Aquecimento do Molde

O tempo de fusão do polímero micronizado é afetado pela característica da coales- cência, o processo químico de aglutinação de pequenas partículas para formar algo maior. No processo de coalescência pequenos pacotes de gás precisam se desprender dos micro grãos e afetam diretamente a temperatura do processo. Essas bolhas não conseguem se mover no plástico derretido, podendo ficar aprisionadas, prejudicando o resultado final do produto. A Figura 15 mostra o comportamento das partículas dentro do molde.

Figura 15 – Estágios de aquecimento do polímero dentro do forno

Fonte: (CRAWFORD, 2003)

Tipicamente os únicos controles do processo são: a temperatura do forno, o tempo dentro do forno e o tempo de resfriamento. Cada uma dessas variáveis tem importância e alteram algumas características diferentes no produto final.

O tempo de forno pode ser muito curto, no ponto de cozimento ou sobreaquecer a peça. Quando a peça fica pouco tempo no forno, não ocorre a fusão total da peça, ou seja, parte do material não terá se aglutinado, tendo assim um desperdício de material, bem como a perda da resistência máxima da peça. O efeito de baixa temperatura de cozimento

Capítulo 3. Processo de rotomoldagem 37

pode ser também pela baixa temperatura escolhida para o forno. Conforme as estações do ano, principalmente nos meses mais frios, a temperatura ambiente tem bastante efeito no tempo de forno. É necessário realizar uma compensação em tempo de forno para acertar o ponto da peça. O tempo ideal de forno é quando todas as partículas tem tempo para se aglutinarem, e então formarem uma peça lisa, sem poros.

O sobrecozimento é um problema que deve ser observado com atenção. Quando o polímero sobreaquece ele entra em degradação. A peça pode ter até uma aparência muito boa, porém as propriedade mecânicas do plástico já foram alteradas.

A Figura 16 apresenta um perfil de aquecimento de um forno de rotomoldagem. A temperatura do ar interno do molde representa uma temperatura semelhante a do polímero. Entre os pontos A e B o polímero está na fase de fusão. Nessa etapa é necessário que o ar entre as partículas possa sair para evitar bolhas na peça final. Se o molde for retirado nessa etapa o sub aquecimento pode ocorrer, não fundindo todo o material carregado. Entre B e C é o período para formação de uma parede uniforme para a peça. Nessa etapa o subaquecimento leva a uma peça com paredes irregulares. Outra preocupação nessa etapa é o sobreaquecimento, pois como o polímero já mudou de fase a temperatura pode subir bem mais depressa do que entre os pontos A e B, além de existir um efeito de inércia térmico do molde para o polímero. Segundo (COUTINHO; MELLO; SANTA MARIA, 2003) a temperatura de início de degradação do polietileno é em torno de 300 graus Celsius.

Figura 16 – Perfil típico de aquecimento de um forno de rotomoldagem

Fonte: (COMISSO; LIMA; CARVALHO, 2013)

No processo comercial é encontrado o tempo ideal de forno por tentativa e erro, tendo muito a ver com a habilidade do operador. O aspecto final da peça pode indicar o

Capítulo 3. Processo de rotomoldagem 38

sobreaquecimento, devido ao odor característico de queimado, que surge da oxidação dos polímeros.

3.4.2 Resfriamento do Molde

A etapa de resfriamento, etapa C em diante da Figura 16, tem um período de temperatura constante, entre os pontos D e E. Nesse período é onde ocorre a cristalização, então é muito importante não iniciar a abertura do molde nesse período. Em máquinas ma- nuais isso não ocorre pois essa temperatura é muito elevada para os operadores acessarem o molde, porém em máquinas automáticas é necessário se atentar a isso.

Como o resfriamento não é uniforme, devido às características do produto, podem surgir tensões residuais se o gradiente de temperatura do molde for muito elevado, preju- dicando o aspecto final da peça por empenamento e podendo acarretar em alterações das propriedades mecânicas, como fragilidade e tensão de escoamento, conforme (COMISSO; LIMA; CARVALHO, 2013).

O resfriamento é feito com auxílio de aspersão de água em quase todos os ciclos de rotomoldagem, aumentando a troca de calor do molde com o ambiente, e diminuindo o tempo de resfriamento. Resulta em uma peça com características mecânicas diferentes do que uma peça resfriada somente com ar, para um mesmo polímero. É necessário se atentar à umidade relativa do ambiente, pois com o ar muito saturado reduz a evaporação da água, e então, ao invés de evaporar e retirar mais calor, a água fica depositada na parte externa do molde, prejudicando o resfriamento do molde.

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4 DESENVOLVIMENTO

Dentre as dificuldades no processo de rotomoldagem na Krenke Brinquedos Pe- dagógicos está o controle de temperatura do molde e do polímero. O resfriamento e o aquecimento dependem muito da temperatura ambiente. A etapa de resfriamento é parametrizada pela sensibilidade e experiência do operador.

Observou-se um problema na detecção de parâmetros e variáveis para o aprimo- ramento do processo. A partir da ideia de melhoria do processo iniciou-se a medição de temperatura ambiente e da umidade relativa do ar no local da máquina, pois, são dois parâmetros que influenciam no processo de rotomoldagem.

Para fazer as medidas afim de identificar tais parâmetros, foi adquirido um termô- metro com higrômetro embutido, do modelo TH50, da Incoterm, da Figura 17. O medidor foi colocado próximo a um dos locais de resfriamento de uma máquina Shutler1_{, com forno}

de 3,5 metros. Os operadores dos três turnos foram orientados a anotarem manualmente, de ciclo em ciclo, a temperatura ambiente e a umidade relativa do ar em uma planilha, disponibilizada no computador. Além disso, foram marcados os tempos de forno, os tempos de resfriamento e a quantidade de tempo que houve aspersão de água e a percepção do resultado final da peça, que esta ligada a experiência do operador. Essas mediadas foram realizadas manualmente devido hás dificuldades referentes a pandemia, e para se ter umas ideia inicial dos parâmetros envolvidos.

A partir de então, observou-se que os operadores não mantiveram uma rotina constante de anotação dos parâmetros solicitados. Foram analisados dados referente a 17 dias corridos do mês de Novembro de 2020, com 75 anotações.

Com os dados coletados pode-se observar que a percepção de que a peça estava muito quente ocorreu quando a temperatura ambiente estava mais alta, conforme a Figura 18. A média de temperatura ambiente para a percepção de peça “muito quente” foi de 34, 4◦C, com desvio padrão de 2, 73. Pode-se observar também que em temperaturas ambientes mais baixas a percepção de peça “ok” foi em uma temperatura ambiente média de 26, 8◦C, com desvio padrão de 2, 51. Para a percepção de quente a temperatura ambiente média ficou em 31, 4◦C, com desvio padrão de 3, 08.

Observou-se que a umidade relativa medida, que foi de 24% a 83%, não influenciou na percepção de temperatura final, pois a distribuição foi bastante semelhante, como mostra no histograma da Figura 19. As médias de umidade relativa ficaram em 45, 6%, 53, 9% e 46, 5% para percepções de temperatura “muito quente”, “ok” e “quente”, res- pectivamente, com desvios padrões em torno de 12. Pode ser que extremos de umidades relativas, acima dos 95%, influenciem no processo, porém, no intervalo analisado de 17 dias, que foi um período curto, não ocorreram valores assim.

Em uma peça que sai “muito quente” percebe-se três problemas: a moleza da peça,

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Capítulo 4. Desenvolvimento 40

Figura 17 – Termo-higrômetro TH50

Fonte: https://www.incoterm.com.br/solucoes-em-medicao/termo-higrometros-digitais-eletr ica/produto/termo-higrometro-digital-incoterm-com-maxima-e-minima-th50-4208

dificuldade de encostar e dificuldade em movimentar a peça. Essa moleza pode acarretar em deformação na peça, pois como as peças são ocas, algumas das faces sofrerão com a força da gravidade, abaulando, além da face apoiada no chão poder ficar plana em caso de peças com formas curvadas. O fato de ser difícil de manusear a peça muito quente dificulta ainda mais o posicionamento correto para o acabamento.

Quando a peça sai “ok” percebe-se que a peça não deforma mais no armazenamento, porém quanto mais fria a peça, mais difícil é a realização do acabamento, já que o plástico estará mais rígido.

A peça saindo “quente” pode ter pouca deformação por ainda estar mole, mas geralmente o efeito é muito pequeno, segundo a experiência dos operadores. Além disso, para o acabamento, a moleza adicional do plástico comparado com as peças “ok” dá uma vantagem para o acabamento das peças.

Outra coisa que se pode observar é que se o processo está no regime “ok”, o tempo de resfriamento pode ser diminuído, para obter-se peças quentes. A redução do tempo de resfriamento diminui o tempo total de ciclo. Considerando que por dia é realizado um total de 24 ciclos de 60 min, a redução de 2 minutos por ciclo permite o ganho de 1 ciclo a cada 30 ciclos, aumentando a produtividade da máquina, representando um dia a mais de produção a cada um mês e meio.

Capítulo 4. Desenvolvimento 41

Figura 18 – Percepção de temperatura da peça com relação a temperatura ambiente

Fonte: Acervo pessoal

automaticamente o operador de tomar decisões para melhorar o ciclo de trabalho da máquina. O sistema proposto informa a temperatura e umidade relativa do ar, indicando quais parâmetros da receita devem ser ajustados manualmente, como tempo de forno, tempo de resfriamento e tempo de aspersão de água.

4.1 SENSORES

Existe uma grande variedade de sensores e transdutores para medir temperatura e umidade no mercado. Esses termômetros e higrômetros costumam ser conectados a placas que fazem a leitura analógica do sinal ou também são transdutores já calibrados que transmitem esses dados a um controlador.

4.2 CONTROLADORES

As informações disponibilizadas pelo termômetro e pelo higrômetro precisam ser recebidas e disponibilizadas para o usuário. Existem alguns controladores capazes de receber esses dados e exibir para o operador. Observando o mercado é possível encontrar dispositivos que se conectam através de cabos de redes, através de cabos USB e também por meios sem fio.

Um desses dispositivo é o Arduino, muito versátil, que pode ser conectado via USB, cabo de ethernet e também sem fio através de placas acessórias de hardware com transmissores Wi-Fi, por exemplo. Outro dispositivo também conhecido e que tem conexão

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Figura 19 – Percepção de temperatura da peça com relação a umidade relativa do ar

Fonte: Acervo pessoal

sem fio é o ESP8266. Ele já vem preparado para fazer o uso de rede wireless, e pode ser conectado a sensores comerciais de temperatura e umidade.

Por sua vez, o Kit de desenvolvimento modelo STM32L0 da STMicroelectronics2

utiliza um microcontrolador STM32L072CZY6TR MCU que é capaz de operar com LoRa e SigFox. Está descrito em (STMICROELECTRONICS, 2019). É uma opção que opera utilizando redes de baixo consumo de energia e longo alcance. O Kit foi desenvolvido como uma ferramenta de aprendizado para tecnologias Low Power ou Baixa Potência (LP) e inclui diversas funções nativas para desenvolvimento, incluindo pinos que seguem o formato do Arduino UNO R3, que é a placa mais conhecida para desenvolvimento do mundo. Tem um modem LoRa de longo alcance, provendo um bom alcance e boa imunidade à interferências.

Uma tabela desenvolvida por (CANDELL et al., 2018) apresenta o uso de diversas tecnologias sem fio para a diversas aplicações de IIoT, conforme o recorte na Figura 20. Para uma atividade de monitoramento fabril encontra-se à disposição redes IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 TDMA, IEEE 802.15.4 CSMA e Very Low Bit Rate (VLBR) WAN. Considerou-se que a latência não afeta a decisão do operador, pois o processo de rotomoldagem trabalha com ciclos na ordem de dezenas de minutos. Tipicamente redes IEEE 802.15.4 tem um baixo alcance comparado as outras tecnologias. Rádios que operam com VLBR WAN (as LPWANs, como definido neste trabalho) geralmente tem uma latência maior, porém, o consumo de energia é bem menor para um alcance maior.

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Capítulo 4. Desenvolvimento 43

LoRaWAN e SigFox são representantes das VLBR WAN’s. Dispositivos que utilizam IEEE 802.11 tipicamente consomem mais energia do que as outras tecnologias indicadas, pois tem taxas bem mais elevadas de transmissão de dados e latências menores.

Figura 20 – Recorte da tabela de aplicações de tecnologia sem fio na indústria

Fonte: (CANDELL et al., 2018)

O kit da STMicroelctronics foi disponibilizado pelo professor orientador, junto com a Shield modelo X-NUCLEO-IKS01A2, descrita em (STMICROELECTRONICS, 2016). Ele se conecta através de I2C, protocolo com fio de baixa velocidade, dedicado a sistemas embarcados. É compatível com Arduino UNO R3. Analisando as indicações de (CANDELL et al., 2018) é possível observar que se trata de uma boa escolha de dispositivo,

visto o baixo consumo de energia, a robustez, o cumprimento dos requisitos de latência e a disponibilidade do equipamento.

Dessa forma o dispositivo da STMicroelctronics STM32L072CZY6TR MCU foi selecionado com a shield IKS01A2, que contém um giroscópio 3D, um acelerômetro 3D, um magnetômetro 3D, um termômetro, um higrômetro, um barômetro e ainda conta com portas analógicas, digitais e outras interfaces de comunicação. Estão apresentadas nas Figuras 21 e 22.

Capítulo 4. Desenvolvimento 44

Figura 21 – Kit da STM com STM32L072CZY6TR MCU

Fonte: https://www.hackster.io/trexsantillan/lora-based-switchgear-temperature-and-humi dity-monitoring-1717ca

Figura 22 – Unidade inercial e sensorial IKS01A2

Fonte: https://www.hackster.io/trexsantillan/lora-based-switchgear-temperature-and-humi dity-monitoring-1717ca

4.3 GATEWAY

A tecnologia LoRaWAN já tem uma cobertura bastante ampla pelo Brasil, porém em Guaramirim, como pode ser visto nas Figura 23, não existe nenhum gateway ligado à rede aberta The Things Network (TTN)3, portanto, é necessário a instalação de um gateway de Internet para realizar os testes dentro da indústria. A rede TTN é uma rede global de IoT com a intensão de ser construída, mantida e operada pelos próprios usuários do serviço. Tem uma infraestrutura que começou a ser construída em 2015 em Amsterdã e hoje conta com um alcance em mais de 70 países.

Capítulo 4. Desenvolvimento 45

A escolha de tecnologia de rede LoRaWAN em relação a SigFox foi pela possibilidade montar a própria infraestrutura de rede com gateway próprio, além de não precisar desembolsar valores referentes a mensalidade do sistema SigFox.

Figura 23 – Disponibilidade de gateways TTN mais próximos a Guaramirim, escala 5km

Fonte: https://www.thethingsnetwork.org/

Um modelo comercial disponível pode ser adicionado à rede da empresa para disponibilizar acesso ao dispositivo. O gateway transmite os dados para um servidor. Através do serviço da TTN é possível habilitar o dispositivo LoRaWAN para acessar o gateway.

4.4 APLICAÇÃO

Para a aplicação existem serviços gratuitos para redes LoRaWAN, que dispõem de um ambiente bastante versátil e gratuito. Um desses serviços é o TagoIO4_{, que busca}

informações da TTN. O serviço da TagoIO opera em nuvem e disponibiliza a conexão de diversos dispositivos diferentes de IoT. Através das configurações disponibilizadas é possível realizar inúmeros processamentos com os dados recebidos, além da visualização elegante das medidas e o envio de mensagens de alerta. O serviço disponibilizado pela TagoIO compreende soluções de controle de dispositivos, armazenamento de dados, processamento e execução de análises dos dados, além da integração de diversos dispositivos.

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5 PRIMEIROS RESULTADOS

A primeira etapa foi a criação de uma aplicação na TTN, a rede de gateways abertos LoRaWAN. Com os dados de identificação do dispositivo foi possível configurar o Kit de desenvolvimento STM32L0. Utilizou-se um período de envio de dados de 10 minutos, tempo que garante duas medições dentro do menor ciclo operado pela máquina Shutler. No Brasil, a operação LoRa ocorre na sub banda 2 do espectro ISM na faixa de 915 MHz.

Foi preparado um painel de exibição, Figura 24, para apresentação dos resultados na plataforma TagoIO.

Figura 24 – Dashboard apresentando temperatura ambiente e umidade relativa do ar ao longo do tempo

Fonte: https://admin.tago.io/public/dashboard/5fc3eab42322660027b733a7/c62d8fde-5dd1-43 f0-b09b-4ef4710078c6

As ações foram encaminhadas para o operador e para o gerente de produção através de notificações do tipo push, Figura 25, usando o aplicativo da TagoIO. A aplicação informa que conforme a temperatura ambiente varia, é necessário mudar os parâmetros de tempo de resfriamento e aquecimento. O operador deve então alterar manualmente a receita para adequar o resultado final da peça. O interessante de usar o aplicativo da TagoIO é a possibilidade de ver o painel de exibição diretamente pelo celular, criado para observação

Capítulo 5. Primeiros Resultados 47

dos dados, conforme Figura 26.

Figura 25 – Notificação (em vermelho) via push do aplicativo TagoIO num celular android

Fonte: Acervo pessoal

É importante ressaltar que as dificuldades decorrentes da pandemia limitaram a execução de um teste em campo. Todos os dados da implementação foram obtidos à distância, com o termo higrômetro e o gateway operando em Florianópolis, na residência do orientador. Porém, toda a implementação está pronta e não precisa sofrer nenhuma modificação para ser feita diretamente na empresa.

Capítulo 5. Primeiros Resultados 48

Figura 26 – Dashboard no app

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6 CONCLUSÃO

É interessante notar que a IIoT traz uma facilidade muito grande pra implantação de sistemas de monitoramento, o que se aplica ao processo de rotomoldagem. Como no projeto desenvolvido, tem-se a possibilidade de utilizar um dispositivo de custo não muito elevado. A partir do momento da implantação de um gateway, que é a parte mais cara, a adição de novos dispositivos que coletam dados é relativamente mais barata.

Os resultados trazidos ao operador através das notificações podem trazer um ganho bom para empresa, diminuindo o tempo médio por ciclo, e, consequentemente, aumentando o número de ciclos por dia.

Observa-se que as medidas feitas através do operador no termo higrômetro na no Capítulo 4 não contemplaram medidas de temperaturas muito baixas, pois a época do ano em que foram feitas não permitia. Por observação do operador é possível dizer que em meses frios é necessário uma notificação lembrando de aumentar o tempo de forno quando a temperatura ambiente é muito baixa, pois, se verifica que as peças saem cruas com o mesmo tempo de receita que em meses quentes. Além de aumentar a temperatura ou o tempo de forno, é possível reduzir o tempo de resfriamento, pois a temperatura ambiente menor aumenta a troca de calor entre o molde e o ambiente.

Outros resultados também podem ser obtidos usando um termo-higrômetro. Através da temperatura e da umidade relativa do ar é possível aferir qual o grau de conforto térmico existente no ambiente industrial, em tempo real. Para melhorar a precisão da estimativa da temperatura ambiente um anemômetro pode ser instalado em conjunto com o kit da STM. Dependendo da sensação térmica no ambiente de trabalho, a empresa precisa arcar com o custeio da insalubridade. Se for controlada, pode reduzir um custo para empresa, melhorando o ambiente de trabalho para o funcionário e evitando um possível passivo trabalhista futuro.

O registro manual dos dados pelo operador é um procedimento que nem sempre dá certo. Baseado na tabela que originou o histograma da Figura 18, pode-se observar que não houve regularidade na anotação dos valores, sendo que muitas vezes era esquecido pelo operador, principalmente, durante a troca de turno ou retorno do intervalo de refeição. Uma possível melhoria é a adição de alguns botões para que o operador possa registrar a percepção de temperatura da peça, concentrando todos os dados em um servidor, para acesso futuro, e possivelmente melhorando a recorrência do feedback do operador.

O futuro do mercado IIoT é promissor, e utilizará várias tecnologias diferentes para conexão com a internet. Observou-se que a tecnologia LoRaWAN pode ser usada no contexto do projeto em questão. O desempenho no ambiente industrial será testado assim que possível.

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REFERÊNCIAS

AHUJA, Kunal; RAWAT, Amit. Rotomoulding Powder Market Size By Product (Polyethylene, [Linear Low-Density Polyethylene, High-Density Polyethylene,

Medium-Density Polyethylene, Low-Density Polyethylene], PVC Plastisol), By Application (Tanks, Containers, Automotive, Construction, Material Handling, Leisure, Toys), Industry Analysis Report, Regional Outlook,

Growth Potential, Price Trends, Competitive Market Share Forecast, 2018 – 2024. [S.l.]: Global Market Insights, Inc., ago. 2018. Disponível em:

https://www.gminsights.com/industry-analysis/rotomoulding-powder-market. BLUETOOTH market update. www.bluetooth.com, Bluetooth SIG, Inc., 2018. Disponível em: https://www.bluetooth.com/wp-

content/uploads/2019/03/Bluetooth_Market_Update_2018.pdf.

CANDELL, R. et al. Industrial Wireless Systems Guidelines: Practical Considerations and Deployment Life Cycle. IEEE Industrial Electronics Magazine, v. 12, n. 4, p. 6–17, 2018. DOI: 10.1109/MIE.2018.2873820.

COMISSO, Tiago Boni; LIMA, Carlos Alberto Silva de; CARVALHO, Benjamim de Melo.