Comparação do desempenho de tecnologias alternativas de fabrico de moldes de injecção de ...

96 Pages·2014·5.56 MB·Portuguese

Comparação do desempenho de tecnologias alternativas
de fabrico de moldes de injecção de plásticos

Tiago José Duarte Bom

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica

Orientadores:
Prof. Paulo Miguel Nogueira Peças
Prof.ª Elsa Maria Pires Henriques

Júri
Presidente: Prof. Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista
Orientador: Prof. Paulo Miguel Nogueira Peças
Vogais: Prof.ª Inês da Fonseca Pestana Ascenso Pires
Dr.ª Inês Esteves Ribeiro

Maio de 2014
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Resumo
A moldação por injecção é um processo que consiste na injecção de plástico fundido para o
interior de um molde, onde são maquinados canais de arrefecimento que permitem o controlo da sua
temperatura, influenciando a taxa de produção e a qualidade das peças produzidas no processo,
factores chave na competitividade da indústria actual.
Hoje em dia, o fabrico destes canais é feito através da furação rectilínea, originando sistemas
de arrefecimento muito limitados na medida em que muitas vezes têm dificuldade (ou simplesmente
não conseguem) em arrefecer determinadas zonas da peça, zonas essas que vão limitar o tempo de
ciclo de toda a peça, comprometendo toda a produção. Com o avanço das tecnologias da
Prototipagem Rápida (PR) e do Fabrico Rápido de Ferramentas (FRF), surgiu a capacidade de
fabricar canais com configurações complexas, que são conformes à superfície do molde. A
combinação destas tecnologias com as convencionais permite o fabrico de canais conforme em
materiais de elevada dureza e com um grande nível de acabamento e rigor dimensional.
Os canais conformes permitem uma gestão mais eficiente da temperatura do molde,
originando menores tempos de ciclo no processo de moldação por injecção e melhor qualidade das
peças produzidas.
O objectivo deste trabalho é comparar o desempenho da refrigeração conforme e a
refrigeração convencional, caracterizar as tecnologias alternativas que permitem o fabrico dos
sistemas de arrefecimento conformes, identificar as áreas de aplicação de cada alternativa, identificar
os requisitos de produção e comparar estas tecnologias alternativas com base em tipos de molde e
cenários de produção.
Palavras-chave: Canal conforme, Sistema de arrefecimento, Modelo Tecnológico de Custo
(MTC), Análise de Sensibilidade

iii
Abstract
Injection molding is a manufacturing process for producing parts by injecting molten plastic into
a mold which is then cooled by cooling channels that are machined in the mold, enabling to control its
temperature, influencing both rate of the process and the resulting quality of the parts produced.
Nowadays, the cooling the manufacture of these channels is done by straight drilling, resulting
cooling systems very limited because they often have difficulty (or just can´t ) to cool in certain areas
of the part and these areas will limit the cycle time of entire part, compromising the whole production.
With the development of Rapid Prototyping (RP) and Rapid Tooling (FRF) technologies, it became
possible to produce cooling channels with complex configurations that follows the shape of the cavity
and core. The combination of these technologies with conventional technologies allows manufacture
these cooling channels in high hardness steel, with a high level of surface finish and dimensional
accuracy. Conformal cooling allow to have a more efficient thermal management of the mold, reducing
cycle time in injection molding process and increase quality of the parts produced.
The aim of this work is to compare the performance of conventional cooling and conformal
cooling, characterize the alternative technologies that enable the manufacture of conformal cooling
systems, identify the application areas of each alternative manufacturing technologies, identify
production requirements, identify the influence of the mold geometry and production volume and
compare these alternative technologies based on types of mold and production scenarios.
Key-words: Conformal cooling; Cooling System; Technological Cost Modeling; Sensitivity
Analysis
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ÍNDICE
Abstract.................................................................................................................................................... iv
Lista de Figuras ...................................................................................................................................... vii
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... ix
Lista de Gráficos ...................................................................................................................................... ix
Lista de Abreviaturas ................................................................................................................................x
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 11
2. MOLDAÇÃO POR INJECÇÃO ....................................................................................................... 15
2.1. Breve introdução histórica e situação actual da Indústria Portuguesa de Moldes ........... 16
2.2. O Molde ............................................................................................................................. 17
2.2.1. Constituição do molde ....................................................................................... 18
2.2.2. Materiais utilizados ............................................................................................ 20
2.2.3. Tecnologias convencionais de fabrico............................................................... 20
2.3. Ciclo de injecção ............................................................................................................... 24
2.4. Sistema de arrefecimento ................................................................................................. 28
2.4.1. Sistema de arrefecimento Convencional ........................................................... 28
2.4.2. Sistema de arrefecimento Conforme ................................................................. 31
2.4.3. Fabrico de componentes com canais conformes .............................................. 32
2.5. Enquadramento e motivação do estudo realizado ........................................................... 44
3. CASO DE ESTUDO ....................................................................................................................... 47
3.1. Apresentação do caso de estudo ..................................................................................... 47
3.2. Estudo reológico: Modelo Convencional vs Modelo Conforme ........................................ 49
4. ANÁLISE DAS TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS ........................................................................ 55
4.1. MTC aplicado às tecnologias estudadas .......................................................................... 55
4.1.1. Caracterização dos componentes moldantes do caso de estudo ..................... 58
4.1.2. Inputs associados às etapas de produção ........................................................ 59
4.2. Resultado do MTC para o caso estudo ............................................................................ 71
4.3. Análises de Sensibilidade ................................................................................................. 73
4.3.1. Volume do Caso de estudo ............................................................................... 73
4.3.2. Volume de produção.......................................................................................... 77
4.3.3. Equipamento não dedicado ............................................................................... 79
4.3.4. Equipamento dedicado - volume de produção .................................................. 80
5. CONCLUSÃO ................................................................................................................................. 81
6. REFERÊNCIAS .............................................................................................................................. 83
7. Anexos ........................................................................................................................................... 84
7.1. Sobre espessuras utilizadas ................................................................................... 84
v
7.2. Rugosidade obtida da fresagem ............................................................................. 84
7.3. Corte – Serrote Mecânico ....................................................................................... 85
7.4. HSM - Desbaste, furação e maquinação dos canais ............................................ 85
7.5. Equipamento Brasagem a vácuo............................................................................ 87
7.6. Curvas Pressão Vapor para Brasagem a Vácuo .................................................... 87
7.7. Cálculo da energia consumida no processo de Brasagem .................................... 89
7.8. HSM – Acabamento ................................................................................................ 93
7.9. 2 D dos casos de estudo com as dimensões mais relevantes ............................... 94
Lista de Figuras
FIGURA 1-1 PERFIL DE UMA CAVIDADE DE UM MOLDE COM CANAIS CONVENCIONAIS [1]
FIGURA 1-2 PERFIL DE UMA CAVIDADE DE UM MOLDE COM CANAIS CONFORME [1]
FIGURA 2-1 CONSTITUIÇÃO DA MÁQUINA DE INJECÇÃO [3]
FIGURA 2-2 FORMA SIMPLIFICADA DE UM MOLDE DE INJECÇÃO, À DIREITA SECÇÃO EM CORTE
FIGURA 2-3 ESTRUTURA DE UM MOLDE DE DUAS PLACAS
FIGURA 2-4 REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM CANAL DE ARREFECIMENTO [6]
FIGURA 2-5 TIPOS DE FRESAGEM [6]
FIGURA 2-6 ROSCAR, RANHURAR E TORNEAR [6]
FIGURA 2-7 FURAR E TREPANAR [6]
FIGURA 2-8 RECTIFICAÇÃO PLANA [6]
FIGURA 2-9 ELECTROEROSÃO POR PENETRAÇÃO [6]
FIGURA 2-10 CICLO DE MOLDAÇÃO [6]
FIGURA 2-11 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ARREFECIMENTO: D – DIÂMETRO DOS CANAIS, D – DISTÂNCIA DO CANAL À SUPERFÍCIE
DA PEÇA, P - DISTÂNCIA ENTRE CANAIS, S – ESPESSURA DA PEÇA [6]
FIGURA 2-12 REPRESENTAÇÃO DAS TROCAS DE CALOR EXISTENTES NO PROCESSO DE MOLDAÇÃO [9]
FIGURA 2-13 CONFIGURAÇÕES DOS CANAIS: EM U (A), EM Z (B) [6]
FIGURA 2-14 CONFIGURAÇÕES DOS CANAIS, ZONAS PROFUNDAS RECTANGULARES (A) E CIRCULARES (B) [6]
FIGURA 2-15 CIRCUITOS DE REFRIGERAÇÃO RECORRENDO A TUBOS DE COBRE (A) E A UMA PLACA DE REFRIGERAÇÃO (B) [6]
FIGURA 2-16 CIRCUITOS DE REFRIGERAÇÃO TÍPICO PARA A BUCHA [6]
FIGURA 2-17 A) CIRCUITO DE ÁGUA INCLINADO; B) CASCATA; C) PINO TÉRMICO [6]
FIGURA 2-18 CIRCUITOS DE CASCATAS EM SÉRIE [6]
FIGURA 2-19 EXEMPLOS DE MOLDES OU ZONAS MOLDANTES COM CANAIS CONFORME [11]
FIGURA 2-20 PRINCÍPIO DO FUNCIONAMENTO DO PROCESSO LOM [17]
FIGURA 2-21 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO PROCESSO SLS [17]
FIGURA 2-22 ETAPAS DE FABRICO DE CANAIS CONFORME ATRAVÉS DA BRASAGEM A VÁCUO
FIGURA 2-23 EQUIPAMENTO BÁSICO DA BRASAGEM A VÁCUO [19]
FIGURA 2-24 CICLO TÍPICO DA BRASAGEM A VÁCUO, [20]
FIGURA 2-25 TIPOS DE JUNTA [19]
FIGURA 2-26 CICLO TÉRMICO TÍPICO NA BRASAGEM A VÁCUO [19,20]
FIGURA 2-27 LOCALIZAÇÃO DOS COMPONENTES QUE NECESSITAM DE MANUTENÇÃO [21
FIGURA 2-28 ETAPAS DE FABRICO DE CANAIS CONFORME ATRAVÉS DA SINTERIZAÇÃO
FIGURA 2-29 PRINCIPAIS CONSTITUINTES DO PROCESSO DMLS [22]
FIGURA 3-1 CASO DE ESTUDO: 3D À ESQUERDA; 2D COM ZONAS DIFÍCEIS DE ARREFECER À DIREITA
FIGURA 3-2 MODELO COM ARREFECIMENTO CONVENCIONAL (À ESQUERDA, ARREFECIMENTO DO LADO DA CAVIDADE; À DIREITA,
ARREFECIMENTO DO LADO DA BUCHA)
FIGURA 3-3 MODELO COM ARREFECIMENTO CONFORME (À ESQUERDA, ARREFECIMENTO DO LADO DA CAVIDADE; À DIREITA,
ARREFECIMENTO DO LADO DA BUCHA)
vii
FIGURA 3-4 ENCHIMENTO – EVOLUÇÃO DA FRENTE DE FLUXO
FIGURA 3-5 COMPACTAÇÃO – TEMPERATURA DE NÃO ESCOAMENTO PARA MODELO CONVENCIONAL E PARA MODELO CONFORME
FIGURA 3-6 TEMPERATURA NA SUPERFÍCIE DA PEÇA NO FINAL DO ARREFECIMENTO PARA MODELO CONVENCIONAL E PARA MODELO
CONFORME
FIGURA 3-7 EFICIÊNCIA DOS CANAIS DE ARREFECIMENTO PARA MODELO CONVENCIONAL E PARA MODELO CONFORME
FIGURA 3-8 TEMPO TOTAL DE ARREFECIMENTO PARA MODELO CONVENCIONAL E PARA MODELO CONFORME
FIGURA 3-9 TEMPO TOTAL DE CICLO PARA MODELO CONVENCIONAL E PARA MODELO CONFORME
FIGURA 3-10 EMPENO – DESLOCAMENTO TÉRMICO TOTAL
FIGURA 4-1 ARQUITECTURA DO MODELO TECNOLÓGICO DE CUSTO APLICADO ÀS TECNOLOGIAS ESTUDADAS
FIGURA 4-2 CASO DE ESTUDO, POSTIÇO PARA A BUCHA (ESQUERDA) E POSTIÇO PARA A CAVIDADE (DIREITA)
FIGURA 4-3 MODELO 3D DESENVOLVIDO PARA TECNOLOGIA BRASAGEM A VÁCUO
FIGURA 4-4 EXEMPLOS DE PROGRAMAS (POWERMILL) UTILIZADOS NA MAQUINAÇÃO (À ESQUERDA: DESBASTE; À DIREITA:
ACABAMENTO DOS CANAIS DE ARREFECIMENTO)
FIGURA 4-5 EXEMPLO DE PROGRAMAS DE ACABAMENTO PARA O POSTIÇO DA BUCHA (ACABAMENTO LATERAL EXTERIOR) E POSTIÇO DA
CAVIDADE (ACABAMENTO LATERAL INTERIOR)

viii
Lista de Tabelas
TABELA 2-1 MATERIAIS DE ADIÇÃO PARA BRASAGEM [20]
TABELA 2-2 ESPAÇAMENTO DA JUNTA EM FUNÇÃO DO MATERIAL DE ADIÇÃO [20]
TABELA 3-1 DADOS DA MALHA UTILIZADA NO ESTUDO REOLÓGICO
TABELA 3-2 PROPRIEDADES DO PLÁSTICO UTILIZADO NO ESTUDO REOLÓGICO
TABELA 3-3 PRINCIPAIS INPUTS DO PROCESSO UTILIZADOS NO ESTUDO REOLÓGICO
TABELA 4-1 CLASSIFICAÇÃO DOS INPUTS
TABELA 4-2 TIPOS DE INPUTS NECESSÁRIOS EM CADA ETAPA DO PROCESSO
TABELA 4-3 DIMENSÕES RELEVANTES DO CASO DE ESTUDO
TABELA 4-4 PROPRIEDADES RELEVANTES DOS MATERIAIS UTILIZADOS NOS CASOS DE ESTUDO (DUREZAS PÓS-TÊMPERA)
TABELA 4-5 DADOS DE PRODUÇÃO: HORAS MÁQUINA
TABELA 4-6 CUSTOS UNITÁRIOS PARA AS TECNOLOGIAS ESTUDADAS
TABELA 4-7 – VOLUME TOTAL DE MATÉRIA-PRIMA NECESSÁRIA PARA O POSTIÇO B
TABELA 4-8 INPUTS ASSOCIADOS AO PROCESSO DE CORTE DA MATÉRIA-PRIMA
TABELA 4-9 INPUTS ASSOCIADOS AO PROCESSO DE FRESAGEM (DESBASTE, MAQUINAÇÃO DOS CANAIS E FURAÇÃO)
TABELA 4-10 TEMPOS DE MAQUINAÇÃO DOS TRABALHOS DE FRESAGEM PARA CADA APERTO DE CADA PLACA, OBTIDOS A PARTIR DA
PROGRAMAÇÃO NO SOFTWARE POWERMILL
TABELA 4-11 INPUTS ASSOCIADOS À ETAPA DE PREPARAÇÃO DAS SUPERFÍCIES
TABELA 4-12 INPUTS ASSOCIADOS À ETAPA – BRASAGEM A VÁCUO
TABELA 4-13: INPUTS ASSOCIADOS À ETAPA DE FRESAGEM- ACABAMENTO
TABELA 4-14 MATÉRIA-PRIMA NECESSÁRIA (DM3) PARA O FABRICO DO CASO DE ESTUDO
TABELA 4-15: INPUTS NECESSÁRIOS ASSOCIADOS À ETAPA DE SINTERIZAÇÃO LASER
TABELA 4-16: INPUTS ASSOCIADOS À ETAPA DE FRESAGEM- ACABAMENTO
TABELA 4-17 VOLUME DOS CASOS DE ESTUDO
TABELA 4-18 CUSTOS PARA OS POSTIÇOS B – CASOS 1, 2 E 3
TABELA 4-19 CUSTOS PARA OS POSTIÇOS S – CASOS 1, 2 E 3

Lista de Gráficos
GRÁFICO 4-1 – CICLO TÉRMICO DE BRASAGEM A VÁCUO
GRÁFICO 4-2 ENERGIA TOTAL CONSUMIDA NA BRASAGEM A VÁCUO, DIVIDIDA POR SECTOR CONSUMIDOR
GRÁFICO 4-3 ENERGIA CONSUMIDA NAS DIFERENTES FASES DO CICLO NA BRASAGEM A VÁCUO
GRÁFICO 4-4 DISTRIBUIÇÃO DO CUSTO TOTAL PELAS CATEGORIAS PRINCIPAIS DE CUSTO DO MTC
GRÁFICO 4-5 VARIAÇÃO DAS CONTRIBUIÇÕES DOS PROCESSOS DE FABRICO PARA O CUSTO TOTAL DO POSTIÇO B
CASOS 1, 2 E 3
GRÁFICO 4-6 CUSTO/CM3 PARA OS POSTIÇOS B E S – CASOS 1, 2 E 3
GRÁFICO 4-7 COMPARAÇÃO DO CUSTO TOTAL DOS POSTIÇOS B E S
GRÁFICO 4-8 EVOLUÇÃO DO CUSTO (€/CM3) COM O AUMENTO DO NÚMERO DE POSTIÇOS DO CASO DE ESTUDO 1 (900CM3)
ix
GRÁFICO 4-9 EVOLUÇÃO DO CUSTO (€/CM3) COM O AUMENTO DO NÚMERO DE POSTIÇOS DO CASO DE ESTUDO 2 (300CM3)
GRÁFICO 4-10 EVOLUÇÃO DO CUSTO (€/CM3) COM O AUMENTO DO NÚMERO DE POSTIÇOS DO CASO DE ESTUDO 3 (64CM3)
GRÁFICO 4-11 EVOLUÇÃO DO CUSTO (€/CM3) COM A PERCENTAGEM DE HORAS EFECTIVAS DE TRABALHO POR ANO
GRÁFICO 4-12 EVOLUÇÃO DO CUSTO (€/CM3) EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE POSTIÇOS FABRICADOS/ANO

Lista de Abreviaturas
MTC – MODELO TECNOLÓGICO DE CUSTO
EDM – ELECTROEROSÃO (ELECTRICAL DISCHARGE MACHINE)
HSM – FRESAGEM DE ALTA VELOCIDADE (HIGH SPEED MACHINING)
RT – PROTOTIPAGEM RÁPIDA (RAPID TOOLING)
CAD – PROJECTO ASSISTIDO POR COMPUTADOR (COMPUTER AIDED DESIGN)
CAE – ENGENHARIA ASSISTIDA POR COMPUTADOR (COMPUTER AIDED ENGINEERING)
CAM – MANUFACTURA ASSISTIDA POR COMPUTADOR (COMPUTER AIDED MACHINING)
PR – PROTOTIPAGEM RÁPIDA (RAPID PROTOTYPING)
FRF – FABRICO RÁPIDO DE FERRAMENTAS
PP - POLIPROPILENO

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