A REPRESENTAÇÃO GRÁFICA NO PROCESSO DE PROJETO PARA FABRICAÇÃO DE PEÇAS POR INJEÇÃO

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1 XII INTERNATIONAL CONFERENCE ON GRAPHICS ENGINEERING FOR ARTS AND DESIGN 26 a 28 de outubro de 2017 A REPRESENTAÇÃO GRÁFICA NO PROCESSO DE PROJETO PARA FABRICAÇÃO DE PEÇAS POR INJEÇÃO PAGOTTI, Ana Paula 1 ; ZABEU, Bruno Rivetti 1 ; MAFALDA, Rovilson 1* *: rmafalda@gmail.com 1 Universidade Federal do ABC Resumo Neste artigo descrevemos o processo de projeto para fabricação de uma peça por injeção. Os principais parâmetros de fabricação foram determinados por meio de resultados de simulações usando ferramentas CAD/CAE. Isso inclui dados como o melhor polímero, a espessura ótima das paredes da peça e a melhor localização do canal de enchimento. Nesse processo de projeto destacamos como os resultados das simulações possibilitaram a tomada de decisões de uma maneira rápida e segura o que mostra a importância do uso representação gráfica. Também destacamos como pontos positivos a indispensabilidade do uso de ferramentas CAD/CAE no processo de projeto para fabricação de peças por injeção e a necessidade de conhecimentos sobre diferentes tipos de representações gráficas. Palavras-chave: representação gráfica; processo de projeto; moldagem por injeção. Abstract In this article we describe the design process for manufacturing a part by injection. The main manufacturing parameters were determined using simulation results using CAD / CAE tools. This includes data such as the best polymer, optimal wall thickness of the part, and the best location of the fill channel. In this project process we highlight how the results of the simulations made possible the decision making in a fast and safe way, which shows the importance of using graphic representation. We also highlight the indispensability of the use of CAD / CAE tools in the design process for the production of parts by injection and the need for knowledge on different types of graphic representations. Keywords: graphic representation; design process; injection molding. 1 Introdução Plástico é uma palavra derivada do grego plastikos que significa flexível. De modo geral, esse elemento é definido como qualquer material passível de ser modelado por

2 meio da aplicação de calor ou pressão para criar objetos com significado no contexto da vida das pessoas (CALLISTER, 2001). O primeiro plástico comercial foi inventado na Inglaterra em 1862 por Alexander Parkes. Ele demonstrou que o material inventado por ele poderia ser esquentado, moldado e mantinha a mesma forma quando resfriado. Em 1868, o americano John Wesley Hyatt desenvolveu um plástico chamado de Celulóide que tinha uma qualidade superior ao material inventado por Parkes. Este novo material podia ser moldado e também mantinha a forma ao final do resfriamento. Juntos, Parkes e seu irmão Isaiah, patentearam a primeira máquina de moldagem por injeção em 1872 (SILVA, 2010). Esta máquina era extremamente simples se comparada com as que existem atualmente. Ela Funcionava com uma grande agulha hipodérmica e com um êmbolo para injetar o plástico através de um cilindro aquecido em um molde. A indústria das peças moldadas em plástico começou com a produção de botões e pentes de cabelo por volta de 1930 (SILVA, 2010). Essa indústria começou a se expandir rapidamente em meados de 1940 em função da Segunda Guerra Mundial e suas demandas por produções em massa. Em 1946, o inventor americano James Watson Hendry construiu a primeira máquina de moldagem por injeção com parafuso móvel. Essa máquina permitia maior nível de controle de precisão e menor variabilidade nos lotes de produtos. Enfim, a máquina de Hendry introduziu mais rapidez e qualidade no processo de moldagem de plásticos. Essa máquina também permitia que o material a ser processado fosse misturado antes da injeção, o que permitia a adição de plásticos reciclados ao material virgem antes do início do processo (MANRICH, 2005). Ao longo dos anos passados a indústria de moldagem por injeção de plásticos evoluiu até atingir a capacidade que possui hoje. Essa indústria, além de ter vida própria, detém uma vasta gama de produtos em diversos setores como: automotivo, equipamentos medicinais, aeroespacial, produtos de consumo, brinquedos, materiais de construção civil e embalagens entre outros. As máquinas utilizadas na indústria de moldagem por injeção são classificadas pelo tamanho do seu grampo e pela sua capacidade de injeção em toneladas (RODA, 2015). Elas podem ser hidráulicas, de alternância ou elétricas. Estas máquinas são geralmente divididas em quatro seções: unidade de injeção, unidade de fixação, controles e molde. Uma máquina hidráulica típica de injeção, como a mostrada na Figura 1, é composta por uma tremonha, um parafuso com rosca infinita e conjunto de cilindro e bico de injeção.

3 Figura 1: Esquema de uma máquina de moldagem por injeção Fonte: Adaptado da referência (RODA, 2015). Ao longo dos anos passados a indústria de moldagem por injeção de plásticos evoluiu até atingir a capacidade que possui hoje. Essa indústria, além de ter vida própria, detém uma vasta gama de produtos em diversos setores como: automotivo, equipamentos medicinais, aeroespacial, produtos de consumo, brinquedos, materiais de construção civil e embalagens entre outros. Podemos observar muitos destes produtos nas nossas casas, automóveis e equipamentos públicos. Devido a sua importância nas sociedades modernas, o processo de moldagem de peças em plásticos é um dos temas da disciplina Introdução a sistemas CAD/CAM ministrada na Universidade Federal do ABC. Além da importância dessa Indústria em si, a presença deste tema na disciplina se justifica por que o processo de projeto para moldagem de peças em plásticos hoje ser amplamente realizado com o uso de ferramentas CAD/CAE. Neste sentido, o objetivo neste artigo é divulgar nossa experiência de como o estudante de Engenharia se apropria e coloca em prática os conhecimentos técnicos adquiridos sobre representação gráfica, desenhos técnicos, processos de fabricação, sobre processo de projeto e de uso de tecnologias CAD/CAE. A experiência descrita neste artigo consistiu em projetar uma peça de montar Lego 2x4 visando sua fabricação por injeção. Para isso, foram utilizados os softwares Solidworks para construir a representação geométrica da peça e o software Autodesk Moldflow para realizar simulações a fim de determinar parâmetros de moldagem para a peça. Esses parâmetros são eles: o melhor polímero, a melhor posição do canal de acesso e a melhor espessura da peça de modo que esta tenha o resfriamento mais uniforme possível. 2 Fundamentação teórica De modo geral o processo de injeção consiste na inserção de um material termoplástico fundido em um molde. Uma vez formada a peça, ela é então ejetada do

4 molde e consequentemente da máquina injetora. Podemos dizer também que moldagem por injeção é um processo cíclico de formação de peças de plástico com formatos específicos no qual o material liquefeito é injetado sob pressão dentro de uma cavidade (SENAI, 2005). Nesse processo, a forma definitiva da peça é atingida após resfriamento. Para que esse processo ocorra de maneira calculada e controlada é necessário levar em conta o tipo de produção, os materiais que serão utilizados e as aplicações que as peças terão. 2.1 Moldagem por injeção: o processo Uma máquina de injeção, como ilustrada na Figura 1, define um sistema que confina e transporta o plástico à medida que este progride através da alimentação. A medida que este processo se desenvolve ocorrem a compressão, a fusão e a injeção do material fundido. Esse processo pode ser representado pelas etapas descritas na Tabela 1 cujas figuras foram adaptadas da referência (MICHAELI et al., 2000). Tabela 1: Etapas envolvidas no processo de moldagem por injeção a) O molde é fechado e o parafuso infinito começa a se mover empurrando o plástico fundido para a injeção b) A cavidade vai enchendo com o plástico vindo do movimento do parafuso que age como embolo c) A cavidade é totalmente preenchida d) A cavidade esfria com o resfriamento do canal de acesso o parafuso começa a se retrair para a preparação do próximo preenchimento Fonte: Adaptado da referência (MICHAELI et al., 2000).

5 Após esta sequência de etapas, o molde se abre para a ejeção da peça. Depois, o mesmo se fecha e o próximo ciclo se inicia. 2.2 Condições de utilização do material As propriedades mecânicas dos materiais plásticos são muito sensíveis a taxa, duração, frequência de carregamento, mudança na temperatura de funcionamento e, em alguns casos, a umidade relativa. De acordo com (SENAI, 2005), os projetistas de peças para injeção devem conhecer bem cada material e seu comportamento em resposta a cada um dos seguintes fatores descritos na Tabela 2. Tabela 2: Condições de carga para propriedades relevantes do material Condições típicas de carga e operação Carregamento de curto prazo Carregamento de longo prazo Carga repetida Alta velocidade e impacto de carga Carregamento em temperaturas extremas Propriedades relevantes do material a serem consideradas Comportamento tensão-deformação Fluência e relaxamento Fadiga A resistência ao impacto Comportamento térmico mecânico Fonte: Adaptado da referência (SENAI, 2005). As condições de contorno impostas pelas condições de processamento mostradas na Tabela 2 são unificadas no gráfico mostrado na Figura 2 (SORS, BARDÓCZ RADNÓTI, 2002). Figura 2: Gráfico das condições de contorno impostas pelas condições de processamento do material Fonte: Adaptado da referência (SORS, BARDÓCZ RADNÓTI, 2002).

6 Nestas condições de contorno vemos que se a temperatura do processo diminui, uma pressão maior é necessária para fazer com que o material preencha perfeitamente as cavidades da peça. Se a temperatura estiver muito alta, há risco de degradação do material. Se a pressão de injeção é muito baixa, preenchimento pode ser curto. Se a pressão por muito alta, o molde pode apresentar vazamento. A partir deste gráfico fica claro que o processo de injeção tem que ser muito bem definido para que haja uso racional do equipamento para um determinado nível de qualidade requerido para as peças. Há também a necessidade de se considerar os fatores que são influenciados pela pressão de injeção. Entre estes fatores podemos citar: a geometria da peça, o projeto do canal de acesso e a condição de processamento do material a ser injetado. Na Tabela 3 mostram-se por meio de figuras os fatores que são diretamente influenciados pela pressão de injeção em relação aos itens: projeto da peça, projeto do canal de acesso e condição de processamento do material. Tabela 3: Fatores influenciados pela pressão de injeção Fator Variável Maior PI Requerida Menor PI Requerida Espessura da parede Projeto da peça Área de superfície Tamanho do canal de acesso e Projeto do canal de extensão de acesso fluxo Condição de processamento do material Temperatura de fusão Fonte: Adaptado da referência (RODA, 2015).

7 2.3 Problemas diversos ocasionados no processo de moldagem das peças Além dos cuidados mencionados na Tabela 3, o processo de projeto de peça para injeção deve considerar as possibilidades de ocorrência de problemas nas peças durante o processo de injeção como a formação de bolsas de ar, vazamento de material injetado, preenchimento incorreto do molde e a cura incorreta da peça. Abaixo descrevemos e ilustramos por meio das Figuras 3, 4, 5 e 6 estes problemas. Para uma explicação mais detalhada dos fatores que levam a estes problemas ver, por exemplo, MANRICH (2005) Bolsas de ar Figura 3: Indicação da região onde se formam bolsas de ar Uma bolsa de ar é uma área do molde em que ocorre aprisionamento de ar. Normalmente acontece em áreas que foram preenchidas por último. Esse problema é resultante da falta de respiradores ou aberturas no molde Vazamento Figura 4: Indicação do defeito Chamado Vazamento Vazamento é um defeito caracterizado pelo escape de material nas junções das partes do molde. Algumas causas deste defeito são baixa força de compressão, o espaçamento entre as partes do molde ou ventilação inadequada.

8 2.3.3 Encruamentos Figura 5: Indicação do defeito chamado encruamento Este defeito acontece quando o material é injetado em quantidade insuficiente e o polímero fundido não preenche totalmente a cavidade. O resultado disso são encruamentos da forma em seções finas ou extremidades Marcas de retração Figura 6: Indicação de marcas de retração Marcas de retração são depressões na superfície da peça moldada que normalmente ocorrem em seções mais espessas, nas fronteiras de apoios, protuberâncias ou em arredondamentos internos. Estas marcas são causadas por contrações locais do material quando a peça é resfriada de maneira não homogênea. Fonte: Adaptado da referência (MANRICH, 2005). 3 Metodologia O inicio do processo de projeto de moldagem por injeção é a definição de um objeto que será modelado. Escolhemos para nosso estudo uma Lajota 2x4 cm da Lego mostrada na Figura 7 em perspectiva axonométrica. Figura 7: Modelo de lajota 2x4 utilizada no estudo Fonte: (BLOG DGNGAME,2015)

9 Escolhido o objeto, utilizamos para sua modelagem o software Solidworks, versão Essa representação do objeto foi utilizada nas simulações feitas nas etapas posteriores do processo de projeto. Na figura 8 ilustramos as representações do objeto feitas durante o estudo. Figura 8: Objeto modelado no Solidworks para utilização nas outras etapas do processo de projeto. Fonte: Os autores. Após a modelagem, a representação da peça foi importada para o software Moldflow. Após a importação, foram testados três tipos diferentes de polímero para determinar qual daria melhores resultados com o Canal de Acesso localizado no centro da parte superior da peça. ABS (Acrilonitrila butadieno estireno); Policarbonato (PC); Polipropileno (PP). Estes três plásticos foram testados considerando três espessuras distintas para a peça que foram 8, 12 e 16 milímetros como ilustrado na Figura 9. Além deste parâmetro, os testes foram feitos também considerando, adicionalmente as posições

10 do Canal de Acesso na face frontal e num dos cantos da face lateral da peça como ilustrado na Figura 10. Figura 9: (a) Parede da peça que teve sua espessura modificada para análise de simulações. (b) Espessura de 0.8mm. (c) Espessura de 1.2 mm (dimensão original). (d) Espessura de 1.6 mm. (a) (b) (c) Fonte: Os autores. (d) Ao todo realizamos três experimentos. Em cada um deles, considerando uma posição distinta para o Canal de acesso, bem como um tipo de plástico e uma espessura diferente. Alguns dos resultados obtidos são mostrados e discutidos na próxima seção. Figura 10: Diferentes locais do canal de injeção do material: (a) Plano superior; (b) Plano frontal; (c) Plano direito. (a) (b) (c) Fonte: Os autores.

11 Considerando todos os fatores apresentados nas seções 2 e 3, nas simulações realizadas, os critérios de decisão são dois: o tempo de preenchimento da peça e o tempo de cura da peça, ou tempo de extração da peça. 4 Discussão dos resultados O material polímero que apresentou melhores resultados em relação aos critérios de decisão foi o ABS seguido respectivamente pelo PC e pelo PP como mostram os gráficos das Figuras 11,12 e 13. Figura 11: PP (a) Tempo de enchimento; (b) Tempo para atingir a temperatura de extração. Figura 12: ABS. (a) Tempo de enchimento; (b) Tempo para atingir a temperatura de extração. Figura 13: PC. (a) Tempo de enchimento; (b) Tempo para atingir a temperatura de extração. Fonte: Os autores.

12 A leitura destes gráficos é a soma dos tempos obtidos no critério tempo de enchimento e tempo até atingir a temperatura de extração ou tempo de cura. Pensando-se em uma linha de produção na qual milhares de peças são produzidas, vale ressaltar que, quanto mais rápida é a moldagem da peça, mais receita isto gera para a empresa dado que ela pode produzir mais. Mesmo que essa diferença possa parecer pequena, considerando uma peça, em grande escala isso se torna uma diferença relevante. Sendo assim, os tempos totais de processamento de acordo com os materiais são mostrados na Tabela 4. Tabela 4. Tempos de processamentos dos diferentes materiais POLÍMERO TEMPO TOTAL (segundos) ABS 5,4715 Policarbonato (PC) 6,0877 Polipropileno (PP) 7,3382 Fonte: Os autores. Em relação à espessura da parede da peça, a mesma foi alterada de acordo com os valores mostrados na Figura 5 e os resultados obtidos foram comparados com os obtidos na Tabela 4. É possível verificar que a fração da camada solidificada em relação ao tempo de enchimento são os mesmos apenas para a espessura de 0,8 mm. A medida que aumentamos a espessura da peça mais partes da mesma se solidifica para o período correspondente de enchimento como mostrado no gráfico da Figura 14. Figura 14: Fração da peça solidificada e o tempo de enchimento para diferentes espessuras. Fonte: Os autores.

13 O resultado prático disso é que problemas cuja causa seja a cura desigual ao longo da peça podem se acentuar para espessuras maiores que 0,8mm. Os resultados gráficos da variação de espessura são mostrados na Tabela 5. Tabela 5: Comparação entre diferentes valores de espessura da peça Fração da camada solidificada Tempo de enchimento a) Peça com parede de espessura de 0.8mm b) Peça com parede de espessura de 1.2mm c) Peça com parede de espessura de 1.6mm Fonte: Os autores. Apesar da espessura 0.8mm apresentar a maior fração da peça solidificada e o menor tempo de enchimento, adotou-se como espessura para a peça 1.2mm. Essa decisão levou em conta principalmente os requisitos de resistência da peça às forças que são aplicadas tipicamente sobre ela. Em parte também essa decisão se justifica pela pouca diferença obtida nas simulações de enchimento peça. Em relação à escolha da localização do canal de injeção foram realizadas simulações: a face superior, a face frontal e a face lateral. Para esta análise foram realizados dois testes: porcentagem de formação de bolsas de ar e tempo de

14 enchimento. A tabela 6 mostra os gráficos dos resultados para cada localização de canal. Tabela 6: Comparação entre diferentes localizações de canal de enchimento Bolhas de ar Tempo de enchimento (a) Canal localizado na face superior (b) Canal localizado na face frontal (maior) (c) Canal localizado na face lateral (menor) Fonte: Os autores. É possível verificar que a maior quantidade de bolsas de ar ocorre na posição de enchimento em que o canal é localizado na face superior (a) e em menor quantidade quando este é localizado na face lateral (c). Portanto, a opção de localizar o canal na face lateral seria escolhida se não fosse levado em conta o seu tempo de enchimento. Como se pode observar, o tempo de enchimento para o canal localizado nesta posição

15 é o maior entre as três alternativas. Portanto, a melhor localização escolhida foi a do canal localizado na face frontal (b) dado que há uma quantidade de bolhas de ar aceitável (muito menor que (a), mas um pouco maior que (c)). Como resultado final do projeto definiu-se que o melhor polímero a ser utilizado na peça é ABS e que sua espessura deve ser 1.2mm em função das condições de uso da peça. Por fim, a localização do canal de enchimento mais eficiente é na face frontal da peça. 5 Considerações finais Neste artigo apresentamos um processo de projeto de moldagem de uma peça por injeção usando ferramentas CAD/CAE. Com base nos resultados obtidos e discutidos, pode-se considerar bem sucedido o projeto realizado dado que todos os parâmetros necessários para a construção do molde para fabricação da peça por injeção foram determinados com auxílio das simulações realizados no software MoldFlow que necessitam para serem bem compreendidas de conhecimentos sobre representações gráficas e desenhos técnicos. Além disso, o próprio processo de projeto e de fabricação por injeção se tornaram conhecimentos assimilados por meio de uma aprendizagem mais significativa. As ilustrações ao longo do artigo mostram como hoje a representação gráfica se tornou ainda mais um importante instrumento de tomada de decisão pela capacidade de suportar dados numéricos em informações gráficas auxiliadas pelo uso de cores. Também, não podemos deixar de considerar que é necessário haver compreensão do uso da perspectiva isométrica como posição mais adequada para o tipo de gráfico utilizado uma vez que neste tipo de perspectiva aplicam-se o mesmo índice de deformação às três dimensões da peça. Sobre esse assunto ainda é desejável que o estudante e o profissional compreendam que por razões de custo e complexidade dos softwares não caberia, por exemplo, utilizar para essa finalidade perspectiva obliqua. É necessário ter essa visão crítica, senão seremos apenas passageiros. A importância de aplicações como esta na indústria reside no fato de que as simulações hoje em dia são relativamente simples de serem realizadas quer por estudantes, quer por profissionais da área. A finalidade deste tipo de abordagem é aprimorar os processos realizados pela indústria, mas, deve ser feita com base nos conhecimentos técnicos necessários dos quais a representação gráfica confere consistência e qualidade.

16 Referências CALLISTER, William D. Fundamentals of materials science and engineering: an integrated approach. New York: John Wiley & Sons, Inc., MANRICH, Silvio. Processamento de Termoplásticos: Rosca Única, Extrusão e Matrizes, Injeção e Moldes. São Paulo: Editora Artliber, MICHAELI, Walter; GREIFT, Helmut; KAUFMANN, Haus; VOSSEBÜRGER, Franz- Josef. Tecnologia dos plásticos. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, RODA, Daniel Tietz. O processo de moldagem por injeção. Disponível em: < Acesso em: 20/11/2014. SORS, Lászlo; BARDÓCZ, Lászlo; RADNÓTI, István. Plásticos: moldes e matrizes. Curitiba: Hemus, Inc., SENAI. Tecnologia da transformação dos plásticos. São Paulo: Núcleo de Tecnologia em Plásticos - SENAI, p. SILVA, Manuela Clemente, Plásticos Montenegro - RS: Escola Estadual Técnica São João Batista, Disp. em: Acesso em: 12/10/2014.