Processos rotativos de moldagem, como as tecnologias de plataforma giratória ^{(5, 6)}, placa indexada ^{(5, 7-9)} ou de cubo ^(10-12), são usados na fabricação por injeção de diferentes tipos de peças. Componentes compostos por plástico e metal podem ser fabricados pela sobremoldagem de um inserto metálico por um componente polimérico ⁽¹³⁾. De acordo com o estado da arte atual, a peça metálica deve ser produzida num processo preliminar separado, como fundição sob pressão, o que, por sua vez, requer uma cadeia de processos de alto custo. A baixa lucratividade frequentemente constitui um potencial impulsionador para a inovação industrial.

 

Conceito de ferramental e condições de processo para fabricação de peças com dois componentes (2K)

Fundamentalmente, a moldagem por injeção e a fundição sob pressão são técnicas voltadas para o processamento de tipos de materiais completamente diferentes ⁽¹⁴⁾. Entretanto, ao considerar suas sequências de processo (figura 1), esses métodos de conformação são, no mínimo, comparáveis ^{(15, 16)}. Como resultado desse fato, o fornecedor automotivo Friedrich Deutsch Metallwerk Ges.m.b.H. (Schweißwerk Deutsch, SWD) desenvolveu um novo design de ferramental para peças com dois componentes (2K) baseado na tecnologia de mesa rotativa.

 

Fig. 1 – A fundição sob pressão e a moldagem por injeção são processos comparáveis em seus procedimentos (Fonte: ^{(15, 16)}).

 

Em nível experimental, essa inovação já permitiu a fundição sob pressão de insertos metálicos seguida de sua sobremoldagem com plástico, usando um processo combinado e mais lucrativo.

Em um molde rotativo especial com dois componentes, foram concebidos um lado para a fundição sob pressão (lado DG) e outro para a moldagem por injeção (lado SG). Um componente de alumínio é fundido no lado DG (peça fundida). No lado SG, o componente plástico é então sobremoldado nesse inserto (inserto SG), usando uma injetora. O inserto SG é a peça fundida do ciclo de produção anterior que foi rotacionada para o lado SG usando a plataforma giratória.

O projeto da cavidade tem como base quatro regiões distintas e dedicadas dentro do componente compósito. O componente compósito 2K (dois componentes), mostrado na figura no início do artigo, não representa uma peça de relevância industrial, mas sim um protótipo experimental para um estudo de viabilidade:

 

• Uma engrenagem metálica cercada por isolamento plástico (componente compósito próximo à realidade prática); 
• Espaços para receber excesso de metal líquido usado no processo de fundição sob pressão; 
• Corpos de prova de tração compósitos (2K), com união positiva (verificação da força de aderência); 
• Sistema de ponto de entrada/ canal de alimentação para os processos de fundição sob pressão e moldagem por injeção.

 

Nos primeiros testes práticos o número de fatores de interferência relacionados ao processamento foi minimizado pelo uso de combinações de materiais que estão em produção em série na SWD e que, portanto, já se encontram suficientemente testadas. Foi demonstrado que uma combinação adequada é constituída pela liga de alumínio fundida EN AC-46000 (226) ⁽¹⁷⁾, usada industrialmente, e uma formulação plástica resistente a altas temperaturas, constituída por poli (sulfeto de fenileno) semicristalino reforçado com 50% de fibras de vidro mais cargas minerais (PPS-GF+MD50), que apresenta resistência a longo prazo a temperaturas de até 240°C ⁽¹⁸⁾.

 

Implementação da simulação 

Além do estudo de viabilidade prática, o método especial de processamento de metal e plástico foi modelado virtualmente. Devido às suas diferentes capacidades, foram usados para este propósito dois softwares: Magmasoft (desenvolvedor: Magma Giessereitechnologie GmbH, Aachen) e Sigmasoft (desenvolvedor: Sigma Engineering GmbH, Aachen).

Isso permite que os seguintes aspectos principais sejam simulados:

• Processo de fundição sob pressão para a fabricação da peça fundida de alumínio; 
• Preparação da cavidade (aspersão do agente desmoldante seguida de sopro de ar comprimido); 
• Processo de moldagem por injeção para o componente polimérico do componente compósito 2K;
• Técnicas de rotação de ferramentais (por exemplo, plataforma rotativa, placa de índice ou molde cúbico).

 

Os dois primeiros itens foram aplicados ao programa Magmasoft, enquanto os outros dois foram aplicados ao programa Sigmasoft. A desmoldagem suave da peça fundida (ou do inserto SG) requer o uso de agentes desmoldantes durante o processo de fundição sob pressão ⁽¹⁹⁾. Devido à ausência de separação física entre as duas metades do ferramental, o lado SG também é afetado termicamente pelo tratamento da superfície do ferramental no lado DG.

Graças a uma abordagem de solução orientada à aplicação, desenvolvida pela Sigma Engineering, a influência térmica do agente desmoldante também pode ser mapeada no Sigmasoft. Com exceção das fases de preenchimento e solidificação no processo de fundição sob pressão, o programa Sigmasoft simula as sequências de processo 2K mais essenciais. No lado GD, em nível da simulação, a peça fundida deve ser tratada como um inserto. Consequentemente, de uma perspectiva térmica, faz sentido avaliar a primeira fase do ciclo usando o programa Magmasoft, adotando configurações de simulação ajustadas. Isso permite que cálculos de temperatura selecionados sejam transferidos do Magmasoft para o Sigmasoft usando o recurso denominado “Mapeamento de resultados” (figura 2).

Fig. 2 – Durante a transferência dos resultados, por exemplo, os resultados ao final do primeiro ciclo de simulação foram aplicados à mesa rotativa e ao inserto SG ^{(1 e 2)}. Para o processo de fundição foram utilizados os resultados obtidos ao final da primeira fase de preenchimento ⁽³⁾ (© SWD).

 

Resultado provisório virado de cabeça para baixo

Atualmente, a aspersão da superfície da cavidade (preparação do molde) só pode ser modelada usando o módulo 1K (um componente) da Sigmasoft, que simula processos convencionais de moldagem por injeção sem técnicas de rotação. Assim, a rotação da plataforma giratória, incluindo a fundição, teve de ser realizada pelo mapeamento de resultados, girando os resultados em 180°.

No caso de haver um circuito de resfriamento rotacionalmente assimétrico, a posição da plataforma giratória deve ser considerada para evitar a rotação incorreta da peça resultante. Enquanto o programa Magmasoft efetuava as simulações assumindo uma posição fixa, o Sigmasoft tinha de continuar as simulações com a posição girada em 180°. O primeiro estudo de viabilidade usando simulação limitou-se a efetuar análises térmicas e precedeu o estudo prático. As curvas de temperatura versus tempo apresentadas baseiam-se numa estimativa cronológica das sequências do processo 2K. Isso foi feito com base em produtos com tamanhos comparáveis ao que a SWD já produz em série.

 

A situação atual 

Após a conclusão das simulações 2K, o comportamento térmico de áreas significativas foi analisado usando o programa Sigmasoft, considerando-se três pontos selecionados:

 

• Superfície da plataforma giratória diretamente adjacente à peça fundida ou ao inserto SG;
• Superfície da plataforma giratória diretamente abaixo da peça fundida ou do inserto SG; 
• Superfície da peça fundida ou do inserto SG.

 

 

As curvas de temperatura ao longo do tempo no lado da DG detectam a influência térmica da preparação do molde, tanto diretamente abaixo quanto ao lado da peça fundida. A diminuição de temperatura nas curvas é consistente com as expectativas, pois a peça fundida só é “inserida” ao final da fase de preenchimento.

Após a conclusão da fase de preenchimento, essas áreas se aquecem devido às temperaturas relativamente altas presentes na peça fundida. Simultaneamente, ela é resfriada rapidamente pelo molde 2K fechado (figura 3).

 

Fig. 3 – As curvas de temperatura versus tempo no lado da DG foram obtidas nos “pontos selecionados”. A temperatura de fundição pode ser influenciada por um HTC dependente do tempo (Fonte: SWD; gráfico: © Hanser). A temperatura da peça fundida pode ser influenciada por um coeficiente de transferência de calor dependente do tempo (fonte: SWD; gráfico: © Hanser).

Devido às condições de contorno padronizadas das simulações, a peça fundida é inserida imediatamente após o fechamento do molde. A troca de calor com o ferramental antes do final da fase de preenchimento pode ser evitada por coeficientes de transferência de calor dependentes do tempo (HTC em W/m²K) (figura 3, números de 5 a 6). Em contraste com o lado DG, o inserto SG representa a peça fundida do ciclo de produção anterior e deve ser “inserido” diretamente no início da simulação. A fase de preparação do molde tem um impacto térmico no próprio inserto SG, bem como na plataforma giratória diretamente adjacente ao inserto SG. A influência térmica da preparação do molde está corretamente ausente sob o inserto SG (figura 4).

 

Fig. 4 – Curvas de temperatura-tempo no lado SG geradas nos pontos selecionados. A supressão da aspersão do agente desmoldante pode ser percebida pelas diminuições menores de temperatura. A área abaixo do inserto SG não é afetada (fonte: SWD; gráfico: © Hanser).

Uma análise mais detalhada do inserto SG sugere que ele não é resfriado pela preparação do molde, mas principalmente pela troca de calor por contato com a plataforma giratória. Quando o inserto SG é isolado termicamente da plataforma giratória para fins de teste, ambas as diminuições de temperatura ainda são visíveis na curva (figura 4, números 1 a 4). Isso permitiu verificar se o inserto SG está sendo realmente levado em consideração na preparação do molde. Se houver necessidade de minimizar a contaminação pelo agente de desmoldagem e/ou o resfriamento do lado SG, a aspersão também pode ser desativada (figura 4, emoldurada em vermelho).

Uma comparação térmica simplificada no modo “Ciclo de aquecimento” indicou análises comparáveis e, portanto, combináveis da Sigmasoft e da Magmasoft. Este modo negligencia as fases de preenchimento, incluindo suas influências reológicas. Todos os componentes compósitos 2K são colocados instantaneamente na cavidade em momentos definidos e com configurações de temperatura definidas (figura 5).

 

Fig. 5 – As análises térmicas do software Sigmasoft e do Magmasoft mostram resultados comparáveis no modo “Ciclo de aquecimento” (© SWD).

 

Perspectivas para as simulações 2K

Em relação aos aspectos seguintes, que foram tomados como exemplo, as simulações 2K podem fornecer suporte adequado para a implementação prática deste processo com dois componentes (2K):

• Otimização do molde 2K (por exemplo, posicionamento dos circuitos de resfriamento); 
• Localização de pontos críticos no componente plástico; 
• Otimização do tempo de ciclo.

 

Durante os testes práticos, as imagens termográficas demonstraram que as análises térmicas das simulações 2K apresentam relevância prática. Para garantir uma comparação a mais significativa possível, foram então ajustados os parâmetros práticos do processo e os das simulações. Por razões de segurança, as condições de registro dos dados não eram ideais (longa distância, visão oblíqua etc.). Entretanto, as imagens térmicas medidas desviaram-se dos resultados da simulação em no máximo ±10°C, exceto no final da fase do segundo ciclo. Como a câmera termográfica foi calibrada para efetuar medição na superfície do molde, a radiação térmica do componente polimérico distorceu as medições da segunda fase do ciclo (figura 6).

 

Fig. 6 – Os resultados obtidos pela termografia e pela simulação são comparáveis, apesar das difíceis condições de registro. Entretanto, a irradiação térmica do componente plástico representa um fator de interferência para a termografia (© SWD).

Uma praticidade ainda maior ao usar o programa Sigmasoft pode ser conseguida por meio das configurações avançadas de preparação do molde. As configurações, disponíveis no Magmasoft, permitem a simulação da fase de preparação do molde usando um cabeçote de aspersão, o qual é deslocado pelo ajuste de coordenadas e possui circuitos locais de aspersão e de ar comprimido realistas (figura 7).

 

Fig. 7 – Configurações avançadas no Magmasoft permitem uma preparação de molde mais próxima das condições práticas, pois o cabeçote de aspersão (sequência de deslocamentos de acordo com as fases 1, 2 e 3) com seus circuitos de aspersão e ar comprimido também são considerados (© SWD).

 

Localizando regiões críticas

Devido aos resultados promissores obtidos até o momento, a SWD planeja realizar novas comparações dos resultados de simulação e os observados nas experiências práticas, com foco em contração e distorção. Assim, visase localizar pontos críticos para a força de adesão na interface metalplástico, bem como áreas críticas dos componentes durante a ejeção e regiões críticas durante o tratamento térmico do componente desmoldado.

 

Benefícios práticos

Após a conclusão bem-sucedida dos testes práticos deste projeto, que combinou fundição sob pressão e moldagem por injeção em um molde de dois componentes, a empresa está considerando seu desenvolvimento para a produção em série. Além de a SWD ser a pioneira no mercado global, os seguintes pontos favorecem a aplicação em série do processo 2K:

 

• Tempos de ciclo mais curtos; 
• Ausência de vários fatores de influência (transporte e influências ambientais); 
• Controle de processo simplificado (produção do componente compósito numa única planta); 
• Redução de custos (redução do espaço físico necessário, economia de energia, etc.).

 

Agradecimentos

O autor gostaria de agradecer a todas as empresas e institutos envolvidos na implementação do projeto 2K: Friedrich Deutsch Metallwerk Ges.m.b.H. (SWD), Innsbruck, Áustria; Sigma Engineering GmbH, Aachen; Magma Gießereitechnologie GmbH, Aachen; Instituto Austríaco de Fundição (Österreichisches Gießerei-Institut, ÖGI), Leoben, Áustria; Cátedra de Processamento de Plásticos, Montanuniversität Leoben, Áustria; e Cátedra de Engenharia de Fundição, Montanuniversität Leoben, Áustria.

 

Referências bibliográficas

As referências bibliográficas deste trabalho podem ser encontradas na internet, usando o endereço www.kunststoffe.de/ onlinearchiv.