estudo camara quente muito bom
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SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA – SOCIESC
INSTITUTO SUPERIOR TUPY – IST
SABRINA MARQUES
ESTUDO DE UM BICO CONDUTOR DE CALOR EM UM SISTEMA DE CÂMARA
QUENTE PARA INJEÇÃO DE PLÁSTICO
Joinville
2011/1
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SABRINA MARQUES
ESTUDO DE UM BICO CONDUTOR DE CALOR EM UM SISTEMA DE CÂMARA
QUENTE PARA INJEÇÃO DE PLÁSTICO
Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza.
Joinville
2011/1
Trabalho de conclusão apresentado ao curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como requisito para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
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SABRINA MARQUES
ESTUDO DE UM BICO CONDUTOR DE CALOR EM UM SISTEMA DE CÂMARA
QUENTE PARA INJEÇÃO DE PLÁSTICO
Joinville, 28 de Junho de 2011.
______________________________________
Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (Orientador) Instituto Superior Tupy
______________________________________
Prof.: Écio José Molinari Instituto Superior Tupy
______________________________________
Prof.: Walber Ferreira Braga Instituto Superior Tupy
Este trabalho foi julgado adequado à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica e aprovado em sua forma final pelo curso de Bacharel em Engenharia Mecânica do IST.
4
À minha mãe, família e amigos.
Pelo incentivo, compreensão e paciência.
Ao Ms. Idezio Tomazelli.
5
AGRADECIMENTOS
A Deus pela vida, inspiração e a luz durante os momentos mais difíceis para
concretizar mais uma etapa em minha vida;
Em especial a minha mãe e toda minha família, pois nela busquei força e
estímulo para continuar esta árdua jornada;
A todos os amigos que estiveram presentes incentivando e dando força nos
momentos mais difíceis.
Ao professor Dr. Adriano Fagali de Souza pela orientação e constante
motivação, que com suas críticas, sugestões e dicas contribuiu de maneira decisiva
no desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores Jackson Miranda e Juliana Bernardini Francischini, pelas
sugestões e dicas.
As empresas Fator e Sim, que permitiram a realização deste trabalho e
disponibilizaram o sistema de câmara quente estudado e os equipamentos
necessários.
A empresa Jeruel Plásticos, que disponibilizou o molde de injeção e o produto
injetado.
A empresa Magma e a Luciana Stuewe, que desenvolveu a simulação e
disponibilizou os resultados.
A SOCIESC, pela oportunidade.
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RESUMO
Este trabalho teve por objetivo estudar a viabilidade do bico condutor de calor em
um sistema de câmara quente através da comparação de resultados obtidos pela
simulação térmica do software Sigma que utiliza um sistema CAE com o teste
prático. Para tanto, foram realizados simulações e testes em bancada para a
obtenção das temperaturas na ponta do bico condutor de calor. Quando utilizado a
temperatura programada no bloco de 250°C, os resultados apontaram que, a
temperatura dos bicos chega muito próximo a do bloco, somente quando são
avaliados em um bloco independente, ou seja, fora do molde. Quando colocados
dentro do molde, perdem calor para as placas, chegando a perder até 20°C.
Contudo, a perda de calor não afeta as condições de processo do molde. Logo este
tipo de molde com bicos condutores de calor é uma escolha apropriada, pois agrega
menor custo ao produto, principalmente pela economia com pontos de controle. Para
diminuir o efeito que a variação de temperatura pode causar durante o processo de
injeção do material PP, a temperatura programada dos blocos deverá aumentar em
torno de 20°C, para que a temperatura na ponta dos bicos fique entre 230°C e
275°C, que é a faixa de temperatura ideal de processamento para o PP.
Palavras-chave: Sistema de câmara quente. Bico condutor de calor. Sistema para moldagem.
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ABSTRACT
This work has as objective the study of the viability of the heat conducting nozzle in a
hot runner system by comparing the results obtained in the thermal simulation of the
Sigma software, that use a CAE system, with the practical test. For it, simulations
and stands tests were used to obtain the temperatures in the tip of the heat
conducting nozzle. When the programmed temperature in the block was 250ºC, the
results indicated that the temperature in the both nozzles becomes very close to the
temperature in the block, this occurs only when evaluated in an independent block, in
other words, outside the mould. When it is placed inside the mould, loses heat to the
plates, losing as much as 20ºC. However, the losses of heat don’t affect the mould
process conditions. So, this type of mould with heat conducting nozzles is an
appropriate choice, because aggregates lower cost to the product, mainly because of
the economy with fewer control points. In order to reduce the effect that the
temperature variation can cause during the process of PP injection, the programmed
block temperature should be improved by 20°C so that the temperature in the nozzle
stay between 230ºC e 270°C, the ideal range of temperature for the PP process.
Keywords: Hot runner system. Heat conducting nozzle. Molding systems.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Gráfico da comparação da viscosidade versus taxa de cisalhamento dos
fluidos Newtonianos, pseudo plásticos não-Newtonianos e dilatantes não-
Newtonianos. ............................................................................................................. 19
Figura 2 - Efeitos do cisalhamento desenvolvido durante o fluxo na orientação e na
viscosidade do polímero. ........................................................................................... 20
Figura 3 - O efeito da temperatura e taxa de cisalhamento na viscosidade. ............. 22
Figura 4 - Componentes do Sistema de Câmara Quente. ........................................ 24
Figura 5 - Bico aquecido externamente. .................................................................... 28
Figura 6 - Tipos de vestígios: .................................................................................... 29
Figura 7 - Bicos multi-pontos. .................................................................................... 30
Figura 8 - Sistema de câmara quente com bicos condutores de calor, projetado por
E. R. Knowles em 1938. ............................................................................................ 31
Figura 9 - Estudo realizado por E. R. Knowles entre um bico condutor de calor
fabricado em aço e outro em cobre berílio. ............................................................... 32
Figura 10 - Estudos realizados com o bico condutor de calor por E. R. Knowles. .... 32
Figura 11 – Bico condutor de calor apoiando em uma face de assento esférico. ..... 33
Figura 12 - Bico condutor de calor com face de apoio plana..................................... 33
Figura 13 - Controlador de temperatura. ................................................................... 35
Figura 14 - Resistência tubular prensada em sulcos ao longo da superfície do
manifold. .................................................................................................................... 38
Figura 15 – Resistência em espiral. a) com seção transversal circular; b) com seção
transversal retangular. ............................................................................................... 39
Figura 16 – Transferência de calor unidimensional por condução (difusão de
energia). .................................................................................................................... 41
Figura 17 – Desenvolvimento da camada limite na transferência de calor por
convecção. ................................................................................................................ 42
Figura 18 – Irradiação de um corpo negro em um envoltório fechado. ..................... 45
9
Figura 19 - Condições de perda de calor em um sistema de câmara quente. .......... 45
Figura 20 - Estrutura discretizada como uma montagem de elementos. .................. 47
Figura 21 - Exemplo da aplicação de um elemento triangular................................... 48
Figura 22 - Exemplo da aplicação de um elemento retangular. ................................ 48
Figura 23 - Elemento sólido tetraédrico linear. .......................................................... 51
Figura 24 - Elemento sólido hexaédrico linear. ......................................................... 52
Figura 25 - Dimensões do produto ETP-115, em mm. .............................................. 55
Figura 26 - Distribuição das cavidades no molde e balanceamento de canais. ........ 57
Figura 27 - Espessura das placas e comprimento do bico. ....................................... 57
Figura 28 - Montagem do sistema de câmara quente juntamente com os produtos. 59
Figura 29 – Manifold tipo H. ...................................................................................... 60
Figura 30 - Manifold tipo Y. ....................................................................................... 61
Figura 31 - Bico condutor de calor. ........................................................................... 61
Figura 32 - Fluxograma da sequência das atividades desenvolvidas. ...................... 63
Figura 33 - Materiais dos componentes. ................................................................... 64
Figura 34 - Posição do termopar no bloco. ............................................................... 65
Figura 35 - Posição dos termopares nos bicos. ........................................................ 65
Figura 36 - Elementos que formam a malha do componente. ................................... 66
Figura 37 - Ensaio realizado na empresa Fator. ....................................................... 67
Figura 38 - Parte fixa completa do molde utilizada para a simulação. ...................... 68
Figura 39 - Materiais do molde. ................................................................................. 69
Figura 40 - Posição dos termopares no molde. ......................................................... 69
Figura 41 - Posição das resistências em relação aos bicos no molde. ..................... 70
Figura 42 - Elementos que formam a malha do sistema. .......................................... 70
Figura 43 – a) Posições dos bicos no bloco b) Resultados das temperaturas na
ponta dos bicos no bloco Y após 1 hora de simulação. ............................................ 71
10
Figura 44 - Resultados dos ensaios realizados na bancada, com os desvios padrão
de cada bico. ............................................................................................................. 73
Figura 45 – a) Posições dos bicos e sensor no bloco b) Resultados da média das
temperaturas na ponta dos bicos no bloco Y. ........................................................... 73
Figura 46 - Resultados simulação x real. .................................................................. 75
Figura 47 – Distribuição simétrica dos blocos no molde. .......................................... 76
Figura 48 - Resultados das temperaturas na ponta dos bicos com todo o sistema de
câmara quente dentro do molde. ............................................................................... 77
Figura 49 - Comparação dos resultados das temperaturas na ponta dos bicos na
simulação entre o bloco independente e a média das temperaturas dos blocos
dentro do molde. ....................................................................................................... 77
Figura 50 - Blocos e bicos montados no molde de injeção. ...................................... 78
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Diferença de injeção entre moldes convencionais e moldes com canais
quentes. .................................................................................................................... 23
Tabela 2 - Aplicações de alguns bicos aquecidos externamente. ............................. 29
Tabela 3 – Ordem de magnitude dos coeficientes de transferência de calor por
convecção. ................................................................................................................ 43
Tabela 4 - Propriedades do material PP. .................................................................. 56
Tabela 5 - Propriedades mecânica do aço AISI P20. ................................................ 60
Tabela 6 - Propriedades mecânica do NiCr8020. ...................................................... 60
Tabela 7 - Propriedades mecânica do Moldmax HH. ................................................ 62
Tabela 8 - Propriedades mecânica do titânio (Ti6A4V). ............................................ 62
Tabela 9 - Resultados dos ensaios na bancada. ....................................................... 72
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABS – Acrilonitrila butadieno estireno
PA – Poliamida
PC – Policarbonato
PE – Polietileno
PID – Proportional integral derivative
PMMA – Polimetil metacrilato
POM – Poliacetal
PP – Polipropileno
PPO – Polioxido de fenileno
PS – Poliestireno
PUR – Poliureteno elastomérico
PV – Variável de processo
SAN – Estireno acrilonitrila
SP – Ponto de ajuste
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 15
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO ................................................................................... 17
2.2.1 Viscosidade ................................................................................................... 19
2.2.2 Temperatura .................................................................................................. 21
2.2.3 Pressão .......................................................................................................... 22
2.3.1 Bucha de Injeção .......................................................................................... 25
2.3.2 Manifold - Bloco de distribuição ................................................................. 25
2.3.3 Suportes ........................................................................................................ 26
2.3.4 Bicos de Injeção ........................................................................................... 27
2.3.5 Bico de injeção aquecido externamente ..................................................... 28
2.3.5.1 Bico de injeção com multi pontas ................................................................. 29
2.3.6 Bico condutor de calor ................................................................................. 30
2.3.7 Controlador de temperatura ........................................................................ 34
2.3.8 Aquecimento do sistema de câmara quente .............................................. 36
2.3.8.1 Resistência tubular do manifold .................................................................... 37
2.3.8.2 Resistência em espiral do Bico ..................................................................... 38
2.4.1 Condução ...................................................................................................... 40
2.4.2 Convecção ..................................................................................................... 41
2.4.3 Radiação ........................................................................................................ 44
2.4.4 Transferência de calor no sistema de câmara quente............................... 45
2.5.1 Elementos bidimensionais ........................................................................... 48
2.5.1.1 Elemento triangular linear ............................................................................. 49
2.5.1.2 Elemento retangular linear ............................................................................ 49
2.5.2 Elementos tridimensionais .......................................................................... 50
2.5.2.1 Elemento tetraédrico linear ........................................................................... 52
2.5.2.2 Elemento hexaédrico linear .......................................................................... 52
2.1 INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS .................................................................... 17
2.2 IMPACTO DAS PROPRIEDADES DO POLÍMERO NO SISTEMA DE CÂMARA
QUENTE ................................................................................................................... 18
2.3 SISTEMAS DE CANAIS QUENTES ................................................................... 23
2.4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR .......................................................................... 39
2.5 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ............................................................. 46
14
2.5.3 Elementos Parabólicos ................................................................................ 53
2.6.1 Módulo Hot-Runner ...................................................................................... 54
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................... 55
3.1.1 Sistema de câmara quente ........................................................................... 58
3.2.1 Procedimento da avaliação em bancada - Manifold tipo Y + bicos .......... 64
3.2.1.1 Simulação empregando o sistemas CAE ..................................................... 64
3.2.1.2 Ensaio ........................................................................................................... 66
3.2.2 Sistema completo ......................................................................................... 67
3.2.2.1 Simulação empregando o sistema CAE ....................................................... 68
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 71
5 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 79
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................... 80
REFERÊNCIA ........................................................................................................... 81
ANEXOS ................................................................................................................... 83
2.6 SOFTWARE DE SIMULAÇÃO - SIGMASOFT ................................................... 53
3.1 ESTUDO DE CASO: O PRODUTO E O MOLDE ............................................... 55
3.2 PROCEDIMENTOS ............................................................................................ 63
4.1 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA EM UM MANIFOLD TIPO Y
INDEPENDENTE ...................................................................................................... 71
4.2 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA REAL EM UM MANIFOLD TIPO Y
INDEPENDENTE ...................................................................................................... 72
4.3 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA E DA TEMPERATURA REAL EM
UM BLOCO Y INDEPENDENTE ............................................................................... 74
4.4 ANÁLISE ADICIONAL. AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA
CONSIDERANDO O BLOCO Y DENTRO DA ESTRUTURA DO MOLDE ............... 76
15
1 INTRODUÇÃO
A procura por produtos e serviços mais eficientes vem crescendo com o
aumento da internacionalização dos mercados e de uma economia globalizada,
decorrente da evolução tecnológica que na indústria de plásticos ganhou grande
importância. Ligadas diretamente com esta evolução estão as câmaras quentes,
pois resultam em produtos que ofereçam soluções inovadoras, com maior qualidade,
menor custo e menor tempo de execução, procurando ao máximo atender, e até
mesmo superar, as expectativas do mercado que se encontra cada vez mais
exigente e competitivo, constituído por consumidores cada vez mais conscientes de
suas necessidades (FERRO, 2003).
A utilização de materiais poliméricos no processo de moldagem de
componentes plásticos vem sendo cada vez mais aplicado nos mais variados
setores da economia mundial, como: automobilístico, eletro-eletrônico,
eletrodoméstico, brinquedos, equipamentos cirúrgicos, embalagens, construção civil,
alimentícios entre outros (SILVA, 2009).
Este acréscimo na utilização de materiais poliméricos tem grande influência no
aumento da utilização de tecnologias de canais quentes.
Segundo Sant’Anna (2008), não existem dados oficiais, mas os principais
fornecedores de câmaras quentes para moldes de injeção garantem nos últimos
anos um crescimento em índices bem maiores aos da evolução da economia. A
cada dia, ferramenteiros, transformadores e, em alguns casos, empresas dos mais
variados segmentos que verticalizam a produção de peças plásticas incorporam o
componente em seus moldes, deixando para trás o uso da tecnologia das câmaras
frias. De acordo com representantes dessas companhias, não faltam motivos para
os resultados positivos. O fator fundamental está no alto investimento inicial
necessário. É unânime a opinião de que as câmaras proporcionam a melhora do
desempenho dos moldes e retorno compensador para os transformadores. A
multiplicação de fornecedores nos últimos anos também tem ajudado na expansão
do mercado. A concorrência estimulou a queda de preços e, em conseqüência, a
popularização do uso.
Uma das questões pelo fato destes sistemas possuírem custo elevado é a
necessidade da utilização de bicos de injeção elétricos em grande quantidade. Estes
16
bicos são relativamente grandes e possuem vários componentes, sendo que entre
os principais está a resistência elétrica que, quando utilizada em grande quantidade,
fará com que este sistema tenha um custo elevado, sendo que o alto consumo de
energia destes bicos e a necessidade de utilização de controladores de temperatura
com maior quantidade de pontos de controle influenciam diretamente na escolha
entre sistemas de canais quentes e canais frios. Perante este cenário, constatou-se
a necessidade de estudar a viabilidade do bico condutor de calor.
O principal objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade do bico condutor de
calor em um sistema de câmara quente através da comparação de resultados
obtidos pela simulação térmica do software Sigma que utiliza um sistema CAE com o
teste prático.
Sendo assim, através da integração entre teoria e prática foi necessário aplicar
conhecimentos de assuntos específicos, de mecânica dos fluidos, resistência dos
materiais e transferência de calor, adquiridos durante o curso de Engenharia
Mecânica. A pesquisa foi desenvolvida em duas etapas: 1) pesquisa descritiva, onde
serão apresentados no decorrer deste trabalho os fundamentos teóricos dos
sistemas de câmara quente; 2) (pesquisa explicativa, onde serão realizados testes
práticos em bancada e simulações com sistema CAE, para verificar as temperaturas
nas pontas dos bicos, após a apresentação das análises serão apresentados
sugestões e discussões sobre os resultados).
A viabilidade de execução deste estudo foi possível, pois as Empresas SIM,
Fator, Jeruel, Magma, e a instituição de ensino SOCIESC apoiaram e
disponibilizaram os equipamentos necessários para o desenvolvimento da pesquisa.
O trabalho encontra-se organizado em quatro capítulos que, progressivamente,
conduzem o leitor desde a natureza do tema até as conclusões obtidas sobre os
resultados encontrados.
17
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO
Nesta seção são apresentadas as teorias que fundamentam esse estudo.
2.1 INJEÇÃO DE TERMOPLÁSTICOS
Segundo Manrich (2005), polímero é qualquer material orgânico ou inorgânico,
sintético ou natural que possua alto peso molecular com variedades estruturais que
se repetem, sendo que normalmente esta unidade repetida é de baixo peso
molecular.
Os polímeros podem ser classificados de diferentes maneiras, entre elas, em
relação: à sua estrutura química; método de preparação; características tecnológicas
e comportamento mecânico. Com relação à classificação do ponto de vista das
características tecnológicas, os polímeros podem ser divididos em: termoplásticos e
termofixos (MANRICH, 2005).
Termoplásticos são polímeros que podem ser fundidos e solidificados repetidas
vezes, com pouca ou nenhuma variação em suas propriedades básicas (ibidem).
Termofixos são polímeros que, após sofrerem o processo de cura, não podem
ser fundidos ou dissolvidos sem a ocorrência da degradação de sua estrutura
química (ibidem).
A moldagem por injeção é reservada, quase que exclusivamente, aos materiais
termoplásticos que deverão ser extraídos frios das cavidades para não sofrerem
deformações, como empenamento e rechupe. O material é aquecido até a fusão,
injetado nas cavidades frias do molde e solidificado por canais de resfriamento
localizados próximos as regiões das cavidades (PROVENZA, 1976).
Existe uma grande variedade de materiais termoplásticos, onde cada um
apresenta um comportamento diferente durante o processo. O fluido plástico deverá
apresentar um comportamento térmico uniforme e uma boa estabilidade química,
isto é, deverá fundir de forma homogênea, sem decompor-se nem desprender gases
que prejudicariam o produto, a máquina e o ambiente. Antes de ocorrer a
transformação quase todos os termoplásticos precisam de uma secagem prévia, a
fim de eliminar a umidade por eles armazenada. Para obter-se peças com medidas
18
exatas, é necessário que o plástico apresente uma contração pequena e uniforme.
Em geral a contração dos termoplásticos em direção ao fluxo é de 0,4% e
transversalmente de 0,7% (ibidem).
A viscosidade do material, a construção do molde e o sistema de plastificação,
influenciam diretamente na temperatura, pressão e velocidade de injeção. A
temperatura do molde depende do tipo de plástico e da espessura do produto, peças
simples de pequena espessura requerem temperaturas mais baixas comparadas as
dos moldes para peças de paredes grossas (ibidem).
Para Manrich (2005), em injeção com canais quentes, a temperatura da massa
fundida necessita ser controlada durante o preenchimento pois o fundido, quando
aquecido em excesso, resulta em grande expansão volumétrica e uma massa muito
mole, além de necessitar de maior tempo para resfriamento dentro do molde. Já, a
massa fundida pouco aquecida resulta em uma massa dura que exige maior pressão
de injeção, por perder muita pressão ao longo do comprimento do fluxo. Cada
material, como mostra o Anexo 1, de acordo com as suas propriedades físicas e
químicas, possui uma faixa de temperatura recomendável para que durante o
processo de injeção o polímero permaneça sempre fundido com as propriedades
ideais de injeção.
2.2 IMPACTO DAS PROPRIEDADES DO POLÍMERO NO SISTEMA DE CÂMARA QUENTE
Para Frenkler e Zawistowski (2001, p. 37), as propriedades térmicas e reológicas
do plástico têm maior impacto na concepção do sistema de câmara quente, e muitas
vezes eles realmente governar o potencial para sua utilização. As características
térmicas e reológicas dos polímeros controlam sua capacidade de processamento,
que por sua vez é dependente da estrutura química, da massa molecular, da forma e
da elasticidade e estrutura das moléculas.
Quando o plástico está em estado de processamento, sua composição é uma
mistura de uma série de ingredientes: o próprio polímero, aditivos e cargas para
alterar as propriedades de processamento, corantes e pigmentos. Mesmo dentro de
uma única família de termoplásticos, diferenças consideráveis podem ser vistas
entre as propriedades de processamento, apesar de uma estrutura semelhante. No
19
caso de ligas, a sua capacidade de processamento depende da porcentagem de
cada um dos polímeros. Os aditivos mencionados também alteram as características
do polímero e, muitas vezes, contraem ou deslocam o intervalo de temperatura de
processamento, que pode exigir uma modificação no projeto do sistema de câmara
quente. Por este motivo a correta seleção de um sistema de câmara quente exige
uma especificação da expanção térmica do plástico, especialmente quando o
fabricante emprega suas próprias composições e tipos de aditivos, tendo a sua
própria denominação e assim dá maior ênfase nas vantagens durante a aplicação do
que sobre as dificuldades e restrições encontradas durante o processamento
(ibidem, p.38)
2.2.1 Viscosidade
Para Frenkler e Zawistowski (2001, p. 50), a fluidez de um material plástico é
definida pelo valor da viscosidade durante o fluxo.
Segundo Beaumont (2007, p. 10), a viscosidade é definida como a resistência
ao fluxo e é determinada pela tensão de cisalhamento dividida pela taxa de
cisalhamento. Quanto menor a viscosidade do material, menor a sua resistência ao
fluxo. A Figura 1 contrasta as características dos fluidos Newtonianos, pseudo-
plástico não-Newtonianos e dilatante não-Newtonianos.
Figura 1 - Gráfico da comparação da viscosidade versus taxa de cisalhamento dos fluidos
Newtonianos, pseudo plásticos não-Newtonianos e dilatantes não-Newtonianos. Fonte: Beaumont (2007, p. 10).
20
Um fluido com uma viscosidade constante e variações nas taxas de
cisalhamento é referido como um fluido newtoniano. Em taxas de cisalhamento
muito baixas, a viscosidade de um material plástico é essencialmente newtoniana.
No entanto, para a maioria dos materiais plásticos, o fluxo é caracterizado como
pseudo-plástico não-newtoniano que, nas elevadas taxas de cisalhamento
experimentado durante a moldagem por injeção, diminui a viscosidade com o
aumento da taxa de cisalhamento. Em contraste, a viscosidade dos fluidos dilatantes
não-newtonianos aumenta com o aumento da taxa de cisalhamento. (BEAUMONT,
2007, p. 10)
A redução da viscosidade de um fluido pseudo-plástico não-newtoniano resulta
no cisalhamento, que orienta as cadeias poliméricas. Conforme as cadeias passam
a se orientar, o seu emaranhamento é reduzida, como mostra a Figura 2.
Figura 2 - Efeitos do cisalhamento desenvolvido durante o fluxo na orientação e na
viscosidade do polímero. Fonte: Beaumont (2007, p.11).
Isso permite que as cadeias de fluxo passem umas pelas outras com mais
facilidade. Devido a esta característica não-newtoniana dos materiais plásticos, a
viscosidade torna-se mais baixa durante a moldagem por injeção e mais rápido o
material é injetado no molde. Ao contrário do fluido newtoniano, o fato do fluxo do
polímero tornar-se mais rápido pode diminuir a queda de pressão. No caso de
moldagem por injeção, esta característica resulta em um menor tempo e menor
pressão de preenchimento da cavidade no molde (maior taxa de fluxo) (ibidem,
p.11).
21
Segundo Frenkler e Zawistowski (2001, p. 58), cada plástico manifesta uma
resistência limitada ao cisalhamento, denominada taxa admissível de cisalhamento;
um valor de cisalhamento superior a esse provoca destruição mecânica e ruptura
das moléculas do polímero como um resultado da fricção interna excessiva, que tem
uma influência sobre as propriedades mecânicas, térmicas ou elétricas da peça
moldada. Os plásticos com a maior resistência ao cisalhamento são aqueles de
baixa viscosidade, por exemplo, PP, PE e PS, baixa resistência ao cisalhamento e
alta viscosidade é uma característica de plásticos, como PC, POM-H, PC/ABS e
PMMA.
2.2.2 Temperatura
Segundo Beaumont (2007, p. 11), além da taxa de cisalhamento, o aumento da
temperatura também diminui a viscosidade dos materiais plásticos. Plásticos, em
seu estado fundido, são compostos de longas cadeias moleculares. As ligações
destas cadeias são geralmente constituídas por átomos de carbono. Para manter
esses átomos de carbono em conjunto ao longo da cadeia é necessário que as
ligações covalentes sejam fortes. Essas cadeias poliméricas são unidas por ligações
secundárias relativamente fracas de Van der Waals (secundário eletrostática). Como
o calor é introduzido durante o processamento, os vínculos primários são
enfraquecidos e aumentados de comprimento. Em temperaturas normais de
processamento, esses laços enfraquecidos permitem maior liberdade de movimento,
enquanto eles permanecem intactos. Se o calor excessivo é introduzido, esses laços
serão quebrados totalmente e irão causar uma degradação permanente do polímero.
As ligações secundárias se comportam de forma bastante diferente em
temperaturas normais de processamento. Aqui, as ligações secundárias são
consideravelmente enfraquecidas e fornecem pouca coesão entre as moléculas.
Como resultado, as cadeias poliméricas serão separadas uma das outras. As
distâncias entre as cadeias serão aproximadamente proporcional ao calor
introduzido. O aumento do espaçamento irá reduzir a interação entre as cadeias
poliméricas, reduzindo assim a restrição ao fluxo, criando uma redução na
viscosidade. Nestas condições, a entropia e as forças externas permitem o
movimento relativamente fácil das cadeias poliméricas. A Figura 3 ilustra os efeitos
22
da temperatura e taxa de cisalhamento na viscosidade com um gráfico da
viscosidade versus taxa de cisalhamento (ibidem, p.12).
Figura 3 - O efeito da temperatura e taxa de cisalhamento na viscosidade.
Fonte: Beaumont (2007, p.12).
2.2.3 Pressão
Beaumont (2007, p. 12), diz que a pressão em um plástico fundido pode ser
bastante elevada tanto durante o preenchimento da cavidade quanto durante as
fases de compensação. Durante o preenchimento, a pressão pode exceder 30.000
psi, com uma pressão máxima no bico de injeção e pressão zero na frente de fluxo.
Durante as fases de compensação, a pressão é geralmente mais baixa, geralmente
inferior a 10.000 psi. As pressões são também um pouco hidrostáticas durante a
compensação, com as pressões no final do preenchimento, sendo quase tão alta
quanto a pressão no bico. Com isso, plásticos com alta pressão são compressíveis.
A compressão aumenta a interação entre as cadeias poliméricas, que por sua vez,
aumentam sua resistência ao fluxo, ou seja, aumentam a viscosidade.
Para Frenkler e Zawistowski (2001, p. 48), a ação de pressão em um plástico
produz compressão do mesmo, e assim uma diminuição no volume específico
através das moléculas. Isso significa que, em contraste com fluidos típicos, os
plásticos são compressíveis.
23
2.3 SISTEMAS DE CANAIS QUENTES
Câmara quente é um conjunto de elementos eletromecânicos que, quando
instalados em moldes de injeção de termoplásticos, mantém em seu interior o canal
de injeção em estado plástico de fusão controlada, nos quais os canais de injeção /
alimentação / distribuição são mantidos sempre na temperatura ideal de fluxo para
injeção, isto é, permanecem quentes durante todo o tempo, prontos para injeção do
próximo ciclo (HARADA, 2004).
O sistema de câmara quente é também conhecido como sistema de canal
quente (hot runner system em inglês), pelo fato de não possuírem canais de
alimentação das cavidades solidificados na extração do produto, caso que não
acontece em canais frios, onde o canal de alimentação é extraído juntamente com a
peça, sendo necessárias operações de acabamento como corte do canal e
eliminação das marcas deixadas nas peças (MANRICH, 2005).
A diferença entre injeção com canais quentes e canais convencionais (frios) é
mostrado na Tabela 1.
Tabela 1 - Diferença de injeção entre moldes convencionais e moldes com canais quentes.
MOLDES CONVENCIONAIS CANAIS FRIOS
MOLDE COM SISTEMA DE CANAL QUENTE CANAIS QUENTES
Polímero é injetado para dentro do molde na exata quantidade para preencher os canais e as cavidades.
Polímero é injetado para dentro do molde na exata quantidade para preencher somente as cavidades.
As peças e os canais são resfriados até a solidificação.
Somente as peças são resfriadas.
O molde é aberto para extração tanto dos galhos como das peças.
O molde é aberto para extração somente das peças.
Fechamento do molde. Fechamento do molde. Fonte: Manrich (2005).
Através da Figura 4 é possível observar os componentes de um sistema de
câmara quente.
24
01 – Placa Base Superior; 02 – Placa Porta Manifold; 03 – Placa Porta Cavidades; 04 – Cavidade Superior; 05 – Cavidade Inferior; 06 – Anel de Centragem; 07 – Parafuso de Fixação do Sistema de Câmara Quente;
08 – Pino Guia; 09 – Pino Guia com Cabeça; 10 – Prensa Cabo; 11 – Conector Elétrico; 12 – Produto; 13 – Manifold; 14 – Bucha de Injeção; 15 – Suporte Traseiro;
16 – Suporte Central; 17 – Bico de Injeção; 18 – Resistência do Bico; 19 – Resistência do Manifold; 20 – Parafuso do Manifold; 21 – Termopar.
Figura 4 - Componentes do Sistema de Câmara Quente.
Fonte: Cruz (2002).
A função de um sistema de canal quente pode ser comparada à função do bico
da máquina injetora, sendo considerados como uma extensão do bico da máquina,
conduzindo a resina plástica até o ponto mais próximo possível da entrada na
cavidade com as condições ideais de injeção (temperatura, tempo, velocidade e
pressão). O sistema é composto, normalmente, por um bloco manifold e,
dependendo da complexidade do sistema, até dois blocos são utilizados, com canais
usinados no interior para a passagem do material, aquecidos por resistências para
escoamento da resina plástica em temperatura ideal até as cavidades do molde,
fiação, bicos de injeção, termopares e um equipamento para o controle da
temperatura (GEREMONTE, 2010).
O molde com canal quente é muito utilizado em injeção de peças grandes, já
que em uma injeção convencional o material injetado demoraria muito tempo para
preencher a cavidade, por ela ser muito extensa, endurecendo o material antes de
formar a peça. Este sistema também é aplicado em moldes com múltiplas cavidades,
que necessitam grande produção, economia no processo, diminuição do ciclo de
25
injeção e qualidade do produto, com isso, elimina-se os canais de injeção e
distribuição, eliminando automaticamente a operação de moer o material para poder
recuperá-lo, pois, neste caso, o desperdício de material é praticamente zero (CRUZ,
2002).
2.3.1 Bucha de Injeção
Este componente de forma cilíndrica tem em uma de suas extremidades um
raio esférico ou cônico, cuja função é a de permitir um perfeito acoplamento do bico
da máquina injetora com o molde, possibilitando através de um canal reto a
passagem do material plástico até os canais de alimentação das cavidades,
diferente dos moldes convencionais onde o canal é cônico, pois existem canais de
alimentação para extrair do molde juntamente com o produto injetado. O canal reto
da bucha de injeção deverá ser bem polido a fim de facilitar o fluxo do material. A
sua confecção normalmente é feita em aço cromo níquel temperado, a sua fixação
no manifold é através de parafusos e seu posicionamento é através do anel de
centragem (UNGER, 2006).
2.3.2 Manifold - Bloco de distribuição
Segundo Unger (2006), o bloco de distribuição, mais conhecido por manifold,
faz a distribuição do material plástico da bucha de injeção para as cavidades do
molde.
Para Frenkler e Zawistowski (2001, p. 146), o manifold é o componente central
de um sistema de câmara quente, em que são os canais de fluxo que levam o
material fundido até os bicos. Para o projeto de um manifold, as seguintes condições
deverão ser atendidas:
� Em moldes com múltiplas cavidades, a disposição das cavidades deverá ser
idênticas;
� Temperatura inalterada do caminho do fluxo para evitar flutuações de
viscosidade de fusão, e em casos extremos superaquecimento e danos térmicos;
26
� Baixo consumo de energia;
� Bom isolamento térmico entre o manifold e o molde, para reduzir as perdas de
calor e as dificuldades de controle de temperatura;
� Facilidade de purificação, quando a cor é alterada;
� Boa durabilidade e facilidade de substituição da resistência elétrica.
Para reduzir as perdas de calor por condução, é de grande importância utilizar
materiais de baixa condutividade térmica como o titânio nas peças que estão em
contato direto com as placas base superior e porta manifold. Aços do tipo cromo
níquel têm sido muito utilizados para a construção do bloco de aquecimento
(UNGER, 2006).
O bloco distribuidor para apresentar condições mecânicas adequadas e
assegurar uma vida útil máxima e desgaste mínimo, deve ter em função do material
empregado, os seguintes requisitos (ibidem):
� Dureza;
� Resistência mecânica;
� Resistência ao calor;
� Resistência as tensões mecânicas e térmicas;
� Resistência a corrosão;
� Condutibilidade térmica.
2.3.3 Suportes
O bloco de aquecimento é apoiado dentro do molde por suportes traseiro e
central. Tensões são formadas nos suportes como resultado da expansão térmica e
pressão de injeção. Eles devem ser mantidos dentro dos limites permissíveis para
prevenir vazamentos na região do bico (UNGER, 2006).
O suporte central é posicionado no centro do bloco no lado oposto da bucha de
injeção, para compensar a pressão do canhão da máquina injetora. Já os suportes
traseiros são posicionados nos outros pontos de maior pressão, normalmente atrás
dos bicos de injeção para assegurar vedação confiável nesta região durante a
27
operação. No projeto dos suportes deve ser lembrado que para minimizar a pressão
de carga, a área do suporte deve ser tão grande quanto possível, enquanto que para
evitar perdas altas de calor inaceitáveis, deve ser tão pequena quanto possível
(ibidem).
2.3.4 Bicos de Injeção
Conforme Beaumont (2007, p. 195), o bico distribui o material fundido para o
gate e o bloco de distribuição e os bicos proporcionam o derretimento dos canais de
injeção que não são extraídos junto com a peça, resultando somente em um vestígio
(ponto) no produto. O desafio crucial do gate é permitir que a massa fundida congele
no lado de saída e permaneça derretida no lado de entrada. A distância entre a
entrada e a saída é muitas vezes uma fração de milímetros.
Para Unger (2006, p. 82), a ponta do bico e o gate são indiscutivelmente, os
elementos mais críticos do sistema de canais quentes. Alguns dos requisitos
fundamentais do bico são:
� Condução de calor para o gate (evitar o congelamento do gate durante o
processo de injeção);
� Fornecer isolamento térmico entre o torpedo e a cavidade;
� Fornecer um bom controle de temperatura para o fundido;
� Proporcionar um canal com fluxo contínuo entre o manifold e o gate;
� Minimizar a perda de pressão;
� Evitar vazamentos.
Alguns dos requisitos fundamentais dos gates são:
� Minimizar o calor localizado transferido para a peça;
� Minimizar a perda de pressão;
� Minimizar áreas de fluxo morto;
� Minimizar vestígios do gate proporcionando a separação limpa do fundido e a
peça sólida.
28
Existem vários tipos de bicos de injeção para câmara quente, os quais serão
apresentados nos próximos tópicos.
2.3.5 Bico de injeção aquecido externamente
Segundo Beaumont (2007, p. 196), bicos aquecidas externamente fornecem
um fluxo ideal para o material fundido que passa pelo canal. Como mostra a Figura
5, eles são normalmente compostos por uma bucha ao redor do corpo.
Figura 5 - Bico aquecido externamente.
Fonte: Beaumont (2007, 196).
A bucha pode ser rodeada por resistência em espiral ou um aquecedor tipo de
banda. O bico, então é rodeado por uma caixa de ar, que ajuda a isolar do molde
frio. Um termopar é colocado na ponta para fornecer a temperatura para o
controlador.
O bico está conectado ao manifold em diferentes métodos. Podendo ser
roscado ou pressionado contra o bloco. O conjunto dos bicos com o manifold
possuem um canal de fluxo aquecido para entregar o material fundido até o gate em
sua temperatura ideal de injeção. Um grande desafio para o bico aquecido
externamente é que deve evitar-se vazamentos devido a alta pressão do fundido ao
entrar no bico (ibidem, p. 196).
Com um único corpo padrão, é possível alterar o tipo de vestígio deixado no
produto injetado, alterando somente a ponta do bico, como mostra a Figura 6. A
29
ponta que deixa marca anelar e vestígio longo, normalmente é utilizada quando a
injeção ocorre sobre o canal, já os outros tipos de vestígios, normalmente são
utilizados para injeção direta no produto, pois resultam em um melhor acabamento.
(FRENKLER e ZAWISTOWSKI, 2001, p. 91).
Figura 6 - Tipos de vestígios:
a) com marca anelar e vestígio longo; b) com marca anelar e vestígio reduzido; c) com marca anelar longo e vestígio mínimo; d) com vestígio reduzido; e) com vestígio mínimo; f) com marca anelar
reduzida; g) com marca anelar mínima. Fonte: Frenkler e Zawistowski (2001, p. 91).
A Tabela 2 indica algumas aplicações para os vários tipos de bicos existentes.
Tabela 2 - Aplicações de alguns bicos aquecidos externamente.
Fonte: Unger (2006, p.83).
2.3.5.1 Bico de injeção com multi pontas
Para Beaumont (2007, p. 206), existem vários tipos de bico multi-pontos
disponíveis no mercado de câmara quente. Estes são comumente usados em
30
moldes de peças pequenas com várias cavidades, sendo que cada ponta do bico
injeta uma peça, ou em molde de peças grandes que precisam ter mais de um ponto
de injeção para balancear o preenchimento. O bico multi-pontos elimina a
necessidade de ter bicos de alimentação individual para cada cavidade. Um
aquecedor com apenas um ponto de controle é necessário para controlar a ponta do
bico múltiplo. Isto pode ser considerado uma vantagem e uma desvantagem. O
argumento contra é que não há controle de temperatura individual para cada
cavidade. A Figura 7 mostra alguns bicos multi-pontos de diferentes fornecedores.
(a) (b) (c)
Figura 7 - Bicos multi-pontos. Fonte: a)Husky (2011); b) Incoe (2011); c) Hasco (2011).
2.3.6 Bico condutor de calor
Segundo Unger (2006, p. 186), o princípio do projeto de bicos condutores de
calor que foi patenteado por E. R. Knowles em 1938, parece ser o mais antigo
sistema de canais quentes registrados. Através da Figura 8 é possível observar o
projeto de um sistema de câmara quente com bicos condutores de calor conforme
projetado por E. R. Knowles.
31
Figura 8 - Sistema de câmara quente com bicos condutores de calor, projetado por E. R.
Knowles em 1938. Fonte: Unger (2006, p. 186).
O desenho indica que os bicos estão encostados em uma placa de cavidade sólida e
são isoladas de forma muito eficaz por um espaço de ar ao invés de uma camada de
material solidificado. Este método de isolamento mostra que naquela época já existia
a preocupação do controle de temperatura em sistemas de câmaras quente.
Para Beaumont (2007, p. 197), a condução de calor do bico acontece através
da utilização de um material de alta condutividade térmica, como por exemplo, o
cobre berílio. Todo o calor para o bico é feito a partir do aquecimento do manifold,
portanto este bico não possui controle individual de calor. O bico, desenvolvido de
um material de alta condutividade térmica, é roscado no manifold para aumentar a
transferência térmica.
Algumas vantagens da utilização deste sistema:
� Baixo custo de fabricação;
� Não necessita de controlador de temperatura para os bicos;
� Sistema com baixo consumo de energia;
Unger (2006, p. 187), mostra os resultados de um estudo sobre o bico condutor
de calor realizado por E. R. Knowles.
Primeiramente ele utilizou um bico fabricado em aço e outro em cobre berílio e
comparou a temperatura na ponta do bico e na ponta da bucha entre os dois bicos.
A Figura 9 mostra o esquema do teste e os resultados obtidos.
32
Figura 9 - Estudo realizado por E. R. Knowles entre um bico condutor de calor fabricado em
aço e outro em cobre berílio. Fonte: Unger (2006, p. 187).
Como é possível observar que o bico fabricado em cobre berílio obteve melhor êxito,
sendo que com a temperatura do bloco em 239°C, a temperatura na ponta do bico
chegou em 234°C e na bucha 43°C, já o bico fabricado em aço, a temperatura na
ponta atingiu somente 155°C e na bucha 45°C. A diferença na temperatura da bucha
mostra que além de o cobre berílio conduzir maior quantidade de calor para o bico,
ele retém esse calor transferindo menor quantidade para a bucha, comparando com
o bico em aço.
Pode ser observado na Figura 10, em seguida E. R. Knowles, utilizando o bico
em cobre berílio, eliminou o canal de isolamento por ar na bucha e diminuiu o
diâmetro na ponta do bico, aumentando a massa de polímero acumulada ao redor
do bico. O resultado não teve êxito, então ele adicionou o isolamento com ar na
bucha e vendo que o resultado foi melhor que o anterior, aumentou este isolamento
diminuindo a espessura da parede da bucha. No ultimo experimento E. R. Knowles
atingiu as mesmas temperaturas do primeiro experimento, mas agora com a
temperatura do manifold em 236°C, ou seja, 3°C abaixo.
Figura 10 - Estudos realizados com o bico condutor de calor por E. R. Knowles.
Fonte: Unger (2006, p. 187)
33
Aproximadamente 30 anos depois, o projeto de Knowles foi redescoberto,
como é possível observar na Figura 11. No entanto, agora o bico apoiou contra uma
área de paredes finas, o gating, (s = 1 mm) e não mais na placa cavidade (Figura 8).
Um espaço de ar serviu como isolamento térmico muito eficaz. Este princípio falhou
na prática industrial, porque, dependendo da temperatura do molde, excesso de
perdas térmicas na ponta do bico forçou um aumento na temperatura do manifold da
câmara quente que provoca a degradação térmica do polímero fundido (ibidem,
p.188).
Figura 11 – Bico condutor de calor apoiando em uma face de assento esférico.
a) anel de pressão; b) isolamento térmico com ar; c) assento do bico. Fonte: Unger (2006, p. 188)
Com o bico roscado não é possível compensar a dilatação do manifold na
direção “x”. Para resolver este problema, a ponta do bico foi modificada para uma
forma plana (face deslizante) (ibidem, p.188), como mostra a Figura 12.
Figura 12 - Bico condutor de calor com face de apoio plana.
Fonte: Unger (2006, p. 188)
A dilatação na direção “y” pode ser numericamente previsto e deve ser tomada
em consideração durante o projeto. Se a temperatura desvia-se dos valores
calculados, por exemplo, durante o processo de injeção, pode ocorrer o vazamento
34
em baixa ou em alta temperatura. Com um bico de dureza de aprox. 45 HRC, a área
do gating se ajusta perfeitamente, já bicos com maior dureza podem causar danos
mecânicos à zona do gating (ibidem, p.188).
Unger (2006, p. 188) diz que, usando o bico condutor de calor facilita o
processamento de um grande número de diferentes plásticos sem nenhuma
dificuldade. No entanto, plásticos com temperaturas de fusão sensíveis, sofre
degradação térmica durante o processamento.
Este projeto de bico condutor de calor se distingue pela sua simplicidade,
facilidade de manuseio, e seus custos razoáveis. Com base em considerações
teóricas, melhorias no projeto do bico devem ser discutidas para cada tipo de
aplicação, mantendo o princípio básico (ibidem, p.188).
2.3.7 Controlador de temperatura
Segundo Cruz (2002), o controlador de temperatura (Figura 13) é indispensável
para que todo o sistema de canal quente funcione perfeitamente. É ele que controla
a temperatura ideal para o bom funcionamento do sistema, através da configuração
do set up da máquina onde é especificado em que temperatura a resistência terá
que desligar e ligar novamente. Este controle de temperatura terá que ser aplicado,
por intermédio de um sensor de temperatura, mais conhecido por termopar, este
podendo ser aplicado quantas vezes forem necessárias, nas regiões mais quentes
do bloco, de preferência onde estiver aquecendo mais e próximo ao canal onde
passa o material, pois se ele estiver em uma região mais fria quando atingir a
temperatura estipulada para desligar, o material que estiver na região mais quente
correrá o risco de degradar. Sendo assim a temperatura é controlada dentro dos
valores necessários para aquecer cada parte do bloco, por intermédio de chaves
digitais do regulador, sendo que cada chave regula individualmente a temperatura
do local aquecido.
35
Figura 13 - Controlador de temperatura.
Fonte: Fator, 2010
Os controladores de temperatura variam em sofisticação de circuitos abertos,
fechados e controladores PID. Os controladores de circuitos abertos são os mais
básicos e fornecem o mínimo de controle. Neste caso, o controlador fornece uma
corrente constante para o bloco de aquecimento, conforme definido pelo operador. A
corrente é ajustada manualmente até que a temperatura desejada seja atingida. Se
houver mudanças no ambiente ou no processo que altere a corrente, o operador
deverá alterá-lo manualmente para compensar estas mudanças (ibidem).
Sistemas de circuitos fechados devem levar em consideração que as
mudanças no processo ou no ambiente iram ocorrer. Neste sistema são utilizados
termopares para monitorar a temperatura, que reagem automaticamente às
mudanças. Como e quando este sistema reage, depende de sua sofisticação
(ibidem).
Segundo Beaumont (2007), o controle PID fornece um bom nível de controle. O
primeiro nível de controle é o Componente Proporcional (P). Ele monitora a
diferença entre a variável de processo (PV) e o ponto de ajuste (SP). Se há
diferença entre PV e SP, é necessário alterar a saída de energia. Este componente
proporcional sozinho terá a tendência de superar ou compensar a temperatura SP,
em resumo, quanto menor o valor de SP, mais forte é a ação proporcional de
controle.
O segundo nível de controle é o Componente Integral (I). Este componente não
é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado separado
de uma ação proporcional. Consiste em uma resposta na saída do controlador que é
36
proporcional à amplitude e duração de desvio. A ação integral tem o efeito de
eliminar o desvio característico de um controle puramente proporcional (ibidem).
O terceiro nível de controle é o Componente Derivativo (D). Este componente
não é, isoladamente, uma técnica de controle, pois não pode ser empregado
separado de uma ação proporcional. Consiste em uma resposta na saída do
controlador que é proporcional à velocidade de variação do desvio. Este
componente tem o efeito de reduzir a velocidade das variações do PV, evitando que
se eleve ou reduza muito rapidamente. O derivativo só atua quando há variação no
erro. Se o processo está estável, seu efeito é nulo (ibidem).
Quase todas as resistências absorvem umidade, que pode causar danos ao
aquecimento durante a elevação rápida da temperatura durante a inicialização. Isto
é problemático em regiões de clima úmido. Para ajudar a solucionar este problema,
os controladores de temperatura em um sistema de canais quentes devem ter uma
seqüência de partida suave. Durante o inicio da partida, apenas cerca de 10% da
potência da resistência é aplicada. A temperatura é lentamente aumentada para
cerca de 90⁰C, absorvendo calor de 15 a 20 minutos, tempo durante o qual a
umidade é expulsa do aquecedor. Depois deste tempo, a potência pode ser
aumentada até atingir a temperatura normal de funcionamento (ibidem).
2.3.8 Aquecimento do sistema de câmara quente
Sengundo Unger, 2006, p. 147, durante a fase transiente de aquecimento o
manifold juntamente com o material fundido é aquecido até a temperatura de
processamento (temperatura de fusão), durante um tempo “t”. Após atingir essa
temperatura (fase de quase-estacionário), o calor somente compensa as perdas de
energia devido à condução, convecção e radiação.
Existe uma série de diferentes projetos para elementos de aquecimento. O
manifold serve como uma fonte de calor para o aquecimento indireto dos canais ou
bicos. Ótimas condições de aquecimento são necessárias para atingir a
homogeneidade térmica, o que significa temperaturas uniformes em toda a parte dos
canais do manifold. As perdas de calor são a razão pela qual este objetivo é difícil de
alcançar, mas podem ser minimizados. (ibidem)
37
A câmara quente necessita de um sistema de aquecimento próprio, que inclui,
aquecedores, meios para distribuir o calor, controladores de aquecimento e
termopares para alimentar as informações nos controladores sobre a temperatura do
sistema.
A seleção adequada dos aquecedores, a sua concepção, a colocação,
instalação e controle são fundamentais para a utilização de sistemas de câmara
quente, para evitar falhas excessivas de tempo de inatividade e para conseguir o
controle desejado do processo. Estes aquecedores são geralmente feitos sob
medida para atender aos requisitos da aplicação. A personalização pode incluir
potência, densidade de watts, distribuição da bobina do aquecedor e de tensão.
(BEAUMONT, 2007, p. 207)
Existem quarto tipos de aquecedores mais utilizados em sistemas de câmara
quente:
� Bobina
� Faixa
� Tubular
� Cartucho (ibidem)
Neste trabalho serão apresentados apenas os aquecedores tubulares, que é o
tipo utilizado no sistema de câmara quente que estamos estudando.
2.3.8.1 Resistência tubular do manifold
Segundo Beaumont, 2007, p. 209, resistências tubulares são muito comuns
como aquecedores externos em manifolds. Esses aquecedores têm um filamento
dentro de um tubo com seus fios positivos e negativos em ambas as extremidades
do tubo. Isso elimina a necessidade de isolamento para separar o arranjo de arame
enrolado utilizado na maioria dos outros aquecedores. Como resultado, essas
resistências são extremamente durável com uma longa vida útil esperada. Os
aquecedores tubulares são maleáveis, permitindo que seja moldado aos contornos
dos sulcos no manifold.
38
A resistência tubular é geralmente prensada em sulcos ao longo da superfície
do manifold, que seguem um caminho aproximadamente paralelo à do canal de
fluxo, que pode ser observado na Figura 14.
Figura 14 - Resistência tubular prensada em sulcos ao longo da superfície do manifold.
Fonte: Beaumont, 2007, p. 209.
Esta formação proporciona o contato íntimo entre a resistência e o manifold,
resultando em uma boa transferência de calor. Alguns fabricantes preferem a soldar
o aquecedor com uma solda à base de cobre, isso melhora o contato do tubo com o
manifold e pode estender sua vida útil. (ibidem, p. 209)
Para Frenkler e Zawistowski, 2001, p. 179, as resistências tubulares possuem
excelente distribuição de calor ao longo de seu comprimento. No entanto, para
fornecer maior controle de temperatura, a maioria dos manifolds utilizam múltiplas
resistências tubulares posicionados simetricamento nos dois lados do bloco e em
zonas lógicas para fornecer melhor controle de temperatura em todo o bloco.
2.3.8.2 Resistência em espiral do Bico
Segundo Unger, 2006, p. 166, resistências em espiral são comumente usadas
como aquecedores externos em bicos para sistemas de canais quentes. Para atingir
a homogeneidade térmica ao longo do corpo do bico, estes aquecedores em espiral
são produzidos com um número variável de espiras e possuem excelente
durabilidade.
Os aquecedores possuem seção transversal circular ou retangular, como
mostra a Figura 15.
39
(a) (b)
Figura 15 – Resistência em espiral. a) com seção transversal circular; b) com seção transversal retangular.
Fonte: Frenkler e Zawistowski, 2001, p. 207.
O formato retangular melhora o contato, quando envolvido em torno do corpo do
bico e pode melhorar significativamente a transferência de calor. A distribuição
térmica ao longo do bico pode ser facilmente controlada, ajustando a quantidade de
espiras sobre o bico. A densidade pode ser aumentada em regiões de perda de
calor intenso, tais como pontas e na base onde o bico pode estar em contato
diretamente com o molde em torno da refrigeração (BEAUMONT, 2007, p. 208).
Para que se obtenha boa eficiência de um sistema térmico é fundamental que o
sistema de câmara quente apresente um desempenho ideal, onde o ponto principal
é o seu balanceamento térmico, que deve ser sempre o mais equalizado possível, a
fim de evitar problemas durante o processo de injeção e para isso todos os pontos
onde ocorrem perdas de calor devem ser devidamente verificados (GEREMONTE,
2010).
2.4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Uma definição simples, conforme apresenta Incropera e DeWitt (2003, p. 01)
“transferência de calor (ou calor) é a energia térmica em trânsito devido a uma
diferença de temperatura”.
O maior problema para o dimensionamento da transferência de calor, do ponto
de vista da engenharia, é a determinação da taxa de transferência de calor para uma
diferença de temperatura especificada. Deve-se efetuar uma análise detalhada da
transferência de calor para estimar o custo, viabilidade e tamanho do equipamento
40
necessário para transferir uma quantidade de calor especificada em um determinado
tempo (KREITH, BOHN, 2003, p. 02).
Existem três modos distintos de transferência de calor: condução, radiação e
convecção. O primeiro modo existe quando há um gradiente de temperatura em um
meio estacionário, podendo ser em um sólido ou fluido. Já a convecção refere-se a
transferência de calor que ocorre entre uma superfície em um fluido em movimento,
quando eles se encontram em diferentes temperaturas. Todas as superfícies em
uma temperatura não nula emitem energia na forma de ondas eletromagnéticas.
Neste caso, existe a transferência de calor por radiação na ausência de um meio
que se interponha entre duas superfícies a diferentes temperaturas (INCROPERA e
DEWITT, 2003, p. 01).
2.4.1 Condução
Como apresenta Kreith e Bohn (2003, p. 03) “sempre que existir um gradiente
de temperatura em um meio sólido, o calor fluirá da região de temperatura mais alta
para a de temperatura mais baixa”.
Um exemplo de condução de calor é quando a ponta de uma colher de metal é
imersa em uma xícara de café quente, sendo que a colher será aquecida devido à
condução de energia. Outro exemplo é quando em um dia de inverno há uma perda
de temperatura de uma sala aquecida para o ambiente externo. Essa perda é
devido, principalmente, pela transferência de calor por condução através das
paredes que se separam o ar do interior do ar externo (INCROPERA e DEWITT,
2003, p. 02).
É possível quantificar o processo de transferência de calor através das
equações de taxas de transferência de calor. Para a condução de calor, essa
equação é conhecida como lei de Fourier. Conforme mostrado na Figura 16, para
parede plana a equação da taxa de transferência de calor é dada pelo fluxo de calor
(W/m²) na Eq. (1) (INCROPERA e DEWITT, 2003, p. 02):
"x
Tq K
L
∆= − Eq. (01)
41
Figura 16 – Transferência de calor unidimensional por condução (difusão de energia).
Fonte: Incropera e Dewitt (2003, p. 02)
onde a constante K é conhecida como condutividade térmica (W/m.K) e é
característica do material da parede. O sinal negativo da equação é consequência
de que o calor é transferido no sentido decrescente da temperatura.
A equação 02 fornece o fluxo de calor (W/m²), sendo que para encontrar a taxa
de transferência de calor por condução, qx (W) através da parade plana de área A, é
necessário multiplicar o fluxo de calor pela área (INCROPERA e DEWITT, 2003, p.
03):
". x xq q A= Eq. (02)
2.4.2 Convecção
O modo de transferência de calor por convecção é composto por dois
mecanismos, os quais operam simultaneamente. O primeiro mecanismo é a
transferência de energia atribuída ao movimento molecular, ou seja, o modo
condutivo. Outro mecanismo é a transferência de energia através do movimento
global ou macroscópico de partículas do fluido. O movimento de fluido resulta do
movimento de suas partículas, cada qual consistindo de um grande número de
moléculas, que se movem em razão de uma força externa. Essa força pode ser
provocada por um gradiente de densidade, como na convecção natural, ou por uma
diferença de pressão gerada por uma bomba ou ventoinha, ou pela combinação dos
dois (KREITH e BOHN, 2003, p. 14).
42
A transferência de calor por convecção ocorre entre um fluido em movimento e
uma superfície, quando os dois estão a temperaturas diferentes. Considerando um
escoamento de um fluido sobre uma superfície aquecida, conforme a Figura 17, uma
consequência dessa interação é o desenvolvimento de uma região no fluido através
da qual a velocidade varia entre zero, na superfície, e um valor infinito ∞, associado
ao fluxo. Essa região no fluido é conhecida como camada limite hidrodinâmica ou de
velocidade. Também, se as temperaturas da superfície e do fluido que escoa forem
diferentes, existirá uma região do fluido através da qual a temperatura irá variar de
sT em y = 0 a T∞ , associada à região do escoamento afastada da superfície. Essa
região, conhecida como camada limite térmica, pode ser menor, maior ou ter o
mesmo tamanho daquela através da qual a velocidade varia. Em qualquer caso, se
sT T∞
> , ocorrerá transferência de calor por convecção entre a superfície e o fluido
(INCROPERA e DEWITT, 2003, p. 04).
Figura 17 – Desenvolvimento da camada limite na transferência de calor por convecção.
Fonte: Incropera e Dewitt (2003, p. 04)
A classificação da transferência de calor por convecção ocorre de acordo com
a natureza de escoamento. A convecção forçada é quando o escoamento é causado
por meios externos, tais como um ventilador, uma bomba ou ventos atmosféricos.
Para a convecção natural, o escoamento é induzido por forças de empuxo, que são
originadas por diferenças de densidade causadas por variações de temperatura no
fluido (ibidem, p. 04).
A taxa de transferência de calor por convecção entre uma superfície e um
fluido pode ser calculada a partir da relação (KREITH e BOHN, 2003, p. 16):
43
c cq h A T= ∆ Eq. (03)
Onde:
� qc = taxa de transferência de calor por convecção, W (BTU/h);
� A = área de transferência de calor, m² (ft²);
� ∆T = diferença entre a temperatura da superfície Ts e uma temperatura do
fluido T∞ em algum local especificado (normalmente longe da superfície), K (°F);
� h = coeficiente médio de transferência de calor por convecção sobre a área A
(normalmente chamado de coeficiente de transferência de calor da superfície),
W/m²K (BTU/h ft² °F).
A avaliação do coeficiente de transferência de calor por convecção é difícil, por
tratar-se de um fenômeno muito complexo. É suficiente observar que o valor
numérico de h em um sistema depende da geometria da superfície, da velocidade e
também das propriedades físicas do fluido e, com frequência, até da diferença de
temperatura ∆T. Tendo em vista o fato de que essas quantidades não são
necessariamente constantes sobre uma superfície, o coeficiente de transferência de
calor por convecção também pode variar de um ponto a outro. Os valores típicos da
ordem de magnitude dos coeficientes médios de transferência de calor por
convecção, observados na prática de engenharia, são fornecidos na Tabela 3.
Tabela 3 – Ordem de magnitude dos coeficientes de transferência de calor por convecção.
Fluido Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção
W/m² K BTU/h ft² °F
Ar, convecção livre 6-30 1-5
Vapor ou ar superaquecidos,
convecção forçada
30-300 5-50
Óleo, convecção forçada 60-1.800 10-300
Água, convecção forçada 300-18.000 500-3.000
Água, em ebulição 3.000-60.000 500-10.000
Vapor, condensado 6.000-120.000 1.000-20.000
Fonte: KREITH e BOHN (2003, p. 16).
44
2.4.3 Radiação
Conforme Incropera e Dewitt (2003, p. 05) “radiação térmica é a energia
emitida por toda matéria que se encontra a uma temperatura finita”. Enquanto a
transferência de calor por condução ou convecção requer a presença de um meio
material, a radiação não necessita dele, na verdade, a transferência por radiação
ocorre de forma mais eficiente no vácuo.
Um radiador perfeito ou corpo negro emite energia irradiada de sua superfície a
uma taxa fornecida por:
Eq. (04)
Onde a taxa de calor será expressa em watts se a área da superfície for
expressa em metros quadrados e a temperatura em Kelvin; é uma constante
dimensional com um valor de 5,67 x (W/m² ). A constante é a constante de
Stefan-Boltzmann (KREITH e BOHN, 2003, p. 18).
A Equação 4 mostra que qualquer superfície de corpo negro em temperatura
acima do zero absoluto irradia calor em taxa proporcional à quarta potência da
temperatura absoluta. Apesar de a taxa de emissão de calor irradiado ser
independente das condições da vizinhança, uma transferência líquida de calor
irradiado exige diferença nas temperaturas das superfícies de dois corpos quaisquer
entre os quais ocorrerá a troca. Se o corpo negro irradiar para um envoltório
fechado, como mostra a Figura 18, que também é negro, ou seja que absorve toda a
energia irradiada incidente sobre ele, a taxa líquida de transferência de calor
irradiado é fornecido por:
Eq. (05)
Onde é a temperatura do envoltório fechado, em Kelvin (ibidem, p.18).
45
Figura 18 – Irradiação de um corpo negro em um envoltório fechado.
Fonte: Kreith e Bohn (2003, p.18)
2.4.4 Transferência de calor no sistema de câmara quente
Conforme Beaumont (2007, p. 213), um dos objetivos da concepção de um
sistema de câmara quente é para conter o calor necessário para aquecer o plástico
nos canais de fluxo. Isso é desejável, a fim de maximizar o controle do calor e a
distribuição de material plástico e para minimizar os efeitos negativos da
transferência de calor para o molde e máquina de moldagem. A Figura 19 ilustra as
condições de perda de calor em um sistema de câmara quente.
Figura 19 - Condições de perda de calor em um sistema de câmara quente.
Fonte: Beaumont (2007, p. 213)
O calor é perdido por condução, radiação e convecção. O meio mais eficaz de
transferência de calor em um corpo de aço é por condução. Portanto, minimizar a
condução de calor da câmara quente para o molde é o foco principal na concepção
do sistema de câmara quente. Para minimizar a condução, os elementos aquecidos
46
são isolados, rodeados por uma camada isolante de ar ou de plástico. Em áreas
onde o contato direto com o molde é necessário, a área de contato é mantida a um
mínimo. Além disso, materiais de baixa condutividade térmica são usados para
minimizar a transferência de calor, como o titânio, que é comumente utilizado devido
à sua excelente resistência à compressão e baixa condutividade térmica
(BEAUMONT 2007, p. 214).
O manifold aquecido externamente é normalmente suspenso, e apoiado dentro
do alojamento usando suportes. Os suportes são projetados para minimizar o
contato de superfície. Eles normalmente são feitas de materiais de baixa
condutividade térmica, incluindo titânio e cerâmica. Outros pontos de contato com o
molde incluem espaçadores, bicos e manifold, que estão rodeados por ar.
O sistema de câmara quente deve ser todo fechado para minimizar qualquer
perda de calor por convecção. Transferência de calor por radiação pode ser
reduzido ao mínimo, mantendo as superfícies limpas e polidas. Isso vai minimizar a
emissividade das partes aquecidas e a absorção da radiação das superfícies
circundantes.
2.5 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
O método de elementos finitos é cada vez mais abrangente em suas
aplicações, conforme Rosa, 2002, esse método é um processo numérico onde para
obter o comportamento de toda uma estrutura, ele utiliza a solução de um
“elemento” de forma geométrica relativamente simples, tal solução geralmente
obtida com auxilio da teoria de sistemas contínuos.
De acordo com Alves, 2006, sistema continuo é quando uma solução
encontrada para determinado ponto de um corpo pode ser utilizada para representar
através de uma função matemática a solução para os infinitos pontos desse corpo,
ou seja, através do entendimento do comportamento de um elemento diferencial, é
possível o comportamento de todo o corpo. Esse tipo de solução analítica, no
entanto não é disponível para a maioria dos problemas práticos, e para esses tipos
de problemas adota-se a estratégia de tratá-los como sistemas discretos.
47
A discretização de um sistema continuo, consiste na divisão de uma estrutura
em partes separadas distintas, conectadas através dos pontos discretos, conforme
representada Figura 20. Num sistema discretizado diferentemente do caso continuo,
não se pretende calcular o comportamento dos infinitos pontos de um corpo. São
calculados somente o comportamento do corpo em alguns pontos, que são os nós
do modelo. O número de pontos discretos escolhidos deve ser suficiente para
representar o comportamento do conjunto inteiro de forma aproximada (ALVES,
2006).
Figura 20 - Estrutura discretizada como uma montagem de elementos.
Fonte: ALVES, 2006, p. 9.
O comportamento da estrutura entre os nós do modelo dependerá das
propriedades atribuídas ao elemento escolhido, o qual representará aquele trecho da
estrutura entre os nós, por isso o elemento discreto deve ser muito bem definido.
Desta forma tendo conhecimento sobre os deslocamentos dos nós, é possível
calcular o comportamento interno de cada elemento (ibidem).
Um dos motivos pelo qual o método dos elementos finitos obteve sucesso é por
causa de seu conceito básico, a Discretização, a qual resolve muitas equações
algébricas simultâneas através de procedimentos padrões, não envolvendo decisões
de engenharia, sendo geradas e resolvidas sem problema algum por computadores.
A parte de decisões deve ser tomada na etapa de elaboração do modelo (ibidem).
48
2.5.1 Elementos bidimensionais
De acordo com Assan (2003), elementos bidimensionais podem ser
considerados como sendo sólidos, cujas dimensões na direção “z” são muito
pequenas, conforme exemplificado na Figura 21, caracterizados por um estado
plano de tensão/deformação, em tal situação as deformações e tensão normal na
direção “z” é nula assim como as tensões tangenciais nos planos “xz” e “yz”. Para
casos como esse utiliza-se basicamente dois tipos de elementos para uma análise
pelo método dos elementos finitos: triangular, no qual o corpo é representado por um
conjunto de triângulos (Figura 21), e retangular, onde o corpo é representado por
um conjunto de retângulos (Figura 22).
Figura 21 - Exemplo da aplicação de um elemento triangular.
Fonte: PEREIRA, 2005.
Figura 22 - Exemplo da aplicação de um elemento retangular. Fonte: BRATTI, 2009.
Outro conceito importante sobre elementos bidimensionais apresentado por
Alves (2006) é que para esse tipo de elemento as deformações estão relacionadas à
primeira derivada das funções que fornecem os deslocamentos, e não a segunda
49
derivada como ocorre para as vigas, pois esta última, as deformações estão
associadas à curvatura.
2.5.1.1 Elemento triangular linear
Conforme citado no tópico acima o elemento triangular é aquele que representa
o corpo através de um conjunto de triângulos. Esse elemento possui três nós e como
se trata de um estado plano de tensões (há dois componentes de deslocamentos:
“u” e “v”), ou seja, cada nó apresentará dois graus de liberdade, portanto este
elemento terá seis graus de liberdade. Desta forma a matriz das forças nodais tem
dimensão 6x1, a dos deslocamentos nodais terá mesma dimensão e
conseqüentemente a Matriz de Rigidez terá dimensão 6x6. (ALVES, 2006).
Através do conceito de elemento triangular e das informações citadas quanto
a elementos bidimensionais e matriz de rigidez de um elemento qualquer é possível
obter a matriz de rigidez de um elemento triangular. Nesse caso há uma matriz de
rigidez para as deformações normais e outra para as deformações por cisalhamento,
onde a matriz de rigidez do elemento será a soma dessas duas (ibidem).
2.5.1.2 Elemento retangular linear
Assan (2003) afirma que o elemento retangular limita-se apenas à aplicação
em modelos com contorno retangular, no entanto possuem comportamento melhor
que os triangulares, isso por ter mais nós que o triangular, possui quatro nós cada
elemento o que resulta em mais termos em suas funções, Alves (2006)
complementa essa questão mostrando que esses elementos apresentam um
comportamento melhor pelo fato de seus deslocamentos variarem linearmente ao
longo dos contornos comuns de dois elementos adjacentes, e no caso dos nós
comuns os deslocamentos serem iguais, ou seja, sendo “x” constante para uma
dada reta paralela ao eixo “y”, os deslocamentos “u” e “v” variam linearmente com
“y”, da mesma forma, sendo “y” constante, “u” e “v” variam linearmente com “x”.
50
Conforme apresentado por Alves (2006), a matriz das forças nodais possui
dimensão 8x1 assim como a matriz de deslocamentos nodais, e desta forma a matriz
rigidez terá dimensão 8x8.
A matriz rigidez do elemento retangular pode ser elaborada a partir dos
procedimentos já mostrados anteriormente, de forma semelhante ao elemento
triangular, sendo esta também a soma da matriz de rigidez das deformações
normais com a das deformações por cisalhamento (Alves, 2006).
2.5.2 Elementos tridimensionais
O estudo de elementos tridimensionais para este trabalho será necessário, pois
o software Sigma utiliza este tipo de elemento.
Elementos tridimensionais também são denominados como elementos
sólidos, nesses elementos se tem o estado triaxial de tensões, nesse caso o
deslocamento em qualquer ponto fica definido por três componentes, podendo ser
representados por “u”, “v” e “w”, estando eles respectivamente na direção “x”, “y” e
“z”. (ALVES, 2006).
Há basicamente dois tipos de elementos tridimensionais, sendo eles o
elemento tetraédrico, o qual representa o corpo por um conjunto de tetraedros, como
ilustra a Figura 23.
51
Figura 23 - Elemento sólido tetraédrico linear.
Fonte: ALVES, 2006, p. 176.
A Figura 24 mostra o elemento hexaédrico, o qual representa o corpo através
de um conjunto de elementos sólidos na forma de paralelepípedos (ibidem).
52
Figura 24 - Elemento sólido hexaédrico linear.
Fonte: ALVES, 2006, p. 193.
2.5.2.1 Elemento tetraédrico linear
Esse elemento possui quatro nós, em cada nó há três graus de liberdade,
esta forma o elemento terá doze graus de liberdade, ou seja, a matriz de rigidez terá
dimensão 12x12, onde a matriz das forças nodais e dos deslocamentos nodais terão
dimensão 12x1 (ibidem).
2.5.2.2 Elemento hexaédrico linear
Como mostrado por Alves (2006), o elemento hexaédrico linear possui oito
nós, e se tratando de um elemento com estado triaxial de tensão/deformação cada
nó possui três graus de liberdade, esse elemento terá então 24 graus de liberdade.
A matriz de forças nodais do elemento, assim como a matriz de deslocamentos
53
nodais, terá dimensão 24x1, conseqüentemente a matriz de rigidez terá dimensão
24x24.
2.5.3 Elementos Parabólicos
Uma melhor representação do campo de deformações dentro do elemento é
possível caso a função que representa esses deslocamentos tenha um grau maior,
porém para que isso ocorra, a função polinomial necessita um número maior de
coeficientes desconhecidos. Esse número está diretamente relacionado ao número
de graus de liberdade do elemento, ou seja, para aumentar o grau do polinômio é
necessário aumentar o número de graus de liberdade do elemento, isso é possível
aumentando o número de nós do elemento (ibidem). Só é possível aumentar o grau
de liberdade do elemento adicionando nós intermediários entre os vértices do
elemento, ao adicionar um nó entre cada vértice, o campo de deslocamento “u” e “v”
(para os elementos bidimensionais) ou “u”, “v” e “w” (para os elementos
tridimensionais) varia de acordo com uma função do segundo grau, por isso esses
elementos são chamados de elementos parabólicos também conhecidos por
quadráticos. É possível acrescentar mais de um nó entre os vértices, obtendo uma
melhor representação do campo de deformações, porém na prática isso é pouco
comum. Os elementos parabólicos triangulares, retangulares, tetraédricos e
hexaédricos, têm respectivamente: doze, dezesseis, trinta, e vinte graus de
liberdade por elemento (ibidem).
2.6 SOFTWARE DE SIMULAÇÃO - SIGMASOFT
Segundo KALLIEN e STEINBACH, 2011, Sigmasoft é um software de
simulação, que utiliza elementos tridimensionais. Foi desenvolvido com base no
Magmasoft que vem sendo utilizado em ambientes industriais, por mais de 10 anos,
especialmente na indústria automotiva, para otimizar o fluxo de fluidos, o fluxo de
calor e fenômenos relacionados a tensões para a fundição de metal. O Sigmasoft
importa qualquer modelo sólido 3D gerado por programas CAD. Para transferência
de dados para o pré-processador normalmente o Sigma utilizada arquivos na
extensão STL. Canais e qualquer outra geometria pode ser modelada no próprio
54
software e adicionado a geometria CAD. A malha 3D inclui a peça e a ferramenta
com todos os canais de aquecimento. Para calcular os fenômenos de fluxo de fluido
o programa utiliza as equações de Navier-Stokes.
2.6.1 Módulo Hot-Runner
Conforme Schermerhorn (2006), os sistemas com canais quentes são
eletricamente aquecidos por resistências elétricas que estão alojados ao redor do
componente em forma de hélice. O Sigma Hot-Runner tem a funcionalidade de
simular a transferência de calor em resistências elétrica e cmponentes de
aquecimento, para isso é necessário importar a geometria da resistência em STL,
em seguida são necessários as propriedades físicas da resistência, a capacidade
térmica e condutividade térmica, todas estas em função da temperatura. Com isso, o
coeficiente de transferência de calor são especificados para a resistência e os
componentes com os quais está em contato. Normalmente as resistências têm uma
seção transversal retangular, fazendo com que os três lados estejam em contacto
com o material no qual está alojada e um lado está em contacto com o ar ou em
contato direto com um componente de metal adjacente.
O software irá simular a temperatura de distribuição de calor na resistência e
simular o fluxo de calor subseqüentes a partir do aquecimento da resistência para o
sistema. E o subsequente fluxo de calor no polímero a partir dos canais da câmara
quente. Enquanto o polímero, dependendo da fase do ciclo de moldagem ou está
parado ou avançando no canal (ibidem).
Os controladores de temperatura através dos termopares no sistema de canais
quentes controlam as resistências elétricas alimentadas para o aquecimento do
manifold. O sistema 3D do Sigmasoft possui termopares, que podem ser
posicionados exatamente na mesma posição que no sistema real, e este termopar
vai ler a temperatura nessa posição específicada durante todo o ciclo de moldagem
por injeção (ibidem).
55
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O objetivo do experimento é encontrar o valor da temperatura na ponta do bico
e discutir a transferência térmica no bico, através da comparação dos resultados
obtidos pela simulação térmica empregando um sistema CAE através do software
Sigma, com os testes práticos realizados na bancada.
O bico condutor de calor é aplicado em um sistema de câmara quente, onde
este bico não possui sua própria fonte geradora de calor, apenas absorve o calor do
bloco que é aquecido por uma resistência elétrica que mantêm a temperatura em
250°C. A condição ideal para o bom funcionamento do sistema é que a ponta do
bico atinja a mesma temperatura do bloco.
Para realizar este estudo foi utilizado um estudo de caso, como apresentado a
seguir.
3.1 ESTUDO DE CASO: O PRODUTO E O MOLDE
Com a colaboração da Empresa Jeruel Plásticos, foi identificado um produto
plástico e um molde.
O produto injetado resulta em peças pequenas, como mostra a Figura 25, que
são empregadas em obras da construção civil como espaçadores para onde haja
tráfego sobre ferragens. Essas peças são denominadas pelo fabricante de ETP115 e
o polímero utilizado é o PP fabricado pela empresa Quattor.
Figura 25 - Dimensões do produto ETP-115, em mm.
56
Através da Tabela 4 é possível verificar as propriedades do material PP.
Tabela 4 - Propriedades do material PP. Físicas
Índice de Fluidez (250°C) 25g/10min
Densidade (23°C) 0,905g/cm³
Mecânicas
Resistência à Tração no Escoamento (50mm/min) 26Mpa
Alongamento no Escoamento (50mm/min) 6%
Módulo de Flexão (1,3mm/min) 1200Mpa
Resistência ao Impacto Izod @ 23°C 85J/m
Resistência ao Impacto Izod @ -20°C 45J/m
Dureza Shore D (1s) 70
Térmicas
Temperatura de Amolecimento Vicat (10N/Taxa A) 145°C
Temperatura de Distorção Térmica (0,45Mpa) 92°C
Fonte: Quattor, 2011.
O molde de injeção utilizado neste experimento possui 48 cavidades e para
que os canais de alimentação das cavidades, mostrados na Figura 26, sejam
mantidos sempre na temperatura ideal de fluxo com injeção direta no produto, ou
seja, para cada produto existe um bico, aplicou-se um sistema de câmara quente no
molde.
57
Figura 26 - Distribuição das cavidades no molde e balanceamento de canais.
Segue abaixo algumas particularidades do produto e do molde, que levou à
escolha do sistema de câmara quente adequado:
• O polímero utilizado devido as suas propriedades e principalmente sua baixa
viscosidade, flui facilmente através dos canais de injeção.
• O tamanho da peça é relativamente pequeno, como mostra a Figura 25,
pesando 6,6 gramas e não possui paredes finas.
• A distância do ponto de injeção até a face da placa porta cavidade é de 40,5
mm (Figura 27), logo não será necessário um bico de injeção longo.
Figura 27 - Espessura das placas e comprimento do bico.
58
• A distância entre as cavidades, como mostra a Figura 26, é pequena,
dificultando a utilização de injeção direta no produto, devido ao espaço que um bico
comum ocupa no molde, principalmente se for aquecido por resistência elétrica que
necessita de espaço para a saída de fiação.
Levando-se em conta todas estas particularidades, escolheu-se o sistema de
câmara quente com bico condutor de calor, que comparando com os outros tipos de
bicos existentes, ocupa menos espaço no molde e consome menos energia elétrica
por não possuir resistência.
3.1.1 Sistema de câmara quente
Para que a injeção seja diretamente no produto e durante o processo de
injeção todas as cavidades preencham ao mesmo tempo e tenham a mesma
pressão de recalque utilizou-se canais de fluxo volumetricamente balanceados
através de um sistema de câmara quente com dois níveis de manifold, como mostra
a Figura 28a.
(a)
59
(b)
Figura 28 - Montagem do sistema de câmara quente juntamente com os produtos.
O primeiro nível do sistema de câmara quente é composto por um manifold tipo
H e o segundo por oito manifolds tipo Y. Cada manifold tipo Y possui seis bicos
condutores de calor, resultando em um total de 48 bicos.
Projetou-se o sistema em dois níveis e dividiu-se o segundo nível em oito
manifold tipo Y, devido a dilatação térmica do aço, pois cada manifold possui o
centro fixo em um suporte central e sua dilatação ocorre das extremidades para o
centro do manifold, logo um manifold menor, dilata menos que um maior em
unidades de medida, e como o bico condutor de calor é fixado no manifold tipo Y,
conforme o sistema aquece, o manifold dilata e o bico desloca-se em função dessa
dilatação. Este deslocamento é indesejado, pois pode danificar o gate ou até
quebrar a ponta do bico.
Todo o sistema de câmara quente localiza-se na parte fixa do molde, como é
possível verificar na Figura 28b, que é composto pela placa base superior, placa
porta manifold (onde são alojados praticamente todos os componentes do sistema
de câmara quente, exceto o bico), placa porta cavidade e placa cavidade, sendo
essas duas ultimas que alojam o bico de injeção, onde na placa cavidade encontra-
se a região do gate, que é o ponto de alimentação da cavidade.
Os manifolds são fabricados em aço P20 e aquecidos por resistências
elétricas, fabricadas em NiCr8020. Através da Tabela 5 e Tabela 6, é possível
verificar as propriedades do aço P20 e NiCr8020, respectivamente.
60
Tabela 5 - Propriedades mecânica do aço AISI P20. Composição Química (%) C 0,35 Si 0,4 Mn 0,8 Cr 1,2 Mo 0,35
Temperatura (°C) 20 200 400
Densidade (Kg/m³) 7800 7750 7700
Módulo de Elasticidade (N/m²) 205x10e9 200x10e9 185x10e9
Coef. de Expansão Térmica - 12,7x10e-6 13,6x10e-6
Condutividade Térmica (W/m°C) 29 29,5 31
Calor Específico (J/Kg°C) 460 - -
Fonte: Metals Handbook, 1968, p. 856.
Tabela 6 - Propriedades mecânica do NiCr8020. Composição Química (%) Ni 80 Cr 20
Temperatura (°C) 100
Densidade (Kg/m³) 8400
Coef. de Expansão Térmica 17,6x10e-6
Condutividade Térmica (W/m°C) 13,4
Calor Específico (J/Kg°C) 447
Fonte: Metals Handbook, 1968, p. 1060.
O manifold em formato H, localizado no primeiro nível do sistema, possui
massa de 22,3Kg com oito resistências de 938Watts e 625mm de comprimento
cada, resultando em 336,5 Watts/Kg, que permite o aquecimento dos canais de
passagem de material, como ilustra a Figura 29. Este bloco recebe o material
fundido da bucha de injeção e através dos seus canais, o distribui para os manifolds
tipo Y na temperatura ideal de fluxo.
Figura 29 – Manifold tipo H.
61
O segundo nível é composto por oito manifolds em formato Y, com massa de
3,6Kg com duas resistências de 975Watts e 650mm de comprimento cada,
resultando em 541 Watts/Kg, que permite o aquecimento dos canais de passagem
de material, como ilustra a Figura 30. Este bloco recebe o material fundido do
manifold tipo H e o distribui para os bicos na temperatura ideal de fluxo.
Figura 30 - Manifold tipo Y.
O bico de injeção, mostrado na Figura 31, é fabricado com a liga cobre berílio,
que possui nome comercial de Moldmax HH, produzido pela empresa Uddeholm,
possui condutibilidade térmica 3 a 4 vezes superior aos aços especiais utilizados em
moldes para plástico, boa dureza e resistência mecânica, com o objetivo de manter
o bico aquecido mesmo sem resistência elétrica.
Figura 31 - Bico condutor de calor.
62
O bico é fixado no manifold através de uma rosca para aumentar a área de
contato entre bico e bloco de aquecimento e com isso aumentar a taxa de
transferência de calor.
O perfil do alojamento do bico juntamente com o perfil da ponta do bico deixa
um vestígio mínimo no produto injetado.
É possível observar as propriedades mecânicas do Moldmax HH através da
Tabela 7.
Tabela 7 - Propriedades mecânica do Moldmax HH. Composição Química (%) Be 1,9 Co 0,25 Cu bal.
Temperatura (°C) 20 200 300
Densidade (Kg/m³) 8350 8275 8220
Módulo de Elasticidade (N/m²) 131,1x10e9 124,1x10e9 103,4x10e9
Coef. de Expansão Térmica - 17x10e-6 17,8x10e-6
Condutividade Térmica (W/m°C) 110 145 155
Calor Específico (J/Kg°C) 380 480 535
Fonte: Metals Handbook, 1968, p. 934.
O espaçador suporta o manifold que perde o mínimo de calor para o molde, por
ser fabricado em titânio (Ti6A4V), cujas propriedades são possíveis de serem
verificadas através da Tabela 8. Seu alojamento no molde é justo evitando
vazamento de material, sendo que a vedação deste tipo de bico é no bloco de
aquecimento, logo após a rosca, fazendo com que todo o material solidificado que
fica entre bico e molde faça a função de isolante térmico, ajudando para que o bico
perca o mínimo de calor possível para o molde.
Tabela 8 - Propriedades mecânica do titânio (Ti6A4V). Composição Química (%) Al 6,0 V 4,0 Ti bal.
Temperatura (°C) 20 200 300
Densidade (Kg/m³) 8350 8275 8220
Módulo de Elasticidade (N/m²) 131,1x10e9 124,1x10e9 103,4x10e9
Coef. de Expansão Térmica - 17x10e-6 17,8x10e-6
Condutividade Térmica (W/m°C) 110 145 155
Calor Específico (J/Kg°C) 380 480 535
Fonte: Metals Handbook, 1968, p. 1180
63
3.2 PROCEDIMENTOS
Dividiram-se os procedimentos em cindo etapas:
I) Simulação de transferência de calor empregando um sistema CAE
através do software Sigma e teste prático desenvolvido em bancada somente de um
manifold Y com seis bicos condutores de calor fora do molde de injeção.
II) Simulação de transferência de calor empregando um sistema CAE
através do software Sigma do sistema de câmara quente completo dentro do molde
de injeção em processo.
III) Comparação e estudo dos resultados primeiramente entre simulação e
prática da etapa I e em seguida entre as etapas I e II.
IV) Estudo da influência dos resultados obtidos nas etapas anteriores no
processo de injeção e no produto injetado.
V) Comparação de preço e custo entre o sistema de câmara quente com
bicos condutores de calor e com bicos aquecidos por resistência elétrica.
A Figura 32 resume a sequência utilizada de trabalho.
Figura 32 - Fluxograma da sequência das atividades desenvolvidas.
64
3.2.1 Procedimento da avaliação em bancada - Manifold tipo Y + bicos
Primeiramente realizou-se a simulação de transferência de calor e teste prático
na bancada, apenas com um manifold tipo Y e seis bicos, para verificar apenas a
capacidade térmica do bico em absorver o calor do bloco, medindo através de
termopares a temperatura na ponta de cada bico.
As simulações foram realizadas através do software Sigma, pela empresa
Magma Engenharia do Brasil Ltda.
3.2.1.1 Simulação empregando o sistemas CAE
Inseriu-se as condições de contorno:
o Temperatura ambiente: 18°C;
o Temperatura programada (SV): 250°C +/-5°C;
o Potência da resistência: 975W;
o Comprimento da resistência: 650mm;
o Tipo de controle de temperatura: PID.
Na sequência definiu-se os materiais de cada componente: NiCr8020, Ti6A4V,
Moldmax HH e P20, conforme mostra a Figura 33.
Figura 33 - Materiais dos componentes.
Indicou-se a posição real do termopar no manifold, pois o ideal é que a
temperatura se mantenha constante em todo o bloco de aquecimento para que a
temperatura dos bicos também seja constante. O termopar indicado na Figura 34
65
exerce a função de controlar a temperatura do bloco, já que esta temperatura
precisa ficar em 250°C, que é a temperatura programada (SV).
Figura 34 - Posição do termopar no bloco.
Em seguida, definiu-se a posição dos termopares nos bicos, como mostra a
Figura 35, somente como pontos de avaliação para o experimento, pois no sistema
real não existe termopares nesta região.
Figura 35 - Posição dos termopares nos bicos.
Por fim, definiram-se as malhas de elementos finitos, no qual utilizou-se o tipo
de malha tridimensional. Através da Figura 36 é possível verificar os elementos que
formam a malha do componente, sendo que para o manifold tipo Y + bicos, o total de
elementos foi de 4.522.510.
66
Figura 36 - Elementos que formam a malha do componente.
Finalmente iniciou-se a simulação.
3.2.1.2 Ensaio
O ensaio foi realizado na bancada da empresa Fator Sistemas para Moldagem,
como mostra a Figura 37.
Segue abaixo os equipamentos utilizados e condições de processo:
o Um controlador de temperatura de dois pontos da marca Fator;
o Dois sensores térmicos tipo J da marca Termoshaw, com erro de
leitura de ± 2,5°C;
o Uma placa de cerâmica;
o Seis suportes de titânio;
o Um manifold tipo Y fabricado em P20;
o Seis bicos condutores de calor fabricado em cobre berílio (Moldmax
HH);
o Duas resistências elétrica de 975Watts e 650mm de comprimento
cada;
o Temperatura ambiente: 18°C;
o Temperatura programada no bloco (SV): 250°C (igual à simulação).
67
Figura 37 - Ensaio realizado na empresa Fator.
Para a realização do ensaio, inicialmente encapsulou-se as resistências uma
de cada lado no manifold, em seguida colocou-se a placa de cerâmica sobre a
bancada, os suportes de titânio sobre a placa, o manifold sobre os suportes e
montou-se os bicos no bloco de aquecimento. Logo após inseriu-se um sensor no
manifold para controlar o aquecimento e um no bico para indicar a temperatura,
conectou-se os cabos das resistências e do sensor do manifold no ponto de controle
PC02 e do sensor do bico no ponto de controle PC01 no controlador de temperatura,
como ilustra a Figura 37.
Para o início do ensaio, ligou-se o controlador e iniciou-se o teste, com
temperatura ambiente de 18°C, utilizando a temperatura programada de 250°C, pois
esta é a temperatura de processo que será utilizada no molde de injeção. Iniciou-se
o teste no primeiro bico e após a temperatura controlada no bloco atingir a 250°C
esperou-se 1 hora para a temperatura estabilizar e marcou-se a temperatura
indicada na ponta do bico. Em seguida tirou-se o sensor do bico 01 e colocou-se no
bico 02, esperou-se a mesma 1 hora e marcou-se a temperatura indicada, o mesmo
processo foi aplicado, sucessivamente nos bicos seguintes. Repetiu-se este mesmo
teste outras duas vezes e calculou-se a média dos três testes para cada bico.
3.2.2 Sistema completo
Após os procedimentos adotados para avaliar um manifold tipo Y e seis bicos
fora do molde de injeção, realizou-se a simulação, utilizando um sistema CAE, de
transferência de calor do sistema completo de câmara quente dentro do molde,
PC - 01
PC - 02
Cabos das resistências
Sensor
do bloco
Sensor
do bico Conector
68
considerando em processo de injeção, onde inseriu-se termopares na ponta de cada
bico, somente como ponto de avaliação para a obtenção de resultados para a
simulação e verificar o desempenho térmico do bico condutor de calor dentro do
molde.
Pretendeu-se realizar experimentos de injeção no molde em processo para
comparar os resultados da injeção com as simulações. Entretanto, por sigilo
industrial, não foi possível realizar a análise. Desta forma, realizou-se apenas a
simulação do sistema completo.
3.2.2.1 Simulação empregando o sistema CAE
Inseriu-se as definições iniciais:
o Temperatura programada (SV) no manifold: 250°C;
o Potência da resistência manifold tipo Y: 975W e 650mm;
o Potência da resistência manifold tipo H: 938W e 625mm;
o Tipo de controle de temperatura: PID;
o Temperatura da refrigeração na placa porta manifold: 18°C;
Figura 38 - Parte fixa completa do molde utilizada para a simulação.
Na Figura 38 é possível verificar a parte fixa completa do molde utilizada
para a simulação. Como é possível verificar o sistema é simétrico. Para
diminuir o tempo de processamento da simulação foi utilizada a ferramenta
69
cutbox, que cortou o molde. Sendo assim os resultados serão mostrados para
¼ do molde.
Na sequência definiu-se os materiais de cada componente: Ti6A4V,
Moldmax HH e P20, polímero e ar, conforme mostra a Figura 39.
Figura 39 - Materiais do molde.
A Figura 40 ilustra a posição dos termopares nos manifold e bicos
considerando que nos bicos definiu-se apenas como pontos de avaliação da
temperatura para a simulação CAE.
Figura 40 - Posição dos termopares no molde.
70
Através da Figura 41, é possível verificar como as resistências dos manifolds
tipo Y e H estão distribuídas no sistema de câmara quente em relação aos bicos.
Figura 41 - Posição das resistências em relação aos bicos no molde.
Por fim, definiram-se as malhas de elementos finitos, no qual utilizou-se o tipo
de malha tridimensional. Através da Figura 42 é possível verificar os elementos que
formam a malha do sistema, sendo que, o total de elementos foi de 51.594.840 para
¼ do molde.
Figura 42 - Elementos que formam a malha do sistema.
Finalmente iniciou-se a simulação.
71
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo são apresentados os resultados da simulação realizada com o
software Sigma do manifold tipo Y com os bicos fora do molde e os resultados do
ensaio prático na bancada. Como uma análise adicional será apresentado os
resultados da simulação realizada do sistema de câmara quente completo dentro do
molde, já que não foi possível realizar o experimento no molde em máquina para a
obtenção da temperatura real na ponta dos bicos, como já foi comentado
anteriormente.
Posteriormente serão apresentadas as discussões comparando estes
resultados e comparando também o consumo de energia entre o sistema de câmara
quente com bicos condutores de calor e bicos com resistência elétrica.
4.1 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA EM UM MANIFOLD TIPO Y INDEPENDENTE
Seguindo os procedimentos indicados anteriormente, observou-se a
temperatura na ponta dos bicos após 1 hora de simulação. Para uma melhor
visualização a Figura 43 indica em (a) as posições dos bicos e em (b) a temperatura
encontrada na ponta de cada bico através de um gráfico em colunas.
(a) (b)
Figura 43 – a) Posições dos bicos no bloco b) Resultados das temperaturas na ponta dos bicos no bloco Y após 1 hora de simulação.
72
Através do gráfico é possível observar que existe variação de temperatura
entre um bico e outro, sendo que a diferença é de 0,28% entre o maior e o menor
valor, resultando em uma diferença de 0,7°C.
O resultado apresentado aponta que estas variações na simulação, ocorrem
possivelmente devido ao formato do bloco que faz com que na região dos bicos a
massa que os envolve seja diferente, e acredita-se ainda que o principal motivo para
que isso ocorra é a forma como a resistência está distribuída no bloco. Isso é
possível de ser verificado através da Figura 43a em que os bicos 3 e 4 estão com
maior área de contato com o ambiente e de acordo com o gráfico da Figura 43b são
os bicos com menor temperatura; já nos bicos 1 e 6 esta situação não ocorre, pois
estes bicos estão próximos a entrada da resistência, região inicial da resistência.
4.2 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA REAL EM UM MANIFOLD TIPO Y INDEPENDENTE
Seguindo os procedimentos já citados, realizou-se os ensaios na bancada da
empresa Fator com um manifold tipo Y e seis bicos condutores de calor fora do
molde de injeção, observando a temperatura na ponta de cada bico após 1 hora,
tempo em que a temperatura estabiliza. A Tabela 9 mostra os resultados de cada
ensaio e a média das temperaturas na ponta de cada bico, considerando que
durante as três horas houve variação na temperatura do bloco de ±2°C.
Tabela 9 - Resultados dos ensaios na bancada. Ensaio Temp. do
Bloco
Tempo de
estabilização
Temperatura no bico (°C)
06 05 04 03 02 01
1° 250°C 1 hora 254,1 252,9 251,2 252,9 248,6 244,7
2° 250°C 1 hora 255,2 251,4 251,6 251,8 248,3 243,9
3° 250°C 1 hora 254,8 253,2 250,2 252,2 247,7 244,9
Média 254,7 252,5 251 252,3 248,2 244,5
A Figura 44 ilustra através do gráfico as temperaturas encontradas na ponta
dos bicos durante o ensaio e o desvio padrão em cada bico.
73
Figura 44 - Resultados dos ensaios realizados na bancada, com os desvios padrão de cada
bico.
A Figura 45a mostra as posições dos bicos, do sensor no bloco e da região
inativa da resistência e a Figura 45b a média da temperatura encontrada na ponta
de cada bico através de um gráfico em colunas.
(a) (b)
Figura 45 – a) Posições dos bicos e sensor no bloco b) Resultados da média das temperaturas na ponta dos bicos no bloco Y.
É possível observar através do gráfico que existe variação de temperatura
entre um bico e outro, sendo que a diferença é de 4,01% entre o maior e o menor
valor, resultando em uma diferença de 10,2°C.
As explicações possíveis para estas variações são as mesmas citadas para a
simulação, porém nesse caso a diferença é maior, acredita-se que ocorre essa
74
diferença principalmente por existir duas regiões inativas na resistência, ou seja, que
não aquecem, no inicio e no final, tanto na resistência superior como na inferior,
como é possível observar na Figura 45a a região inativa da resistência, sendo que,
na simulação isso não foi considerado.
Para esta situação os bicos que possuem menor temperatura são os bicos 01 e
02, este fato ocorre possivelmente devido a estes bicos estarem posicionados no
final da resistência, onde existe uma região inativa, ou seja, que não aquece e como
a entrada para a alimentação da resistência é na outra ponta, até que o calor atinja o
final da resistência, este já perdeu parte para o ambiente.
O ensaio também apresenta que em alguns bicos a temperatura da ponta
ultrapassou a temperatura do bloco, o que teoricamente não seria possível, porém
esta situação pode ter ocorrido devido ao posicionamento do sensor que serve para
controlar a temperatura do bloco. Este sensor está posicionado de acordo com a
Figura 45, na parte superior do bloco, sendo que comparando esta face com a
inferior, esta possui maior área de contato com o ambiente, perdendo mais calor que
a face inferior, já que na face inferior os bicos estão roscados no bloco. Comparando
também a área superficial do bloco com a do bico, a taxa de transferência de calor
do bloco com o ambiente é maior que a do bico. Então, uma análise possível, é que
na região do sensor quando a temperatura atingiu 250°C, na região inferior do bloco
próximo aos bicos a temperatura esta mais elevada, e como o moldmax, material
utilizado no bico, possui condutividade térmica maior que o P20, material utilizado no
bloco, o bico conduz a temperatura até a sua ponta com maior velocidade com que
perde para o ambiente, já no bloco ocorre ao contrario. Considerando também que o
sensor possui uma tolerância de ±2,5°C.
4.3 AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA E DA TEMPERATURA REAL EM UM BLOCO Y INDEPENDENTE
Realizou-se a comparação dos resultados obtidos anteriormente através do
gráfico da Figura 46, onde é possível observar as diferenças de temperaturas entre
os valores simulados e os reais.
75
Figura 46 - Resultados simulação x real.
Os resultados da temperatura de cada bico entre a simulação e o ensaio
apresentam diferenças, ou seja, os bicos 01 e 02 no ensaio apresentam temperatura
menor que a da simulação, já nos demais bicos esta temperatura é maior, como
mostra o gráfico. Essa diferença, como já foi citada anteriormente, é possível que
ocorra, devido a existência de uma área inativa no inicio e no final da resistência do
bloco (Figura 45a), sendo que está área não foi considerada na simulação.
O fato de que a temperatura dos bicos no ensaio está maior que a da
simulação, desconsiderando os bicos 01 e 02, discutido anteriormente, sugere-se
que estas diferenças ocorrem devido as condições em que realizou-se o ensaio, pois
não era possível controlar a temperatura do ambiente. O que também pode ter
influenciado é que o sistema de aquecimento das resistências possui controle PID,
que quando o sensor lê que a temperatura na região onde ele se encontra, está a
250°C, a resistência é desligada, mas mesmo assim por alguns instantes ela ainda
emite calor para o bloco, podendo ultrapassar em alguns graus a temperatura do
mesmo.
76
4.4 ANÁLISE ADICIONAL. AVALIAÇÃO DA TEMPERATURA SIMULADA CONSIDERANDO O BLOCO Y DENTRO DA ESTRUTURA DO MOLDE
Seguindo os procedimentos já citados realizou-se como um experimento
adicional, a simulação térmica do sistema completo de câmara quente.
A Figura 47 apresenta a distribuição dos blocos no molde.
Figura 47 – Distribuição simétrica dos blocos no molde.
Os manifolds estão distribuídos de forma simétrica no molde, porém as
temperaturas dos bicos “A” não são iguais aos bicos “B”, pois além dos manifolds
tipo Y existe um manifold tipo H que também é aquecido por resistência e é
posicionado sobre estes blocos de aquecimento, onde sua distribuição não é igual
em todos os blocos, fazendo com que haja transferência de calor para os manifolds
tipo Y, como é possível verificar na figura a cima.
Devido ao sistema ser simétrico, destacou-se apenas 1/4 dos blocos para a
representação dos resultados. A Figura 48a as posições dos bicos e a Figura 48b a
temperatura encontrada na ponta de cada bico através de um gráfico em colunas.
77
(a) (b)
Figura 48 - Resultados das temperaturas na ponta dos bicos com todo o sistema de câmara quente dentro do molde.
Através do gráfico é possível observar que existe diferença de temperatura
entre os bicos dos manifolds A e B, devido a transferência de calor para o molde e
do manifold tipo H para os blocos.
O gráfico da Figura 49, apresenta a comparação dos resultados das
temperaturas na ponta dos bicos na simulação entre o manifold independente, ou
seja, fora do molde e a média das temperaturas dos manifolds dentro do molde.
Figura 49 - Comparação dos resultados das temperaturas na ponta dos bicos na simulação
entre o bloco independente e a média das temperaturas dos blocos dentro do molde.
O gráfico indica que quando o bloco com os bicos está no molde, é possível
observar que existem grandes diferenças de temperatura entre 8,2°C e 20,8°C, para
menos, comparando com a situação em que é considerado apenas o bloco com os
78
bicos independente, ou seja, fora do molde, pois como mostra a Figura 50, os bicos
perdem calor para as placas do molde, mesmo não estando em contato direto, por
radiação, já que existe aço em volta de todo o bico, fazendo com que não exista
mais a transferência de calor por convecção entre um bico e outro, como acontece
quando o bloco e os bicos estão fora do molde, sendo que esta reação ajuda os
bicos a manter a temperatura, formando uma espécie de névoa entre eles.
Figura 50 - Blocos e bicos montados no molde de injeção.
Com as grandes variações de temperatura apresentadas, existem bicos que
apresentam temperaturas de aproximadamente 228°C, onde possivelmente a
cavidade deste bico não preencherá corretamente, pois como mostra o Anexo 1, o
polímero PP possui temperatura de fusão entre 230°C e 275°C, logo o material
poderá solidificar antes de entrar na cavidade ou durante o preenchimento, fazendo
com que algumas cavidades preencham e outras não. Sugere-se que uma solução
para este problema é aumentar um pouco a temperatura de processo, em torno de
20°C.
79
5 CONCLUSÕES
As principais conclusões deste estudo são as seguintes:
1) Os bicos atingem a temperatura de aproximadamente 250°C, somente quando
são avaliados em um bloco independente, ou seja, fora do molde. Quando
colocados dentro do molde, perdem calor para as placas, chegando a perder até
20°C.
2) As variações de temperatura preocupam, pois são prejudiciais tanto para o
processo de injeção quanto para o produto injetado, podendo causar vários defeitos
na peça, como o não preenchimento total das cavidades, tensões internas, entre
outros.
3) Para evitar que algumas cavidades não preencham e diminuir o efeito que a
variação de temperatura pode causar durante o processo de injeção do material PP,
a temperatura programada dos blocos deverá aumentar em torno de 20°C, pois
segundo o Anexo 1, p. 84, a temperatura de processamento do PP é entre 230°C e
275°C, mas conforme o gráfico da Figura 48, é possível verificar que existem alguns
bicos em que a temperatura na ponta é inferior a 230°C.
4) Para o produto que é injetado no molde estudado, a perda de calor não afeta as
condições de processo. Logo este tipo de molde com bicos condutores de calor é
uma escolha apropriada, pois agrega menor custo ao produto, principalmente pelo
baixo consumo de energia.
5) Através da teoria apresentada na p. 19 e da Figura 2, é possível observar que
quanto maior o cisalhamento do polímero, menor sua viscosidade e maior sua
fluidez, logo, sugere-se que para os polímeros que possuem estas características é
possível utilizar os bicos condutores de calor, pois são materiais fáceis de injetar,
como o PP que foi utilizado neste trabalho.
80
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
1) Melhorar a distribuição da resistência no bloco, fazendo com que ela envolva
todos os bicos igualmente.
2) Rodar uma nova simulação, considerando as regiões inativas da resistência.
3) Realizar experimentos de injeção no molde em processo para comparar os
resultados da injeção com as simulações.
4) Estudar com maior precisão a transferência de calor do bico para o molde.
5) Estudar quais os polímeros que realmente é possível injetar com o bico condutor
de calor.
6) Realizar testes com o produto injetado, para verificar se as diferenças de
temperatura entre os bicos e o manifold influenciam nas propriedades do material
injetado.
81
REFERÊNCIA
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82
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83
ANEXOS
Anexo 1 - Propriedades para Injeção de Alguns Polímeros Termoplásticos. .......... 843
84
Anexo 1 - Propriedades para Injeção de Alguns Polímeros Termoplásticos.
SIGLA ASTM
Densidade sólido (g/cm³)
Denside fundido (g/cm³)
Transparente (TP) Translúcido (TL)
Opaco (O)
Amorfo Cristalino
Encolhimento (%)
ASA 1.07 O, TP amorfo 0,4 a 0,6
ABS 1 a 2 0.9 O, TP amorfo 0,5 a 0,6
CA 1.3 TP 0,3 a 0,7
CAB 1.2 TP 0,3 a 0,7
CAP 1.2 TP 0,3 a 0,7
EVA média 0,94 0.8 TL, TP
HDPE 0,93 a 0,97 0.81 O, TP cristalino 1,2 a 2,2
HIPS 1 a 1,1 0.9 O, TP amorfo 0,4 a 0,7
Ionômero 0,94 a 0,95 TP semi crist.
LCP 1,5 a 1,7 TP, TL líqu. Crist. 0,2 a 0,8
LDPE 0,91 a 0,93 TP, TL cristalino 1,5 a 3,0
LLDP 0,90 a 0,92 TP, TL cristalino 1,5 a 5,0
MDPE 0,93 a 0,95 O, TP cristalino 1,2 a 2,2
PA66 1,1 a 1,4 f 1,0 a 1,2 TL cristalino 1,0 a 2,2
PA6 1,1 a 1,4 1,2 a 1,3 TL cristalino 0,8 a 2,1
PAEK 1,3 a 1,5 f 1,4 O semi crist. 0,1 a 0,6
PAI a 1,6 O amorfo 0,1 a 0,2
PAR 1.2 0.77 O amor. Crist. 0,6 a 0,9
PAS média 1,36 O amorfo 0.06
PBT 1,3 a 1,6 f 1,1 a 1,2 TL semi crist. 1,5-2/0,5 f
PC 1,2 a 1,5 f 1.1 TP amorfo 0,4 f a 0,7
PEI 1,3 a 1,5 f O amorfo 0,5-0,7/0,2 f
PEK 1,3 a 1,5 f O semi crist. 0,1 a 0,6
PEEK 1,3 a 1,4 f O 30% crist. 0,1 a 1,4
PES 1,2 a 1,6 f TP amorfo 0,3 f a 0,6
PET 1,4 a 1,7 f 1.2 O, TP amor. Crist. 0,2 a 2,0
PETG 1,2 a 1,3 O, TP amorfo
PMMA 1,1 a 1,2 1,0 a 1,1 O amorfo 0,4 a 0,8
Poliéster 1.3 O amorfo 1,5 a 1,8
POM 1,4 a 1,6 f 1.2 O 80% crist. 0,8 f a 2,0
PP 0.90 a 0,92 0.77 TP, TL semi crist. 1,0 a 2,5
PPO 1,1 a 1,2 f 0,96 a 1,0 O amorfo 0,2 f a 0,7
PPS 1,3 a 1,9 f média 1,5 O 65% crist. 0,1 a 0,5
PS 1,0 a 1,1 0.9 O, TP amorfo 0,4 a 0,7
PSU 1,2 a 1,6 f O, TP amorfo 0.7
PVC 1,2 a 1,4 1,2 a 1,3 TP amorfo 0,2 a 0,5
SAN 1,1 a 1,3 0.9 O, TP amorfo 0,3 a 0,7
TPUR 1,2 a 1,3 O, TP amorfo 0,8 a 2,0
UHMWPE 0,93 a 0,94 0.9 O, TP cristalino 1,2 a 2,2
85
Continuação
SIGLA ASTM
Secagem Requerida (horas - °C)
Temp. fundido (°C)
Temp. molde (°C)
Velocidade de injeção
Pressão de fechamento (ton/in²)
Pressão de injeção (MPa)
ASA 230-260 40-90
ABS 2-3 / 88-77 195-240 35-93 baixa 4-6 120-140
CA 2-3 / 60-70 180-230 50-80 variável 70-180
CAB 2-3 / 60-70 180-230 50-80 variável 70-180
CAP 2-3 / 60-70 180-230 50-80 variável 70-180
EVA 200-210 20-60
HDPE nada 200-280 10-70 alta 2-2,5 100-200
HIPS nada 180-280 10-85 alta 2-4 100-200
Ionômero nada (8 / 60) 210-260 5-50 bax/mod 2-3 70-110
LCP 4-8 / 150 400-430 240-280 média 2-3 80-120
LDPE nada 170-240 10-50 alta 1,5-2 100-150
LLDP nada 170-200 10-50 alta 1,5-2 100-150
MDPE nada 190-260 10-70 alta 2-2,5 100-150
PA66 3-4 / 71-60 270-320 20-100 alta 4-5 100-150
PA6 3-4 / 71-60 260-310 20-100 alta 3-5 90-150
PAEK 2-4 / 175-150 370-400 160-200 baixa 3-4 (6f) 160-200
PAI 5 / 175 305-370 205-200 alta 5-6 160-200
PAR 3-4 / 175-150 260-380 65-150 moderada 3-5 (4-6f) 140-200
PAS 3-4 / 175-150 340-370 120-155 moderada 140-200
PBT 3 / 150 240-270 50-100 mod/alta 3-5 80-200
PC 3-4 / 120 270-235 80-110 alta 3-5 (6f) 140-200
PEI 4-6 / 150-130 340-425 65-175 med/alta 100-160
PEK 2-4 / 175-150 370-400 160-220 baixa 3-4 (6f) 160-200
PEEK 2-4 / 175-150 370-400 160-220 alta 2-4 (6f) 160-200
PES 3-4 / 150-135 340-380 140-160 alta 5-10 160-200
PET 2-4 / 180-160 260-300 7-80 baixa 2-6 70-160
PETG 4 / 66 190-275 20-30 baix/alta 80-100
PMMA 2-3 / 77-93 200-260 35-60 variável 2,5-3 100-200
Poliéster 2-4 / 120-177 230-260 40-100 baixa 3-5 80-100
POM nada 180-230 80-100 med/alta 3,5-5 100-170
PP nada 230-275 15-65 alta 2-3 100-130
PPO 2-4 / 115-107 250-315 80-110 alta 2,5-5f 120-180 PPS 3-4 / 150 300-360 40-150 baixa 2-3 50-140
PS nada 180-280 10-85 alta 2-4 100-200
PSU 5 / 120 310-400 100-170 baixa PVC nada (2 / 60) 180-204 20-40 baix/mod 70-140
SAN 2-3 / 80-70 220-270 5-60 35-140
TPUR 2-3 / 110-104 190-220 30-65 0,5-2 70-140 UHMWPE nada 200-280 10-70 alta 3-4 130-200
f = polímero carregado (partícula ou fibra); Fonte: Manrich, 2005