Estudo do processo de moldagem por injeção de plástico PP-R para a fabricação de peças com elevada espessura, empregando moldes com canais complexos de refrigeração fabricados por manufatura aditiva metálica (SLM)

Abstract

As indústrias buscam constantemente técnicas e processos que tragam eficiência à produção de produtos injetados, para se manterem competitivas no mercado. Especialmente para peças de paredes espessas, nas quais há desafios para se ter bons resultados tanto em termos de performance como econômicos, os fatores desafiadores podem ter origem não somente na geometria do produto, mas também no tempo de resfriamento que, além de elevar o ciclo produtivo, deixa a peça com elevado gradiente de temperatura pela falta de homogeneidade da troca de calor. Frente a esta problemática, o presente trabalho aprimorou o processo de moldagem por injeção com melhorias no sistema de refrigeração para peças plásticas de paredes espessas, utilizando moldes fabricados por manufatura aditiva metálica. Para isto, foi executado um projeto de sistema de resfriamento denominado conformal cooling (CCC), que acompanha o perfil do produto em estudo. Foi proposta a execução de análises comparativas entre as peças fabricadas por este molde e moldes fabricados pelo método tradicional de mesmo material (aço inox 316L) e de material de elevada condutividade térmica (cobre berílio). Os resultados mostraram uma redução expressiva no tempo de resfriamento, resultando em um valor 36% menor para o CuBe, devido alta condutividade térmica deste material, enquanto o molde 316L CCC reduziu 20% no tempo de resfriamento devido eficiência dos canais complexos, quando comparados ao 316L convencional. Analisando os resultados da simulação por elementos finitos e os dados obtidos de forma experimental, foi possível verificar que, proporcionalmente, o mesmo comportamento foi obtido nas análises. Já com relação aos ganhos econômicos, os resultados mostraram que a redução de 18% no ciclo de injeção do molde em CuBe trouxe um impacto de -12% no custo, enquanto o molde fabricado por SLM reduziu 11% no ciclo de injeção com impacto de -7% o custo do produto. Entretanto, o preço do molde 316L CCC é 46% superior ao molde convencional, além de ser necessária um alto volume de peças por ano para viabilizar financeiramente o projeto. Isto mostra que a proposta do molde fabricado por manufatura aditiva traz resultados importantes em termos econômicos para a indústria, sendo também uma ótima opção para a redução de custos e rentabilidade dos produtos injetados com geometrias de paredes espessas. Contudo, também é visto que a viabilidade financeira da tecnologia para este tipo de produto ainda é um dos principais desafios para as indústrias em geral.

Abstract: Industries are constantly seeking techniques and processes that bring efficiency to the production of injected products, to remain competitive in the market. Especially for thick-walled parts, in which there are challenges to achieve good results both in terms of performance and economics, the challenging factors may originate not only in the geometry of the product, but also in the cooling time that, in addition to increasing the production cycle, leaves the part with a high temperature gradient due to the lack of homogeneity of the heat exchange. Faced with this problem, the present work improved the injection molding process with improvements in the cooling system for thick-walled plastic parts, using molds manufactured by metal additive manufacturing. For this purpose, a cooling system project called conformal cooling channels (CCC) was executed, which follows the profile of the product under study. It was proposed to perform comparative analyses between the parts manufactured by this mold and molds manufactured by the traditional method of the same material (316L stainless steel) and of material with high thermal conductivity (beryllium copper). The results showed a significant reduction in cooling time, resulting in a 36% lower value for CuBe, due to the high thermal conductivity of this material while the 316L CCC mold reduced 20% in cooling time due to the efficiency of the complex channels, when compared to conventional 316L. Analyzing the results of the finite element simulation and the data obtained experimentally, it was possible to verify that, proportionally, the same behavior was obtained in the analyses. Regarding economic gains, the results showed that the 18% reduction in the injection cycle of the CuBe mold had an impact of -12% on the cost, while the mold manufactured by SLM reduced the injection cycle by 11% with an impact of -7% on the product cost. However, the price of the 316L CCC mold is 46% higher than the conventional mold, in addition to the need for a high volume of parts per year to make the project financially viable. This shows that the proposal for a mold manufactured by additive manufacturing brings important results in economic terms for the industry and is also a great option for reducing costs and increasing the profitability of injected products with thick-walled geometries. However, it is also seen that the financial viability of the technology for this type of product is still one of the main challenges for industries in general.