Contrinex
Neptune.Controller

Neptune.Controller: smart system for water assisted injection moulding based on fluid flow and heat transfer

Atualmente, a indústria dos moldes de injeção enfrenta desafios diários para responder às solicitações do mercado, especialmente a necessidade de produzir cada vez mais moldes respondendo assim ao crescimento da procura de produtos com um leque de opções personalizadas.

No processo de desenvolvimento de componentes injetados, o molde de injeção mostra ser um sistema complexo, de elevado custo e de grande importância para a obtenção de componentes de qualidade em prazos curtos. Existe um grande mercado com a necessidade de produção de peças vazadas (tipologia tubulares), para as quais a tecnologia mais adequada é, atualmente, a injeção assistida por fluido. Esta técnica pode ser executada pelo método de injeção direta de água, injeção direta de gás ou, para ambos os casos, com auxílio de um projétil. Estes sistemas tubulares, constituídos por um conjunto de ramificações de secções geometricamente complexas e com comprimentos distintos, exigem ainda a produção de moldes adicionais, uma vez que para cada ramificação é necessária a produção de um molde independente. Com o objetivo de simplificar este processo multi-etapa (diferentes processos de perfuração e soldadura dos tubos das ramificações no canal principal), e reduzir os tempos e custos de produção, o consórcio do Projeto Neptune. Controller propôs o estudo de um novo método de produção para esta tipologia de peça.

Figura 1. Peça tubular.

A tecnologia de injeção assistida por água é um dos processos de fabrico utilizados na produção de peças poliméricas com geometrias complexas e ocas, devido à sua capacidade de produzir peças com ciclos rápidos e poupança de matéria-prima. No entanto, as metodologias e equipamentos existentes no mercado não são suficientes para exponenciar o setor e fomentar a simplificação e autonomização dos processos intermetidos.
O projeto Neptune.Controller, realizado em consórcio com outras entidades (MoldeTipo II, Plácido Roque, CDRSP – IPL e PIEP – Uminho), mas cujo promotor líder é a TECLENA, teve como objetivo desenvolver e construir um equipamento periférico para moldes, com o intuito de permitir a injeção de peças ocas e o controlo de temperatura e pressão nas diferentes zonas do molde. A tecnologia escolhida teve por base a injeção de fluido, de forma controlada, dentro das peças injetadas.

INJEÇÃO ASSISTIDA POR ÁGUA – SISTEMA E ABORDAGEM DE INJEÇÃO

A tecnologia de IAA – Injeção Assistida por Água (water assisted injection moulding) foi criada pelo Institute of Plastic Processing (IKV) em 1998, considerando-se assim uma tecnologia “recente” e bastante atrativa para as indústrias de produção de componentes plásticos (Liu & Wu, 2007) (Knights, 2005). O objetivo do desenvolvimento desta tecnologia foi a redução dos tempos de arrefecimento de peças plásticas vazadas através da substituição do gás nitrogénio por água (Goodship, 2004), permitindo assim uma significativa redução nos custos de produção de peças plásticas com grandes secções transversais e possibilitando a abrangência de novos campos de aplicação para os materiais termoplásticos (Protte & Konejung, 2003). A tecnologia de moldação por injeção assistida por fluido permite ainda a produção de peças plásticas com maior rigidez, menor peso e um excelente desempenho na produção de peças tubulares.

Figura 2. Fases de processamento na injeção assistida a água (Liu, et al., 2007).

Na produção de uma peça plástica com recurso a tecnologia de injeção assistida por água tem-se, em geral, três fases de processamento (Liu, et al., 2007):

  1. A fase de enchimento com material fundido (polímero),
  2. a fase de injeção de água, durante a qual, uma quantidade de material fundido é “expulsa” do interior da peça, permitindo criar uma geometria oca na peça e arrefecer o material plástico e
  3. a fase de compactação do material. Neste processo, a fase de arrefecimento decorre então em simultâneo com a fase de injeção de água e da compactação, visto que, a partir do momento em que a água entra em contacto com o material fundido, este começa a solidificar. Após estas três etapas, a água é drenada por ação de vácuo ou ar comprimido e procede-se à da abertura do molde e à remoção da peça plástica pretendida.

O sistema de injeção assistida por água é composto por vários componentes, no entanto é a cabeça injetora, que se encontra ligada por tubagens ao sistema principal, o elemento de engenharia principal e que admite que este processo de injeção ocorra. Assim, para promover ciclos de produção com sucesso é de extrema importância a escolha e aplicação do injetor de água a utilizar, uma vez que este constitui uma interface decisiva entre a unidade de injeção de água e a peça moldada. É necessário garantir a vedação entre o injetor e o material fundido, a fim de evitar qualquer fuga durante a injeção da água ou na fase de compactação. Para assegurar tanto a rápida injeção de água como a fiabilidade do seu retorno, é necessária uma secção transversal de abertura maior, embora esteja diretamente dependente também do tamanho da peça a moldar, uma vez que a abertura deve estar firmemente fechada durante a injeção do material fundido.


CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA PERIFÉRICO – ESCOPO DO PROJETO

Sendo um objetivo deste projeto a construção de um equipamento periférico que viabilizasse a produção de peças ramificadas com controlo de espessura das secções de forma independente, com os fluxos de água (IAA) sincronizados entre ramos e num só ciclo de injeção, a solução passou pela aplicação de vários injetores, estando estes canalizados para as respetivas ramificações por vazar. Para que esta metodologia fosse viável, os vários fluxos de água provenientes das diferentes ramificações tinham de se intercetar exatamente nas bifurcações, o que significa que cada corrente de água proveniente de cada canal ramificado tinha de se intercetar no momento certo com a corrente de água do corpo da secção vazada principal. Caso estes fluxos não se intercetassem exatamente nas bifurcações, podia ocorrer a solidificação das paredes das várias ramificações, o que iria impedir o escape do fluxo de polímero das mesmas e levaria a não vazamento total da peça ou mesmo à deterioração do equipamento.
Conforme se verifica na Figura 3, atendendo às diferentes distâncias a percorrer pelo material e aos distintos volumes de água e de matéria-prima para encher a cavidade nos diversos ramos, para que os tempos de interseção coincidissem tiveram de se aplicar válvulas (“gates”), acionadas em instantes-chave (através de algoritmos de controlo a partir do modelo matemático da resposta do sistema), e cuja movimentação é controlada a partir do software controlador (programa ligado ao PLC).

Figura 3. Instantes de interseção dos fluxos de água numa peça ramificada.
Figura 4. Esquema da necessidade de controlo monitorizado das válvulas.

Este tipo de atuação foi efetuado em sintonia com os restantes elementos a controlar:

  • Temperatura da água injetada (controlo e monitorização no tanque);
  • Temperaturas das várias zonas independentes na zona moldante;
  • Circuito de águas quentes e frias;
  • Controlo de resistências e elementos indutivos;
  • Monitorização de pressão no molde;
  • Controlo, com comandos simultâneos, dos injetores de forma sincronizada;
  • Controlo de válvulas hidráulicas e pneumáticas.
Figura 5. Equipamento periférico de injeção de água acoplado a máquina de injeção.

A construção e materialização do sistema periférico de IAA, esteve assente no acoplamento das diferentes unidades:

  1. Unidade de injeção de água: que compreende um duplo circuito de água, completamente independentes e que podem funcionar individual ou simultaneamente. Esta unidade é controlada por “CPU” Siemens e a monitorização via “HMI”;
  2. Unidade óleo hidráulica: que consiste num grupo óleo hidráulico de baixo caudal e um acumulador de 10 litros acoplados com seis válvulas direcionais que permitem operar até 6 atuadores hidráulicos e cujo comando está integrado no quadro principal;
  3. Unidade de controlo de temperatura do molde: concebida para controlar a temperatura de várias zonas do molde.

DESEMPENHO DO SISTEMA PERIFÉRICO – RESULTADO DO PROJETO

Construído o equipamento periférico proposto na candidatura de projeto, foi realizada uma bateria de testes para validar o desempenho do equipamento e os resultados do projeto. Durante a realização dos testes, os parâmetros foram ajustados para otimizar o processo de injeção e obter peças com as caraterísticas desejadas. Os parâmetros de injeção considerados críticos para o processo são a pressão de injeção da água, a velocidade de injeção, o volume de água injetada e o tempo de injeção de água.
Para garantir a qualidade e eficiência da testagem, foi realizada uma série de testes, diversificando as condições de processamento, de forma a avaliar o impacto de cada um dos parâmetros no processo de IAA.
Numa primeira fase de testes, verificámos que a água e o material polimérico se misturavam e não era possível ter uma secção vazada. No entanto, após injetar muitas peças consecutivas comprovou-se que o problema não estava na estabilidade do processo de injeção, mas sim nas temperaturas de material fundido e nos tempos de injeção, pelo que alterámos a temperatura do material fundido e ajustámos os tempos de cada step do processo de injeção de água até que começámos a obter resultados que iam de encontro ao pretendido. Como o presente sistema periférico de IAA possuí dois sistemas de injeção de água independentes, foi necessário proceder ao mesmo trabalho de “debbuging” para o segundo sistema do equipamento. Em ambos os sistemas de injeção, foi possível obter o mesmo resultado, o que nos prova a fiabilidade do equipamento desenvolvido.


CONCLUSÃO

Com estes resultados, concluímos que o sistema periférico de injeção assistida por água desenvolvido no âmbito deste projeto está perfeitamente habilitado ao cumprimento do seu objetivo de assistir na produção de peças plásticas de geometrias complexas e ramificadas e ainda que o novo equipamento desenvolvido, permitiu injetar peças vazadas com água com um nível de qualidade superior ao conseguido com um outro equipamento comercializado por uma marca alemã. Desta forma, foi possível concluir que o desenvolvimento do sistema de injeção assistida por água satisfaz as condições propostas.

Artigo Co-financiado pelo:

Luís Mendes, Helena Fernandes
Coordenadores do Departamento de Investigação e Desenvolvimento da TECLENA
Promotor Líder do projeto: TECLENA SA
Co-Promotores do projeto: UNIVERSIDADE DO MINHO; PLACIDO ROQUE, LDA; MOLDETIPO II, LDA; INSTITUTO POLITÉCNICO DE LEIRIA

Translate »