Avaliação energética do processo de injeção por meio de assinaturas duais

A eficiência energética está ganhando importância crescente para as empresas. Os procedimentos necessários para tornar visível o desperdício de energia e revelar os potenciais para sua economia precisam ser métodos adequados para uso rotineiro. Uma vez que o tempo e a energia aplicados no processo durante a moldagem por injeção agregam valor de forma conjunta – e, consequentemente, não podem ser considerados de forma separada – deve-se deduzir o rendimento útil a partir de um balanceamento do processo.


Rainer-Ulrich Schillig, Eckehard, Kalhöfer, Karl-Hans Leyrer, Miriam Schmeiler, Timo Stock, Fabian Dette, Marco Patricelli e André Zwick

Data: 25/03/2017

Edição: PI Fevereiro 2017 - Ano 19 - No 222

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A energia elétrica foi registrada por meio de transformador e pontas de prova magnéticas (tensão) conectadas ao equipamento (figuras fornecidas pela Escola Superior de Aalen)

A finitude das fontes fósseis de energia, associada a crescente demanda energética pelas nações industrializadas, fez com que este insumo ganhasse significado crescente como fator de custo. Essa situação constitui um desafio especial para o transformador de plásticos, em razão do alto consumo de energia de seus processos. Em uma situação como essa, os operadores precisam dispor de conhecimento mais detalhado sobre as demandas de tempo e energia das máquinas, equipamentos e processos do que era necessário no passado.

Para identificar o desperdício de energia na produção, o processo deve ser caracterizado pela assinatura dual de energia(1).

Neste método é feita a divisão do consumo de tempo e de energia em duas classes exclusivas: útil (com geração de valor agregado) ou perdida (sem geração de valor agregado). A demanda de energia útil é definida como sendo sua fração que agrega valor ao produto(1,2).

Essa abordagem toma como modelo métodos padronizados de classificação, como a subdivisão das sequências de processo em quatro tipos de potência(3) ou conforme a teoria da REFA (Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung e.V. Associação para Estruturação do Trabalho, Organização Operacional e Desenvolvimento de Empresas)(4) . A partir dos tipos definidos de potência é calculada a potência útil (figura 1, parte superior). Os outros tipos podem ser classificados como sendo relativos a processos secundários. Estes são eventualmente necessários por razões técnicas, mas não agregam valor(5). A mesma lógica se aplica para a teoria da REFA. O tempo principal, ou seja, aquele referente à condição operacional de produção ou processamento, agrega valor(6) (figura 1, parte inferior). Todos os tempos secundários não agregam valor ao produto de forma direta e, por definição, são ociosos.

Fig. 1 – Os quatro tipos de potência e classificação de processos (estado operacional) conforme as diretrizes da REFA (Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung e.V. - Associação para Estruturação do Trabalho, Organização Operacional e Desenvolvimento de Empresas) podem ser analisadas conforme a abordagem dual(3,4)

Por meio da metodologia aqui apresentada foram dualizados os consumos de tempo e energia na moldagem por injeção, ou seja, foram subdivididos em frações útil (que agrega valor) ou perdida (que não agrega valor). Uma vez conhecido o consumo de energia perdida, pode-se questionar criticamente as suas origens.

Fig. 2 – As injetoras apresentam uma evolução básica de potência durante seu ciclo de produção(7)

Assinatura dual da energia

As injetoras, durante seu ciclo de produção, mostram uma evolução característica de potência ao longo do tempo (figura 2). O consumo de potência e a duração das etapas de processo variam conforme a peça que está sendo moldada e os ajustes adotados.

Foram moldadas por injeção pequenas caixas de poli(tereftalato de butileno) (PBT) com dimensões (comprimento x largura x espessura) de 160 x 110 x 60 mm, espessura de parede de 4 mm e peso de 176,4 g, no Laboratório de Tecnologia de Plásticos da Escola Superior de Aalen (Hochschule Aalen). A evolução de potência foi medida com um dispositivo portátil próprio (modelo CW 240, fabricado pela Yokogawa Deutschland GmbH, de Ratingen, Alemanha).

Uma abordagem para a determinação das assinaturas duais de energia é a comparação entre as evoluções de potência ao longo de um ciclo com e sem material(8). No primeiro caso ocorre consumo de potência em operação produtiva, ou seja, o material será injetado no molde (figura 3, parte superior). No segundo caso os dados serão registrados enquanto é “injetado” ar no interior do molde (figura 3, parte intermediária), o que demanda alterações no sistema de controle da injetora. Contudo, a sequência de processo permanece a mesma.

A sobreposição de ambas as assinaturas gera a assinatura dual de energia (figura 3, parte inferior). A fração de energia útil (Eva) está mostrada em cor verde, enquanto a perdida (Enva) está em cor laranja.

As assinaturas duais de energia assim obtidas encontram-se mostradas ao longo da evolução temporal do processo no eixo ‘X’ do gráfico mostrado na figura 4. Na moldagem por injeção a plastificação do material e o processo de preenchimento do molde agrega valor aos usuários. A assinatura de energia mostra que nessas fases, a injeção, compactação (preenchimento) e plastificação consomem energia útil. Essas frações obviamente revelam o consumo adicional de potência que a sequência de processo com material demanda em relação ao que é solicitado pelo ciclo em vazio. A partir daí são determinadas as frações de tempo útil (ou seja, que agregam valor), as quais são visualizadas nas cores vermelho escuro.

Fig. 3 – Por meio da sobreposição das potências elétricas requeridas pelo ciclos de produção com e sem material determina-se a assinatura dual de energia

A dualização permite o balanceamento dos processos de fabricação

O consumo de energia útil (Eva) necessário para a plastificação e o processo de preenchimento foi da ordem de 31 Wh, enquanto o tempo útil (tva) foi igual a 38,9 s. O consumo de energia perdida (Enva) foi de 81 Wh, enquanto o tempo ocioso foi de 8,5 s. Esses resultados foram representados num gráfico de barras horizontais (figura 4).

A dualização dos consumos de tempo e energia permitem o balanceamento dos processos de fabricação. Por meio dessa abordagem, o rendimento energético (ηtva) é calculado pela comparação entre o consumo de energia útil (Eva) e o de energia global (equação 1). O rendimento em termos de tempo é calculado por meio da razão entre o consumo de tempo útil (tva) e o tempo de ciclo total (equação 2).

(1)

(2)

ηEva é a razão entre o consumo útil de energia (Eva) e o consumo total (Eva mais Enva) de um processo. Ele permite efetuar uma comparação relativa dentro de um processo. Um menor rendimento energético está associado a uma alta fração de energia perdida (Enva). Ele mostra um alto potencial para redução de custos. O processo propriamente dito, os parâmetros da máquina, os ajustes de processo, a magnitude do nível básico de energia, os dispositivos secundários que consomem uma quantidade de energia desnecessariamente constante, etc., devem ser repensados.

Fig. 4 – A assinatura dual de energia possibilita a subdivisão dos consumos de energia e de tempo em frações útil (com valor agregado) e desperdiçada (sem agregar valor). Os dados deste gráfico foram medidos sob condições laboratoriais

ηtva é a razão entre o consumo de tempo útil (tva) em relação ao tempo de ciclo total (tva mais tnva). Um menor grau de aproveitamento de tempo útil significa que há um grande potencial de economia de tempo no transcorrer do processo. A energia é a integral da potência ao longo do tempo. Portanto, a economia de tempo (abreviamento do tempo de ciclo) geralmente leva à economia de energia. Por esse motivo, ηtva também deve ser considerado do ponto de vista da eficiência energética.

Tanto os valores de ηEva como de ηtva deste exemplo foram muito bons. O motivo para isso é o fato do processo ter sido executado no Laboratório de Tecnologia de Plásticos da Escola Superior de Aalen. O processo já tinha sido otimizado anteriormente e seus parâmetros foram adequadamente selecionados conforme suas condições específicas. Contudo, os testes efetuados em muitos transformadores de plásticos mostraram valores de rendimento consideravelmente menores do que os obtidos nos ensaios laboratoriais. Em muitos casos os valores de ηEva foram da ordem de alguns poucos pontos percentuais. Isso ficou evidente na assinatura dual de energia de injetoras hidráulicas operando sob condições industriais (figura 5). O peso de resina injetada foi de cerca de 11 g. A cada ciclo foram produzidas oito unidades de um componente moldado em poli(sulfeto de fenileno) (PPS).

As causas para obtenção desses baixos valores de ηEva são muitas:

Fig. 5 – Na prática, as assinaturas duais de energia normalmente apresentam baixos valores de rendimentos em termos de tempo e energia. A partir daí começa a investigação das causas desses baixos valores

Particularmente quando se obtêm baixos valores de ηEva é necessário questionar criticamente o tipo e modo de operação de maneira global. Em muitos casos é conveniente substituir todo um processo por outra abordagem de fabricação ao invés de otimizá-lo mediante altos custos.

Assinatura dual de energia

As assinaturas duais de energia tornam visível o desperdício de energia na moldagem por injeção. Sua determinação requer a comparação do consumo de potência durante o transcorrer do processo com e sem material. Dessa forma os consumos de energia e tempo são subdivididos em útil (que agregam valor ao cliente) e perdidos (não agregam valor ao cliente). As frações perdidas (ou seja, energia e tempo desperdiçados) ficam nitidamente visíveis e possibilitam que o processo, o conceito de equipamento, o dimensionamento da máquina e os parâmetros de ajuste sejam questionados. Esse método constitui um procedimento sistemático e adequado para uso rotineiro para efetuar a análise de pontos fracos do processo.

Conclusões

O consumo de energia durante a moldagem por injeção pode ser dividido em duas frações: útil e perdida. Isso torna útil a comparação entre as sequências de processo “com material” e “sem material”. Dessa forma pode-se calcular o rendimento útil e, a partir desse resultado, balancear o processo.

No caso de valores muito baixos de rendimento é necessário, em primeiro lugar, questionar criticamente a abordagem de fabricação adotada. Em uma segunda etapa deve-se então começar a suprimir ou, pelo menos, minimizar o consumo de energia perdida e os intervalos de tempo ociosos. Dessa forma ficará provado se componentes isolados devem ser desligados durante os intervalos de tempo ociosos. Além disso, geralmente é possível reduzir o valor da energia básica consumida por meio do uso de acionamentos e componentes mais eficientes, bem como de alterações para a otimização dos recursos de controle.

Bibliografia

As referências bibliográficas deste trabalho podem ser encontradas no seguinte endereço da internet: www.kunststoffe.de/1023796