3 PROPOSTA DE IMPLEMENTAÇÃO DO TRABALHO
3.4 O MÉTODO DE EXECUÇÃO DO TRABALHO
Para melhor compreensão do trabalho, o método de execução foi desenvolvido através de atividades, sendo descrito através de: resolução do equacionamento de transferência de calor entre a interface liga CuBe e termoplástico, simulação computacional da etapa de resfriamento, alteração do molde e ensaio comparativo entre os insertos (liga CuBe e aço AISI P20).
Paredes laterais Superfície moldante
3.4.1 Resolução analítica
Nesta seção são desenvolvidos os cálculos de transferência de calor relacionados ao fluxo de energia térmica na região analisada (Figura 5), ou seja, interfaces do polímero, inserto e fluído refrigerante.
Para simplificação do desenvolvimento analítico é admitido que a extração de calor do polímero, na região de estudo, é realizada somente pelo sistema de refrigeração dos insertos, desta maneira o calor cedido pelo polímero fundido na interface do inserto é totalmente removido pelo sistema de refrigeração do núcleo dos insertos.
Desta forma os cálculos apresentados referem-se ao inserto proposto, ou seja, construídos a partir da liga CuBe, pois apresentam um sistema baffle que realiza o arrefecimento da zona moldante. Sendo assim não são apresentados os cálculos dos insertos de aço AISI P20 por não ser possível uma comparação, já que não existe um circuito de refrigeração específico para região analisada.
Na Tabela 2 são inseridos os parâmetros de dados do inserto, necessários para o desenvolvimento analítico referente à transferência de calor que ocorre no sistema combinado (polímero, inserto e fluído refrigerante). Diante disto são apresentados parâmetros como diâmetro interno da cascata, profundidade do sistema, condutividade térmica da liga e outros.
Tabela 2 - Dados inserto de CuBe
Parâmetro Valor Unidade
Diâmetro da cascata (di) 0,008 m
Diâmetro externo do macho (De) 0,0125 m
Profundidade da cascata 0,0315 m
Condutividade térmica da liga (kampco) 106 W/mK
Espessura da lâmina defletora 0,001 m
Diâmetro da passagem de fluido (Dpas) 0,008 m
Fonte: Autor (2014)
Parâmetros como temperatura de processamento, temperatura de extração e condutividade térmica do polímero referente aos dados do processo e polímero podem ser visualizados através da Tabela 3.
Tabela 3 - Dados do polímero e processo
Parâmetro Valor Unidade
Temperatura de processamento (Tpol) 220 °C
Temperatura de extração para o sis. baflle 65 °C
Tempo do ciclo total 65 s
Densidade (ρ) 1183 kg/m³
Calor específico (c, cp) 1200 J/kg.K
Condutividade térmica (Kpol ) 0,13 W/mK
Fonte: Autor (2014)
Através da Tabela 4 são adquiridos os valores de densidade, calor específico, temperatura de entrada, vazão e outros referentes ao fluído refrigerante.
Tabela 4 - Dados do fluído refrigerante (água)
Parâmetro Valor Unidade
Densidade (ρ) 1000 kg/m³
Calor especifico (c, cp) 4186 J/kg.K
Coeficiente de condutividade (kágua) 0,602 W/mK
Viscosidade cinemática (u) 1,2E-06 m²/s
Viscosidade absoluta (μ) 0,001204 Ns/m²
Vazão para cascata (l/min) 4,34 l/min
Temperatura do fluido para cascata (Tflu) 13 °C
Fonte: Autor (2014)
Na Tabela 05 são apresentados valores do diâmetro externo e interno, volume de material polimérico, área superficial e outros, sendo referente aos dados do produto.
Tabela 5 - Dados do produto
Parâmetro Valor Unidade
Diâmetro externo (De) 0,0185 m
Diâmetro Interno (Di) 0,0125 m
Volume de polimero (Vol) 1,1E-05 m³
Comprimento do produto 0,041 m
Área superficial interna (Apol) 0,00161 m²
Segundo Incropera e de Witt (2003) a primeira tarefa em análise térmica referente a um trocador de calor é avaliar o coeficiente global de transferência de calor entre as duas correntes de fluído (refrigerante e polímero). Contudo o coeficiente total de transferência de calor pode ser obtido através das resistências individuais do circuito térmico na transferência de calor. Para isto temos a equação 3.0, sendo definida pela equação 3.1:
∑
(3.0)
( ) (3.1)
A Figura 5 ilustra uma seção em corte do inserto de estudo, desta maneira é possível visualizar as resistências envolvidas no sistema de transferência de calor combinado.
Figura 5 - Resistências térmicas para o sistema baffle
Fonte: Autor (2014)
Onde Rpolímero é o somatório das resistências que envolvem o polímero, nos dois processos de transferência de calor pelos mecanismos de convecção e condução, e é dado por:
⁄
(3.2)
Fluído refrigerante Inserto liga CuBe Produto
(polímero) Região analisada
Já Rliga CuBe é a resistência que envolve o inserto da liga CuBe sendo utilizada no mecanismo de condução para corpos de forma cilíndrica sem geração de calor:
(
)
(3.3)
Sendo Rágua a resistência do fluído que ocorre através do mecanismo de convecção com a parede interna do inserto, sendo definido por:
(3.4)
Para determinar o somatório das resistências do sistema, é necessário: calcular o coeficiente convectivo da água, sendo estimado através da solução de três grandezas adimensionais, Reynolds, Prandtl e Nusselt (eq. 3.5, 3.6, 3.7 e 3.8); estimar a resistência do polímero, determinado através do inverso da resistência térmica total do polímero.
𝜌 (3.5) (3.6) (3.7) (3.8) ⁄ ⁄
⁄
Para o cálculo da resistência térmica total do polímero foi preciso considerar que a transferência de calor polímero atue como um somatório de períodos em regime estacionário, mesmo sabendo que o problema é de regime não permanente. Desta maneira é utilizada a equação 3.9 para determinar a temperatura (T) em função de cada instante de tempo.
As equações 3.10 e 3.11 representam a quantidade de calor transferido do polímero (Q), e o somatório das resistências em cada intervalo temperatura.
[ ( ) ] ( ) (3.9) 𝜌 ( ) (3.10) ( ⁄ ) (3.11) (3.12)
Com o objetivo de calcular o inverso da resistência para cada variação de temperatura é necessário isolar a parte que compete ao polímero. Para isso foi calculado a diferença de temperatura média logarítmica (equação 3.13) e realizado a substituição das equações 3.11 e 3.13 na equação 3.12. ( ) ( ) ( ) (3.13) ( ) ( ) ( ) ( ⁄ ) ( ) ( ) ( ) (3.14)
De posse das equações 3.9, 3.10 e 3.14 pode-se determinar o inverso da resistência total do polímero para cada temperatura, sendo os valores inseridos na tabela de cálculo da média do inverso da resistência térmica do polímero, no ANEXO E.
Efetuando a média dos valores do inverso da resistência para cada intervalo de temperatura se obtém o valor final para 1/Rtot = 221,14 W/m2K.
De posse deste valor é possível avaliar quantitativamente a importância de cada resistência presente. A resolução de cada resistência pode ser obtida através das equações 3.2, 3.3 e 3.4. ⁄ ( ) ( )
Realizando o somatório das resistências conforme a equação 3.15:
(3.15)
Conhecendo Rtot e DMLT pode-se encontrar a transferência de calor total para o sistema através da equação 3.16.
Através da equação 3.10 é possível determinar a variação de energia interna do polímero, ou quantidade de calor adicionado ao sistema.
( ) ( )
Com os valores da quantidade total de calor transferido pelo polímero e da quantidade de calor transferido pelo sistema, é possível determinar o tempo (equação 3.17) necessário para resfriamento do polímero até a temperatura de desmoldagem, e a temperatura de saída do fluído refrigerante para o primeiro inserto (equação 3.18).
(3.17) 𝜌 (3.18)
Figura 6 - Layout do sistema de refrigeração dos insertos (CuBe)
Fonte: Autor (2014) Entrada refrigerante Saída refrigerante 4° inserto
Como o sistema de refrigeração está disposto em série (Figura 6), o mesmo fluído o qual sai à temperatura de 13,43 °C irá realizar o resfriamento do segundo inserto, e assim sucessivamente até o quarto inserto onde o fluído retorna ao reservatório.
Desta maneira são desenvolvidos novamente os cálculos acima para estimar o tempo de resfriamento total no quarto inserto, e a temperatura de saída do fluído refrigerante.
Para facilitar a visualização, os cálculos foram refeitos em uma planilha de Excel, onde a temperatura de saída do inserto foi o único valor que sofreu alteração. Diante disto os valores das equações foram recalculados e apresentados conforme a Tabela 6.
Tabela 6 - Resumo de cálculos para cada inserto
Cálculo 1° inserto 2° inserto 3° inserto 4° inserto Unidades
Cálculo do número de Reynolds (Eq. 3.5) 9561,63 9561,63 9561,63 9561,63 - Cálculo do número de Prandtl (Eq. 3.6) 8,37 8,37 8,37 8,37 - Cálculo do coeficiente convectivo água (Eq. 3.7) 6191,39 6191,39 6191,39 6191,39 - Cálculo da equação de Dittus Boelter para
resfriamento (Eq. 3.8) 82,28 82,28 82,28 82,28 W/ m²K
Cálculo da variação infi. de temp.(Eq. 3.13) 112,20 111,71 111,20 110,70 ° C Cálculo da resistência do polímero (Eq. 3.2) 2,81 2,81 2,81 2,81 K/W Cálculo da resistência da liga CuBe (Eq. 3.3) 0,02 0,02 0,02 0,02 K/W Cálculo da resistência da água (Eq. 3.4) 0,20 0,20 0,20 0,20 K/W Cálculo do somatório das resistências (Eq. 3.15) 3,03 3,03 3,03 3,03 K/W Cálculo da quantidade de calor trocado (Eq. 3.16) 37,03 36,87 36,70 36,54 W Cálculo da quantidade de calor fornecida ao
sistema (Eq. 3.10) 2436,06 2436,06 2436,06 2436,06 J
Cálculo do tempo para resfriamento (Eq. 3.17) 65,79 66,08 66,37 66,67 s Cálculo da temperatura de saída do fluído
refrigerante (Eq. 3.18) 13,43 13,84 14,27 14,70 °C
Fonte: Autor (2014)
3.4.2 Simulação computacional
Em conjunto a resolução analítica do equacionamento de transferência de calor, foram desenvolvidas simulações computacionais da etapa de resfriamento, através do software Cadmould 3D-F. A solução computacional foi realizada em conjunto com a empresa NTC Moldes e Plásticos.
Para este trabalho foram geradas três análises de resfriamento. A primeira análise visa à comparação dos resultados de tempo de resfriamento e temperatura da saída do fluído
refrigerante com os valores calculados, ou seja, foi efetuada uma simulação para o resfriamento da proposta de trabalho, (insertos de CuBe refrigerados por um circuito adicional de refrigeração), onde o restante dos sistemas funcionais do molde não interferem no resultado gerado. A segunda análise é referente à condição original do molde, com insertos de aço AISI P20 e refrigeração no macho e na cavidade. Já a terceira análise leva em consideração insertos de CuBe refrigerados mais refrigeração no macho e na cavidade.
A segunda e terceira análise são utilizadas para comparação do tempo de resfriamento e temperatura de extração do moldado, com valores obtidos através do ensaio prático.
3.4.3 Alteração do molde
A terceira etapa do trabalho compreende a modificação do projeto de molde conforme a solução proposta, ou seja, estão inseridas neste contexto as atividades de adequação da placa porta cavidade, manufatura de novos insertos, assim como ajustes e montagem do molde.
Desta forma foram realizadas as modificações necessárias no projeto do molde e encaminhado para orçamentação em matrizarias especializadas. Após avaliação dos orçamentos o molde foi encaminhado para matrizaria Usimolds, onde as modificações propostas foram executadas sob um custo de R$ 5.800,00.
Figura 7 - Modificação placa porta cavidade
A B
Fonte: Autor (2014)
A Figura 7A ilustra o circuito de refrigeração criado para conduzir o fluído de arrefecimento aos insertos. O circuito de formato em “U” possui uma entrada e uma saída realizando o arrefecimento dos quatro insertos em série. Para isto foram necessárias as
inclusões de lâminas defletoras que direcionam o fluxo do fluído refrigerante ao topo do inserto. Conforme Figura 7B pode ser visualizada as lâminas defletoras, assim como o uso de anéis o’rings que realizam a vedação do circuito entre a placa porta cavidade e os insertos.
O novo conjunto de inserto foi usinado a partir da liga CuBe (cujo o nome comercial Ampcoloy 83), sendo a escolha da liga orientada pela mescla de boas propriedades mecânicas e térmicas quando comparado com os insertos de aço AISI P20. Montado na parte fixa do molde realiza fechamento de topo, podendo sofrer grandes esforços de compressão. Já a condutividade térmica da liga de CuBe é aproximadamente 2,8 vezes maior que ao aço AISI P20.
Para confecção do novo conjunto de insertos, tanto a base como o núcleo do inserto, sofreram alterações do projeto original do molde onde, foi reduzido o diâmetro da base, e no núcleo foi manufaturado um sistema de refrigeração baflle. As alterações realizadas podem ser visualizadas através da Figura 8A e 08B.
Figura 8 – Modificações realizadas no inserto de CuBe
A B
Fonte: Autor (2014)
Para os insertos de aço AISI P20, não foi possível realizar a manufatura do sistema de refrigeração no núcleo do inserto, devido à indisponibilidade de tempo do molde de injeção.
Finalizadas as etapas de modificações do projeto de molde, usinagem da placa porta cavidade e manufatura dos insertos, foi dado segmento a etapa de montagem e ajustes do molde.
3.4.4 Ensaio
O ensaio comparativo entre a condição original do molde e a solução proposta foi realizado dentro da empresa Cemar Legrand. Para a execução do teste, a empresa disponibilizou recursos industriais como também recursos humanos.
Com o objetivo de comparação entre as soluções de resfriamento (original e proposta) no mesmo ciclo produtivo, o molde foi montado para o ensaio com os dois modelos de insertos, sendo a cavidade um montada com insertos de aço AISI P20 e a cavidade dois montada com insertos da liga CuBe. A configuração da montagem pode ser visualizada através da Figura 9.
Figura 9 - Montagem das cavidades para realização do ensaio
Fonte: Autor (2014)
Antes de realizar a montagem final do molde, foi inserido um termopar para cada cavidade. Na cavidade dois, o termopar foi posicionado no final do circuito de refrigeração, o que possibilita a visualização do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída do fluído refrigerante (Figura 10). Para a cavidade um, o termopar foi inserido no núcleo do último inserto, e possibilitou a visualização do gradiente de temperatura atuante durante o ciclo produtivo.
Figura 10- Posicionamento termopares
Fonte: Autor (2014)
Finalizada a etapa de montagem do molde para o ensaio, foi dado início ao setup de máquina na célula de teste (
Figura 11). A programação dos parâmetros de máquina foram orientados através da ficha de processo do produto (ANEXO C) e a resina utilizada foi o PSAI referente ao grade SR 550 do fornecedor Innova. As propriedades e condições de processamento da resina podem ser observadas através do data sheet do material no ANEXO B.
Figura 11 - Célula de teste
Fonte: Autor (2014)
Após definida a peça padrão, conforme requisitos de qualidade foram realizados a execução de 20 ciclos de máquina, onde foram coletados valores de temperaturas, dos termopares, do produto e do molde.
Os valores de temperatura no produto foram obtidos através da leitura com pirômetros, nas quatro torres do produto, conforme representado pela Figura 12A. O comparativo dos valores de temperatura das duas cavidades serão utilizados no capítulo quatro, onde foram comparado as temperaturas de cada torre no produto, representando a eficiência de cada sistema de refrigeração, original ou proposto.
Para obter uma avaliação completa da continuidade do processo, foram capturadas imagens com uma câmera termográfica (Figura 12B), onde foram fotografadas as cavidades do molde e o produto injetado. Nas cavidades foram capturadas quatro imagens, representando o intervalo de cinco ciclos de injeção. No produto foi realizada uma fotografia após a execução do último ciclo.
Na figura 12 A é representado a forma de medição de temperatura no produto sendo realizada através de um pirômetro. A figura 12 B ilustra a maneira de medição de temperatura sobre a superfície da cavidade no molde de injeção.
Figura 12 – Medições com pirômetro e câmera termográfica
A B
Fonte: Autor (2014)
Após de realizado o ensaio comparativo, o molde foi retirado de máquina. Na matrizaria o molde foi desmontado para substituir os insertos da cavidade um, de aço AISI P20 por insertos de CuBe, como também retirados os termopares, visto que o cabo restringe a circulação do fluído refrigerante.
Com o objetivo de determinar a nova temperatura de resfriamento para o ciclo, o molde foi colocado em máquina com as duas cavidades portando insertos de CuBe. Foram ensaiados ciclos de injeção com valores 45 e 40 segundos na etapa de resfriamento. Para cada
tempo foi realizado dez ciclos de injeção, onde a avaliação da temperatura no produto injetado foi realizada através de pirômetro.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo são apresentados e discutidos os resultados obtidos através do desenvolvimento do capitulo três, resolução analítica, simulação computacional e ensaio.
4.2 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentadas três análises macro do desenvolvimento realizado no capítulo anterior, sedo dividas de forma que melhore a compreensão do que foi realizado.
A primeira análise a ser realizada é referente ao resfriamento do volume de polímero que ocupa a região moldante do inserto. Devido ao fato de que os insertos constituídos de aço AISI P20 não possuírem resfriamento em seu núcleo, fica difícil a determinação do tempo e temperatura para resfriar o volume de material polimérico. Desta maneira são apresentados os resultados referente ao uso dos insertos de CuBe, comparando as variáveis, tempo para resfriamento, temperatura de saída do fluído refrigerante e temperatura de extração, com as resoluções, analíticas, computacionais e ensaio prático.
É importante ressaltar que para os resultados calculados, foi considerado que todo calor transferido do polímero na superfície moldante do inserto fosse retirado somente pelo circuito de refrigeração criado. Desta forma serão comparados valores da simulação computacional e ensaio que respeitam essa condição.
Na resolução analítica foi possível estimar a temperatura de saída do fluído refrigerante para cada inserto. A Tabela 7 demonstra claramente o aumento da temperatura conforme a passagem do fluído pelos insertos, sendo o gradiente de temperatura totalmente dependente da taxa de transferência de calor do sistema.
Tabela 7 - Tabela de tempos para resfriamento e temperatura de saída do fluido para cada inserto
Cálculo 1° Inserto 2° Inserto 3° Inserto 4° Inserto Un.
Cálculo da temperatura de saída do fluído
refrigerante (Eq. 3.18) 13,43 13,84 14,27 14,70 °C
Na simulação computacional também foi possível determinar a temperatura do fluído para cada inserto. Na Figura 13 é possível visualizar as temperaturas do fluído para os insertos, um e dois.
Figura 13 - Temperatura do fluído para 1° e 2° inserto
1° Inserto 2° Inserto
Fonte: Autor (2014)
Já na Figura 14 é possível visualizar as temperaturas do fluído nos insertos, três e quatro.
Figura 14 - Temperatura do fluído para 3° e 4° inserto
3° Inserto 4° Inserto
Fonte: Autor (2014)
Ao comparar os valores da simulação computacional com os valores calculados, o resultado ficou muito próximo, possuindo uma diferença máxima de 3,4% no valor da temperatura. Este percentual representa o valor de 0,5°C.
No ensaio prático foi realizada a medição de temperatura do fluído no quarto inserto da cavidade dois, tendo os valores mensurados e apresentados na Tabela 8.
Na coluna momento da leitura a sigla FI significa momento final da injeção e a FE momento final da extração.
Tabela 8 - Temperaturas no inserto de número quatro da cavidade dois Momento da leitura N° do ciclo Temp. (°C) Momento da leitura N° do ciclo Temp. (°C) FI 1 18 FI 11 17 FE 1 17 FE 11 16 FI 2 18 FI 12 17 FE 2 17 FE 12 16 FI 3 17 FI 13 17 FE 3 17 FE 13 16 FI 4 17 FI 14 17 FE 4 16 FE 14 16 FI 5 17 FI 15 17 FE 5 16 FE 15 16 FI 6 17 FI 16 17 FE 6 16 FE 16 16 FI 7 17 FI 17 17 FE 7 16 FE 17 16 FI 8 17 FI 18 16 FE 8 16 FE 18 16 FI 9 17 FI 19 16 FE 9 17 FE 19 16 FI 10 18 FI 20 16 FE 10 17 FE 20 15 Fonte: Autor (2014)
Analisando os valores de temperatura do fluído ao decorrer do ensaio, é possível afirmar que o molde necessitou de aproximadamente dezessete ciclos para que o processo estabilizasse. Mesmo assim a temperatura do fluído acabou sendo um pouco superior aos resultados obtidos através da solução analítica e computacional. Essa diferença de 8,8 % que corresponde a 1,3 °C pode estar associada a outras variáveis do processo, como temperatura da massa polimérica no conjunto injetor e temperatura da câmera quente.
Ainda com a finalidade de validação dos valores calculados, foram efetuadas as resoluções analíticas e computacionais para obter o tempo de resfriamento no volume de polímero na superfície do inserto até a temperatura de desmoldagem.
A Tabela 9 apresenta os valores calculados para o tempo de resfriamento da massa polimérica na superfície do inserto de CuBe até uma temperatura de 65 °C. Fica perceptível que o quarto inserto possui o maior tempo devido a temperatura do fluído refrigerante entrar aquecida ao inserto reduzindo o fluxo de transferência de calor.
Tabela 9 - Tempo de resfriamento para o volume de polímero na superfície do inserto
Cálculo 1° Inserto 2° Inserto 3° Inserto 4° Inserto Un.
Cálculo do tempo para resfriamento (Eq. 3.17) 65,79 66,08 66,37 66,67 s
Fonte: Autor (2014)
Para a simulação computacional, foi limitado o tempo de resfriamento com 67 s e gerado o cálculo computacional para descobrir a temperatura de desmoldagem na região analisada, conforme pode ser visualizada através da Figura 15. Essa análise permite capturar a temperatura em qualquer ponto da área superficial na região do inserto. Os parâmetros utilizados para a resolução computacional estão dispostos no ANEXO D.
Figura 15 – Temperatura no produto com tempo para resfriamento de 67 s.
Analisando em diversos pontos, sobre a região do inserto, foi possível determinar uma temperatura média do polímero. Para o resfriamento de 67 s o produto chegou a uma temperatura de desmoldagem com 72,8°C. Em relação ao cálculo teórico a temperatura de extração simulada ficou aproximadamente 12% maior, o que representa um valor de 7,8 °C. Está diferença pode estar associada às considerações realizadas no cálculo como também a diferença de espessuras no produto, sendo que para o cálculo teórico foi realizada um média geral da espessura do componente injetado.
A segunda análise representa um comparativo de temperaturas de ejeção do produto, entre as duas condições de inserto, proposta e original. Para essa avaliação foi utilizado o molde em condição de produção. Desta forma foi possível comparar a efetividade na troca térmica entre as duas condições de inserto.
A Figura 16 apresenta um gráfico onde é possível visualizar a temperatura média do produto, na região analisada, ao decorrer de cada ciclo. São apresentados os vinte ciclos ensaiados, sendo os valores de temperaturas coletados por meio de pirômetro.
Figura 16 - Comparativo temperaturas insertos aço AISI P20 e liga CuBe