CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ALON JESSÉ SGARBOSSA
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DA ALTERAÇÃO DE UM MOLDE DE INJEÇÃO DIRETA PARA CÂMARA QUENTE NA PRODUÇÃO DE UM MANÍPULO DE FOGÃO
PATO BRANCO 2018
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DA ALTERAÇÃO DE UM MOLDE DE INJEÇÃO DIRETA PARA CÂMARA QUENTE NA PRODUÇÃO DE UM MANÍPULO
DE FOGÃO
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Mecânica da Coordenação de Engenharia Mecânica – COEME – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Câmpus Pato Branco, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros
PATO BRANCO 2018
*A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA DA ALTERAÇÃO DE UM MOLDE DE INJEÇÃO DIRETA PARA CÂMARA QUENTE NA PRODUÇÃO DE UM MANÍPULO
DE FOGÃO
Alon Jessé Sgarbossa
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação apresentado no dia 12/11/2018 como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Mecânico, do curso de Engenharia Mecânica do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Câmpus Pato Branco (UTFPR-PB). O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora julgou o trabalho APROVADO.
____________________________________ Prof. Dr. Diego Rizzotto Rossetto
(UTFPR – Departamento de Mecânica)
____________________________________ Profª. Drª. Maria Nalu Verona Gomes
(UTFPR – Departamento de Mecânica)
____________________________________ Prof. Dr. Bruno Bellini Medeiros
(UTFPR – Departamento de Mecânica) Orientador
__________________________________ Prof. Dr. Paulo Cesar Adamczuck
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho aos meus pais que me deram suporte e apoio em todo o meu caminho, à Deus por ser tão grandioso e bondoso ao conceder a vida e o livre arbítrio ao homem, e por fim, ao Emerson Fernando Lefchak, que sem saber me fez encontrar o caminho da Engenharia Mecânica.
AGRADECIMENTOS
A minha maior alegria é saber que tantas pessoas torcem pelo meu sucesso.
Agradeço aos meus pais, porque o amor deles é incondicional e tudo que posso dizer a vocês é que eu amo vocês.
Agradeço a toda a minha família, que torceram todos os dias para que meu sucesso viesse, e comemoraram junto comigo cada vitória que tive nesse caminho.
Agradeço em especial à minha irmã e ao meu cunhado, que além de torcerem por mim e me ajudarem nas dificuldades, me deram um dos maiores presentes da minha vida, o nosso pequeno Arthur.
Agradeço toda a família da minha noiva, por me aceitarem como parte da família e por terem vibrado e me apoiado em todos os momentos.
Agradeço às minhas afilhadas Stefany, que mesmo estando longe do meu convívio, está sempre nos meus pensamentos e orações, e à Ketlin, por ter me escolhido e sempre me apoiar.
E quero muito agradecer à mulher da minha vida, anjo que pousou em minha vida para fazê-la ser a mais especial de todas, só por ter ela ao meu lado. Você é a luz da minha vida e saber que você passará o resto da sua vida do meu lado, me faz ter certeza que terei uma vida plena e feliz. Eu Te Amo Minha Nega.
EPÍGRAFE
People often say that motivation does not always last. Well, neither the effect of the bath, so it is recommended daily. (ZIGLAIR, Zig).
As pessoas costumam dizer que a motivação não dura sempre. Bem, nem o efeito do banho, por isso recomenda-se diariamente. (ZIGLAIR, Zig).
RESUMO
SGARBOSSA, Alon Jessé. Estudo de viabilidade técnica da alteração de um molde de injeção direta para câmara quente na produção de um manípulo de fogão. 2018. 82 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2018.
O presente estudo analisa a viabilidade técnica da alteração de um molde de injeção de termoplásticos na produção de um manípulo de fogão, com a substituição da tecnologia de injeção direta pela injeção por câmara quente. Apresenta os conceitos principais para a definição do processo de injeção. Valida o uso do mesmo parque industrial, para que o estudo seja parametrizado. Apresenta um formato de análise econômica que possa ser aplicada à estrutura da empresa para determinar a rentabilidade do investimento. Define todos os parâmetros nos quais a viabilidade técnica será baseada. Discute sobre o aumento da produtividade e do retorno do investimento aplicado. Traz como resultados uma relação custo-benefício quanto ao comparativo entre as tecnologias aplicadas, bem como, uma avaliação de otimização produtiva no processo.
Palavras-chave: Viabilidade técnica. Injeção de Termoplásticos. Moldes de Injeção.
ABSTRACT
SGARBOSSA, Alon Jessé. Estudo de viabilidade técnica da alteração de um molde de injeção direta para câmara quente na produção de um manípulo de fogão. 2018. 82 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2018.
The present study analyzes the technical viability of the change in a thermoplastic injection mold in the production of a stove knob, with the replacement of direct injection technology by hot-chamber injection. It presents the main concepts for the definition of the injection process. It validates the use of the same industrial park, so that the study is parameterized. It presents an economic analysis format that can be applied to the company structure to determine the return on investment. Defines all parameters on which technical feasibility will be based. Discusses the increase in productivity and the return on investment applied. It brings as a result a cost-benefit relation regarding the comparative among the applied Technologies, as well, as a productive optimization evaluation in the process.
Keywords: Technical feasibility. Injection of Thermoplastics. Injection Molds. Direct
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - ESQUEMA DE UMA INJETORA CONVENCIONAL. ... 15
FIGURA 2 - ESQUEMA DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE UM MOLDE. ... 17
FIGURA 3 - ALGUMAS DISPOSIÇÕES POSSÍVEIS PARA CAVIDADES DE MOLDE. ... 19
FIGURA 4 - RAIOS IDEAIS PARA CONTORNO DE PEÇAS INJETADAS. ... 22
FIGURA 5 - FLUXOGRAMA DAS ETAPAS DO LCC. ... 29
FIGURA 6 - FLUXOGRAMA DE COMPARATIVOS. ... 30
FIGURA 7 - CANAL DE ALIMENTAÇÃO DO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 31
FIGURA 8 - MANÍPULO EM ESTUDO. ... 32
FIGURA 9 - CANAL DE ALIMENTAÇÃO DO MOLDE DE CÂMARA QUENTE. ... 32
FIGURA 10 - EXTRAÇÃO POR PINOS. ... 36
FIGURA 11 - EXTRAÇÃO POR PLACA. ... 37
FIGURA 12 - FLUXOGRAMA DO LCC DA ANÁLISE. ... 43
FIGURA 13 - TELA DE CONFIGURAÇÃO DE DOSAGEM DA INJETORA... 46
FIGURA 14 - LADO EXTERNO DOS MANÍPULOS NO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 47
FIGURA 15 - LADO INTERNO DOS MANÍPULOS NO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 47
FIGURA 16 - PROJETO DO CANAL PRIMÁRIO DO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 50
FIGURA 17 - PROJETO DO CANAL PRIMÁRIO DO MOLDE DE CÂMARA QUENTE. ... 51
FIGURA 18 - TELA DE MONITORAMENTO DO PRIMEIRO SETUP DO MOLDE DE CÂMARA QUENTE. ... 52
FIGURA 19 - TELA DE MONITORAMENTO DE CICLOS DO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 53
FIGURA 20 - TEMPO DE REFRIGERAÇÃO DO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 54
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – MATERIAIS EMPREGADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOLDES. ... 19
TABELA 2 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS PRINCIPAIS MATERIAIS DO MOLDE. ... 20
TABELA 3 - PROPRIEDADES TÉRMICAS DOS PRINCIPAIS MATERIAIS DO MOLDE. ... 20
TABELA 4 – PROBLEMAS DE INJEÇÃO MAIS USUAIS. ... 21
TABELA 5 – CLASSIFICAÇÃO DOS TERMOPLÁSTICOS QUANTO À SUA APLICAÇÃO. ... 23
TABELA 6 – PROPRIEDADES X FUNÇÕES DOS MATERIAIS. ... 24
TABELA 7 – PROPRIEDADES MECÂNICAS DO PBT. ... 25
TABELA 8 – PROPRIEDADES TÉRMICAS DO PBT. ... 25
TABELA 9 – PRODUTIVIDADE DOS PRINCIPAIS PRODUTORES DE PBT EM 1.000 TON/ANO. .. 26
TABELA 10 - MASSAS FUNDIDAS NO MOLDE. ... 32
TABELA 11 – VALORES DE K. ... 38
TABELA 12 - DIÂMETROS RECOMENDADOS DOS CANAIS DE ALIMENTAÇÃO. ... 40
TABELA 13 - VALORES DE K PARA APLICAÇÃO NA EQUAÇÃO DE WÜBKEN. ... 41
TABELA 14 - CARACTERÍSTICAS DA MÁQUINA INJETORA. ... 44
TABELA 15 - CARACTERÍSTICAS DO MOLDE DE CÂMARA FRIA. ... 44
TABELA 16 - INFORMAÇÕES SOBRE MOLDE DE CÂMARA QUENTE. ... 45
TABELA 17 - PROPRIEDADES REFERENTES À EQUAÇÃO DE CAPACIDADE DE INJEÇÃO... 45
TABELA 18 - VALORES APLICADOS NO CÁLCULO DO FLUXO DE ÁGUA. ... 49
TABELA 19 - DIÂMETRO NOMINAL E PROJETADO DOS CANAIS DE ALIMENTAÇÃO. ... 50
TABELA 20 - VALORES DAS PROPRIEDADES DAS EQUAÇÕES DE TEMPO DE CICLO. ... 51
TABELA 21 - FATORES DE CUSTO DO PROCESSO DE INJEÇÃO. ... 56
TABELA 22 - COMPARAÇÃO DE CUSTOS DE PRODUÇÃO. ... 58
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 OBJETIVO GERAL ... 12 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 12 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 14 2.1 INJEÇÃO ... 14 2.1.1 Injetoras ... 14 2.1.2 Moldes ... 15 2.1.2.1 Canais de alimentação ... 16
2.1.2.2 Canais de injeção direta ... 17
2.1.2.3 Canais quentes ... 17
2.1.2.4 Cavidades e machos ... 18
2.1.2.5 Materiais para molde ... 19
2.1.3 Possíveis problemas de injeção ... 21
2.2 MATERIAIS POLIMÉRICOS ... 22
2.2.1 Politereftalato de butileno (PBT) ... 24
2.3 Análise Econômica – Life Cycle Cost Analysis (LCC) ... 26
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 30
3.1 VIABILIDADE TÉCNICA... 30
3.1.1 Caracterização de equipamentos ... 31
3.1.2 Capacidade da máquina Injetora ... 33
3.1.2.1 Capacidade de injeção ... 33
3.1.2.2 Pressão de injeção ... 34
3.1.2.3 Força de fechamento... 34
3.1.3 Tipos de extração ... 35
3.1.3.1 Extração por pinos... 36
3.1.4 Refrigeração ... 37
3.1.5 Canais de alimentação ... 39
3.1.6 Tempo de ciclo ... 40
3.1.7 Falhas de construção ... 41
3.2 ANÁLISE DO CUSTO DO CICLO DE VIDA ... 42
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 44
4.1 VIABILIDADE TÉCNICA... 44
4.1.1 Caracterização dos equipamentos ... 44
4.1.1.1 Injetora ... 44
4.1.1.2 Molde de câmara fria ... 44
4.1.1.3 Molde de câmara quente ... 45
4.1.2 Capacidade da máquina injetora ... 45
4.1.2.1 Capacidade de injeção ... 45
4.1.2.2 Pressão de injeção ... 46
4.1.2.3 Força de fechamento... 46
4.1.3 Tipos de extração ... 48
4.1.3.1 Extração por pinos... 48
4.1.3.2 Extração por placa... 48
4.1.4 Refrigeração ... 48
4.1.5 Canais de alimentação ... 49
4.1.6 Tempo de ciclo ... 51
4.1.7 Falhas de construção ... 54
4.1.8 Discussões ... 54
4.2 ESTUDO DE RETORNO DE INVESTIMENTO ... 55
4.2.1 Caracterização dos processos de injeção ... 55
4.2.2 Definição do ciclo de vida do molde ... 56
4.2.4 Coleta de informações e plotagem no modelo ... 58
4.2.5 Apresentação e discussão de resultados ... 59
5 CONCLUSÃO ... 61
REFERÊNCIAS ... 63
1 INTRODUÇÃO
A injeção de polímeros é um processo de fabricação que atende uma considerável parcela do mercado de produtos brasileiros, representando em 2010, segundo o IBGE, 31,1% da produção de transformados plásticos no Brasil, destacando-se assim pela segunda maior contribuição dentre todos os processos em uso (ABIPLAST, 2013).
As principais vantagens da injeção termoplástica encontram-se nas produções em larga escala, de curto prazo e com geometrias complexas, ao permitir que o produto apresente um bom acabamento superficial e repetibilidade na produção. No entanto, o processo de injeção termoplástica pode se tornar muito oneroso ou até mesmo impraticável caso haja a necessidade de alteração de um produto, em virtude do alto investimento na alteração das ferramentas de injeção ou na aquisição de novas.
No Brasil, a indústria de transformados correspondeu em 2014 a 11,7% do PIB, onde a indústria de plásticos e borracha representou 0,5% desse total (DEPECON, 2016).
Os moldes de injeção correspondem a uma grande parcela do custo total do equipamento, superando, em casos de peças de alta complexidade e/ou grandes dimensões, o custo da máquina injetora no qual é utilizado, além de ser a peça chave na produção, uma vez que eles são os responsáveis pela forma do produto e seu acabamento superficial. É importante salientar que o desenvolvimento do projeto do molde garante a qualidade dos produtos, evitando gastos com retrabalho na ferramenta e no produto, tornando-se assim, imprescindível o desenvolvimento de um projeto bem detalhado para assegurar esses aspectos.
Uma das principais características dos moldes de injeção são os sistemas de canais, também chamados de câmaras, as quais podem ser quentes (injeção indireta) ou frias (injeção direta), relacionando-se ao aquecimento ou não dos canais, respectivamente.
A substituição de um molde de câmara fria para um molde de câmara quente na injeção de termoplásticos minimiza custos através da redução do tempo de ciclo e da eliminação do canal de alimentação. No entanto, o custo de aquisição de um molde de câmara quente é muito mais elevado que o de um molde de câmara fria.
As principais vantagens de se aplicar um canal do tipo câmara quente, segundo Manrich (2005, pg. 279), referem-se principalmente ao acabamento superficial, o qual é superior perante a injeção direta e também em relação à redução de custos dos canais de alimentação, que não solidificam durante o processo, reduzindo o tempo de ciclo e a quantidade de material retrabalhado.
O desenvolvimento de novas tecnologias para o aprimoramento de moldes de injeção vem sendo utilizado com o objetivo de reduzir custos e aumentar a qualidade dos produtos
Diante disso, o assunto mencionado nessa introdução será o objeto de estudo do presente trabalho, ao passo que se pretende elucidar a viabilidade técnica e financeira da alteração da tecnologia de um molde de câmara fria para um molde de câmara quente na produção de um manípulo de fogão. Tal análise será feita envolvendo os aspectos produtivos e as variáveis de processamento que dependem de particularidades das tecnologias e da geometria do produto que serão desenvolvidos em uma empresa específica.
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo desse trabalho é estudar a viabilidade técnica da alteração de um molde de injeção de câmara fria para câmara quente na produção de um manípulo de fogão para a validação por análise comparativa dos dados fornecidos pela empresa analisada no estudo durante a produção efetiva de ambos os moldes. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para cumprir o objetivo geral, algumas ações deverão ser executadas: Definir a capacidade de injeção da máquina injetora;
Definir a força de fechamento da máquina injetora;
Apresentar qual a pressão de injeção presente na máquina injetora;
Caracterizar os tipos de extração presentes nos moldes;
Calcular o fluxo de massa de água para resfriamento dos moldes; Comparar os diâmetros dos canais de alimentação dos moldes;
Definir os tempos de resfriamento dos moldes;
Apresentar quais são os tempos responsáveis pelo tempo de ciclo; Apresentar as falhas de construção presentes nos moldes;
Desenvolver uma estimativa simplificada do retorno de investimento baseado na análise do custo do ciclo de vida.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 INJEÇÃO
Trata-se de um processo de transformação e processamento de polímeros termoplásticos que tem como objetivo a padronização de qualidade e repetição de processo, de forma que haja uma alta produção de um mesmo produto e baixa variação geométrica, de cor ou acabamento, através do uso de máquinas automatizadas, onde os parâmetros de produção são previamente definidos, conhecidas como injetoras.
De Blasio (2007, pg. 32) explica que como o início do novo ciclo se dá ao final do atual, o processo caracteriza-se como intermitente e que as etapas referentes ao ciclo são alimentação, plastificação, enchimento do molde, abertura do molde e extração. Dessa forma é possível compreender o processo como um todo.
2.1.1 Injetoras
O funcionamento das injetoras se baseia na transformação da matéria-prima sólida em um material fundido para preenchimento das cavidades da ferramenta. Esse processo ocorre em uma rosca sem fim de geometria e diâmetro variáveis, responsável pelo transporte do material, revestida de mantas térmicas com aquecimento elétrico, fontes de calor para a mudança de estado. Este conjunto é conhecido como canhão.
Quanto ao trabalho exercido pela rosca, Manrich (2005, pg.280) explana que ela exerce a função de um pistão para completar o processo de preenchimento do molde e que a nomenclatura de rosca recíproca se deve às duas formas de ação aplicadas pela mesma.
Sobre a pressão de injeção, De Blasio (2007, pg.41) afirma que esta é diretamente relacionada com a viscosidade (h), e essa pode ser definida pela temperatura, os aditivos, o tipo de polímero, a taxa de cisalhamento e a geometria por onde flui a massa fundida.
Para que a fluidez do material esteja correta na entrada da ferramenta, atualmente o canhão passa por um aquecimento particionado, conhecido como zonas de aquecimento, que são reguladas por um controlador CLP, responsável
pelo ajuste de todos os parâmetros referentes à produção do produto. Os detalhes da máquina são apresentados na Figura 1.
Fonte: Adaptado de HARADA (2008, pg. 28).
2.1.2 Moldes
Uma definição clara sobre a importância do molde foi concebida por De Blasio (2007, pg. 36), quando afirmou que a complexidade do projeto se encontra nele, visto que o produto final é a peça a qual foi produzida ali.
Para que possa se definir qual será a forma do produto e o acabamento que possuirá, se faz necessário desenvolver uma ferramenta de moldagem, capaz de atender os requisitos impostos ao produto. Essa ferramenta, conhecida como molde, é a base do processo de produção, capaz de produzir várias unidades de um mesmo produto a cada ciclo de injeção, ou até mesmo mais de um produto na mesma ferramenta.
Na definição de Cruz (2002, pg. 9) sobre a refrigeração de um molde, o qual é atuante em suas cavidades e machos, tem-se que a sua função é mantê-los frios a ponto de solidificar a massa fundida, previamente aquecida no canhão da injetora.
Dependendo do desenvolvimento do projeto do molde, é possível, através das tecnologias nele aplicadas, possuir uma ferramenta com custos elevados, e em alguns casos, podendo ser mais cara que a injetora em si, mas entregando produtos com características bem específicas, como por exemplo, acabamento polido espelhado, furos não paralelos ao sentido de injeção, resfriamento acelerado de pontos com concentração de massa e alta produtividade com ciclos de injeção reduzidos.
A principal diferenciação que ocorre na forma de construção dos moldes é referente aos sistemas de canais das cavidades de moldagem, podendo ser classificado de duas formas, canais de câmara fria ou câmara quente.
Gualberto e Dhilmann (2005) explicam que muitas vezes o canal de alimentação traz uma espessura maior que a parede da peça, visando que o tempo de refrigeração se defina pelo canal, e não pela peça.
2.1.2.1 Canais de alimentação
Cruz (2002, pg. 86) define como conceito básico para desenvolvimento do canal de alimentação, a ocorrência de um fluxo rápido e homogêneo do material, de forma que a cavidade se preencha como um todo na menor distância radial possível, e que isso ocorra sem haver perda de pressão e temperatura.
Manrich (2005, pg. 370) explica que canais circulares, por gerarem menor atrito na passagem do fluido, são ideais para o transporte de material, porém aumentam a dificuldade de confecção da ferramenta, gerando mais custos de hora-homem/máquina.
Na figura 2, apresenta-se um sistema simplificado, semelhante ao que Harada (2008, pg. 150) define como sendo canal de injeção o responsável pela entrada do material no molde, os canais primários e secundários, os quais encaminham o material até a cavidade, a entrada de injeção, que sofre uma redução de área transversal com o intuito de se romper na hora da extração, o componente injetado, que se torna o produto principal tendo todas as características encomendadas pelo cliente, e o poço frio, o qual é uma extensão do canal de injeção, onde o material que não está na temperatura correta fica retido.
Figura 2 - Esquema do Sistema de Alimentação de um molde.
Fonte: Adaptado de MOLDES INJEÇÃO PLÁSTICOS.
2.1.2.2 Canais de injeção direta
Essa classificação se aplica aos moldes convencionais e também é conhecida como câmara fria, onde o canal de alimentação, durante o processo de resfriamento, também é resfriado, precisando também ser extraído em cada ciclo, gerando um alto volume de material a passar por reciclagem, o que consequentemente gera mais custos durante o processo como um todo, explica Manrich (2005, pg. 362).
2.1.2.3 Canais quentes
Também conhecido como câmara quente, Manrich (2005, pg.364) afirma que esse tipo de canal garante que o material presente nos canais de alimentação não passe por resfriamento, gerando assim uma economia média de 15% de matéria prima, além de manter o material na temperatura correta para alimentação das cavidades de moldagem, reduzindo o tempo de dosagem por ciclo. Algumas vantagens conhecidas do uso da câmara quente são o melhor acabamento superficial e a redução de material a ser reciclado, em comparação ao molde de câmara fria.
Completando a colocação anterior, Gualberto e Dhilmann afirmam que o tempo de ciclo pode se reduzir até mesmo pela metade com a aplicação de canais quentes.
Manrich (2005, pg.366) diz que moldes com canais quentes oferecem
uma série de vantagens em relação aqueles com canais frios:
• Redução do custo da mão-de-obra com a eliminação do corte ou separação de galhos (parte que solidifica dentro dos canais);
• Economia em matéria-prima com a inexistência dos canais congelados (galhos);
• Economia em energia por não necessitar reciclar os canais,
• Ciclos mais rápidos, pois a cada ciclo o material somente preenche a cavidade, pois os canais quentes sempre ficam cheios. Os canais chegam a representar de 10 a 50% da massa utilizada em um ciclo de injeção;
• Qualidade do injetado é superior por ser possível controlar as propriedades reológicas e térmicas da massa polimérica;
• Projetos de moldes com canais quentes permitem maiores variações e maior flexibilidade;
• Fabricação de peça com baixo nível de tensões internas, e consequentes baixos encolhimentos.
2.1.2.4 Cavidades e machos
Cruz (2002, pg. 30) denota as partes responsáveis pela forma desenvolvida na peça como cavidade e macho. A cavidade faz o formato externo da peça e o macho, as formas internas. Quanto às formas construtivas, as cavidades/machos podem ser acopladas à placa do molde ou produzidas em postiços, os quais têm uma maior manutenabilidade por ser mais manuseável que a placa do molde.
O molde pode assentar várias cavidades em sua placa, e a disposição das cavidades no molde (Figura 3), também chamado de layout, não possui uma regra definida, mas Manrich (2005, pg. 377) cita que é crucial para um bom funcionamento do preenchimento do molde, que as cavidades se preencham simultaneamente, evitando que ocorra o resfriamento desbalanceado do material injetado.
Figura 3 - Algumas disposições possíveis para cavidades de molde.
Fonte: Adaptado de MANRICH (2005).
2.1.2.5 Materiais para molde
A seleção de materiais referente aos materiais usados na construção dos moldes possui variáveis tanto de processo quanto de produto, e MANRICH (2005 pg. 394) elege como principais características levadas nessa seleção o tipo e o material constituinte da peça injetada e o tempo de vida da ferramenta.
As funções desenvolvidas pelo metal de aplicação devem atender como principais propriedades a resistência à corrosão, à tração, à pressão, à abrasão, aos processos de tratamento térmico, tenacidade, dureza, usinabilidade, soldabilidade, facilidade de polimento, entre outros, explica Manrich (2005, pg. 395).
Os materiais mais comumente empregados na confecção de moldes estão citados na tabela 1:
Tabela 1 – Materiais empregados na construção de moldes.
Material Características
Aços Usado para confeccionar a maioria dos componentes de um molde convencional.
Aços Inoxidáveis Usado em regiões onde se faz necessário baixa condutividade térmica ou alta resistência à corrosão.
Ligas Cu/Be Usado em regiões de alta condutividade térmica, como no aquecimento e refrigeração do material.
Ligas de Zn Usado em moldes de baixo ciclo de vida.
Ligas de Al Usado principalmente em testes de molde, desenvolvimento de molde protótipo. AISI H13 Para trabalho a quente, conservando as propriedades mecânicas.
P20 Usado para confecção das cavidades por possuir ótima temperabilidade, soldabilidade e facilidade de polimento.
SAE 1045 Usado para confecção de Porta-Moldes.
Como o estudo não engloba a seleção dos materiais utilizados, a revisão será restringida apenas à análise dos materiais usados na confecção dos moldes utilizados no estudo de caso a ser relatado nesse trabalho contemplando as melhorias geradas pela alteração de alguns materiais presentes no molde.
Desses materiais apresentados na tabela 2 e tabela 3, o BM 172HT começou a ser aplicado recentemente, por possuir elevada dureza e uma alta condutividade térmica, tornando-se o material indicado para confecção de cavidades, conforme descrito no informativo técnico do material em anexo.
Tabela 2 - Propriedades mecânicas dos principais materiais do molde.
Propriedades Mecânicas Aço SAE
1045 Aço P20 172HT BM Unidade
Módulo de Young 208-216 204-215 131 GPa
Tensão de Escoamento 380-475 716-1420 1000 Mpa
Limite de resistência a Tração 670-825 927-1660 1380 MPa
Alongamento 16-24 17.5-24.8 4 %tensão
Tensão Compressiva 380-475 716-1420 - MPa
Módulo de Flexão 208-216 204-215 - GPa
Tensão de ruptura de flexão 380-475 716-1420 - MPa
Módulo de Cisalhamento 80-85 79-83 - GPa
Módulo Volumétrico 161-176 162-170 - GPa
Coeficiente de Poisson 0.285-0.295 0.285-0.295 - Fator Geométrico 53 24 - Dureza Vickers 200-245 300-500 392 HV Fonte: CES, 2017.
Tabela 3 - Propriedades Térmicas dos principais materiais do molde.
Propriedades Térmicas Aço SAE
1045 Aço P20 172HT BM Unidade
Ponto de Fusão 1400-1500 1460-1500 - ºC
Temperatura máxima de serviço 313-347 470-520 - ºC Temperatura mínima de serviço 53-28 73-53 - (-) ºC
Condutividade Térmica 49-53 42.9-46.5 156 W/m.ºC
Calor Específico 465-505 471-476 - J/kg.ºC
Coeficiente de expansão Térmica 10 12 11.3-11.8 9.7 µtensão/ºC
2.1.3 Possíveis problemas de injeção
Quando se produz um molde, alguns problemas podem vir a ser diagnosticados apenas quando em linha de produção, no que se refere à peça. É importante saber definir quais são os problemas enfrentados para então poder encontrar a solução adequada. Para haver uma base adequada na análise do produto, alguns dos problemas mais usuais, segundo Manrich (2005) são apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – Problemas de injeção mais usuais.
Problema Características Soluções usuais
Empenamento Produto perde precisão
dimensional. Gerar uma distribuição homogênea do material earmazenamento adequado.
Linhas de solda Marca visível gerada pelo encontro de dois ou mais pontos
de injeção concorrentes.
Manter temperatura do fluido elevada até o encontro dos fluxos.
Linhas de emenda Marca visível gerada pelo encontro de dois ou mais pontos
de injeção paralelos.
Manter temperatura do fluido elevada até o encontro dos fluxos.
Chupados Marcas de relevo indesejadas no
produto. Aumentar a pressão de recalque.
Fluxo Multidirecional Marcas de fluxo geradas pela mudança de direção dentro da
cavidade.
Reajuste do balanceamento de distribuição de massa no molde.
Fonte: Adaptado de MANRICH (2005, pg. 396).
Cantos vivos são um detalhe geométrico a ser considerado no projeto do molde, pois a sua existência pode ser atribuída à altas tensões localizadas, redução de fluxo e desgaste acelerado das ferramentas (MANRICH, 2005,pg. 412).
Na figura 4 apresenta-se uma relação entre o fator de concentração de tensões, k e a razão raios e espessura r/t, onde se afere que maiores valores da razão r/t levam a uma menor concentração de tensão, o que é considerado ideal quando encontra-se no cotovelo da curva.
Figura 4 - Raios ideais para contorno de Peças Injetadas.
Fonte: Adaptado de MANRICH (2005, pg. 412).
2.2 MATERIAIS POLIMÉRICOS
Os polímeros são o tipo de material utilizado neste processo de produção, os quais são divididos em termoplásticos, termorrígidos e elastômeros.
Segundo Askeland (2008, pg. 478), o termo mero significa unidade, e um polímero pode ser considerado um conjunto de várias unidades repetitivas. E os plásticos, Askeland (2008, pg. 479) explica, são materiais compostos pelo polímero com aditivos que podem melhorar ainda mais suas propriedades.
Os termoplásticos, matéria-prima utilizada no processo de moldagem por injeção, possui como principal característica ser um material moldável após absorver energia, e rígido, mantendo todas suas propriedades químico-mecânicas, após seu resfriamento (CALLISTER 2012, pg. 343).
Na tabela 5 são apresentados vários polímeros comuns e de engenharia classificados em termoplásticos e termorrígidos.
Para uma definição molecular, Callister (2012, pg. 336) explica que “[...] à medida que a temperatura é elevada, as forças de ligação secundária são diminuídas (pelo aumentado movimento molecular) de maneira que o movimento relativo de cadeias adjacentes é facilitado quando uma tensão é aplicada.”, se tornando um processo totalmente reversível, conclui.
Tabela 5 – Classificação dos termoplásticos quanto à sua Aplicação.
Aplicação Grupo Principais Plásticos Sigla
Geral Termoplásticos Polietileno PE
Polipropileno PP
Poliestireno PS
Poliestireno de Alto Impacto HIPS Copoli(estireno-acrilonitrila) SAN Copoli(acrilonitrila-butadieno-estireno) ABS Copoli(etileno-acetato de vinila) EVA Poli(cloreto de vinila) PVC Poli(acetato de vinila) PVAC
Poli(acrilonitrila) PAN Poli(cloreto de vinilideno) PVDC Poli(metacrilato de metila) PMMA
Termorrígidos Resina epoxídica ER
Resina de fenol-formaldeído PR Resina de uréia-formaldeído UR Resina de melanina-formaldeído MR
Poliuretanos PU
Engenharia Uso Geral Polietileno de altíssimo peso molecular UHMWPE Poli(óxido de metileno) POM Poli(tereftalato de etileno) PET Poli(tereftalato de butileno) PBT
Policarbonato PC
Poliamidas alifáticas PA Poli(óxido de fenileno) PPO Poli(fluoreto de viilideno) PVDF Uso Especial Poli(tetraflúor-etileno) PTFE
Poliarilatos PAR Poliésteres líquido-cristalino LCP Poliamidas aromáticas PA Poli-imidas PI Pol(amida-imida) PAI Poli(éter-imida) PEI Poli(éter-cetona) PEK Poli(éter-éter-cetona) PEEK Poli(éter-sulfona) PES Poli(aril-sulfona) PAS Poli(sulfeto de fenileno) PPS
Fonte: Adaptado de MANO (1991, pg. 46).
Segundo Wiebeck e Harada (2005, pg. 20), os plásticos que sofrem esforços mecânicos, térmicos, elétricos, químicos ou ambientais por determinados períodos, são conhecidos como plásticos de engenharia.
Para entender melhor, de forma sucinta, quais são as propriedades para atender o requisitado, e assim partir para uma seleção de materiais, é possível comparar a grandeza mecânica com a característica do material na tabela 6:
Tabela 6 – Propriedades X Funções dos materiais.
Fonte: BARROS (2015, pg. 45).
Neste caso, o cliente definiu junto à empresa que o material do objeto em estudo será o PBT, portanto, a revisão será desenvolvida sobre esta matéria-prima.
2.2.1 Politereftalato de butileno (PBT)
Segundo Cruz (2002, pg. 12), o politereftalato de butileno (PBT), que será o material aplicado no estudo, tem ótima estabilidade dimensional, mínima contração, boa estabilidade química, resistência elétrica, boa resistência à temperatura e relativamente baixa estabilidade mecânica.
Tabela 7 – Propriedades Mecânicas do PBT.
Propriedades Mecânicas PBT Unidade
Módulo de Young 1.93-3 GPa
Tensão de Escoamento 56.5-60 Mpa
Limite de resistência a Tração 56.5-60 MPa
Alongamento 50-300 %tensão
Tensão Compressiva 59.3-100 MPa
Módulo de Flexão 2.27-2.75 GPa
Tensão de ruptura de flexão 82.7-115 MPa Módulo de Cisalhamento 0.69-1.07 GPa Módulo Volumétrico 384-4.03 GPa Coeficiente de Poisson
0.39-0.406
Fator Geométrico 4.8
Dureza Vickers 17-18 HV
Fonte: CES, 2017.
Tabela 8 – Propriedades Térmicas do PBT.
Propriedades Térmicas
Ponto de Fusão 220-267 ºC
Temperatura máxima de serviço 112-127 ºC Temperatura mínima de serviço 70-50 (-) ºC
Condutividade Térmica 0.274-0.285 W/m.ºC
Calor Específico 1420-1480 J/kg.ºC
Coeficiente de expansão Térmica 108-171 µtensão/ºC
Fonte: CES, 2017.
Nos últimos 20 anos houve um crescimento muito grande na produção de PBT, e conforme Burridge (2004), o crescimento anual da transformação do PBT aumenta a uma taxa de 8% ao ano e todas as grandes empresas transformadoras estão investindo num crescimento físico para atender a demanda mundial, conforme apresentado na tabela 9, que em 2003 estava em aproximadamente 420.000 ton/ano.
Tabela 9 – Produtividade dos Principais produtores de PBT em 1.000 ton/ano.
Empresa Localização Capacidade (1000
ton/ano) BASF/GE Plastics Schwarzheide, Alemanha 100
Chang Chun Plastics Kaohsiung, Taiwan 66
DSM Engineering Plastics
Emmen, Holanda 30
DuBay Polymer Uentrop, Alemanha 80
DuPont Cooper River, EUA e
Uentrop, Alemanha
70
GE Plastics Mount Vernon, EUA 120
Mitsubishi Chemical Yokkaichi, Japão 15
Polyplastics Fuji, Japão 20
Shinkong Synthetic Fibers
Ta-Chi, Taiwan 40
Ticona Shelby, EUA 30
Toray Ehime, Japão 24
WinTech Matsuyama, Japão 62
Fonte: Adaptado de BURRIDGE (2004).
2.3 ANÁLISE ECONÔMICA – LIFE CYCLE COST ANALYSIS (LCC)
A análise do custo do ciclo de vida é um estudo voltado para auxiliar o gestor a decidir a melhor estratégia econômica, de modo a ter o menor custo
possível com aquisição, instalação, operação, manutenção e
descarte/reaproveitamento (GREENE e SHAW, 1990).
Para Greene e Shaw (1990) essa análise se particiona em 10 etapas que podem ou não ter uma sequência de aplicação, e os autores ressaltam que ainda é possível trabalhar essas etapas simultaneamente. As 10 etapas desenvolvidas por eles são:
1. DETERMINAR O OBJETIVO DA ANÁLISE DE LCC
o O objetivo é dependente da tarefa que o analista recebeu. É função do analista estar ciente de qual é o objetivo e caso
ele não esteja, é possível que em algum momento, após já ter sido desenvolvido alguns passos, se descubra que seguiu a lógica errada.
2. DEFINIR E APLICAR O SISTEMA / SISTEMA DE SUPORTE o Como os sistemas e subsistemas não são bem definidos no
início da análise, este passo além de iterativo, se torna um dos mais difíceis de executar, já que é necessário aceitar uma aproximação através de um sistema já existente ou uma suposição baseada apenas no que o analista acha que será o sistema.
3. SELECIONAR A METODOLOGIA DE ESTIMATIVA/MODELOS LCC ADEQUADOS
o A função desta etapa se resume ao levantamento do volume de dados que estão disponíveis para conduzir a análise. Na fase inicial só será possível a aplicação de dados parametrizados baseados em estimativas. Quando for para a fase de produção, uma engenharia reversa pode ser aplicada.
4. COLETAR DADOS E FAZER A ENTRADA APROPRIADA NA METODOLOGIA/MODELO
o Processo iterativo com o passo 2, onde os dados estimados até então serão coletados e “lançados” no modelo. Por ser necessária a coleta de dados, a persistência é essencial nesse momento.
5. REALIZAR UMA ANÁLISE DOS DADOS DE ENTRADA E SAÍDA COM BOM SENSO
o Nesta etapa, o analista deve realizar uma tarefa manual, onde todos os dados lançados são analisados à procura de qualquer incoerência. Para que a análise esteja bem apurada, esse processo deve ser aplicado várias vezes em sequência, evitando que informações erradas se mantenham após esta etapa.
6. EXECUTAR ANÁLISE DE SENSIBILIDADE E AVALIAÇÃO DE RISCOS
o Como uma análise se baseia em projeções, os riscos e incertezas estarão presentes, e nesta etapa é necessário transformar a estimativa em estatística. Caso não haja um auxílio computacional, o analista deve utilizar do método convencional, ou seja, ir alterando os dados até que seja possível definir as melhores e piores situações. A avaliação de riscos é importante, pois através dela, se decide se a viabilidade de continuidade da análise existe, e é neste momento em que o analista pressupõe qual é o risco que ele está disposto a assumir.
7. FORMULAR OS RESULTADOS DA ANÁLISE
o Neste estágio, após a coleta e checagem de todos os dados, o analista deve separar o que, em sua análise, já está moldado. Para isso deve-se conferir as informações do passo 1, visando confirmar que o objetivo escolhido está realmente correto, e após isto, devem-se montar tabela, gráficos e matrizes de dados que salientam os resultados. A partir desse ponto deve-se analisar todos os pontos de intersecção entre as alternativas e entender o porquê delas estarem ocorrendo.
8. REGISTRAR A ANÁLISE
o Desenvolver o registro de forma coesa e completa de toda a análise, de modo que se torne de simples entendimento através da metodologia aplicada.
9. APRESENTAR OS RESULTADOS DA ANÁLISE
o Desenvolver uma apresentação de dados que seja simples, porém completa. É interessante ressaltar que deve-se produzir várias versões do resultado, sendo alguns com informações mais detalhadas e outros com informações superficiais, visando que as informações correspondam ao que é relevante para a análise do avaliador em questão. 10. MANTER A LINHA DE BASE DA ANÁLISE ATUALIZADA
o Como alguns dados de processo podem se alterar com o passar do tempo, é importantíssimo para a veracidade de
sua análise que ocorram atualizações das informações e da aplicabilidade determinada por ela.
Folgado, Peças e Henrique (2008) desenvolveram uma sequência reduzida (Figura 5) baseada nas etapas sugeridas por Greene e Shaw de maneira que o processo de análise de LCC seja mais dinâmico. Essa versão reduzida é a que será aplicada neste estudo.
Figura 5 - Fluxograma das etapas do LCC.
3.1.1 Caracterização de equipamentos
Para normalizar as análises feitas, todos os estudos ocorreram na mesma máquina injetora, Marca Ideale, modelo FG 188V, com uma força de fechamento entre placas de 188 toneladas, e as tecnologias foram aplicadas à mesma peça, em dois moldes que tem o mesmo número de cavidades. O primeiro molde, onde a tecnologia do canal de injeção direta (frio) foi aplicada, sendo produzido através de porta moldes e aplicação de postiços, enquanto o molde com a tecnologia de injeção indireta (quente) foi produzido com a estrutura desenvolvida em Aço SAE 1045, as placas de contato em Aço SAE P20 e os machos das cavidades produzidos em BM 127HT.
É importante salientar que o material utilizado no processo de fabricação é o PBT, sem carga, fornecido pela empresa Celanese.
Para definir as informações necessárias para o desenvolvimento, foram pesados os canais de alimentação, assim como as peças, em uma balança com precisão de 0,1 g. Nas figuras 7, 8 e 9, as medições são apresentadas.
Figura 7 - Canal de alimentação do molde de câmara fria.
Figura 8 - Manípulo em estudo.
Fonte: Autoria Própria.
Figura 9 - Canal de alimentação do molde de câmara quente.
Fonte: Autoria Própria.
Para realizar o cálculo de massa fundida no molde, sendo essa a massa total que deve ser resfriada em todo ciclo, é necessário somar os manípulos ao sistema de canais do molde referido (Tabela 10).
Tabela 10 - Massas fundidas no molde.
Descrição Quantidade Massa Unidade [g] Massa Total [g]
Sistema de Canais (Câmara Fria) 1 48,4 48,4 Sistema de Canais (Câmara Quente) 4 3,1 12,4 Manipulo 16 9,2 147,2
3.1.2 Capacidade da máquina Injetora
Para uma melhor compreensão da adequação feita ao molde com o desenvolvimento das novas tecnologias, torna-se interessante iniciar o estudo com a comparação entre as capacidades da máquina injetora necessárias para o trabalho da máquina, o que pode gerar alterações no custo final da peça.
Harada (2008, pg. 33) explica que para definir a máquina ótima para aplicação do molde, é importante definir fatores a partir dos quais pode-se escolher a injetora, que após definidos, permitem que as informações necessárias para montagem sejam extraídas dos manuais ou catálogos das mesmas.
3.1.2.1 Capacidade de injeção
Cruz (2002, pg. 20) e Harada (2008, pg. 216) perguntam se a injetora tem força de fechamento suficiente para suportar o esforço da injeção, e para isso é preciso iniciar o dimensionamento através da máquina.
Para definir a capacidade de injeção, ou seja, a quantidade em gramas que a máquina atende em cada ciclo, é necessário conhecer qual é a massa de material injetado para que a máquina possua a força de fechamento entre placas adequada. Essa massa em termos de Poliestireno (PS) está descrita em Harada (2008, pg. 34) e aqui é apresentada de forma adaptada na equação 1, deixando assim a capacidade de injeção do PS em evidência, como:
.� = � �� � �. �� � �
��� ∗�� �� � ����� Onde:
Cinj.PS= Capacidade de injeção do PS [g];
Cinj.material= Capacidade de injeção do material a ser utilizado [g]; Ρmaterial= Peso Específico do material a ser utilizado [g/cm³]; ΡPS= Peso específico do PS [g/cm³];
FvPS= Fator Volumétrico do PS[cm³];
Fvmaterial= Fator Volumétrico do material a ser utilizado [cm³]. (1)
É importante obter a capacidade de injeção de poliestireno, pois Harada (2008, pg. 33), informa que atualmente as máquinas injetoras vêm referenciadas a partir do máximo de material que pode ser moldado por ciclo em poliestireno, ou seja, a partir dele é possível comprovar se a injetora escolhida é a correta.
3.1.2.2 Pressão de injeção
Cruz (2002, pg. 20) e Harada (2008, pg. 216) citam a possibilidade de haver marcas de injeção na peça, tais como, linhas de solda e a linha de abertura do molde, problemas que podem ser corrigidos através da pressão de injeção.
Este fator pode ser definido de duas formas diferente, pois existem duas formas essenciais de injeção. Para injeção com pistão hidráulico é gerado uma equação que leva em consideração o diâmetro do pistão e da haste de injeção (equação 2), enquanto para máquinas com injeção direta por rosca, o valor de pressão de injeção encontra-se tabelado no catálogo da injetora. Para os cálculos, HARADA (2008, pg. 37) afirma que como existem perdas de carga por todo o sistema, é possível adotar-se uma pressão de injeção em torno de 2/3 do total.
� = ��ℎ .∗ �²² Onde,
Pinj= Pressão de injeção [kg/cm²];
Pmhid.= Pressão manométrica da linha hidráulica de injeção [kg/cm²];
di= Diâmetro do cilindro hidráulico de injeção [cm];
dp= Diâmetro da haste do cilindro de injeção ou da rosca [cm]. 3.1.2.3 Força de fechamento
Cruz (2002, pg. 67) e Harada (2008, pg. 217) perguntam se o peso de todo o conjunto injetado está dentro da capacidade de injeção ou se a peça está livre de rebarbas, atendendo dessa forma, a força de fechamento da máquina.
Quando se seleciona uma máquina injetora, isso se faz através da força de fechamento, pois é a forma como elas são caracterizadas no mercado. Este fator é intimamente ligado à área projetada na moldagem, representada pelas cavidades de injeção e os canais de alimentação e distribuição, como explica Harada (2008, pg. 36).
Para definir essa força de fechamento, é então aplicada a equação 3:
� ℎ� = � � ∗ ∗ � .
Onde,
Ffechamento= Força de Fechamento das placas [ton]; Amoldagem= Área de moldagem total [cm²].
A área de moldagem do material fundido para os dois casos é definida através do projeto desenvolvido no software SolidWorks.
3.1.3 Tipos de extração
Cruz (2002, pg. 69) e Harada (2008, pg. 217) também questionam se o sistema de extração é adequado à maquina injetora, através do dimensionamento, do retorno e do tipo de extração.
Após a definição da máquina ideal de aplicação é possível determinar quais serão os métodos de extração aplicados no molde, já que a peça pode requerer diferentes características, dependendo de sua funcionalidade.
Uma característica marcante no processo de injeção é a possibilidade de moldagem sobre um macho alongado, porém como durante o resfriamento da peça, o material sofre contração, gera-se um atrito entre a peça e o molde, explica Harada (2008, pg. 170). Assim, o sistema de extração é essencial para a repetibilidade do processo.
Existem diversos meios de extração que podem ser aplicados em moldes de injeção, porém existem duas formas de extração utilizados na empresa, e por isso, nos reteremos apenas a esses.
3.1.3.1 Extração por pinos
Definitivamente é o método mais comum aplicado nos sistemas de extração. Harada (2008, pg. 174) diz que o sistema é formado por hastes cilíndricas montadas em uma placa metálica, que são conhecidos respectivamente por pinos extratores e placa impulsora (Figura 10).
Figura 10 - Extração por Pinos.
Fonte: Adaptado de CRUZ (2002, pg.69)
3.1.3.2 Extração por placa
Este tipo de extração (Figura 11) tem um uso mais aplicado às peças cilíndricas, e conforme Cruz (2002, pg. 72) a principal vantagem em aplicá-lo é que a força de extração é mais distribuída, evitando que ocorram marcas de extração na peça.
Figura 11 - Extração por Placa.
Fonte: Adaptado de CRUZ (2002, pg. 73).
3.1.4 Refrigeração
Cruz (2002, pg. 66) e Harada (2008, pg. 218) perguntam se a posição e o dimensionamento dos canais de refrigeração são satisfatórios ao esperado, podendo assim realizar as operações.
O resfriamento do molde é essencial para que a viabilidade do processo seja garantida, já que, como Harada (2008, pg. 188) explica, o fluxo do material, a contração e a aparência estão relacionados à velocidade de resfriamento.
Harada (2008, pg. 189) define características usuais para fabricação dos canais de refrigeração, tendo como parâmetro universal para canais usinados, manter no mínimo 25 mm de distância entre o canal e a cavidade ou superfície plana da placa, pois próximo ao furo de passagem do fluido refrigerante, o resfriamento se
torna muito severo, causando restrições de fluxo ao material e gerando marcas indesejáveis.
Quando o resfriamento é gerado por água, caso mais comumente aplicado, Harada (2008, pg. 197) define que o fluxo de água necessário para o resfriamento correto da peça seja descrito pela equação 4:
� =
∗[ �∗ − + ]−
Onde,
m2= Fluxo de água [kg/h];
m= Massa de material injetado no molde [kg/h]; Cp= Calor Específico do material [kcal/kg]; L= Calor latente de fusão do material [kcal/kg]; T1= Temperatura de injeção do material [ºC]; T2= Temperatura do molde [ºC];
T3= Temperatura de saída da água [ºC]; T4= Temperatura de entrada da água [ºC]; K= Constante de fabricação.
A constante K possui valores pré-determinados, representados na (Tabela 11):
Tabela 11 – Valores de K.
Tipo de Canal K
Canais de resfriamento perfurados na placa da cavidade ou no núcleo dos machos.
0,64 Canais de resfriamento perfurados nas placas de encosto. 0,5
Canais de resfriamento que usam tubos de cobre. 0,1
Fonte: Adaptado de HARADA (2008, pg. 196).
O Calor Latente de fusão pode ser calculado utilizando o valor do calor específico do material multiplicado pela variação de temperatura sofrida, conforme descrito na equação 5.
= � ∗ �� Onde,
Δθ = Variação de temperatura [ºC];
3.1.5 Canais de alimentação
Harada (2008, pg. 218) coloca também a situação do dimensionamento dos canais de distribuição, de forma que o preenchimento e solidificação da cavidade sejam atendidos neste dimensionamento, através das espessuras de canais e a presença ou não dos poços frios.
Através dos canais, o material preenche as cavidades, gerando as peças, porém, segundo Harada (2008, pg. 145), se os canais forem subdimensionados, pode ocorrer a má formação das mesmas, causando uma ineficiência no processo. O superdimensionamento do canal também pode gerar alguns problemas críticos quanto à eficiência na produção, mas sem ter a incidência da má formação de peças, gerando rebarbas, maiores tempos de ciclo e redução da capacidade de injeção da injetora.
Manrich (2005, pg. 378) define o diâmetro dos canais através de uma equação de dimensionamento de canais (equação 6) a seguir:
=
[ � ∗.7 ]Onde,
D = Diâmetro Circular [mm];
W = Peso do material que vai ser injetado à frente da atual posição que se está calculando as dimensões [g];
L = Comprimento do canal [mm].
Na tabela 12 apresentam-se as faixas de diâmetros de canais redondos para os comprimentos de canais principais mais usuais, lembrando que quanto mais
(5)
curto for o canal principal, melhor será o fluxo da massa fundida até a cavidade (HARADA, 2008, pg.151).
Tabela 12 - Diâmetros recomendados dos canais de alimentação.
Comprimento do Canal Principal Principal (mm) Secundário (mm) Até 75 mm 5 4 75 a 150 mm 6 5 150 a 225 mm 8 6 225 a 300 mm 9,5 8 Mais de 300 mm 9,5 8
Fonte: Adaptado de HARADA (2008, pg.148).
É importante salientar que os problemas que agem sobre os canais de alimentação não são incidentes em moldes de câmara quente (HARADA, 2008, pg.146).
3.1.6 Tempo de ciclo
Harada (2008, pg. 216) faz vários questionamentos, referentes à pressão de injeção, força de fechamento, acabamento da peça, que influenciam no tempo de ciclo, que se define através de todo o tempo de processo pelo qual o material se transforma, é injetado, se resfria e é extraído, e podendo assim, variar através de qualquer mudança que ocorra nesses períodos.
Das etapas citadas anteriormente, Manrich (2005, pg. 379) descreve uma equação para definir o tempo de resfriamento do material fundido que se encontra dentro do molde, já que o material precisa estar sólido para o processo de extração. A equação de Wübken (equação 7) é descrita como:
� = (� ∗� ) ∗ ln � ∗ � Onde,
s = Espessura da parede considerada [mm]; α ef = Difusividade térmica média [m²/s];
k = Coeficiente referente à espessura da peça; Y = Equação de Barrier.
A equação de Barrier (equação 8) é a representação de uma relação das temperaturas do processo, descrita como:
� =
−−Onde,
Tcil = Temperatura da massa fundida [ºC]; Td = Temperatura de saída da peça [ºC]; Tm = Temperatura do molde [ºC].
Tabela 13 - Valores de k para aplicação na equação de Wübken.
Espessura k
Parede Fina s ≤ 3 mm 4/π
Parede Grossa s > 3mm 8/π²
Fonte: Adaptado de Manrich (2005, pg.379).
GIL apresenta uma equação em especial para o cálculo do tempo de resfriamento do molde de câmara quente (equação 9), apresentada abaixo:
� = ( , ∗� ) ∗ ln 0,69 ∗ � Onde,
D = Diâmetro do canal de alimentação [mm].
3.1.7 Falhas de construção
Cruz (2002, pg. 20) e Harada (2008, pg. 216) deixam claro que o molde deve ser produzido de acordo com a máquina injetora onde será implementado, para que a adequação da ferramenta seja atendida.
(8)
Quando se fala em defeitos de construção, os principais problemas incididos na peça se encontram descritos no item 2.1.3, gerando marcas ou concentrações de tensão, falhas visuais ou mecânicas, que inutilizam a peça por sair dos padrões.
Um exemplo que pode enaltecer a influência da construção do molde para com as peças a serem produzidas é a construção do duto de refrigeração muito próximo da cavidade ou macho em pontos isolados, o que pode gerar chupados na peça, segundo Manrich (2005, pg. 399).
3.2 ANÁLISE DO CUSTO DO CICLO DE VIDA
No fluxograma abaixo (Figura 12) são apresentados os passos para a análise do custo do ciclo de vida adaptado a partir de Folgado, Peças e Henrique (2008).
O passo inicial é a caracterização do objeto de estudo, que no presente estudo se refere aos diferentes processos de injeção com diferentes tecnologias, no caso, por câmara fria e por câmara quente para um grande volume de produção.
Depois de definir o ciclo de vida dos moldes, de maneira a estabelecer os contornos da análise, será então possível desenvolver o modelo de análise do custo do ciclo de vida.
O próximo passo é coletar as informações de peças e processos e inserir os dados no modelo.
A variação dos dados de entrada permite, por um lado, a avaliação do modelo através do julgamento apurado dos dados de saída, e por outro lado, uma análise de sensibilidade.
Finalmente, os resultados das análises de custos serão apresentados e discutidos.
Figura 12 - Fluxograma do LCC da Análise.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 VIABILIDADE TÉCNICA
4.1.1 Caracterização dos equipamentos
4.1.1.1 Injetora
As informações sobre a máquina foram encontradas no manual da máquina injetora IDEALE PRIMMA FG 188V, e estão descritos na tabela 14:
Tabela 14 - Características da Máquina Injetora.
Características Valor Unidade
Força de fechamento 188 ton
Fluxo de água de refrigeração 100 L/min
Quantidade de óleo hidráulico 310 L
Dimensão mínima do molde (AxL) 360 x 330 mm
Peso máximo do molde 620 kg
Fonte: Manual de operações IDEALE PRIMMA.
4.1.1.2 Molde de câmara fria
O molde com a tecnologia antiga foi aferido, apresentando abaixo (Tabela 15) as informações relevantes ao projeto:
Tabela 15 - Características do molde de câmara fria.
Características Valor Unidade
Dimensões do Molde (AxLxP) 430 x 380 x 305 mm
Número de cavidades 16 Cavidades
Peso de massa fundida 195,6 g
Tempo de resfriamento 33 s
Tempo de ciclo 48 s
4.1.1.3 Molde de câmara quente
O molde com a tecnologia nova, também aferida, possui as seguintes informações (Tabela 16) relevantes ao projeto:
Tabela 16 - Informações sobre molde de câmara quente.
Características Valor Unidade
Dimensões do Molde (AxLxP) 430 x 380 x 307,5 mm
Número de cavidades 16 Cavidades
Peso de massa fundida 159,6 g
Tempo de resfriamento 15 s
Tempo de ciclo 30 s
Fonte: Autoria Própria.
4.1.2 Capacidade da máquina injetora
4.1.2.1 Capacidade de injeção
As capacidades de injeção calculadas através da equação 2, em 3.1.2.1 são: .� = � . � � � � �� ∗ ��� �� � �
Tabela 17 - Propriedades referentes à Equação de capacidade de injeção.
Propriedades Valor Unidade
Cap. Injeção PS 375 g Cap. Injeção PBT 410,9 g ρ PS 1,05 g/cm³ ρ PBT 1,31 g/cm³ Fator Volumétrico PS 2,02 Fator Volumétrico PBT 2,3
Com esse valor de capacidade de injeção do PBT é possível garantir que os moldes possam ser utilizados nessa máquina, visto que a capacidade máxima não é atingida.
4.1.2.2 Pressão de injeção
O valor de pressão de injeção suportado pela máquina foi fornecido pelo processo, e o maior valor encontrado situa-se no processo de dosagem do material, conforme apresentado na figura 13, que é de 140 bar.
Figura 13 - Tela de configuração de dosagem da injetora.
Fonte: Autoria própria.
4.1.2.3 Força de fechamento
A área de moldagem da massa injetada na câmara fria, representadas nas figuras 14 e 15, são de aproximadamente 1294 cm², considerando as áreas das 16 cavidades e do sistema de canais.
Baseado no maior valor de pressão de injeção e nas áreas de moldagem, a força requerida de fechamento encontrada na equação 3 é de aproximadamente 124 ton., ou seja, a máquina atende a demanda requerida.
Figura 14 - Lado externo dos manípulos no molde de câmara fria.
Fonte: Autoria própria.
Figura 15 - Lado interno dos manípulos no molde de câmara fria.
4.1.3 Tipos de extração
4.1.3.1 Extração por pinos
A extração por pinos é aplicada nos dois moldes em estudo, porém no molde de câmara quente, a placa extratora é a responsável por essa função, e como o curso dela não é suficiente para extração, somente para o desprendimento das peças das cavidades, os pinos têm a função de derrubamento das peças, visto que a aplicação deste tipo de extração causa deformações na peça, já que ela não atinge a mesma temperatura da peça na câmara fria antes de ser extraída.
4.1.3.2 Extração por placa
A extração por placa só foi aplicada no molde de câmara quente, pois segundo o gerente de produção da empresa, como a peça sai em uma temperatura maior do que no molde de câmara fria, devido ao aumento de produtividade, o pino gerava deformações que impossibilitavam o uso da peça. Assim, a placa age como extrator principal no molde de câmara quente.
4.1.4 Refrigeração
O fluxo de água necessário para a refrigeração foi definido na equação 4 como:
Tabela 18 - Valores Aplicados no cálculo do fluxo de água.
Câmara Fria Câmara Quente Unidade Massa de material injetado no molde (m) 14,083 19,152 Kg/h Calor Específico do material (Cp) 0,1956 0,1956 kcal/kg
Calor latente de fusão do material (L) 35,21 39,12 kcal/kg Temperatura de injeção do material (T1) 240 240 ºC Temperatura do molde (T2) 120 120 ºC Temperatura de saída da água (T3) 35 35 ºC Temperatura de entrada da água (T4) 18 18 ºC Constante de fabricação (K) 0,5 0,5
Fonte: Autoria Própria.
Este valor ficou calculado como 97,23 kg/h para o molde de câmara fria e 141,03 kg/h para o molde de câmara quente. A variação do fluxo de massa pode ser explicada de duas formas, sendo a redução do tempo de resfriamento um dos possíveis responsáveis, fazendo com que a peça saia a uma temperatura superior ao processo de câmara fria. O outro fator que pode gerar essa variação é o aumento da produtividade do processo, tendo assim que atender uma demanda também superior ao processo anterior. Os dois fatores podem ser confirmados na tabela 18, onde é apresentado a diferença do consumo de massa de matéria prima por hora.
4.1.5 Canais de alimentação
Assim como Harada elencou na tabela 12, o diâmetro nominal do canal principal de alimentação pode ser definido e comparado com o desenvolvido em
projeto pela empresa, sendo que os mesmos estarão apresentados nas figuras 16 e 17 e plotados na tabela 19:
Tabela 19 - Diâmetro nominal e projetado dos canais de Alimentação.
No Projeto Tabelado Unidade
Câmara Fria 6 6 mm
Câmara Quente 4 5 mm
Fonte: Autoria Própria.
O diâmetro projetado apresentado na tabela 19 é referente a um diâmetro equivalente, pois o formato do canal presente no projeto era o meia cana, ou seja, um formato semicircular, e a validação deste diâmetro se dá através da equivalência das áreas de seção calculadas, por isso os valores da tabela 19 e da figura 17 são diferentes.
Esses canais de alimentação deveriam sofrer uma redução para 5 mm, como descrito na tabela 12, quando se tornassem canais secundários, porém durante todo o percurso de alimentação e distribuição, eles mantiveram o mesmo diâmetro.
Figura 16 - Projeto do Canal Primário do molde de Câmara Fria.
Figura 17 - Projeto do Canal Primário do molde de Câmara Quente.
Fonte: Autoria própria.
4.1.6 Tempo de ciclo
Quanto ao tempo de ciclo, como dito anteriormente, é um valor basicamente empírico, mas é possível ter uma comparação entre o tempo teórico de resfriamento e o tempo medido pelo sistema da injetora.
O cálculo dos valores teóricos é baseado nas equações apresentadas no tópico 3.1.6, e a tabela 20 apresenta os valores aplicados nas duas equações.
Tabela 20 - Valores das propriedades das equações de tempo de ciclo.
Propriedades Valor Câmara Quente
Valor Câmara Fria
Unidade
Espessura da parede (s) 3 3 mm
Diâmetro canal primário (D) 6 6 mm
Difusividade térmica (α ef) 0,10 0,10 x106m²/s
Temperatura material (Tcil) 240 240 ºC
Temperatura do molde (Tm) 40 20 ºC
Temp. saída peça (Td) 60 40 ºC
O tempo calculado para o tempo de resfriamento no molde de câmara fria é de 24,07 s, devido à espessura do canal de alimentação, enquanto seu tempo marcado na injetora é de 33 s (Figura 20). Já no molde de câmara quente, o tempo calculado é de 30,09 s e o tempo medido na injetora é de 15 s. Como o tempo de resfriamento calculado para o molde de câmara quente é maior que o tempo na máquina, é possível afirmar que o fluxo de refrigerante maior do que o necessário auxilia na redução do tempo de ciclo, porém não se trata de uma relação diretamente proporcional, pois um dos fatores cruciais para esta otimização de tempo de ciclo é a aplicação de materiais com maior condutividade térmica, tal como, o cobre-berílio BM 172HT com 156 W/m.ºC aplicado nesse projeto, sobre o material anterior, sendo ele o aço P20 que possuía, em média, 44,7 W/m.ºC.
Já o tempo de resfriamento do molde de câmara fria é maior do que o calculado, e vários fatores podem causar essa diferença.
Figura 18 - Tela de Monitoramento do primeiro setup do molde de câmara quente.
Fonte: Autoria própria.
Na figura 18, são apresentados os principais parâmetros referentes à injeção no molde de câmara quente, sendo os valores apresentados, da primeira configuração desenvolvida, e dentre eles, vários tempos de processo são apresentados. O tempo de ciclo apresentado na figura 18 é de 34,89 segundos,
valor que conseguiu ser reduzido para 30 segundos. Outros parâmetros de tempo apresentados são os tempos de abertura e fechamento do molde, tempo de extração, tempo de injeção do material dentro do molde, tempo de recuo do canhão de injeção, e tempo de fechamento do molde em alta pressão. Junto com o tempo de resfriamento, estes são os principais constituintes do tempo de ciclo da máquina injetora utilizada neste estudo.
O tempo de dosagem, que também é apresentado na figura 18, é um tempo que ocorre em paralelo aos outros, visto que enquanto ocorre o resfriamento da peça, a dosagem também está em processo, ou seja, ela não influencia no tempo de ciclo diretamente. Isso também pode ser percebido na figura 19, sendo a massa fundida a responsável pela alteração deste tempo. Como pôde ser visto, o tempo de dosagem para câmara fria é um pouco superior ao tempo no molde de câmara quente e isso se dá principalmente pela diferença dos canais de alimentação, pois no molde de câmara quente há uma redução de aproximadamente 36 gramas.
Já o tempo de proteção do molde, é referente ao tempo em que o molde permanece fechado se uma certa pressão for aplicada, no intuito de não injetar material fundido caso alguma peça tenha ficado presa entra as placas, impossibilitando seu fechamento total, também sendo um tempo secundário, que ocorre esporadicamente.
Figura 19 - Tela de monitoramento de ciclos do molde de câmara fria.
