estudo, foi feita a análise no Moldflow; sendo identificados os possíveis pontos problemáticos, e foram feitas ranhuras na cavidade inferior, além do auxílio da folga dos extratores para retirada dos gases aprisionados (ver figura 27). Figura 53 - Análise de gás aprisionado - (Air traps) - Moldflow Etapa 11 Projeto dos demais componentes Molas de retorno do conjunto extrator, placas de identificação do molde, posicionamento do olhal de içamento, pinos de travamento de extratores, placas de choque, postiços, guias de gaveta, etc. No exemplo de simulação, podemos citar nessa categoria, o suporte pilar, placa de identificação do molde, olhal de içamento. Lembrando que esses componentes podem ser inseridos no projeto através de biblioteca ou utilização de projetos anteriores com similaridade, poupando tempo de modelamento Etapa 12 - Detalhamento dos componentes O detalhamento do conjunto e dos desenhos destinados a fabricação é indispensável para produção dos componentes do molde e para utilização nas etapas de montagem. As ferramentas oferecidas pelo CAD 3D paramétrico facilitam bastante essa etapa, podendo citar a geração automática de vistas, cortes e detalhes; o que diminui o tempo de execução, e aumenta a qualidade gráfica e clareza dos desenhos. A associatividade também é um ponto positivo e crucial nessa nova maneira de projetar, pois ao se alterar qualquer elemento no conjunto, isso é refletido automáticamente no desenho 2D; proporcionando confiabilidade e diminuição na possibilidade de erros. O armazenamento e gerenciamento desses arquivos, pode ser feito através de ferramentas do sistema operacional (organização por pastas), ou por programa de

73 60 gerenciamento eletronico de desenhos (G.E.D), onde a manutenção dos arquivos, trato das versões de cada desenho, backup e demais rotinas é gerenciada por esse tipo de programa. Figura 54 - Exemplo de desenho de detalhe do conjunto - Acervo do Autor

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