4. Sistema de produção por RTM: Desenvolvimento, otimização e fabrico
4.5. Controlo dos sistemas térmicos implementados
A seleção dos controladores foi efetuada de acordo com os requisitos estabelecidos para cada um dos sistemas térmicos anteriormente referenciados e descritos no subcapítulo
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4.3. A necessidade de estabilizar a temperatura do molde no menor intervalo de tempo possível e de manter esse valor constante durante o processo de polimerização/cristalização fundamentou a escolha do controlador CNi3253. Dada a complexidade construtiva do reservatório de fusão e a exigência em termos de taxa de aquecimento da resina, optou-se por escolher um controlador semelhante ao do molde mas com mais potencialidades. Destas destacam-se, a possibilidade de programação de uma rampa de aquecimento e a possibilidade de comunicação entre o controlador e o PC, o que permitiu a programação do controlador por esta via bem como a monitorização e recolha de dados. O controlador ON/OFF foi utilizado pelo facto de não existirem restrições em termos de taxa de aquecimento das tubagens de transporte da resina e do azoto. O processo de aquecimento das tubagens decorre enquanto a resina funde no reservatório, processo ao qual está associado um tempo suficiente para estabilizar a temperatura das tubagens no valor pretendido.
O controlo dos sistemas térmicos do molde e do reservatório de fusão compreenderam uma fase inicial de estudo individualizado dos mesmos. Numa fase posterior, após efetuada a seleção e sintonização individual dos parâmetros de controlo, os sistemas foram ligados e colocados em funcionamento simultâneo. O controlo ON/OFF do sistema de aquecimento das tubagens só foi estudado no decorrer do processo produtivo, uma vez que apenas requer a definição do valor de temperatura pretendido e dos limites máximo e mínimo de temperatura para os quais se desliga e liga, respetivamente, o controlador. Deste modo, a otimização conjunta foi efetuada no decorrer do funcionamento do processo produtivo (subcapítulo 4.6).
O estudo individualizado dos sistemas consistiu na avaliação do seu comportamento na presença dos controladores dedicados, mas colocando-os em diferentes modos de funcionamento: em malha aberta e em malha fechada. Em malha aberta a saída do sistema (temperatura medida) não afeta o valor de saída do controlador (tensão a aplicar ao Crydom, neste caso compreendida entre 0 e 10 V). O controlador é configurado para funcionar em modo manual, sendo o utilizador que estabelece o valor de tensão. Este estudo permitiu conhecer o comportamento dos sistemas térmicos quando submetidos a diferentes valores de tensão de entrada. Ou seja, conhecer, para um determinado valor de tensão, a evolução temporal da temperatura, o valor máximo atingido e o intervalo de tempo correspondente. Com esta informação foi possível estabelecer uma estimativa inicial da gama de valores de tensão que, conjuntamente com a definição da temperatura de referência e outros parâmetros, permitiu a programação do controlador para funcionar em modo autónomo, ou
seja, em malha fechada. Neste modo, o sinal de saída do sistema (temperatura medida pelo sensor) é comparado com o sinal de referência (temperatura desejada) e o erro resultante (diferença entre os dois sinais) é utilizado para condicionar as ações do controlo, com o objetivo de reduzir esse mesmo erro.
Os estudos realizados em malha fechada, particularizados nos subcapítulos 4.5.1 e 4.5.2, levaram à especificação de uma lei de controlo para cada controlador. Esta lei foi estabelecida internamente pelo controlador, após este ter sido submetido a uma operação de autossintonização (auto tunning)16. Em autossintonização o controlador utiliza os valores de entrada e de saída que, respetivamente, introduz e recolhe em cada instante do sistema, para determinar os valores das constantes P- Proporcional, I- Integral e D-Derivativa de controlo. Neste processo o controlador encarrega-se de atribuir e testar diferentes valores aos seus parâmetros, enquanto os objetivos preestabelecidos de controlo não forem satisfeitos (período de autossintonização). Logo que o sejam, o processo é terminado e o valor determinado para as constantes é disponibilizado ao utilizador.
De seguida são apresentados os estudos efetuados para cada um dos sistemas de aquecimento.
4.5.1.
Molde
Estudo em malha aberta
De acordo com a teoria de controlo de sistemas [158], o conjunto constituído pelo controlador em modo de funcionamento manual (saída do controlador constante e definida pelo utilizador), o sistema de aquecimento (Crydom e resistências de cartucho), o molde e o sensor de medição de temperatura pode ser designado por sistema de controlo em malha aberta. Na Figura 4.10 mostra-se a representação esquemática desse circuito.
16 Esta potencialidade é característica em ambos os controladores e constitui um fator
Sistema de produção por RTM: Desenvolvimento, otimização e f
Figura 4.10:
A saída do controlador, atribuída pelo operador, corresponde a um valor em tensão compreendido entre 0 e 10 V.
proporcional compreendida entre 0 e 2 curva é apresentada na Figura
entre o valor da temperatura ambiente e um valor máximo. Sempre que a tensão de entrada conduziu a um valor máximo superior ao pretendido para o processamento RTM, o ensaio foi imediatamente interrompido pelo utilizador.
Figura 4.11: Curva caraterística de entrada versus saída do controlador Crydom As curvas de evolução da temperatura do molde
valores de tensão de entrada de 3,2 V, 3,
análise permitiu identificar um comportamento linear na fase inicial de aquecimento, seguido de um comportamento exponencial decrescente, que converge para um valor máximo de temperatura. À medida que o valor de tensão aumenta, o declive da zona linear aumenta e, consequentemente, aumenta a taxa de aquecimento do molde.
Compósitos de matriz termoplástica de baixa viscosidade reforçados com fibras naturais de
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: Circuito de controlo do molde em malha aberta.
A saída do controlador, atribuída pelo operador, corresponde a um valor em tensão V. Como resultado, o Crydom fornece às resistências uma tensão proporcional compreendida entre 0 e 230 V, de acordo com a sua curva caraterística
Figura 4.11, e permite ao utilizador variar a temperatura do molde tura ambiente e um valor máximo. Sempre que a tensão de entrada conduziu a um valor máximo superior ao pretendido para o processamento RTM, o ensaio foi imediatamente interrompido pelo utilizador.
caraterística de entrada versus saída do controlador Crydom
de evolução da temperatura do molde ao longo do tempo, obtidas para valores de tensão de entrada de 3,2 V, 3,4 V e 4,0 V, são apresentadas na
identificar um comportamento linear na fase inicial de aquecimento, seguido xponencial decrescente, que converge para um valor máximo de temperatura. À medida que o valor de tensão aumenta, o declive da zona linear aumenta e, consequentemente, aumenta a taxa de aquecimento do molde.
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.
A saída do controlador, atribuída pelo operador, corresponde a um valor em tensão fornece às resistências uma tensão 30 V, de acordo com a sua curva caraterística. Esta , e permite ao utilizador variar a temperatura do molde tura ambiente e um valor máximo. Sempre que a tensão de entrada conduziu a um valor máximo superior ao pretendido para o processamento RTM, o ensaio foi
caraterística de entrada versus saída do controlador Crydom [156]. ao longo do tempo, obtidas para 4 V e 4,0 V, são apresentadas na Figura 4.12. A sua identificar um comportamento linear na fase inicial de aquecimento, seguido xponencial decrescente, que converge para um valor máximo de temperatura. À medida que o valor de tensão aumenta, o declive da zona linear aumenta e,
Figura 4.12: Evolução da temperatura do molde em função do tempo obtida no estudo em malha aberta.
Para valores de tensão inferiores a 4 V, a temperatura máxima atingida pelo molde foi sempre inferior à pretendida para o processamento RTM (190 °C). No entanto, a análise destes resultados permitiu constatar a estabilização da temperatura com o tempo (78 °C e 134 °C, respetivamente, para a tensão de 3,2 V e 3,4 V). Com uma tensão de alimentação de 4 V concluiu-se que o molde acabaria por conseguir atingir os 190 °C pretendidos, contudo à custa de um tempo de aquecimento inaceitável (à volta de 3 h). Note-se que o estudo foi direcionado de forma a encontrar a solução que permitisse atingir e estabilizar a temperatura de 190 °C no menor intervalo de tempo possível. Desta forma, pudemos concluir que ao definir a gama de tensão de trabalho para a fase seguinte (estudo em malha fechada) o seu valor máximo teria que ser sempre superior a 4 V.
Estratégia de controlo
A estratégia de controlo para o molde, de acordo com o especificado de uma forma genérica no item 4.5, conduziu à realização de um conjunto de ensaios em malha fechada. Na Figura 4.13 apresenta-se o esquema do circuito de controlo correspondente a este sistema. O controlador foi programado para funcionar em autossintonização dos seus parâmetros. A programação incluiu a definição, por parte do programador, da temperatura de referência pretendida, 190 °C, bem como a gama de valores de tensão a utilizar pelo controlador. Esta compreendeu a alteração do valor superior de tensão, tendo por objetivo reduzir o tempo que o sistema levava a atingir e estabilizar na temperatura pré-estabelecida.
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Figura 4.13: Circuito de controlo do molde em malha fechada.
Resultados e análise
Os parâmetros de controlo (PID) fornecidos como consequência da autossintonização confirmaram a necessidade de se adicionar ao sistema um controlo proporcional integral. O termo proporcional reflete o aumento da taxa de aquecimento enquanto persistir o erro entre a temperatura lida e a estipulada como referência. O termo integral anula o erro de temperatura. Após avaliados os parâmetros de controlo ajustados pelo próprio controlador, este foi reprogramado para estes parâmetros e colocado novamente em funcionamento. Este procedimento foi efetuado repetidamente até ser confirmado que os parâmetros de controlo escolhidos satisfaziam as necessidades impostas pelos requisitos do processamento por RTM para os materiais em estudo.
Na Figura 4.14 são apresentadas as curvas de evolução da temperatura com o tempo, para os testes realizados com duas das autossintonizações efetuadas pelo controlador. Os parâmetros de controlo (PID) ajustados para as gamas de tensão compreendidas entre 0 e 6 V (E60%) e 0 e 7 V (E70%) foram de P=40, I=1342, D=0 e P=40, I=1270 e D=0, respetivamente. Estes testes permitiram verificar que o molde demorava cerca de 42 e 30 min a estabilizar nos 190 °C para as entradas de 6 V e 7 V, respetivamente. Inicialmente a temperatura variou de forma linear, com uma taxa de variação menor no caso em que a tensão estava limitada a 6V, como seria de prever. Nesta fase o erro de temperatura é significativo, sendo predominante o efeito do termo proporcional do controlador. À medida que o erro diminui é sentida a influência do termo integral. A curva que possui um termo integral maior é aquela que demora mais tempo a atingir um regime estacionário. Na primeira situação o molde demorou cerca de 20 min a atingir os 180 °C e os restantes 22 min a atingir os 190 °C, período após o
qual estabilizou nesta temperatura. Relativamente à segunda situação, a evolução foi, em tudo similar, demorando cerca de 14 min a atingir os 180 °C e 16 min a estabilizar nos 190 °C. Face ao exposto, considerou-se que os resultados da segunda sintonização eram uma solução inicial satisfatória para a produção dos compósitos propostos.
Figura 4.14: Teste aos parâmetros ajustados pelo controlador do molde.
4.5.2.
Sistema de fusão
Estudo em malha aberta
O estudo em malha aberta do sistema correspondente ao reservatório de fusão, que se ilustra na Figura 4.15, compreendeu um vasto conjunto de experiências com o objetivo principal de determinar o seu comportamento geral. Estas experiências envolveram o aquecimento com uma tensão de entrada em forma de degrau (de amplitude constante), numa gama de 4 a 10 V. Tendo em consideração o objetivo principal deste estudo e o número elevado de ensaios a realizar, optou-se por não utilizar a resina CBT16017, uma vez que a sua quantidade era limitada. Em alternativa, foi utilizado um polietileno de baixa densidade (PEBD) que exibiu um comportamento similar no processo de aquecimento, como se mostra na Figura 4.16. Assim, a afinação dos parâmetros de controlo especificamente para a resina
17 A resina CBT160 é comercializada apenas pela empresa Cyclics Corporation, sediada nos Estados Unidos da América, a um preço elevado (14,60 €/kg) e com prazos de entrega demorados.
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CBT160 foi apenas efetuada e respetiva otimização (subcapítulo
Figura 4.15: Circuito de controlo em malha aberta do reservatório de fusão
Figura 4.16: Comportamento térmico no aquecimento do PEBD e da resina CBT
Na Figura 4.17 são apresentada função do tempo, obtidas em sete dos e
meio de transferência de calor o óleo Termal H ensaios foram interrompidos
ligeiramente superior ao limite máximo estabelecido para a temperatura de processamento. Compósitos de matriz termoplástica de baixa viscosidade reforçados
com fibras naturais de
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efetuada aquando da colocação do sistema produtivo em funcionamento otimização (subcapítulo 4.6).
Circuito de controlo em malha aberta do reservatório de fusão
Comportamento térmico no aquecimento do PEBD e da resina CBT
são apresentadas as curvas de evolução da temperatura
obtidas em sete dos ensaios realizados. Nestes ensaios foi utilizado como meio de transferência de calor o óleo Termal H e a sonda Pt100 foi imersa na resina. Os
assim que foi registada uma temperatura da resina de 200 ligeiramente superior ao limite máximo estabelecido para a temperatura de processamento.
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o sistema produtivo em funcionamento
Circuito de controlo em malha aberta do reservatório de fusão.
Comportamento térmico no aquecimento do PEBD e da resina CBT160.
temperatura da resina em nsaios realizados. Nestes ensaios foi utilizado como imersa na resina. Os foi registada uma temperatura da resina de 200 °C, ligeiramente superior ao limite máximo estabelecido para a temperatura de processamento.
Figura 4.17: Evolução da temperatura na resina de PEBD em função do tempo, no estudo efetuado em malha aberta.
Como resultado do estudo em malha aberta, e de acordo com os valores observados no gráfico da Figura 4.17, o valor de temperatura de 190° C é atingido em todas as curvas correspondentes a um valor de tensão de entrada superior a 4 V. Constatou-se ainda a necessidade de aplicar ao sistema um valor de tensão igual ou superior a 7 V para que se verificasse, na gama de temperaturas compreendida entre os 120 e os 190 °C, a taxa mínima de aquecimento de 10 °C/min (conforme estabelecido em 4.3). Por último, verificou-se que o sistema ao ser desligado não provocava o decréscimo imediato da temperatura na resina, continuando esta a aquecer. Este facto, pode ser justificado pela inércia térmica associada aos aspetos construtivos do reservatório de fusão. As suas resistências, para além de estarem embebidas num banho de alumínio, não aquecem diretamente a resina mas sim o banho de óleo que a envolve. Como consequência, na fase inicial de aquecimento a temperatura da resina apresenta um grande atraso, e uma vez desligadas as resistências continua a observar- se um aumento de temperatura tanto mais significativo quanto maior a tensão aplicada. Como resultado desta análise foi possível concluir que seria muito difícil o controlo simultâneo dos dois parâmetros preestabelecidos: (i) o aquecimento da resina a uma taxa mínima de 10 °C/min; e (ii) a manutenção da temperatura de 190 °C durante a fase de injeção. Neste contexto, foi necessário posteriormente ponderar esta situação, tendo sido estabelecido um compromisso entre a taxa de aquecimento da resina e o sobreaquecimento do sistema, conducente à degradação do óleo, dos sistemas de vedação e do motor elétrico que incorpora o agitador mecânico.
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Estratégia de controlo
O estudo em malha fechada do sistema de fusão, representado de forma esquemática na Figura 4.18, compreendeu um vasto conjunto de ensaios, nos quais foram testadas diferentes funcionalidades do controlador e localizações dos pontos de medição da temperatura.
Apesar de inicialmente fazer parte da estratégia de controlo a utilização da funcionalidade do controlador de permitir a programação de uma rampa de aquecimento, esta não pôde ser implementada. Isto porque o tempo mínimo de rampa, de acordo com as especificações técnicas do controlador, teria de ser pelo menos duas vezes superior ao tempo necessário para atingir os 190 °C (temperatura de referência), quando o sistema fosse alimentado à tensão máxima de 100% (10V). Para cumprir este requisito a taxa de aquecimento teria de ser muito inferior ao valor preestabelecido de 10 °C/min.
Figura 4.18: Circuito de controlo do sistema de fusão em malha fechada.
Foram efetuadas várias tentativas de autossintonização com a sonda imersa na resina. Em todas elas o processo teve de ser interrompido uma vez que não se observou a convergência da temperatura para o valor preestabelecido de 190 °C (foram realizados ensaios de duração superior a 5 horas). Esta constatação conduziu à alteração da metodologia até então estabelecida, tendo sido então testado o controlo junto à fonte de calor. A sonda de temperatura Pt100 foi colocada num orifício localizado nas paredes do reservatório, para controlo da temperatura nas proximidades da resistência lateral de aquecimento. Paralelamente, o registo da evolução da temperatura da resina continuou a ser realizado por intermédio de uma sonda imersa na mesma. Nesta situação, a convergência do processo de
autossintonização foi atingida num tempo satisfatório, com uma taxa de aquecimento da resina próxima do valor mínimo requerido. Foram realizados diferentes ensaios para valores crescentes de temperatura de referência e diferentes valores de tensão máxima de saída, que terminaram quando se obteve uma taxa de aquecimento da resina próxima da pretendida.
Resultados e análise
O processo de autossintonização realizado com a sonda Pt100 colocada junto à resistência lateral de aquecimento, temperatura de referência de 300 °C e tensão máxima de 70% do seu valor limite máximo (10 V), conduziu aos valores de 21.5, 126 e 0, para as constantes de controlo proporcional, integral e derivativa, respetivamente. Estes parâmetros foram posteriormente testados e conduziram às curvas de evolução de temperatura em função do tempo apresentadas na Figura 4.19, para a resistência lateral de aquecimento e para a resina. Como se pode verificar a taxa de aquecimento aproximou-se dos 10 °C/min no intervalo de temperatura previamente especificado (120°C a 190 °C). Este resultado sugere que na fase de funcionamento e otimização do processo produtivo, será necessário proceder a um ligeiro aumento da temperatura de referência e da tensão fornecida, simultaneamente ou não, a fim de conseguir aumentar ligeiramente este valor.
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4.5.3.
Tubagens de transporte da resina e do azoto pressurizado
Estratégia de controlo, implementação e análise
A Figura 4.20 apresenta o esquema do sistema de controlo de aquecimento das tubagens. Dada a sua simplicidade, o controlador ON/OFF foi ligado ao sistema de aquecimento das tubagens e programado para desligar quando a temperatura na superfície exterior da tubagem de transporte da resina atingisse a temperatura de 180 °C. Foi atribuído o mesmo valor ao limite inferior e superior de temperatura de controlo estabelecendo um nível de histerese nulo. Como resultado, verificou-se que a temperatura apresentava uma oscilação na ordem dos ±3 °C.
Figura 4.20: Circuito de controlo do sistema de aquecimento das tubagens em malha fechada.