Ademir Linhares de Oliveira
PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA ESPECIFICAÇÃO DE TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS DE PRODUÇÃO
DE PEÇAS PLÁSTICAS INJETADAS
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Gustavo Daniel Donatelli, Dr. Eng.
Florianópolis 2017
Ademir Linhares de Oliveira
PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA ESPECIFICAÇÃO DE TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS DE PRODUÇÃO
DE PEÇAS PLÁSTICAS INJETADAS
Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de “Doutor em Engenharia Mecânica” e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Ao meu pai Thales, grande incentiva-dor da minha carreira, e a minha
AGRADECIMENTOS
Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFSC, pela oportunidade concedida. Em especial, aos coordenadores Armando e Johnny, por acreditarem que o trabalho seria concluído. E foi! À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior), pelo financiamento parcial de bolsa de estudos. Aos membros da banca, pelo aceite ao convite realizado e pelas valiosas contribuições para o enriquecimento do trabalho. Ao meu orientador Gustavo Donatelli, pelo apoio técnico e pela confiança depositada.
Também a Maurício Porath, pelo apoio e orientação durante a minha estada em Joinville. À empresa Whirlpool, por disponibilizar infraestrutura e informações. Em especial, aos colegas Cristiano Felipe, Edson Bento, Gilbert Cortes, José Carlos Hermes, Lincoln Garcia e Rangel Martins. Também aos colaboradores das empresas fornecedoras – Nilza, Jean, Joel, Cláudio, Wagner, Valter, Fábio e Jair. À Fundação CERTI, pelo espaço e infraestrutura disponibilizada. Aos colegas e amigos Mateus e Thiago Coutinho, pela ajuda com os dados de medição no tomógrafo. Aos muitos amigos que se preocuparam com a evolução do trabalho, como do grupo Dinossauros, cujas mensagens ajudaram-me a relaxar nos momentos difíceis. A Sheila, ao Gabriel e a Luana, testemunhas desta longa jornada, para os quais a minha companhia fez falta. Obrigado pela compreensão! Também a minha cachorrinha Teca, pela alegria escandalosa ao me ver e pela companhia em silêncio durante os meus estudos. A todos aqueles que não foram citados, por puro esquecimento, mas que merecem certamente o meu agradecimento!
“Nossa maior fraqueza está em desistir. O caminho mais certo de vencer é
tentar mais uma vez”.
RESUMO
Variações geométricas estão presentes em todos os processos produtivos e precisam ser controladas, com o objetivo de garantir conformidade com requisitos de projeto e minimizar custos. Tolerâncias exercem um papel fundamental neste sentido, por estabelecer limites máximos admissíveis de variação. Uma interação complexa de fontes de variação está presente no processo de moldagem por injeção de plásticos. A especificação de tolerâncias de peças plásticas injetadas (PPIs) é comumente realizada na prática sem a utilização de critérios consistentes, resultando, muitas ve-zes, em tolerâncias desnecessariamente apertadas e incompatíveis com as respectivas capacidades de fabricação. Um novo método é proposto neste trabalho para apoiar a especificação de tolerâncias dimensionais de pro-dução de PPIs nas fases iniciais de projeto, com base na reutilização de dados históricos de medição e em análises de similaridade e confiabili-dade. Raciocínio baseado em regras foi empregado junto a um sistema de pontuação para identificar casos similares e confiáveis armazenados em uma base de dados, envolvendo atributos tanto de peças quanto de carac-terísticas dimensionais. A tolerância de produção a especificar é estimada a partir do intervalo de tolerância estatístico do caso similar de maior pon-tuação. Foram desenvolvidas duas abordagens de recuperação de dados que possibilitam a habilidade de escolher entre uma análise mais simpli-ficada ou de maior exatidão. A viabilidade do método é demonstrada por um estudo de casos realizado com 20 peças diferentes e 24 características dimensionais de três fornecedores de PPIs. O método proposto teve um desempenho significativamente superior ao método empregado pela DIN 16742. Quando comparadas às capacidades efetivas dos processos produ-tivos, as tolerâncias de produção estimadas pelo método proposto resul-taram em um desvio absoluto médio máximo de 10% e um coeficiente de correlação r de Pearson de aproximadamente 0,6. Destaca-se como resul-tado principal deste trabalho a melhoria potencial na exatidão da especi-ficação de tolerâncias dimensionais de produção de PPIs.
Palavras-chave: moldagem por injeção de plásticos, tolerâncias dimen-sionais de produção, dados históricos, análise de similaridade, raciocínio baseado em regras.
ABSTRACT
Geometrical variation is present in any production process and need to be controlled, in order to ensure compliance with design requirements and minimize costs. Tolerances play a key role in this regard, by setting max-imum admissible limits of variation. A complex interaction of variation sources is present in the plastic moulding process. Tolerancing of injected plastic parts (IPPs) is commonly performed in practice without using con-sistent criteria, resulting many times in tolerances unnecessarily narrow and incompatible with respective manufacturing process capabilities. A new method is proposed to support IPPs dimensional production toler-ancing in early design phases, based in historical measurement data reuse and similarity analysis. Rule-based reasoning has been employed together with a scoring system to identify reliable and similar cases stored in a database, involving attributes of both the parts and the dimensional char-acteristics. The production tolerance to be specified is estimated by the statistical tolerance interval of the similar case with the highest score. Two different approaches for data recovery were considered, providing the ability to choose between a simplified and a more accurate analysis. The method feasibility is demonstrated by a case study involving 20 dif-ferent IPPs and 24 dimensional characteristics from three suppliers. The proposed method outperformed the use of standard DIN 16472 to estimate production tolerances. Comparisons between the estimated production tolerances and the respective process capabilities resulted in maximum mean absolute deviation of 10% and Pearson’s r about 0,6. Highlight as major result from this work the potential improvement in accuracy of IPPs production tolerancing.
Keywords: plastic injection moulding, dimensional production toleranc-ing, historical data, similarity analysis, rule-based reasoning.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1– Lacuna existente no ciclo da qualidade em projeto. ...32
Figura 2.1– Classificação dos termoplásticos por grau de desempenho. ...39
Figura 2.2– O processo de moldagem por injeção de plásticos. ...40
Figura 2.3– Curvas PVT para termoplástico ...41
Figura 2.4– Representação do PMIP e da contração nas curvas PVT. ...42
Figura 2.5– Exemplo de máquina injetora. ...43
Figura 2.6– Classificação de moldes de injeção de plástico. ...43
Figura 2.7– Vista explodida de um molde de injeção típico de duas placas ...44
Figura 2.8– Peça bruta moldada e seu sistema de alimentação. ...45
Figura 2.9– Características geométricas de PPIs ...47
Figura 2.10– Tipos de desvios por desencontro entre partes do molde. ...49
Figura 2.11– Macrofases do projeto de uma nova PPI. ...49
Figura 2.12– Exemplo de janela de processo. ...53
Figura 2.13– Exemplo de sistema universal de fixação ...55
Figura 2.14– Exemplos de sistema de medição para PPIs ...58
Figura 2.15– Fatores de influência na variação geométrica de PPIs. ...63
Figura 2.16– Fatores de influência devidos a parâmetros de processo. ...66
Figura 2.17– Efeitos dos parâmetros de processo na contração. ...70
Figura 3.1– Fluxograma do processo de gestão dimensional. ...74
Figura 3.2– Efeito da incerteza de medição na zona de aprovação. ...80
Figura 3.3– Efeito da incerteza sobre as capacidades de processo. ...81
Figura 3.4– Efeito da incerteza e tendência no processo produtivo. ...81
Figura 3.5– Relação entre tolerâncias e custos. ...82
Figura 3.6– Ambiguidades na especificação tradicional de distâncias. ...86
Figura 3.7– O indicador de tolerância geométrica e seus campos. ...87
Figura 3.8– Exemplo de aplicação de tolerância geométrica de posição. ...88
Figura 3.9– Operações em seus domínios de aplicação. ...90
Figura 3.10– Indicação ISO para o ângulo de saída ...92
Figura 3.11– Indicação ISO da linha de partição ...93
Figura 3.12– Exemplos de características W e NW ...98
Figura 4.1– Relação do método proposto com a análise de tolerâncias. ...103
Figura 4.2– Macrofluxograma do método proposto. ...104
Figura 4.3– Estrutura e fluxo de informações do método proposto. ...105
Figura 4.4– Critérios para identificação de valores discrepantes. ...120
Figura 4.5– Funções potenciais para a associação de P2 com o módulo de elasticidade do material. ...134
Figura 4.6– Funções de ajuste para a associação de P3 com a contração. ...136
Figura 4.7– Dispersão da razão entre tolerâncias para GTs consecutivos...137
Figura 4.8– Funções de ajuste da tolerância de referência ...139
Figura 4.9– Resíduos das funções de ajuste de tolerâncias de produção ...140
Figura 5.1– Gráfico sequencial das leituras da característica dimensional média, cavidade 2 e grupo 2 de PPIs. ...145
Figura 5.5– Associação entre os desvios das tolerâncias de produção e o número de restrições ... 155 Figura 5.6– Associação entre a pontuação e o desvio absoluto para o método proposto ... 156 Figura 5.7– Correlação entre tolerância de produção e capacidade de processo ... 157 Figura 5.8– Comparação da exatidão entre as abordagens 1 e 2 e o método original da DIN 16742 para os níveis normal e rigoroso. ... 158 Figura 5.9– Correlação entre tolerâncias de produção obtidas pelos métodos ajustado e original da DIN 16742. ... 159 Figura 5.10– Comparação da exatidão entre os métodos ajustado e original da DIN 16742. ... 160 Figura 5.11– Correlação entre a tolerância de produção e a capacidade de processo ... 161 Figura 5.12– Comparação entre os desvios das abordagens 1 e 2 e das
tolerâncias de desenho para os tipos de processamento 2 e 1 ... 162 Figura F.1– Gráficos sequenciais e histogramas das amostras aprovadas ... 199 Figura G.1– Histogramas antes e após a correção de truncamento. ... 203
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1– Barreiras na reutilização de dados de inspeção no projeto. ...33
Tabela 2.1– Funções e principais componentes de um molde de injeção. ...44
Tabela 2.2 – Dificuldades relacionadas à medição de PPIs. ...54
Tabela 2.3– Comparação entre medições táteis, ópticas e por tomografia. ...59
Tabela 3.1–Tolerâncias dimensionais da DIN 16742 ...99
Tabela 4.1– Comparação entre as regras de filtragem das duas abordagens. ...109
Tabela 4.2– Regras de pontuação da abordagem 1. ...113
Tabela 4.3– Regras de pontuação da abordagem 2, para variáveis com escalas intervalar ou de razão. ...114
Tabela 4.4– Regras de pontuação da abordagem 2, para variáveis com escalas ordinal ou nominal. ...115
Tabela 4.5– Determinação de tolerâncias de produção para mais de uma amostra e para as estratégias de processamento 1 e 2...130
Tabela 4.6– Determinação de tolerâncias de produção para mais de uma amostra e para estratégia de processamento 3. ...131
Tabela 4.7– Associação entre a pontuação P2 e o módulo de elasticidade. ...133
Tabela 4.8– Dados ajustados da associação entre a pontuação P2 e o módulo de elasticidade. ...133
Tabela 4.9– Valor de referência da contração de moldagem. ...135
Tabela 4.10– Dados ajustados da associação entre a pontuação P3 e a contração. ...135
Tabela 4.11– Comparação entre os métodos desenvolvidos no trabalho. ...142
Tabela 5.1– Dados brutos e processados para o grupo 1 de peças. ...144
Tabela 5.2– Dados brutos e processados para o grupo 2 de peças. ...145
Tabela 5.3– Informações das peças e características do estudo de caso. ...148
Tabela 5.4– Resultados da análise para a característica 6. ...153
Tabela E.1– Valores originais e normalizados de P2 para o conjunto de CS. ..195
Tabela E.2– Parâmetros intermediários para os cálculos de Distj=8 e Distmax. ..196
Tabela E.3– Valores dos índices de qualidade para as 24 CS. ...196
Tabela E.4– Parâmetros intermediários para o cálculo de GS2. ...197
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASME Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados Uni-dos (American Society for Mechanical Engineering) CAE Engenharia Auxiliada por Computador (Computed Aided
Engineering)
CBR Raciocínio Baseado em Casos (Case-Based Reasoning) CCP Característica-Chave de Produto
CD&T Sistema Clássico de Dimensionamento e Especificação de Tolerâncias (Classical Dimensioning and Tolerancing) CE Característica a Especificar
CEP Controle Estatístico de Processos CS Característica Similar
DFM Projeto para Manufatura (Design for Manufacturing) DIN Instituto de Normalização Alemão (Deutsches Institut für
Normung)
GD&T Dimensionamento e Especificação de Tolerâncias Geomé-tricas (Geometric Dimensioning and Tolerancing) GPS Especificação Geométrica de Produtos (Geometrical
Pro-duct Specification)
GRR Estudo de Repetibilidade e Reprodutibilidade (Gage R&R) GT Grau de Tolerância, Grupo de Tolerâncias
ISO Organização Internacional para Normalização (Internatio-nal Organization for Standardization)
ITE Intervalo de Tolerância Estatístico MMC Máquina de Medir por Coordenadas MMO Máquina de Medir Óptica
MSA Análise de Sistema de Medição (Measurement System Analysis)
NDC Número de categorias distintas (Number of Distinct Cate-gories)
NW Dimensão não relacionada à ferramenta (Nicht Werkzeug-gebundene maße)
P1 Critério de Pontuação 1 da DIN 16742, relacionado ao tipo de processo
P2 Critério de Pontuação 2 da DIN 16742, relacionado à re-sistência ou dureza do material
P3 Critério de Pontuação 3 da DIN 16742, relacionado ao va-lor de referência da contração
forço e exigências de produção
PA PoliAmida
PAI PoliAmida-Imida PBI PoliBenzImidazila PC PoliCarbonato
PCDB Banco de dados de capacidades de processo (Process Ca-pability Database)
PE PoliEtileno
PI PoliImida
PMIP Processo de Moldagem por Injeção de Plásticos PP PoliPropileno
PPE Peça Plástica a Especificar PPI Peça Plástica Injetada PPS Peça Plástica Similar PS PolieStireno
PU PoliUretano
PVC PoliCloreto de poliVinila
PVT Curvas Pressão-Volume-Temperatura
RBR Raciocínio Baseado em Regras (Rule-based reasoning) SM Sistema de Medição
SMOP Sistema de Medição Óptico Portátil
TC Tomógrafo Computadorizado para metrologia industrial W Dimensão relacionada à ferramenta (Werkzeuggebunde
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino:
a0, a1, a2 Coeficientes y=anxn+...+a2x2 +a1x+a0 a, b, c, d Constantes da equação da Tolaj,W t, u, v, w Constantes da equação da Tolaj,NW
A [%] Alvo da característica dimensional, correspon-dendo ao centro do intervalo de tolerância AIQ [mm] Amplitude interquartil
C [%] Valor de referência da contração
Cp Índice de capacidade potencial do processo Cpk Índice de capacidade do processo
CPL Índice de capacidade inferior CPU Índice de capacidade superior d2 Constante estatística dependente de n c4 Constante estatística dependente de n
Dij Métrica de distância do i-ésimo caso e j-ésima regra em relação ao valor alvo da j-ésima regra
D [mm] Dimensão alvo
DA [%] Desvio absoluto (AD, Absolute Deviation) DAM [%] Desvio absoluto médio (MAD, Mean Absolute
Deviation)
Difij Diferença entre o valor do i-ésimo caso e j-ésima regra e o alvo da j-j-ésima regra
Disti Métrica de distância do i-ésimo caso em rela-ção aos valores-alvos
Distmax Métrica da distância máxima de todos os casos em relação aos valores-alvos
EM [MPa] Módulo de elasticidade
GSi Pontuação alcançada para o i-ésimo caso GS1i Grau de similaridade do grupo 1 de variáveis
para a i-ésima característica similar
GS2i Grau de similaridade do grupo 2 de variáveis para a i-ésima característica similar
GS3i Grau de similaridade do grupo 3 de variáveis para a i-ésima característica similar
I Índice de casos similares
ITe [mm] Intervalo de tolerância estatístico
LIE [mm] Limite inferior de especificação LSE [mm] Limite superior de especificação
m Número de amostras
MR [mm] Amplitudes móveis para subgrupos MRi [mm] Amplitudes móveis para indivíduos
n Número de observações (tamanho da amostra) nmédio Tamanho médio das amostras
N Total de indivíduos ou número de regras N1 Número de regras do grupo 1 de variáveis N2 Número de regras do grupo 2 de variáveis N3 Número de regras do grupo 3 de variáveis p Proporção de cobertura da população Pp Índice de desempenho potencial do processo Ppk Índice de desempenho do processo
PPL Índice de desempenho inferior
PPU Índice de desempenho superior
r Coeficiente de correlação de Pearson
R2 Coeficiente de determinação
R Amplitude
R Amplitude média
RITe Amplitude do ITe
RITe,max Amplitude máxima dos ITes das amostras ̅ Amplitude das médias das amostras
conside-radas
s [mm] Desvio-padrão da amostra ou desvio-padrão correspondente à variação total do processo s̅ [mm] Média dos desvios-padrão dos subgrupos sa [mm] Desvio-padrão agregado (combinado)
spuro [mm] Desvio-padrão puro do processo, sem o efeito do SM (PV ou Part Variation)
sGRR [mm] Desvio-padrão do estudo GRR
t Coeficiente t de Student
Tj Alvo da j-ésima regra
Tol [mm] Intervalo de tolerâncias
Tolaj,W [mm] Tolerância ajustada da DIN 16742 para carac-terística W
Tolaj,NW [mm] Tolerância ajustada da DIN 16742 para carac-terística NW
Tolaj,GT6,W [mm] Tolerância ajustada da DIN 16742 para GT6 e característica W
Tolaj,GT6,NW [mm] Tolerância ajustada da DIN 16742 para GT6 e característica NW
TolProd [mm] Tolerância de produção resultante da combi-nação entre os ITes das amostras da CS
U [mm] Incerteza de medição
Valor P Probabilidade de significância
Vij Valor do i-ésimo caso para a j-ésima regra Vj,max Valor máximo para a j-ésima regra Vj,min Valor mínimo para a j-ésima regra
Wj Peso da j-ésima regra
W1 Peso total do grupo 1 de variáveis W2 Peso total do grupo 2 de variáveis W3 Peso total do grupo 3 de variáveis x [mm] Média dos valores da variável X
̿ [mm] Média dos indivíduos ou grande média xU [mm] Limite de tolerância estatístico superior xL [mm] Limite de tolerância estatístico inferior xL,mín [mm] Limite inferior mínimo entre os ITes das
amos-tras
xU,máx [mm] Limite superior máximo entre os ITes das amostras
Xi [mm] Leitura do indivíduo i
y, y1, y2 Variáveis dependentes nas análises de regres-são
Alfabeto grego:
α Nível de significância
1-α Nível de confiança
∆ ̅, á Desvio máximo das médias das amostras em relação ao alvo
µ Média da população
σ Desvio-padrão da população
Desvio-padrão dentro dos subgrupos Desvio-padrão de todos os indivíduos τ Coeficiente de correlação de Kendall
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 29 1.1 Contextualização e caracterização do problema... 29 1.2 A utilização de dados de produção no projeto ... 31 1.3 Objetivos ... 34 1.4 A tese ... 35 1.5 Estrutura do trabalho ... 35 2 PROJETO E PRODUÇÃO DE PEÇAS PLÁSTICAS
INJETADAS ... 36 2.1 O plástico na indústria mecânica ... 36 2.1.1 Características e aplicações gerais dos plásticos ... 36 2.1.2 Os tipos de plásticos ... 37 2.1.3 Melhoria nas propriedades dos plásticos e emprego de aditivos 38 2.2 O processo de moldagem por injeção de plásticos ... 40 2.2.1 Descrição do PMIP ... 40 2.2.2 Previsão da contração volumétrica ... 41 2.2.3 A máquina injetora ... 42 2.2.4 O molde de injeção ... 43 2.2.5 A peça plástica injetada ... 47 2.2.6 Imperfeições superficiais e desvios geométricos ... 48 2.3 O processo de desenvolvimento de PPIs ... 49 2.3.1 O projeto do componente ... 50 2.3.2 Projeto e fabricação do molde ... 51 2.3.3 Planejamento do processo de produção ... 52 2.4 Aspectos metrológicos para PPIs ... 54 2.4.1 O problema de medição de peças plásticas injetadas ... 54 2.4.2 Soluções metrológicas para o controle da qualidade de peças plásticas injetadas ... 57 2.4.3 Tomografia computadorizada para metrologia industrial ... 60 2.4.4 Confirmação metrológica para o controle da qualidade de PPIs 61 2.5 Fatores de influência na variação geométrica de PPIs ... 62 2.5.1 Fatores de influência de projeto ... 64 2.5.2 Fatores de influência relacionados ao material ... 64 2.5.3 Fatores de influência relacionados ao molde ... 65 2.5.4 Fatores de influência relacionados aos parâmetros de processo . 66 2.5.5 Fatores de influência relacionados à infraestrutura tecnológica e às condições ambientais ... 67 2.5.6 Fatores de influência relacionados aos recursos humanos e às ações de garantia da qualidade geométrica ... 68
3 PECULIARIDADES DO PROCESSO DE GESTÃO
DIMENSIONAL DE PEÇAS PLÁSTICAS INJETADAS ... 73 3.1 Aspectos gerais da gestão dimensional ... 73 3.2 Especificação e avaliação de processos de produção ... 76 3.2.1 Tolerâncias de produção e intervalos de tolerância estatísticos . 76 3.2.2 Índices de capacidade e de desempenho de processos ... 78 3.2.3 Efeitos do processo de medição na avaliação de produtos e processos ... 80 3.3 A especificação geométrica de produtos ... 82 3.3.1 A normalização ISO GPS ... 83 3.3.2 Princípios fundamentais da especificação ISO GPS ... 84 3.3.3 A indicação de tolerâncias dimensionais ... 85 3.3.4 A indicação de tolerâncias geométricas ... 86 3.3.5 Modelo de referência para especificação e verificação geométrica de produtos ... 88 3.4 A especificação geométrica de PPIs ... 90 3.4.1 Indicação de condições restritivas de sujeição e da condição de estado livre ... 91 3.4.2 Indicação de ângulos de saída ... 92 3.4.3 Indicação de linha e tipo de partição ... 93 3.4.4 Especificação de tolerâncias gerais para PPIs ... 94 3.5 Métodos existentes para especificação de tolerâncias
dimensionais de produção de peças plásticas injetadas ... 95 3.5.1 Guias industriais simplificados ... 95 3.5.2 Normas de tolerâncias gerais aplicáveis a PPIs ... 96 3.5.3 O método da DIN 16742 ... 96 3.5.4 Aspectos gerais da utilização de banco de dados de capacidades de processos ...100 3.5.5 Proposta de utilização de PCDB para especificação de tolerância dimensional de produção de PPIs ...101 3.6 Sumário do capítulo ...102 4 ESPECIFICAÇÃO DE TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS DE PRODUÇÃO DE PEÇAS PLÁSTICAS INJETADAS ...103 4.1 Descrição geral do método proposto ...103 4.2 Seleção do tipo de abordagem ...107 4.3 Regras de filtragem ...108 4.4 O sistema de pontuação ...111 4.4.1 Tipos de escalas das variáveis ...111
4.4.2 As regras de pontuação ... 112 4.4.3 As métricas de similaridade empregadas ... 116 4.4.4 Tratamento de dados faltantes nas análises de similaridade e confiabilidade ... 118 4.5 Análise e tratamento dos dados de medição ... 119 4.5.1 Tratamento inicial dos dados de medição ... 120 4.5.2 Requisitos estatísticos para as amostras ... 121 4.5.3 Análise gráfica preliminar ... 121 4.5.4 Testes estatísticos para análise de amostras individuais ... 122 4.5.5 Testes estatísticos para análise de associação entre amostras ... 122 4.5.6 Considerações quanto às significâncias prática e estatística .... 124 4.5.7 Interfaces da ferramenta de suporte à análise de dados ... 125 4.5.8 Determinação do índice de qualidade das amostras aprovadas 125 4.5.9 Análise da resolução adotada e do NDC ... 126 4.6 Determinação da tolerância de produção ... 126 4.6.1 Consideração do desvio-padrão puro na determinação do ITE para o método paramétrico ... 127 4.6.2 Determinação do ITE de uma amostra para o tipo de
processamento 1 e método paramétrico ... 127 4.6.3 Determinação do ITE de uma amostra para o tipo de
processamento 2 e método paramétrico ... 128 4.6.4 Determinação do ITE de uma amostra para o tipo de
processamento 3 e método paramétrico ... 129 4.6.5 Determinação da tolerância de produção para o método
paramétrico e para uma única amostra ... 129 4.6.6 Determinação da tolerância de produção para o método
paramétrico e para mais de uma amostra ... 129 4.6.7 Método da distribuição livre ... 132 4.7 O método ajustado da DIN 16742 ... 132 4.7.1 Ajuste do critério de pontuação P2 ... 133 4.7.2 Ajuste do critério de pontuação P3 ... 134 4.7.3 Ajustes na determinação da tolerância de produção ... 136 4.8 Sumário do capítulo ... 141 5 ESTUDOS DE CASOS ... 143 5.1 Estudo de casos 1 - confirmação da associação entre dispersão e dimensão ... 143 5.2 Estudo de casos 2 – avaliação do desempenho do método proposto ... 147 5.2.1 Descrição do estudo de casos ... 147 5.2.2 Análise e processamento dos dados de medição ... 150
proposto e o método da DIN 16742 ...157 5.2.6 Comparação de desempenho entre os métodos ajustado e original da DIN 16742 ...159 5.2.7 Comparação das tolerâncias obtidas com as duas abordagens do método proposto com as tolerâncias de desenho mecânico ...161 6 CONCLUSÕES, DIFICULDADES, CONTRIBUIÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...163 6.1 Conclusões dos estudos de casos...163 6.2 Dificuldades encontradas ...165 6.3 Contribuições para a pesquisa científica ...165 6.4 Sugestões para trabalhos futuros ...166 REFERÊNCIAS ...167 GLOSSÁRIO ...181 APÊNDICE A - Entradas da abordagem 1 para um novo caso ....183 APÊNDICE B – Entradas da abordagem 2 para um novo caso ....185 APÊNDICE C – Entradas da abordagem 1 para casos anteriores 189 APÊNDICE D – Entradas da abordagem 2 para casos anteriores 191 APÊNDICE E – Detalhamento dos cálculos da pontuação do método proposto ...195 APÊNDICE F – Gráficos das amostras aprovadas ...199 APÊNDICE G – Histogramas antes e após as correções de
1 INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização e caracterização do problema
Tolerâncias são necessárias na documentação técnica de produto para estabelecer limites máximos admissíveis de variação, visando garan-tir o atendimento a requisitos de projeto. A especificação de tolerâncias é uma atividade bastante importante por permitir otimizar a relação custo-benefício de um novo projeto mecânico e por influenciar toda a cadeia produtiva, afetando diretamente a qualidade dos produtos e os custos de desenvolvimento de projeto e de produção [1].
Variações geométricas, incluindo a variação dimensional, são ine-rentes à execução de qualquer processo produtivo, abrangendo a fabrica-ção, a montagem e a inspeção [2]. A gestão dimensional reúne um con-junto integrado de ações, nas fases de projeto e produção, para conhecer, minimizar e controlar as variações geométricas, com o objetivo de obter peças de qualidade já nos primeiros lotes produzidos. Há um reconheci-mento na comunidade científica quanto à importância da gestão dimensi-onal na atividade de especificação de tolerâncias [3].
A especificação de tolerâncias de projeto considera não somente o atendimento a requisitos funcionais de produto, mas também às capaci-dades de fabricação. Especificações de capacicapaci-dades de processos podem ser resumidas na forma de tolerâncias de produção, considerando-se um nível de confiança e uma proporção da população pré-determinados [4]. Para uma fabricação econômica, as tolerâncias de projeto deveriam ser maiores ou no mínimo iguais às respectivas tolerâncias de produção.
A otimização de tolerâncias nas fases iniciais de projeto permite minimizar significativamente o potencial de falhas e os custos decorrentes [1,5]. Análises e sínteses de tolerâncias, comumente realizadas em sof-twares CAT (Computed Aided Tolerancing) [5], utilizam as tolerâncias de produção das características dimensionais ou geométricas envolvidas nas cadeias funcionais. Tolerâncias de produção confiáveis são importan-tes no processo de engenharia dimensional para avaliar a viabilidade de uma solução de projeto. Análises com tolerâncias de produção mais aper-tadas que as capacidades dos respectivos processos favorecem a aprova-ção de soluções de projeto com baixas capacidades de processo, refle-tindo-se em aumento significativo da fração não conforme e dos custos de produção. Por outro lado, análises com tolerâncias de produção abertas favorecem a reprovação de soluções que atenderiam às metas de quali-dade, aumentando-se os custos pela necessidade de revisão de projeto.
O plástico desempenha um papel importante na indústria mecâ-nica, sendo empregado para aplicações diversas, inclusive para fabricação de peças especiais de engenharia. A maior instabilidade geométrica dos plásticos, em relação aos metais, limita em parte suas aplicações em pro-jetos mecânicos com maiores exigências em exatidão geométrica. O prin-cipal processo de produção em larga escala de peças plásticas é o processo de moldagem por injeção de plásticos (PMIP). O crescimento da indústria de injeção ocorreu em grande parte devido tanto aos avanços nos materi-ais plásticos como nas tecnologias de fabricação por injeção [6].
Peças plásticas injetadas (PPIs) apresentam tipicamente geome-trias complexas e espessuras de parede finas (0,5 a 3 mm). O projeto de uma PPI é geralmente bastante complexo em função das propriedades tí-picas dos plásticos, das características do PMIP e por envolver várias áreas do conhecimento distintas, requerendo, muitas vezes, simulações do PMIP em softwares CAE, testes com protótipos, ciclos iterativos de de-senvolvimento e a adoção de práticas de engenharia simultânea. Para manter um nível equivalente de qualidade em relação às peças metálicas, os esforços em projeto e gestão dimensional no desenvolvimento de PPIs são, geralmente, significativamente maiores.
A variação geométrica de produção de uma PPI é resultado da su-perposição de diversos fatores de influência, como relacionados à geome-tria da peça, ao material, ao projeto do molde e aos parâmetros de pro-cesso. Os esforços em projeto e produção para realização de produto tam-bém influenciam significativamente a variação geométrica, considerando a infraestrutura tecnológica, os recursos humanos e as ações para garantia da qualidade. A interdependência de vários fatores de influência no pro-cessamento do plástico torna bastante complexas as atividades de otimi-zação das soluções de projeto. Após o processamento, a temperatura e a estratégia de fixação exercem grande influência sobre a variação geomé-trica no controle dimensional ou geométrico das PPIs.
Alguns fatores de influência importantes na variação de produção somente se manifestam no médio e longo prazos [7], como desgastes no molde, mudanças nas condições ambientais, alterações nos parâmetros de processo ou nas ações para garantia da qualidade da produção e variações na composição da matéria-prima. Portanto, estimativas de variação obti-das com dados de curto prazo, como de uma produção-piloto, não são suficientes para uma boa previsão da variação em regime de produção.
Estimativas confiáveis das capacidades de PMIPs, geralmente, não estão disponíveis nas fases iniciais de projeto em função da complexidade dos fatores de influência envolvidos. Desta forma, os engenheiros envol-vidos no projeto de uma nova PPI estimam as tolerâncias de produção por
meios simplificados, como normas e diretrizes com recomendações de tolerâncias gerais, guias industriais, ou percepções individuais [3].
A baixa interação entre as áreas de projeto, processos e qualidade, durante o desenvolvimento de produtos e processos, é refletida no método denominado “sobre o muro” (over-the-wall), no qual as equipes de pro-cesso e qualidade precisam conviver com quaisquer valores de tolerância especificados na fase de projeto [8]. Muitas tolerâncias de PPIs são defi-nidas na prática por força do hábito ou por segurança, resultando, normal-mente, em tolerâncias excessivamente apertadas [7].
A representação de tolerâncias de PPIs em desenhos mecânicos também é um aspecto importante a destacar. Atualmente, muitas das to-lerâncias atribuídas no meio industrial a características de PPIs apresen-tam significativa ambiguidade de especificação [9], podendo levar a fa-lhas na definição de processos de inspeção e a problemas na demonstra-ção de conformidade ou de não conformidade da produdemonstra-ção.
Comparada à medição de peças metálicas rígidas, a medição de PPIs requer tipicamente cuidados especiais com as condições ambientais, representação de tolerâncias em desenho, fixação da peça, extração de pontos de medição e processamento dos dados. A superposição de fatores de influência na medição de PPIs pode levar a incertezas elevadas, afe-tando diretamente a confiabilidade dos resultados de medição.
1.2 A utilização de dados de produção no projeto
A metrologia exerce um papel importante tanto no controle da pro-dução quanto no apoio ao desenvolvimento de novos produtos e proces-sos. Informações quanto à qualidade da produção são utilizadas para iden-tificar e segregar peças que não atendem aos requisitos de projeto e para gerar conhecimentos e maior domínio dos processos, minimizando a ocorrência de falhas potenciais [10].
Estima-se que cerca de 75% das falhas com impacto na cadeia de valor de novos produtos têm origem nas primeiras fases de projeto e que 80% destas falhas são detectadas somente após a fabricação. Conside-rando-se que o custo para solucionar uma falha aumenta cerca de 10 vezes a cada avanço de fase, pode-se concluir que o custo total relacionado às falhas de projeto tende a ser bastante expressivo. O conhecimento gerado a partir da análise de dados de processos similares ou de protótipos pos-sibilita uma redução significativa no custo da não qualidade [10].
Há um consenso na comunidade científica que um melhor enten-dimento das variações de processo é muito importante para o desenvolvi-mento de novos produtos. Muitas das abordagens existentes para lidar
com variações focam no monitoramento e controle da qualidade [3], como “Controle Estatístico de Processos” (CEP) e “Análise de Sistemas de Me-dição” (MSA). Existem, também, técnicas aplicáveis ao projeto que estão difundidas no meio industrial, como “Projeto para Fabricação e Monta-gem”, “Projeto para Seis Sigma” e “Projeto Robusto”, que visam tornar os produtos mais robustos e reduzir os custos de produção. Entretanto, muitas destas técnicas baseiam-se na suposição de que a informação ne-cessária de variação dos processos está devidamente disponível, o que, geralmente, não é o caso para atividades realizadas nas fases iniciais de projeto [11]. Os métodos atuais de recuperação da informação relevante de produção para atividades de projeto ainda não estão suficientemente consolidados na pesquisa científica, faltando praticidade, objetividade e exatidão [3,11,12]. A Figura 1.1 ilustra a lacuna existente entre as áreas da metrologia e de projeto, que impede o fechamento do ciclo da quali-dade para a melhoria de projetos de produto.
Figura 1.1– Lacuna existente no ciclo da qualidade em projeto. Fonte: adaptado de EIFLER et al. [3].
A utilização de tolerâncias ISO GPS permite comunicar de forma mais eficaz as intenções de projeto à Produção e Metrologia, minimizando possíveis ambiguidades de especificação e interpretação. Entretanto, to-lerâncias ISO GPS não foram concebidas para uma retroalimentação de informação a atividades de projeto [3]. Portanto, alguns pesquisadores propuseram modelos de informação para gerenciar o uso de dados de pro-dução em projeto. A abordagem mais holística destes modelos favorece a comunicação entre as áreas envolvidas [12–14].
Aplicações relacionadas à resolução de problemas e tomadas de decisão, que compartilham uma série de aspectos em comum, são poten-ciais candidatas ao emprego de técnicas de reutilização de informação, como Raciocínio Baseado em Casos (CBR). Muitos autores relataram os
benefícios de se combinar regras empíricas com informações de casos an-teriores, ou seja, ao utilizar um sistema híbrido de Raciocínio Baseado em Regras (RBR) com CBR. Por exemplo, MOURTZIS et al. criaram uma estrutura para habilitar a reutilização de conhecimento de fabricação atra-vés de regras de inferência aplicadas sobre ontologias de fabricação, abrangendo um banco de dados, um repositório de conhecimento e um motor de inferência. O sistema foi aplicado no projeto de um novo molde de injeção [12]. As técnicas baseadas em inteligência artificial, como re-des neurais, algoritmos genéticos e CBR permitem obter soluções apro-ximadas, com rapidez e baixo custo [15,16].
Dados de medição de produção configuram a base para a avaliação de capacidades de processo. Alguns pesquisadores se preocuparam espe-cificamente em como habilitar a utilização destes dados em projeto, com foco na obtenção de capacidades de processo confiáveis e consistentes às demandas de projeto. A Tabela 1.1 apresenta uma síntese das principais barreiras envolvidas.
Tabela 1.1– Barreiras na reutilização de dados de inspeção no projeto. Fonte: MADRID et al. [17].
Tipo Barreiras
Informa-cional
Falta de documentação sobre o que medir, considerando características de produto e processo e dados de materiais Falta de documentação sobre como medir e como apresen-tar os resultados de medição
Falta de planejamento sobre quando medir, levando a amostragens insuficientes ou desatualizadas
Falta de procedimentos sistemáticos para utilização de da-dos de medição em projeto
Falta de informações complementares à inspeção, como condições de inspeção e fabricação das peças
Documentação pobre da fração não conforme
Técnica
Dados não confiáveis (de análises metrológicas ou de sis-temas de medição deficientes)
Sistema de gestão de dados inadequado ou incompatível com outros sistemas (dificuldade de acesso)
Organi-zacional
Comunicação deficiente entre áreas de projeto e produção Falta de apoio gerencial para os investimentos necessários
Algumas barreiras informacionais ou técnicas podem resultar na omissão ou no uso inadequado de dados relevantes nas atividades de pro-jeto. A confiabilidade dos dados é um aspecto fundamental para a consis-tência das atividades de análise de variações e de especificação de tole-râncias, afetando diretamente as conclusões e tomadas de decisão de pro-jeto [17,18].
1.3 Objetivos
O objetivo principal do trabalho é disponibilizar um método que sirva de referência à especificação de tolerâncias dimensionais de produ-ção de PPIs nas fases iniciais de projeto, utilizando dados históricos de medição de peças e características similares.
Os seguintes objetivos específicos são importantes para que o mé-todo atenda ao seu objetivo principal:
• Identificar os principais fatores de influência na variação dimen-sional de PPIs, em função da complexidade e variedade de fato-res envolvidos;
• Identificar os principais aspectos de similaridade para peças e ca-racterísticas de PPIs, com o intuito de definir critérios para sele-ção dos dados de medisele-ção de referência;
• Tornar o método suficientemente robusto à presença de ruídos nos dados de medição, incorporando aspectos metrológicos e es-tatísticos para a garantia de confiabilidade;
• Possibilitar a escolha entre uma solução com maior exatidão ou uma solução com maior rapidez e menor custo, visando aumentar a usabilidade do método;
• Testar o método com dados reais de capacidades de processo, comparando o seu desempenho com um método já existente, uti-lizado como referência. Tem-se como meta a obtenção de um de-sempenho superior para o método a ser desenvolvido no trabalho. O trabalho é justificado pela ausência de um método atual que pos-sibilite a estimativa de tolerâncias dimensionais de produção com boa exatidão ainda nas fases iniciais de projeto. A abordagem envolve assun-tos de várias áreas do conhecimento, como plásticos, moldagem por inje-ção, projeto de PPIs, projeto e fabricação de moldes de injeinje-ção, gestão dimensional, CEP, MSA, estatística e inteligência artificial.
1.4 A tese
O desenvolvimento do trabalho, voltado à utilização de dados his-tóricos de medição, possui as seguintes premissas importantes:
• Características similares de peças similares tendem a ter varia-ções geométricas similares;
• Um aumento no nível de exigência dos requisitos de similaridade tende a melhorar a previsão da capacidade de processo de uma PPI em desenvolvimento, com base na utilização de dados histó-ricos de medição de peças e características similares.
• As condições de projeto e produção são muitas vezes repetidas para diferentes peças e para as mesmas empresas envolvidas; • Dados históricos de medição estão disponíveis nas indústrias
para apoiar às atividades de projeto. 1.5 Estrutura do trabalho
Os capítulos dois e três da tese foram organizados de forma a abor-dar tanto as revisões bibliográficas quanto os estudos do estado da arte, relacionados direta ou indiretamente ao escopo do trabalho. O capítulo dois trata do projeto e produção de PPIs, abrangendo vários tópicos. Ini-cialmente, é apresentada a utilização do plástico na indústria mecânica. Na sequência, são descritos o PMIP e o processo de desenvolvimento de PPIs. Ainda no capítulo dois, são descritos os aspectos metrológicos e os fatores de influência na variação geométrica de PPIs.
O trabalho segue no capítulo três com conceitos de gestão dimen-sional, especificação e avaliação de processos de produção, especificação geométrica de produtos, especialmente PPIs, e os métodos existentes para especificação de tolerâncias dimensionais de produção de PPIs.
O capítulo quatro apresenta o método proposto na tese como solu-ção para a especificasolu-ção de tolerâncias de produsolu-ção de PPIs. No capítulo cinco, são descritos os estudos de casos e as análises realizadas para vali-dação do método, incluindo comparações de desempenho contra o mé-todo da DIN 16742 e a discussão dos principais resultados. As conclusões, principais contribuições científicas e sugestões de trabalhos futuros são apresentadas no capítulo seis. Por fim, as referências bibliográficas em-pregadas no trabalho foram inseridas logo após o capítulo seis.
2 PROJETO E PRODUÇÃO DE PEÇAS PLÁSTICAS INJETADAS
Neste capítulo são descritos os aspectos fundamentais de projeto e produção de peças plásticas injetadas (PPIs), abordando os plásticos uti-lizados em projetos mecânicos, o processo de moldagem por injeção e seus principais elementos, o projeto de PPIs, os aspectos metrológicos envolvidos e os fatores de influência na variação geométrica.
Neste trabalho, entende-se como variação geométrica o efeito com-binado do desvio de uma dimensão ou de uma geometria nominal e da dispersão, para características dimensionais ou geométricas. Variações podem ser representadas em termos estatísticos por meio de um intervalo e de uma distribuição de probabilidades [17,19].
2.1 O plástico na indústria mecânica
2.1.1 Características e aplicações gerais dos plásticos
Os plásticos desempenham um papel importante na indústria me-cânica, sendo empregados em uma gama variada de aplicações em enge-nharia. A utilização do plástico é motivada pela possibilidade de produção de peças complexas, em larga escala e com baixo custo, competindo com materiais tradicionais, como metais, vidro, madeira e cerâmica. Em in-dústrias como a automotiva e a aeronáutica, os plásticos passaram a subs-tituir materiais metálicos em muitos produtos em função da excelente re-lação entre resistência e peso. Comparados aos metais, os plásticos pos-suem propriedades bastante distintas, como menor resistência mecânica, maior sensibilidade à temperatura e à fluência e menor densidade. Os plásticos em geral são muito mais instáveis geometricamente do que os metais, o que limita em parte as aplicações em projetos mecânicos com maiores exigências em exatidão geométrica, ou em aplicações com cargas permanentes, cíclicas ou de impacto ou em aplicações com elevadas tem-peraturas ambientes [6,20]. Entretanto, os plásticos também são empre-gados em projetos com tolerâncias relativamente apertadas, como em ajustes de montagem (mating) [6], requerendo maiores esforços em pro-jeto e gestão dimensional no desenvolvimento de PPIs.
O plástico é um material sintetizado a partir do processo químico denominado de polimerização, que gera longas cadeias de moléculas [20]. Os tipos de plásticos são discutidos a seguir.
2.1.2 Os tipos de plásticos
Os plásticos podem ser divididos em 2 grandes grupos: termoplás-ticos e termofixos (termoestáveis, termorígidos). Os termoplástermoplás-ticos ainda podem ser classificados conforme o nível de cristalinidade em amorfos, semicristalinos e polímeros de cristal líquido (LCP, liquid-crystal polymer). Os LCPs possuem aplicações restritas, como na fabricação de mostradores digitais de equipamentos eletrônicos (displays), sem pers-pectiva de uso como elemento estrutural em projetos mecânicos [21].
Os termofixos apresentam resistência mecânica e estabilidade ge-ométrica geralmente superiores aos termoplásticos. Entretanto, além de não poderem ser reprocessados ou reciclados, também apresentam menor resistência ao impacto e maior dificuldade de processamento. Termofixos típicos são a baquelite, o poliuretano (PU) e as resinas poliésteres, fenóli-cas e epóxi. São utilizados, por exemplo, em louças, cabos de panelas e carenagens de produtos elétricos [6,22].
Os termoplásticos representam mais de 70% de todos os polímeros produzidos [22] e são utilizados na fabricação de produtos diversos, como em garrafas, potes, tomadas elétricas, carenagens de equipamentos elétri-cos e eletrônielétri-cos, em muitas das peças internas e externas de automóveis, em dispositivos médicos descartáveis, em brinquedos e em cabos de fer-ramentas [15]. A predominância de termoplásticos pode ser justificada pela possibilidade de reprocessamento e reciclagem do material. Este tra-balho foi limitado apenas aos termoplásticos amorfos e semicristalinos.
Os termoplásticos amorfos amolecem em ampla faixa de tempera-turas, tendem a ser transparentes, fáceis de termoformar e de colar, são propensos à fratura por tensão, possuem baixa resistência à fadiga e tem-peratura vítrea superior às temtem-peraturas ambientes usuais. São utilizados especialmente em aplicações estruturais. Quando a temperatura vítrea é bem acima da temperatura ambiente, os termoplásticos amorfos apresen-tam-se como materiais frágeis e quebradiços, como o PC e o PS [6]
Os termoplásticos semicristalinos (ex.: PE, PP, PA) possuem tipi-camente uma faixa estreita de pontos de fusão, são difíceis de termofor-mar e colar, tendem a ser opacos, apresentam boas resistências à fratura por tensão e à fadiga e possuem temperatura vítrea inferior às temperatu-ras ambientes usuais. São utilizados em aplicações estruturais, de des-gaste e em rolamentos. Quando a temperatura vítrea é bem abaixo da tem-peratura ambiente, o os termoplásticos semicristalinos apresentam-se como materiais flexíveis, como o PE e o PP.
As propriedades dos plásticos podem ser modificadas para melhor atender às necessidades de projeto. As possibilidades de ajuste e o em-prego de aditivos são apresentados a seguir.
2.1.3 Melhoria nas propriedades dos plásticos e emprego de aditivos Os plásticos são formados em geral não por uma única resina, mas por uma mistura de uma ou mais resinas de base com aditivos diversos, formando compostos poliméricos. Uma infinidade de graus de formula-ção é disponibilizada comercialmente pelos fabricantes para melhor aten-der à diversidade de aplicações industriais. Na grande maioria das vezes, os projetistas escolhem um composto polimérico comercial ao invés de desenvolver um material completamente novo [6].
A modificação das propriedades de um plástico pode ser realizada pela alteração na composição química da resina de base ou pelo emprego de aditivos. O aumento no peso molecular médio do plástico melhora suas propriedades mecânicas, mas também aumenta a sua viscosidade, o que dificulta o processamento. Em geral, a seleção do plástico requer um ba-lanço entre as propriedades finais e a moldabilidade [6].
Os aditivos geralmente empregados para ajustar as propriedades dos plásticos são plastificantes, cargas, corantes, pigmentos, estabilizado-res, lubrificantes, catalisadoestabilizado-res, agentes de cura, agentes de esponja-mento, retardantes de chama e agentes antiestáticos [20].
Cargas de reforço são comumente utilizadas como aditivos no pro-jeto de peças plásticas de engenharia para aumentar a resistência, como as fibras de vidro, fibras de carbono ou fibras naturais. Vários trabalhos publicados da comunidade científica demonstram uma redução significa-tiva no nível de contração e de empenamento de peças fabricadas a partir de compostos poliméricos reforçados por fibras [23].
Os plásticos possuem coeficientes de expansão térmica geralmente elevados, o que pode ser um aspecto crítico na montagem com outros componentes metálicos, cerâmicos e até mesmo plásticos. A utilização de fibra de vidro como aditivo ao composto polimérico também reduz signi-ficativamente o coeficiente de expansão térmica [6].
Em função da variedade de termoplásticos e da faixa ampla de va-riação em propriedades físico-químicas, tornou-se conveniente classificá-los por grau de desempenho para facilitar a seleção dos plásticos para aplicações diversas. Há distintas propostas de classificação dos termo-plásticos por grau de desempenho na comunidade científica. A classifica-ção utilizada como referência neste trabalho considera três níveis de clas-sificação para os termoplásticos: convencionais, de engenharia e de alto
desempenho [24]. Os principais termoplásticos amorfos e semicristalinos por grau de desempenho estão apresentados na Figura 2.1.
Figura 2.1– Classificação dos termoplásticos por grau de desempenho. Fonte: adaptado de IAPD [24].
Um maior grau de desempenho está associado a um conjunto mais propício de propriedades do plástico para aplicações diversas de projeto, porém com considerável incremento no custo do material. Entre as pro-priedades consideradas, destacam-se as resistências mecânica, térmica e química e propriedades elétricas e ópticas [24]. Cerca de 90% dos termo-plásticos utilizados industrialmente são constituídos por resinas conven-cionais [22]. O custo e as resistências mecânica e térmica são baixos para as resinas convencionais, moderados para os termoplásticos de engenha-ria e elevados para os termoplásticos de alto desempenho.
A pesquisa tecnológica tem propiciado o desenvolvimento de no-vos plásticos para atender demandas críticas de aplicação. Como exem-plo, os termoplásticos imidizados reúnem propriedades tanto dos termo-plásticos amorfos quanto semicristalinos, como a PI (poliimida), a PAI (poliamida-imida) e a PBI (polibenzimidazila), apresentando excelentes propriedades térmica e elétrica, estabilidade dimensional, baixo coefici-ente de atrito, porém a um custo relativamcoefici-ente elevado. Estes materiais tem sido utilizados principalmente como isolantes térmicos em aplicações com elevadas temperaturas [25,26].
A seguir, são descritos o processo de moldagem por injeção e seus componentes principais – o molde e a injetora.
2.2 O processo de moldagem por injeção de plásticos
O processo de moldagem por injeção de plásticos (PMIP) é um dos principais processos utilizados no mundo. Entre 2009 a 2010, o PMIP teve uma participação de 40% na China e 80% no grupo de países inclu-indo a Alemanha, o Japão e os Estados Unidos [27]. Projeta-se para 2020 um valor de mercado mundial de PPIs de US$ 162 bilhões [28].
O PMIP é empregado tanto para peças bastante pequenas quanto grandes, como nas áreas eletrônica, médica, automotiva e de construção. A capacidade de produzir peças complexas em larga escala, de forma rá-pida e automatizada e com potenciais chances de exatidão geométrica jus-tifica a sua grande utilização.
2.2.1 Descrição do PMIP
O PMIP possui características bastante diferentes dos tradicionais processos de usinagem, envolvendo conceitos reológicos e termodinâmi-cos complexos. A forma geométrica final da PPI pode ser obtida direta-mente como resultado do processo, sem a necessidade de processamentos subsequentes (net-shape manufacturing process) [29]. A Figura 2.2 ilus-tra o PMIP e os principais componentes envolvidos.
Figura 2.2– O processo de moldagem por injeção de plásticos. Fonte: adaptado de SHOEMAKER [22].
O PMIP pode ser definido como o processo para fabricar uma PPI pela introdução de calor e/ou material termoplástico fundido, sobre pres-são, para dentro de um molde [30]. A pressão é exercida por um êmbolo
ou parafuso da máquina injetora. O material plástico passa por um bocal e preenche as cavidades do molde, cuja ferramenta é mantida fria ou pouco aquecida. Após certo tempo para resfriamento, o material plástico se solidifica e forma a peça, que é então extraída do molde [6].
As principais fases do PMIP, que compõem um ciclo de moldagem por injeção, podem ser classificadas em [6,15,31]:
• Preparação do material: envolve as etapas de carregamento na tremonha, acumulação no cilindro pela rotação do parafuso plas-tificador e aquecimento até o estado de plastificação do material. • Preenchimento e compactação: envolve as etapas em que o
ma-terial fundido é injetado até preencher as cavidades do molde e compactado pelo avanço do parafuso, para garantir o preenchi-mento completo e a replicação de detalhes superficiais da PPI. • Recalque e resfriamento: na etapa de recalque, o fundido é
man-tido sobre pressão para compensar a contração enquanto o mate-rial plástico esfria. A etapa de resfriamento inicia após a solidifi-cação do material no bocal de injeção. Nesta etapa, o fundido esfria e se contrai sem compensação.
• Abertura e extração: envolve as etapas de abertura do molde e de extração da peça já solidificada.
2.2.2 Previsão da contração volumétrica
O comportamento do material fundido durante as etapas de preen-chimento, compactação, recalque e resfriamento é regido principalmente pelas variáveis pressão, volume e temperatura (PVT). Curvas PVT são utilizadas para visualizar a associação do volume específico do material com a temperatura e a pressão [6,32]. A Figura 2.3 mostra curvas PVT para um termoplástico amorfo (PS) e um semicristalino (PP).
Figura 2.3– Curvas PVT para termoplástico: a) amorfo; b) semicristalino. Fonte: adaptado de MALLOY [6].
As fases do PMIP podem ser representadas no diagrama de curvas PVT sobrepondo-se os valores de temperatura e pressão. Esta sobreposi-ção possibilita uma visualizasobreposi-ção gráfica da contrasobreposi-ção volumétrica do ma-terial, conforme ilustrado na Figura 2.4, para um material amorfo.
Figura 2.4– Representação do PMIP e da contração nas curvas PVT. Fonte: adaptado de MALLOY [6].
Nos softwares CAE comerciais de simulação do PMIP, a estima-tiva da contração volumétrica do material é calculada a partir da “equação Tait de domínio duplo”, considerando como variáveis a temperatura e a pressão do material fundido. A equação, não apresentada neste trabalho, pode ser obtida na literatura científica [32].
A contração do material ocorre principalmente durante a passagem do estado fundido para sólido, pelo relaxamento nas cadeias poliméricas que foram esticadas no processamento e pelo fenômeno de cristalização [15]. Por ser um fator muito importante na variação geométrica de PPIs, a contração do material será ainda discutida de forma mais detalhada nos itens 2.2.4 e 2.5.7, relacionados ao projeto do molde e aos fatores de in-fluência nos desvios por contração, respectivamente.
2.2.3 A máquina injetora
Em função dos esforços consideráveis desenvolvidos no PMIP, a estrutura de uma máquina injetora precisa ser bastante robusta. As partes funcionais de carregamento e de operação do molde ficam situadas sobre uma base de aço, enquanto que os mecanismos hidráulicos e pneumáticos e de acionamento ficam normalmente alojadas na base, ocultos por pai-néis destacáveis. A Figura 2.5 ilustra um exemplo de máquina injetora, com detalhe para a face da placa móvel onde é fixado o molde.
Figura 2.5– Exemplo de máquina injetora: a) Máquina; b) Placa móvel.
Fonte: KRAUSSMAFFEI [33].
A força de fechamento, a capacidade de plastificação e as caracte-rísticas físicas e dimensionais da máquina injetora são informações im-portantes para direcionar o projeto do molde. O fabricante da PPI precisa avaliar se é possível atender as tolerâncias funcionais com a tecnologia de produção definida [22]. Os principais sistemas funcionais de uma má-quina injetora convencional são: sistema de injeção, hidráulico, molda-gem, fixação e de controle. As funções e principais componentes de cada sistema podem ser obtidos na literatura científica [34,35].
2.2.4 O molde de injeção
O molde de injeção é a ferramenta utilizada na máquina injetora para dar forma, dimensões e acabamento desejados à PPI. É um dos ele-mentos mais importantes de todo o processo de desenvolvimento, afe-tando diretamente a qualidade e os custos de produção [34,35]. As classi-ficações de moldes de injeção mais usuais são apresentadas na Figura 2.6.
Figura 2.6– Classificação de moldes de injeção de plástico. Fontes: SACCHELLI [34], imagem adaptada de http://info.craftechind.com.
O tipo de molde de injeção mais simples é o de duas placas, com canal frio, sem a presença de partes móveis adicionais e com a extração por pinos. Mesmo neste tipo, a complexidade do projeto do molde é ele-vada em razão da grande quantidade de funcionalidades e componentes envolvidos [20]. A Figura 2.7 ilustra os principais componentes de um molde de injeção de duas placas.
Figura 2.7– Vista explodida de um molde de injeção típico de duas placas. Fonte: adaptado de BLASS [20].
O molde de injeção pode ser dividido em 6 sistemas funcionais, conforme apresentado na Tabela 2.1.
Tabela 2.1– Funções e principais componentes de um molde de injeção. Fontes: SACCHELLI [34], DIAS [35].
Sistema Funções
Centragem e guiamento Montagem e alinhamento do molde Alimentação Guiar o polímero até as cavidades Refrigeração Controlar o resfriamento do polímero Saída de gases Permitir a saída de ar e de outros gases Moldagem Transferir a forma, dimensões e
acaba-mento à PPI
O molde de injeção é montado na máquina injetora por intermédio do sistema de centragem e guiamento. Um anel localizador centraliza a bucha de alimentação do molde com o bocal de injeção da máquina inje-tora. Pinos e buchas guias garantem a repetibilidade do posicionamento relativo entre as placas das cavidades e também de gavetas ou insertos móveis a cada novo ciclo de injeção. Cunhas de travamento ajudam a ga-rantir o alinhamento entre as partes de moldes de grandes dimensões [35].
O sistema de alimentação exerce papel fundamental no PMIP. A Figura 2.8 ilustra uma peça bruta moldada extraída de um molde com ca-nal frio e com quatro cavidades.
Figura 2.8– Peça bruta moldada e seu sistema de alimentação. Fonte: adaptado de SHOEMAKER [22].
A passagem do material fundido da injetora para o molde ocorre no canal de alimentação (sprue), contido na bucha de alimentação. Para moldes com múltiplas cavidades ou com múltiplos pontos de injeção, o material fundido segue para os canais de distribuição (runners), que são usinados e polidos em uma ou nas duas placas das cavidades do molde. O material chega então até a(s) cavidade(s) de moldagem, passando pelos pontos de injeção (gates).
No molde com canal frio, a peça bruta moldada contém o material solidificado no sistema de alimentação. As peças moldadas finais são ob-tidas após a operação adicional de remoção do sistema de alimentação. Para termoplásticos, o material removido pode ser moído ou picado e re-aproveitado. No molde com canal quente, o sistema de alimentação, ou
parte dele, é mantido a alta temperatura para evitar a solidificação do ma-terial e permitir sua utilização no próximo ciclo de injeção [30].
O resfriamento da ferramenta do molde é necessário para acelerar e controlar a solidificação da PPI, uma vez que a extração ocorre somente quando a temperatura da PPI é inferior à temperatura de distorção do ma-terial. Água fria é geralmente utilizada como fluido refrigerante em canais de passagem usinados ou em serpentinas alojadas na ferramenta [6].
O sistema de saída de gases possibilita que o ar contido nas cavi-dades do molde saia com a entrada do material fundido. Para que a saída seja eficaz, os elementos de saída são normalmente localizados nas últi-mas regiões da cavidade a serem preenchidas pelo material fundido. Um sistema de saída não eficaz tende a aprisionar o ar entre as cavidades e resultar em imperfeições superficiais, como vazios e bolhas, preenchi-mento incompleto, manchas e marcas de queima [34,35].
O sistema de moldagem é composto principalmente pelas cavida-des macho e fêmea, que definem as formas geométricas internas e exter-nas, respectivamente, da peça moldada. As cavidades podem ser usinadas diretamente nas placas do molde ou serem geradas a partir de postiços, que são elementos com material de melhor qualidade e podem ser substi-tuídos em caso de avaria [35]. Ferramentas com partes móveis, como in-sertos ou gavetas, são utilizadas para PPIs cujas formas geométricas não permitem a extração convencional, como em rebaixos, furos e aberturas laterais e geometrias sem ângulos de saída [6].
As cavidades da ferramenta do molde são dimensionadas conside-rando-se a contração do material, além da geometria e tolerâncias da PPI. A contração linear (linear shrinkage) e a contração volumétrica (volume-tric shrinkage) são definidas como “a diferença em dimensões/volume en-tre uma peça moldada resfriada e solidificada e a respectiva cavidade do molde, podendo ser expressa na forma de uma porcentagem ou uma ra-zão” [30]. Na maior parte das vezes, a contração linear é utilizada como referência para o dimensionamento das cavidades do molde, de forma que
ã =1 − % &' çã ( ) ,ã ! ç (2.1) onde a contração da moldagem é dada em mm/mm e seu valor de referên-cia é geralmente obtido das especificações do material [6]. Em função de sua importância, os valores de contração deveriam ser acordados entre o fabricante da peça moldada e o fabricante ou projetista do molde e, em determinadas situações, inclusive com o fabricante do plástico [7]. Os fa-tores de influência na contração são apresentados no item 2.5.7.
O sistema de extração é necessário porque normalmente a PPI tende a ficar presa no molde, ao invés de cair livremente por gravidade. Existem várias soluções construtivas de sistemas de extração e a escolha da solução mais adequada depende da geometria da peça e dos requisitos de qualidade. Por exemplo, a extração por pinos é a mais empregada pela facilidade de inserção no molde, porém tende a causar marcas circulares de extração nas interfaces dos pinos com a peça [35].
A seguir são apresentadas as características geométricas típicas das PPIs, fortemente influenciadas pelas características gerais do PMIP. 2.2.5 A peça plástica injetada
As PPIs apresentam características e elementos geométricos pró-prios que as diferem significativamente de peças fabricadas por outros materiais ou processos. Embora a geometria da PPI dependa muito da aplicação, em geral, elas apresentam paredes finas (0,5 a 3 mm), superfí-cies inclinadas, raios de canto pequenos, superfísuperfí-cies arredondadas com-plexas e transições suaves entre diferentes espessuras de parede. Nervuras (ribs) e elementos de reforço de borda (edge stiffeners) são adicionados à geometria para aumentar a resistência [6]. Paredes com espessuras maio-res do que 3 mm são geralmente vazadas para minimizar problemas de contração e reduzir o peso da peça e o tempo de ciclo do PMIP [36].
As PPIs utilizadas em montagens geralmente desempenham múl-tiplas funções e apresentam complexidade geométrica e níveis rigorosos de exatidão geométrica. Elementos adicionais típicos são aberturas, furos, rasgos, torres, engates rápidos (snap fits) e maior quantidade de nervuras e elementos de reforço de borda. A Figura 2.9 ilustra um exemplo de PPI utilizada em uma montagem e os principais elementos envolvidos.
A otimização do projeto da PPI, do projeto e fabricação do molde e dos parâmetros de processo minimiza as chances de ocorrência de falhas de qualidade. Imperfeições superficiais ou desvios geométricos poderão ser consequência de ações não suficientes de otimização, apresentados no item a seguir.
2.2.6 Imperfeições superficiais e desvios geométricos
Imperfeições superficiais são definidas como: “elementos, irregu-laridades ou grupo de elementos e irreguirregu-laridades da superfície real que foram causados não intencionalmente ou acidentalmente durante a fabri-cação, armazenagem ou uso da superfície” [38]. As imperfeições super-ficiais típicas para PPIs são: rebarbas, rechupes, marcas e manchas diver-sas, linhas de solda, linhas de junta, porosidade e qualidade superficial ruim. Requisitos estéticos ou estruturais podem ser afetados por imperfei-ções superficiais, cuja aceitabilidade depende da aplicação da PPI e da função da superfície em questão. Parâmetros especiais, distintos de tole-râncias dimensionais ou geométricas, são utilizados para indicar o con-trole de imperfeições superficiais. Outros tipos de imperfeições incluem vazios, preenchimento incompleto, peso excessivo e trincamento [38]. O escopo deste trabalho não incluiu imperfeições superficiais.
A ocorrência de imperfeições superficiais tende a ser baixa em pro-cessos de produção otimizados. Ainda assim, é esperado um determinado nível de variação dimensional ou geométrica. Os principais desvios di-mensionais ou geométricos para PPIs, devido ao processo de fabricação, podem ser classificados em: desvio por contração, desvio por empena-mento e desvio por desencontro entre partes do molde [7]. O desvio por contração é um desvio dimensional em relação à dimensão alvo, estabe-lecida no desenho da PPI, e é influenciado principalmente pela incerteza no valor da contração. O empenamento consiste em um desvio geométrico caracterizado pela distorção na forma da PPI em relação à sua geometria nominal. O empenamento é uma das imperfeições mais preocupantes, por afetar o atendimento a requisitos funcionais e estéticos do produto.
Os desvios por desencontro entre partes do molde (mismatch) são caracterizados pelo surgimento de degraus na superfície ou por desvios na espessura da PPI. Estes desvios podem ser classificados em: linear, rotacional, dimensional ou angular, conforme ilustrado na Figura 2.10, podendo ocorrer inclusive de forma combinada.
