SIMULAÇÕES DE PREENCHIMENTO PRECISO DE MOLDES

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1 SIMULAÇÕES DE PREENCHIMENTO PRECISO DE MOLDES SOLUCIONAM DESAFIOS DE PRODUÇÃO E PROJETOS COM A MOLDAGEM POR INJEÇÃO Documento técnico RESUMO Os fabricantes de produtos com peças moldadas por injeção podem solucionar desafios de projeto e usinagem com simulações de preenchimento preciso de moldes, com o uso do SOLIDWORKS Plastics. Em vez de contar com as iterações demoradas e custosas de usinagem e prototipagem para melhorar a capacidade de fabricação, os profissionais que trabalham com a moldagem por injeção podem usar essa solução para reduzir o tempo e o custo do processo e, ao mesmo tempo, melhorar a qualidade. Para demonstrar a precisão das simulações do SOLIDWORKS Plastics e mostrar que seu uso é viável para acelerar o projeto e a produção de peças com moldagem por injeção, a SOLIDWORKS iniciou um projeto com a Universidade de Massachusetts Lowell, um dos principais centros de pesquisa de engenharia de plásticos do mundo, para comparar as previsões de simulação de preenchimento de moldes aos resultados dos testes físicos reais. Este documento estuda as descobertas desse projeto, que confirma como a precisão das simulações de preenchimento de moldes do SOLIDWORKS Plastics pode simplificar o desenvolvimento de tarefas de usinagem e peças com moldagem por injeção.

2 MOLDAGEM POR INJEÇÃO OPORTUNA E ECONÔMICA, COM SIMULAÇÕES DE PREENCHIMENTO PRECISO DE MOLDES Peças mais leves, menos refugo, materiais mais acessíveis e projeto com mais flexibilidade. Esses são alguns dos fatores que levam cada vez mais fabricantes a utilizar materiais plásticos no desenvolvimento de produtos novos e explicam o aumento do uso de processos de produção com moldagem por injeção todos os anos, durante os últimos 50 anos. A fabricação com moldagem por injeção de materiais plásticos deixou de ser aplicada somente à produção de produtos simples, como botões e pentes, e tornou-se um processo sofisticado e estratégico utilizado na fabricação de uma série de componentes e produtos cada vez mais complexos, desde o setor automotivo, médico e aeroespacial até a fabricação de produtos de consumo, brinquedos e acondicionamento. Como cada vez mais os grandes fabricantes estão utilizando materiais plásticos para encontrar alternativas às peças usinadas tradicionalmente em metal, a eficiência e a qualidade dos processos de moldagem tornou-se extremamente importante, já que mais de 80% das peças plásticas são produzidas através da moldagem por injeção. Com mais fabricantes utilizando a tecnologia de moldagem por injeção, as empresas que produzem peças de alta qualidade moldadas por injeção com mais rapidez e custos mais baixos têm uma vantagem competitiva importante. Até recentemente, o desenvolvimento de projetos de peças e usinagem para a fabricação por moldagem por injeção implicava um processo de prototipagem tedioso e iterativo para eliminar possíveis defeitos de fabricação através de métodos de tentativa e erro. Dessa forma, os fabricantes podiam solucionar os problemas relacionados à capacidade de fabricação e usinagem que poderiam gerar defeitos (como bolhas de ar, vácuos, linhas divisórias posicionadas indevidamente, encolhimento, distorção, manchas na superfície, estrutura fraca e deformação de peças grandes), mas isso deixava o processo mais demorado e mais custoso. O que realmente precisávamos para simplificar o desenvolvimento da usinagem e dos componentes moldados por injeção era a possibilidade de conduzir o processo de prototipagem em ambientes precisos e virtuais. Exemplos de falhas em projetos de peças plásticas identificadas no SOLIDWORKS Plastics. Em sentido horário: marcas de afundamento, estresse por esforço, resfriamento desigual, marcas de afundamento, alcance curto e distorção. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 1

3 A criação de processos de usinagem para fabricação de peças de qualidade moldadas por injeção envolve diversas variáveis. Qual é a temperatura ideal do plástico derretido para injeção no molde? E qual é a temperatura ideal para o próprio molde? Os meios de resfriamento são adequados para essas temperaturas? Em caso negativo, como devemos configurá-los? Qual é o melhor material termoplástico para um projeto específico? Qual deve ser a pressão e a taxa de vazão do material plástico no molde para facilitar o preenchimento e o acondicionamento? Por quanto tempo a peça deve permanecer no molde para solidificar antes de ejeção? Os processos de usinagem especializada (inserções, efeitos colaterais, pontos adicionais de injeção, operações secundárias ou layouts inovadores para canais de resfriamento) encurtam os ciclos ou eliminam defeitos? Os projetistas de peças, projetistas de moldes e profissionais que trabalham com moldagem por injeção precisam responder a essas perguntas para criar processos de usinagem que minimizem problemas relacionados à qualidade, e é isso que torna as iterações da prototipagem de moldes necessária. Se os profissionais que trabalham com a moldagem por injeção pudessem prever com precisão quantas variáveis produtivas afetam o alcance, o resfriamento e a ejeção de peças específicas, não seria necessário dedicar tempo e dinheiro à prototipagem iterativa. Por isso, as simulações de preenchimento preciso de moldes trazem tantos benefícios. Elas viabilizam o mesmo processo de tentativa e erro para descobrir a combinação certa das variáveis necessárias para produzir peças de qualidade moldadas por injeção, por meio um software, o que agiliza os processos e diminui os custos. Com recursos de simulação de preenchimento preciso de moldes, os projetistas de produtos podem equilibrar a concepção estética e a capacidade de fabricação, os projetistas de moldes podem otimizar a usinagem sem precisar criar moldes para os protótipos, e os profissionais de fabricação podem encurtar os ciclos. Tudo isso economiza tempo, diminui custos e aumenta a qualidade, o que é essencial para evitar que o processo convencional de prototipagem de moldes se contente com a precisão das simulações de preenchimento de moldes. Os estudos da precisão do SOLIDWORKS Plastics na simulação de preenchimento de moldes plásticos foram conduzidos pelo Departamento de Engenharia de Plásticos da Universidade de Massachusetts Lowell com moldes usados para produzir um gabinete comum para eletrônicos, uma tampa para produtos médicos e um gabinete de detecção de radônio. Estudos sobre a precisão do preenchimento de moldes em diversas peças plásticas Para demonstrar o alto grau de precisão das simulações de preenchimento de molde feitas no SOLIDWORKS Plastics, a SOLIDWORKS encomendou uma série de experimentos físicos em três projetos de moldes e peças específicos (um gabinete comum para eletrônicos, uma tampa para produtos médicos e um gabinete de detecção de radônio) ao renomado Departamento de Engenharia de Plásticos da Universidade de Massachusetts Lowell. Esses moldes foram escolhidos com base em sua diversidade e em suas características únicas para ampliar o alcance do estudo e da importação de seus resultados. Imagem cedida pela Routsis Training Os sistemas de moldagem por injeção de materiais plásticos variam, mas todos envolvem sistemas de injeção/aquecimento, fixação, moldagem e controle. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 2

4 O projeto envolveu a produção de peças nos três moldes correspondentes e o uso de instrumentação a laser, cronômetros de precisão e leituras das máquinas para documentar as principais variáveis relacionadas ao preenchimento, ao acondicionamento, ao resfriamento e à deformação, incluindo informações como temperatura, tempo, forças, pressões e taxas de vazão. Também realizamos experimentos com relação a problemas de alcance curto, instabilidade das entradas, solidificação nas entradas, emendas, fragilidade estrutural, evolução do preenchimento e ejeção de moldes. O projeto experimental foi conduzido pelo professor Stephen Johnston na UMass Lowell com as máquinas de moldagem por injeção Arburg e Sumitomo. Os resultados desses experimentos físicos foram comparados aos resultados previstos pelas simulações de preenchimento de molde do SOLIDWORKS Plastics, com base em parâmetros definidos para as máquinas de moldagem por injeção específicas. Essa comparação revelou uma forte correlação, com variação de 10 pontos percentuais para mais ou para menos, entre os resultados da simulação e os resultados reais. Essas descobertas confirmam a eficiência do SOLIDWORKS Plastics na simulação de preenchimentos de molde para simplificar e acelerar o desenvolvimento de processos de usinagem e peças moldadas por injeção. Gabinete de eletrônicos Para criar o gabinete de eletrônicos, o estudo usou um molde com entradas idênticas que recebeu o polipropileno. Além de documentar as principais variáveis durante o resfriamento, o preenchimento, o acondicionamento e a deformação, o experimento comparou o posicionamento das emendas associado ao uso de entradas idênticas e o impacto disso sobre a integridade estrutural, além de avaliar o alcance para explicar como acontece o preenchimento dos moldes. O molde usado para produzir o gabinete para eletrônicos conta com canais de resfriamento para controlar a temperatura, mantendo-a uniforme. O sistema de resfriamento reduz a temperatura de fundição de 240,6 C para 32 e 34 C em dois pontos diferentes da cavidade do molde. A simulação realizada com o SOLIDWORKS Plastics previu essas mesmas temperaturas nesses dois pontos. Em seguida, a UMass Lowell fez uma série de verificações de alcance com diferentes volumes de material para verificar o fluxo do plástico no molde. Como mostrado na Figura 1, os resultados das simulações de alcance são praticamente idênticos aos resultados obtidos com as peças reais. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 3

5 Figura 1. As simulações feitas com o SOLIDWORKS Plastics previram o posicionamento das emendas na peça ejetada, o que sugeriu possíveis problemas relacionados à fragilidade estrutural. Na verdade, a peça real está propensa à quebra na emenda (veja a Figura 2). Figura 2. Durante o acondicionamento, houve solidificação (quando o material solidifica e impede o preenchimento do molde) entre os dois primeiros segundos do experimento real, e a simulação do SOLIDWORKS Plastics indicou que isso aconteceria 1,7 segundo após o término do preenchimento (veja a Figura 3). Figura 3. Para investigar a deformação, o estudo analisou duas dimensões (veja a Figura 4) para comparar o encolhimento após a ejeção do molde. Nesse caso, a previsão da simulação de preenchimento de molde do SOLIDWORKS Plastics também demonstrou uma forte correlação com os resultados reais. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 4

6 Figura 4. Tampa para produtos médicos As características únicas do molde da tampa para produtos médicos incluem um postiço de cobre-berílio (Be-Cu), que ajuda a eliminar problemas de ejeção de moldes. Essa peça tem reentrâncias e deve ser removida da ferramenta enquanto o material ainda está flexível. Por isso, é essencial que a temperatura esteja uniforme. Como mostramos na Figura 5, as simulações do SOLIDWORKS Plastics mostram que o uso de moldes em aço sem o postiço de Be-Cu resulta distribuição não uniforme da temperatura, o que pode resultar em rachaduras no momento da ejeção da peça. A adição do postiço de Be-Cu é exatamente o tipo de modificação que o SOLIDWORKS Plastics promove na usinagem. Figura 5. No caso da tampa para produtos médicos, o molde com entrada em formato de pino e o postiço de Be-Cu receberam polipropileno (veja a Figura 6). O estudo verificou as temperaturas durante o resfriamento, o tempo de solidificação da entrada durante o acondicionamento e uma série de testes para avaliar o alcance e explicar como acontece o preenchimento dos moldes. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 5

7 Figura 6. Durante o resfriamento, descobriu-se que a temperatura do experimento físico varia entre 28 e 32 C em diversos pontos ao redor do postiço de Be-Cu, enquanto as simulações do SOLIDWORKS Plastics previram uma variação entre 28 e 35 C nos mesmos pontos. A precisão desses resultados de simulação confirma a necessidade de se ter um postiço de Be-Cu e da distribuição uniforme da temperatura para remoção da peça enquanto o material ainda está flexível. Para examinar se o preenchimento do molde ocorre conforme as previsões do SOLIDWORKS Plastics, a UMass Lowell realizou uma série de testes de alcance com a injeção de diferentes volumes de materiais no molde. Como mostra a Figura 7, os resultados das simulações do SOLIDWORKS Plastics se aproximam aos resultados reais do preenchimento do molde. Figura 7. Essa experiência também levou em consideração o tempo necessário para que ocorresse a solidificação, ou término do acondicionamento, após o preenchimento. Os testes físicos revelaram que a solidificação da entrada acontece entre cinco e seis segundos, e as simulações do SOLIDWORKS Plastics indicaram que isso aconteceria 6,5 segundos após o término do preenchimento (veja a Figura 8). Figura 8. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 6

8 Detector de radônio A usinagem do gabinete de detecção de radônio requer um molde não compensado que utiliza um conjunto sofisticado de canais de resfriamento (veja a Figura 9), que é necessário devido à variação não uniforme da temperatura na cavidade do molde, relacionada às diferentes formas geométricas das duas peças utilizadas. Saber como as temperaturas variam dentro de um molde é importante para eliminar pontos de calor na peça, que podem resultar em defeitos, atraso na ejeção da peça ou ciclos mais lentos. As informações das simulações do SOLIDWORKS Plastics sobre os desafios da moldagem por injeção podem possibilitar o desenvolvimento de sistemas de resfriamento inovadores como esse. Figura 9. Para criar o gabinete de detecção de radônio, o estudo usou um molde não compensado que recebeu o polipropileno. Além de documentar as principais variáveis durante o resfriamento, o preenchimento, o acondicionamento e a deformação, o experimento verificou como as entradas não compensadas podem resultar em marcas de hesitação e os defeitos que podem surgir quando o preenchimento de uma peça ocorre mais rápido que o preenchimento de outra peça, além de avaliar o alcance para explicar como ocorre o preenchimento dos moldes. O exclusivo sistema de resfriamento desse molde reduz a temperatura de fundição de 207 C para o intervalo de 25,2 e 30,6 C em pontos diferentes da cavidade do molde. A simulação realizada com o SOLIDWORKS Plastics previu uma variação de temperatura de 26,4 e 30,4 C nos mesmos pontos. Da mesma forma como aconteceu com as outras duas peças usadas nesse estudo, a UMass Lowell realizou uma série de testes de alcance com a injeção de diferentes volumes de materiais para verificar se os padrões previstos pelas simulações do SOLIDWORKS Plastics correspondiam ao fluxo real do material no molde. Como mostra a Figura 10, os resultados dos testes físicos comprovaram as conclusões dos resultados das simulações. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 7

9 Figura 10. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 8

10 As simulações do SOLIDWORKS Plastics previram o surgimento das marcas de hesitação nas peças menores do gabinete de detecção de radônio (veja a Figura 11) e revelaram o motivo do defeito. Como a cavidade maior é preenchida primeiro, o fluxo hesita durante o preenchimento da cavidade menor. Ao final do preenchimento, a diferença na temperatura resultante do preenchimento desigual causa o defeito (veja a Figura 12). Figura 11. Figura 12. Esse estudo também levantou dados comparativos da pressão de entrada, do tempo de solidificação da entrada e do encolhimento/da distorção das peças. Os testes experimentais mostraram que a pressão de entrada máxima é de 50,9 MPa, o tempo de solidificação na entrada é de quatro a seis segundos e a peça sofre encolhimento/distorção de 1 mm, enquanto as simulações do SOLIDWORKS Plastics previram valores de 48,3 MPa, seis segundos e 0,9345 mm, respectivamente. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 9

11 A PRECISÃO DAS SIMULAÇÕES DE PREENCHIMENTO DE MOLDES DO SOLIDWORKS PLASTICS TRAZ BENEFÍCIOS PARA PROJETISTAS DE PRODUTOS, PROJETISTAS DE MOLDES E FABRICANTES Ao viabilizar a simulação das operações de preenchimento de moldes com precisão para projetistas de produtos, projetistas de moldes e fabricantes, o software de simulação de preenchimento por moldagem SOLIDWORKS Plastics pode fornecer, com mais rapidez e economia, os insights necessários para que eles possam otimizar os projetos e a usinagem. Essa solução pode substituir ou condensar consideravelmente os requisitos de prototipagem de moldes, principalmente quando todas as pessoas envolvidas no desenvolvimento e na produção de peças moldadas por injeção e na usinagem tiverem acesso ao ambiente de simulação do SOLIDWORKS Plastics. Se você é projetista de produtos e se preocupa com a capacidade de fabricação, é projetista de moldes e trabalha com projetos de usinagem ou trabalha com fabricação e tem interesse em acelerar os ciclos, o SOLIDWORKS Plastics tem soluções que podem ajudar você a desempenhar seu trabalho com mais inteligência, com mais rapidez e melhor. SOLIDWORKS Plastics para avaliar a capacidade de fabricação A avaliação da capacidade de fabricação de peças nos projetos iniciais permite que os projetistas ajudem suas empresas a evitar mudanças nos projetos e problemas de produção posteriormente. O SOLIDWORKS Plastics fornece respostas rápidas e precisas sobre questões importantes, como o preenchimento da peça, o posicionamento das emendas, a presença de vácuos ou bolhas de ar e o melhor posicionamento para as entradas. Esse software também permite que os projetistas simulem o estágio de preenchimento não só para desenvolver a usinagem real como também para verificar se alguma modificação ao projeto antes do desenvolvimento do molde pode acelerar o projeto de usinagem, a produção e o tempo de lançamento no mercado. O SOLIDWORKS Plastics permite que os projetistas de produtos verifiquem se há problemas relacionados à capacidade de fabricação de seus projetos. SOLIDWORKS Plastics Professional para otimizar projetos de moldes O principal objetivo dos projetistas de moldes é desenvolver uma usinagem eficaz para a moldagem por injeção que gere peças de alta qualidade com a máxima rapidez e o mínimo custo possíveis. O SOLIDWORKS Plastics Professional fornece ferramentas adicionais de simulação para otimizar projetos de usinagem de moldagem por injeção de todos os níveis de complexidade. O software permite que os projetistas de molde simulem as fases de preenchimento e acondicionamento com precisão para verificar a pressão máxima de injeção e os requisitos quanto ao tamanho da máquina, além de possibilitar o balanceamento de sistemas para obter o preenchimento uniforme e evitar defeitos, e estimar o tempo do ciclo, a tonelagem e a quantidade de material para otimizar os sistemas de alimentação. Com a simulação precisa do desempenho das variações de usinagem (como o uso de uma única cavidade, de diversas cavidades ou de layouts com famílias de moldes, a experimentação de alterações no posicionamento de componentes ou a verificação do uso de métodos avançados, como o uso de postiços, injeção de válvulas ou moldagem em dois tempos/com gás), os projetistas de moldes podem criar a melhor usinagem possível para que as tarefas sejam executadas com mais rapidez e a custos menores. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 10

12 O SOLIDWORKS Plastics Professional permite que os projetistas de moldes otimizem os projetos de moldes sem depender de protótipos. SOLIDWORKS Plastics Premium para acelerar os ciclos de produção A aceleração dos ciclos de moldagem pode injeção com a abertura dos moldes e a ejeção de peças de alta qualidade no mínimo de tempo possível é essencial para que os profissionais de fabricação obtenham êxito. Com o mais avançado conjunto de recursos, o SOLIDWORKS Plastics Premium ajuda os especialistas em moldagem por injeção a alcançar o equilíbrio ideal entre ciclos rápidos e produção de alta qualidade. O software permite projetar e simular layouts de resfriamento de moldagem por injeção, o desenvolvimento de sistemas de canais de resfriamento conformais, a exploração de diferentes tipos de materiais e a otimização dos parâmetros de processamento para reduzir ou eliminar a distorção das peças moldadas. Com essas ferramentas de simulação adicionais, os especialistas em moldagem por injeção podem resolver os desafios que prolongam os ciclos e levar a produção a um novo patamar de desempenho. O SOLIDWORKS Plastics Premium ajuda os profissionais de fabricação que trabalham com moldagem por injeção a encontrar formas de acelerar os ciclos de produção. Simulações de preenchimento preciso de moldes solucionam desafios de produção e projetos com a moldagem por injeção 11

13 AUMENTAR A PRODUTIVIDADE COM SIMULAÇÕES PRECISAS DE PREENCHIMENTO DE MOLDES O crescente uso de peças de plástico moldadas por injeção no lugar de peças usinadas tradicionalmente em metal traz diversas vantagens para os fabricantes, que vão desde reduções no custo, no peso e no refugo até mais flexibilidade no projeto, por meio da produção de formas e formatos geométricos mais complexos. No entanto, para aproveitar ao máximo esses possíveis benefícios e obter êxito, tornou-se essencial aumentar a produtividade da usinagem e dos projetos de moldagem por injeção e alcançar uma produção de alta qualidade constante. Os fabricantes podem aumentar a eficiência e o desempenho de suas operações de moldagem por injeção com a substituição ou o aumento das iterações de protótipos de moldes com base no método tradicional de tentativa e erro, através da solução de simulação de preenchimento de moldes, SOLIDWORKS Plastics. Como o estudo da UMass Lowell comprova, há uma forte correlação entre os resultados das simulações do SOLIDWORKS Plastics e as condições reais do uso dos moldes. Essas simulações são precisas o suficiente para acelerar o processo de prototipagem com base em tentativas e erros e para otimizar projetos, usinagem e ciclos, além de economizar tempo e dinheiro no processo. Com o refinamento dos projetos de usinagem e produtos no software, por meio das simulações precisas de preenchimento de moldes do SOLIDWORKS Plastics, os fabricantes podem simplificar a aprimorar o projeto de componentes com moldagem por injeção, o desenvolvimento da usinagem e a produção. Para obter mais informações sobre como a precisão das simulações de preenchimento de moldes com o SOLIDWORKS Plastics pode melhorar seus processos de desenvolvimento e produção de moldagem por injeção, acesse ou ligue para / Nossa plataforma 3DEXPERIENCE, que oferece um amplo portfólio de soluções, é a base da nossa linha de aplicativos presentes em 12 setores do mercado. A Dassault Systèmes, a empresa 3DEXPERIENCE, fornece universos virtuais às empresas e aos profissionais para que possam imaginar inovações sustentáveis. Suas soluções líderes mundiais transformam o modo como os produtos são projetados, fabricados e assistidos. As soluções de colaboração da Dassault Systèmes incentivam a inovação social, expandindo as possibilidades para o mundo virtual a fim de melhorar o mundo real. O grupo agrega valor a mais de clientes de todos os portes, em todos os setores e em mais de 140 países. Para obter mais informações, acesse Dassault Systèmes. Todos os direitos reservados. 3DEXPERIENCE, o ícone da bússola e o logotipo 3DS, CATIA, SOLIDWORKS, ENOVIA, DELMIA, SIMULIA, GEOVIA, EXALEAD, 3D VIA, 3DSWYM, BIOVIA, NETVIBES e 3DEXCITE são marcas comerciais ou registradas da Dassault Systèmes ou de suas subsidiárias nos EUA e/ou em outros países. Todas as outras marcas registradas pertencem a seus respectivos proprietários. O uso de qualquer marca registrada da Dassault Systèmes ou de suas subsidiárias está sujeito à aprovação expressa por escrito. MKLOWWPPTB1015 Europa/Oriente Médio/África Dassault Systèmes 10, rue Marcel Dassault CS Vélizy-Villacoublay Cedex França Américas Dassault Systèmes 175 Wyman Street Waltham, MA EUA Dassault Systèmes do Brasil Ltda / infola@solidworks.com