Sistemas de câmara quente exigem que vários fatores técnicos estejam em perfeito balanceamento a fim de apresentar desempenho adequado. Um dos principais tópicos é a configuração térmica que, quando bem avaliada, resulta em condições perfeitas de operação.

O ponto chave para o funcionamento ideal de uma câmara quente a fim de que se obtenha um produto final compatível com a demanda e qualidade exigida pelo mercado é o seu balanceamento térmico, que deve ser sempre o mais equalizado possível, a fim de evitar problemas durante o processo de injeção.

No processo de injeção plástica existe uma “janela” de processo que possibilita ao responsável pela produção ajustar os parâmetros da máquina como velocidade e pressão de injeção, temperaturas de canhão e molde, entre outros menos importantes.

Caso um distribuidor de material (manifold) não esteja balanceado de maneira ideal, essa “janela” pode ser prejudicada, pois ela deverá ser compensada durante o processo.

Ou ainda a “janela” poderá ser reduzida comprometendo a produção e o produto final em função de possível degradação da resina ainda dentro do manifold e desbalanceamento no preenchimento das cavidades.

Os sistemas de câmara quente desenvolvidos a partir de uma análise térmica garantem boa qualidade do produto final e vida útil mais longa dos componentes envolvidos em todo o conjunto.

COMO FUNCIONA UMA CÂMARA QUENTE?

Um sistema de câmara quente (hot runner em inglês), aplicado em moldes para injeção de termoplásticos, é composto de um conjunto de componentes que tem a principal função de ser uma extensão do bico de injeção da máquina injetora, 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).

Sua concepção é basicamente uma placada com canais usinados e aquecidos (interna ou externamente) para escoamento da resina plástica.

Logicamente essa é uma definição simplista, uma vez que o sistema incorpora tecnologia avançada (know how) de mecânica dos fluidos, resistência dos materiais e transmissão do calor.

O sistema, em vermelho na figura 1, é composto do conjunto de distribuição, conhecido como minifold, que inclui a placa, as resistências, os termopares e a fiação dos bicos de injeção e; de um equipamento para controle da temperatura.

Alguns modelos mais elaborados têm ainda bicos valvulados que exigem componentes mais complexos para sua operação, como, por exemplo, cilindros hidráulicos ou pneumáticos para acionamento das agulhas.

 

Se de um lado a inserção de um sistema de câmara quente no molde torna-o consideravelmente mais caro, de outro traz uma série de vantagens que devem ser levadas em conta.

Os principais benefícios de sua aplicação englobam:
– Melhoria da qualidade da peça injetada em função de menor probabilidade de degradação da resina plástica; estabilidade dimensional e homogeneidade estrutural maior devido a condições ideais de injeção; possibilidade de eliminação de operações de acabamento após a injeção;

– Redução de custos de produção pelo menor ciclo de injeção e diminuição do volume de canais de injeção (reduzindo a moagem de material); por utilização de máquina injetora de menor capacidade;

– Flexibilidade no projeto do molde: o sistema de canais de alimentação já vem balanceado; não há canais secundários, permitindo um projeto mais compacto (dependendo da necessidade, é possível construir configurações com câmara quente e canais secundários menores); facilidade de alimentação da resina plástica em peças de grandes dimensões; simplicidade nas operações de troca de cor;

– Aumento de eficiência da injetora: possibilidade de reduzir a força de fechamento, pressão de injeção e capacidade de plastificação quando comparado com um molde no processo de injeção convencional.

PROJETO DE CÂMARA QUENTE

Durante a primeira fase de todo projeto, uma série de cálculos devem ser executados com exatidão para definir como será o manifold, observando detalhes como disposição, dimensionamento e material ideal a ser utilizado

.Essa fase inicial tem o objetivo de verificar pressões e perdas de carga para que a resina não perca suas propriedades antes mesmo de preencher as cavidades de molde e para que não ocorra nenhum imprevisto com o manifold, como por exemplo, uma possíveil trinca do aço.

A segunda fase do projeto é definir o perfil térmico do sistema, englobando perfil do manifold e suas respectivas resistências, para na seqüência determinar como serão as placas do sistema e quais os componentes que serão utilizados.

O principal momento de um projeto de câmara quente é a determinação de como deverá ser o manifold para que tenha o melhor aproveitamento possível, visando reduzir ao máximo a quantidade de aço desnecessário, com um perfil térmico e de fluxo de massa completamente balanceados

.
Para que se obtenha boa eficiência de um sistema térmico, todos os pontos onde ocorrem perdas de calor devem ser devidamente verificados, entretanto com freqüência esse detalhe não é considerado.

Em um sistema de câmara quente, alguns componentes estão em contato direto com o manifold e as placas do molde, fazendo que, por esses pontos, ocorra uma troca de calor por condução com muita facilidade, dependendo dos materiais envolvidos.

Cada componente do sistema tem o seu tipo de material e cada qual com o seu coeficiente de condutividade térmica.

Alguns são ótimos condutores de calor, outros já não efetuam esse papel com eficiência.

O alumínio e o titânio são exemplos bem claros, podendo ser observados com relação aos seus comportamentos térmicos individuais.

São dois materiais de densidades baixas comparados com o aço, alta resistência à corrosão, mas com distintas propriedades entre um e outro.

O alumínio tem a propriedade de ser um material incrivelmente dúctil, com um coeficiente de condutividade térmica elevada (237 W/m.K).

Já o titânio, que também apresenta propriedades de material dúctil, quando submetido ao calor não tem reação como a do alumínio.

Seu coeficiente de condutividade térmica é muito reduzido, de somente 9% da capacidade do material comparado acima (21,9 W/m.K).

Essa análise exige que se obtenha uma boa compreensão sobre o rendimento de um manifold, para que não seja afetado pela perda de calor por condução devido estar em contato com materiais diferentes em suas faces, podendo ocorrer uma grande transferência de calor para as placas ou mesmo uma perda relativamente baixa.

O manifold ainda pode perder calor por radiação e convecção.
Já vimos que o manifold não pode ter contato direto de suas faces com as placas devido a transferência de calor por condução. Todavia, existe ar a sua volta, o que facilitaria o processo de transferência de calor por convecção.

Como o ar que envolve o manifold não é um ar que se encontra em movimento, ele acaba servindo como um isolante térmico, separando as placas do manifold.

PROBLEMAS POR TROCA DE CALOR

Problemas relacionados com a troca de calor entre os componentes podem ocorrer e serem identificados como cold spot ou hot spot no perfil do manifold.

Cold Spot

Ocorre quando algum componente em contato com uma das faces do manifold tem um coeficiente de condutividade térmico muito elevado em relação ao material do manifold e o perfil da resistência não existe ou não é suficiente para contrabalancear essa perda.

Isso acarreta em uma grande transferência de calor do manifold para as placas do sistema. Um ponto frio pode fazer com que a resina se esfrie muito dentro do canal, aumentando a pressão no interior do manifold.

Esse problema não só afeta o manifold, como também as placas, pois quando muito calor está sendo transferindo a partir do manifold, as placas irão ficar com a temperatura elevada, exigindo mais da refrigeração interna, fato que muitos fabricantes de moldes para injeção de termoplásticos não levam em consideração como deveriam.

Com a temperatura das placas elevada, todo o dimensional dos componentes da câmara quente será afetado, podendo ocorrer outros problemas com o molde, principalmente se esse contiver componentes que não sejam resistentes a temperatura.

Uma região muito fria no manifold poderá exigir mais da resistência também, posi ela terá que ligar muito mais vezes ou permanecer mais tempo ligada, reduzindo sua vida útil.

Hot Spot

Esse outro fenômeno, como o próprio nome já diz, tem o efeito inverso do cold spot, não interferindo, entretanto, nas placas ou outros componentes do molde, pois é um problema somente do manifold.

Um ponto mais quente no manifold irá interferir diretamente com as propriedades da resina, ocasionando sua degradação precoce e prejudicando a qualidade do produto final.

Quando ocorre esse problema se tem um perfil de resistência inadequado com o perfil do manifold.

Duas resistências com zonas de controle diferentes podem interferir uma com a outra, chegando ao ponto de uma região se aquecer mito mais do que a outra.

DISTANCIA DOS BICOS DE INJEÇÃO

Na figura 2 temos dois manifolds de quatro bicos. Um com a localização dos pontos de injeção próximos ao centro e o outro mais distante.

Ambos, porém, com resistências de perfil idêntico.

Como foi mencionado anteriormente, o perfil ideal da resistência e domanifold dependem exclusivamente da posição dos bicos.

É após a análise da distância que ambos os perfis são definidos.

Devido ao tamanho diferente um do outro (distancia entre bicos), após uma análise térmica é possível identificar diferenças de temperatura muito distintas para os dois casos.

O manifold menor, com somente uma zona de controle de temperatura, obteve um ? (variação de temperatura) nos canais de 13,5ºC, (figura 3) enquanto que no maior a diferença de temperatura foi muito superior atingindo 41,8 ºC (figura 4).

Esse problema pode ser evitado não só com uma boa resistência do manifold, mas também com a posição do termopar de controle em uma posição estratégica, sendo normalmente posicionado próximo a algum ponto de maior perda de calor.

Como pode ser visualizado na figura 5, o mesmo perfil do manifold representado na figura 2 foi redesenhado com uma resistência mais otimizada e balanceada.

O problema apresentado na análise anterior decorreu pelo fato de que os pontos onde os canais tiveram a temperatura maior estão posicionados em regiões onde não há uma perda de calor direta por condução, diferentemente do que existe no centro e nas extremidades do manifold.

Como o termopar está localizado próximo a um desses pontos (centro e extremidade), a resistência vai permanecer ligada por mais tempo, ou será ligada mais vezes, para que a temperatura se iguale.

Se o termopar for posicionado na região mais quente da análise, surge outro problema.

Como esse ponto não tem perda de calor por condução, necessita de uma quantidade bem menor de aquecimento. Porém, nas regiões de centro e extremidade a temperatura será muito menor, pois a temperatura lida não é do ponto mais crítico, resultando novamente em desbalanceamento térmico.

O resultado desta nova análise, representado na figura 6, é extremamente diferente, com relação à primeira.

O ?T obtido com a nova resistência foi de 15C ao invés de 41,8C. essa melhora foi obtida em função do deslocamento da resistência para os pontos onde se tem uma grande perda de calor para as placas do molde e não mais em todo contorno.

Esse perfil de manifold pode requerer mais zonas de controle de temperatura, sendo outro fator importante para um bom rendimento do sistema.

Um manifold de dois bicos pode ter desde uma única zona de controle até três ou mais.

Tudo depende do seu tamanho e forma, pois um manifold de comprimento relativamente grande exigirá mais potência para aquecê-lo e utilizando uma única resistência, essa potência deverá ser elevada, podendo ultrapassar a capacidade máxima de corrente do controlador de temperatura ou tomadas elétricas.

No caso do manifold de quatro bicos exemplificado, as resistências foram divididas em cinco segmentos ao invés de somente uma, porém, se o manifold fosse maior, ou de um perfil diferente, poderia necessitar de mais algumas resistências, chamadas de resistência de manutenção (figura 7).

RESISTÊNCIA DE MANUTENÇÃO

Essas resistências têm como objetivo principal balancear a temperatura de uma região onde não se tem perda de calor direta por condução. Outra função importante é a obtenção de um aquecimento mais rápido e uniforme do manifold.

RESINAS SENSÍVEIS AO CALOR

Na prática, a utilização de mais zonas de controle de temperatura ocorre principalmente quando a resina a ser injetada é sensível ao calor.

Resinas como policarbonato (PC), poliamida (PA) ou poliacetal (POM), entre outras, não combinam com excesso de calor, pois quando submetidas a um tempo de residência elevado, começam a degradar.

Além do tempo de residência, um problema adicional são as regiões quentes do manifold (ou hot spots), que elevam a temperatura dessas resinas em determinados pontos dos canais, contribuindo também com a degradação do material.

QUALIDADES DOS CANAIS DO MANIFOLD

Um fator importante para o bom comportamento térmico da resina quando ela passa pelo manifold é o acabamento superficial dos canais.

Quanto maior a rugosidade dos canais, maior será o atrito, conseqüentemente maior o aumento da temperatura da resina quando ela passa pelo manifold.

Esse processo gera uma pré-degradação da resina.

Assim, qualquer oscilação na temperatura de processo de injeção pode degradar a inda mais a resina, prejudicando as propriedades que ela deveria ter ao preencher as cavidades do molde.

CONCLUSÃO

Para que um sistema de câmara quente funcione de maneira adequada, vários fatores devem estar em perfeito balanceamento, principalmente a condição térmica.

Qualquer um dos pontos relatados acima que não for bem elaborado poderá resultar em diversos problemas durante o processo de injeção plástica, gerando perda de tempo de máquina e mão de obra.

FONTES DE CONSULTA

[1] Wikipédia, WWW.wikipedia.com
[2] WWW.infoescola.com

Rafael Geremonte – Formado em Engenharia Mecatronica na Faculdade Politécnica de Jundiaí. É Coordenador da Engenharia de Câmaras Quentes na Husky do Brasil Sistemas de Injeção Ltda.
REVISTA FERRAMENTAL