Controlo estatístico de processos de moldação por injeção otimizados pela moldação científica
Abstract
Para esta dissertação de conclusão de estudos do Mestrado Integrado em engenharia de Polímeros, foi desenvolvido um projeto na área da moldação por injeção na empresa CS Plastic, em Santo Tirso. O principal objetivo deste projeto, passa pela aplicação da moldação científica como ferramenta de otimização de processos na tentativa de os tornar mais robustos e consistentes, aliado ao controlo estatístico e ao estudo da capacidade de processo, como forma de tentativa de validação da abordagem científica da moldação por injeção, onde também se pretende o uso do Design of Experiments (DOE) como um complemento a esta análise, de modo a contruir uma janela dimensional através do comportamento dimensional da peça ao efetuar este estudo Numa primeira fase, fez-se uma pesquisa de modo a estudar a temática da moldação científica, bem como do planeamento experimental e do controlo estatístico. Assim foi possível o estabelecimento de um método experimental lógico para a aplicação de todas as etapas deste projeto. De seguida, foi selecionado o processo onde se iria aplicar este método experimental, que permitiu também que se estabelecesse a matriz para a aplicação do DOE experimentalmente, definindo-se o número de variáveis que mais influenciariam o processo, que neste caso, foram a 2ªpressão, tempo de arrefecimento e temperatura do molde. Através disto e da definição dos níveis que se iriam variar em cada parâmetro obteve-se uma matiz com o número de experiências a efetuar. Depois de tudo bem definido, passou-se ao trabalho em máquina, onde em se efetuou um primeiro estudo do controlo estatístico ao processo, para depois se aplicar o método científico de moldação por injeção e o DOE experimental, terminando com um último estudo estatístico do processo. Por último, foram tecidas as respetivas conclusões relativas aos parâmetros obtidos com a moldação científica em conjunto com o que se obteve através o DOE, comparando, em paralelo, os resultados dos estudos da capacidade do processo antes e após a abordagem científica, numa tentativa de validação da mesma.
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Universidade do Minho Escola de Engenharia Pedro Miguel Carneiro Martins Controlo estatístico de processos de moldação por injeção otimizados pela moldação científica outubro de 2022 UMinho | 2022 Pedro Miguel Carneiro Martins Controlo estatístico de processos de moldação por injeção otimizados pela moldação científica
Pedro Miguel Carneiro Martins Controlo estatístico de processos de moldação por injeção otimizados pela moldação científica Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia de Polímeros Trabalho efetuado sob a orientação de Engenheiro Carlos Filipe Machado Bacelar Cardoso Professor Dr. Júlio César Machado Viana Universidade do Minho Escola de Engenharia outubro de 2022
iii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
iv Agradecimentos A realização deste projeto e a conclusão desta etapa não seria possível sem um vasto número de pessoas e entidades a quem estou bastante grato. Em primeiro lugar agradecer aos meus orientadores, Júlio Viana e Filipe Cardoso, por todo o auxílio, suporte e tempo dedicado para a realização e desenvolvimento deste projeto. Agradecer à CS Plastic e a todos os que contribuíram para a realização deste trabalho e para a minha adaptação à empresa e ao ambiente industrial, em especial ao Samuel Almeida, Marta Silva, Pelin Gören, Luís Filipe, Juliana Ribeiro. Otávio Rodrigues e Luís Queirós. Também gostava de agradecer a todos os meus amigos que sempre estiveram nos melhores e nos piores momentos. Aos da universidade, agradecer a todos aqueles com quem partilhei grandes momentos, desde caloiros a engenheiros, ao padrinho Renato e à madrinha Ana Luísa, aos meus 4 afilhados e, em especial, ao grupo Glassware e aos meus irmãozinhos, por todos os grandes momentos e apoio dado ao longo destes 5 anos. Aos de Monte Córdova, agradecer por todo o carinho e ajuda nos bons e nos maus momentos e por todas as aventuras que partilhamos. Por último, deixar um grande e especial agradecimento à minha família, em especial à minha irmã Helena e sobretudo aos meus pais Zélia e José António, pois sem eles e sem todo o apoio e sacrifícios que fizeram por mim nada disto seria possível.
v Declaração de integridade Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
vi Resumo Controlo estatístico de processo de moldação por injeção otimizados pela moldação científica Para esta dissertação de conclusão de estudos do Mestrado Integrado em engenharia de Polímeros, foi desenvolvido um projeto na área da moldação por injeção na empresa CS Plastic, em Santo Tirso. O principal objetivo deste projeto, passa pela aplicação da moldação científica como ferramenta de otimização de processos na tentativa de os tornar mais robustos e consistentes, aliado ao controlo estatístico e ao estudo da capacidade de processo, como forma de tentativa de validação da abordagem científica da moldação por injeção, onde também se pretende o uso do Design of Experiments (DOE) como um complemento a esta análise, de modo a contruir uma janela dimensional através do comportamento dimensional da peça ao efetuar este estudo Numa primeira fase, fez-se uma pesquisa de modo a estudar a temática da moldação científica, bem como do planeamento experimental e do controlo estatístico. Assim foi possível o estabelecimento de um método experimental lógico para a aplicação de todas as etapas deste projeto. De seguida, foi selecionado o processo onde se iria aplicar este método experimental, que permitiu também que se estabelecesse a matriz para a aplicação do DOE experimentalmente, definindo-se o número de variáveis que mais influenciariam o processo, que neste caso, foram a 2ªpressão, tempo de arrefecimento e temperatura do molde. Através disto e da definição dos níveis que se iriam variar em cada parâmetro obteve-se uma matiz com o número de experiências a efetuar. Depois de tudo bem definido, passou-se ao trabalho em máquina, onde em se efetuou um primeiro estudo do controlo estatístico ao processo, para depois se aplicar o método científico de moldação por injeção e o DOE experimental, terminando com um último estudo estatístico do processo. Por último, foram tecidas as respetivas conclusões relativas aos parâmetros obtidos com a moldação científica em conjunto com o que se obteve através o DOE, comparando, em paralelo, os resultados dos estudos da capacidade do processo antes e após a abordagem científica, numa tentativa de validação da mesma. Palavras-chave: Controlo estatístico, Estudos, Moldação científica, Robustez
vii Abstract Statistical control of injection molding processes optimized by scientific molding For this dissertation for the conclusions of the Master Degreed in Polymer Engineering, a project was developed in injection molding area in collaboration with CS Plastic, based in Santo Tirso. The main goal of this project was the application of the scientific molding as a tool for optimizing processes in an attempt to make them more robust and consistent, combined with the statistical control and the study of process capability, as an attempt to validate the scientific approach to injection molding, where it was also used the Design of Experiments (DOE) as a complement to this analysis, with the purpose of building a dimensional window based on the dimensional behavior of the part when performing this study. First, research was made in order to study the scientific molding theme, as well as the design of experiments and statistical control. Thus, it was possible to establish a logical experimental method for the application of all stages of this project. Next, the process where this experimental method would be applied was selected, which also allowed the matrix of the experimental DOE to be established, where it was defined the number of variables that would most influence the process dimensionally, which in this case were the 2nd pressure, cooling time and mold temperature, Through this and the definition of the levels that would be varied in each parameter, a matrix was obtained with the number of experiments to be performed. After everything was well defined, was started the machine work, where a first statistical control study of the process was performed, and then the scientific method of injection molding and experimental DOE were applied, ending with a last statistical study of the process. Finally, the respective conclusions were drawn regarding the parameters obtained with the scientific molding, alongside with what was obtained in the DOE study, comparing, in parallel, the results of the process capability studies before and after the scientific approach, in an attempt to validate it. Keywords: Robustness, Scientific molding, Statistical control, Studies
viii Índice Agradecimentos ........................................................................................................................ iv Declaração de integridade .......................................................................................................... v Resumo .................................................................................................................................... vi Abstract ................................................................................................................................... vii Lista de abreviaturas e siglas .................................................................................................... xi Índice de Figuras ..................................................................................................................... xii Índice de Tabelas .....................................................................................................................xv 1. Introdução........................................................................................................................ 1 1.1. Objetivos ................................................................................................................... 2 1.2. Organização da dissertação ....................................................................................... 2 1.3. Apresentação da empresa ......................................................................................... 3 2. Conceitos teóricos ............................................................................................................ 4 2.1. Moldação por injeção ................................................................................................ 4 2.1.1. Ciclo de moldação por injeção ........................................................................... 4 2.1.2. Consistência em processos de moldação por injeção ......................................... 6 2.1.3. Robustez em processos de injeção e os 5 pilares da moldação por injeção ......... 9 2.2. Definição da moldação por injeção científica ............................................................ 11 2.2.1. Etapas do Scientific Injection Moulding ............................................................. 11 2.3. O controlo estatístico do processo (SPC) .................................................................. 13 2.3.1. Variabilidade de processos ............................................................................... 14 3. Metodologias .................................................................................................................. 15 3.1. Estudos da otimização do processo ......................................................................... 15 3.1.1. Estudo da curva de viscosidade........................................................................ 15 3.1.2. Estudo balanceamento das cavidades .............................................................. 16 3.1.3. Estudo da queda de pressão ............................................................................ 17 3.1.4. Estudo da janela de processo........................................................................... 19
xv Índice de Tabelas Tabela 1Regras de detenção de padrões não-aleatórios; adaptado de [16] ............................. 24 Tabela 2Tipos de cartas de controlo ...................................................................................... 25 Tabela 3Intervalos capacidade do processo ........................................................................... 27 Tabela 4Exemplo de um DOE................................................................................................ 30 Tabela 5Características da máquina de injeção ..................................................................... 32 Tabela 6Características da injetora ........................................................................................ 44 Tabela 7Variáveis DOE .......................................................................................................... 55 Tabela 8DOE matriz 𝐿8 ....................................................................................................... 56 Tabela 9Dosagem e ponto de comutação das zonas analisadas............................................. 62 Tabela 10Tempos de arrefecimento e cotas obtidas para cota A ............................................ 68 Tabela 11Tempos de arrefecimento e cotas obtidas para cota B ............................................ 68 Tabela 12Parâmetros obtidos através da moldação científca ................................................. 69 Tabela 13𝐶𝑝𝑘 ao longo da análise ....................................................................................... 80 Tabela 14Valores da cota A obtidos no DOE .......................................................................... 83 Tabela 15Tabela ANOVA para a cota A .................................................................................. 83 Tabela 16Valores da cota B obtidos no DOE .......................................................................... 85 Tabela 17Tabela ANOVA para a cota B .................................................................................. 85 Tabela 18Fatores da equação para obtenção da janela dimensional ...................................... 86
1 1. Introdução Desde o surgimento do processo de moldação por injeção que há a necessidade constante de evolução e melhoramento do modo de produção de peças. Por ser um dos processos mais utilizados e relevantes a nível de transformação de plásticos, as exigências de mercado têm aumentado, tendo as empresas de procurar soluções inovadoras para se destacarem da restante concorrência. Como é do conhecimento geral, o processo de moldação por injeção é um processo simples e eficiente de produção de peças complexas, onde o material entra numa tremonha, sendo depois fundido e injetado para um molde, onde ser-lhe-á conferida um formato, e por fim arrefecido e extraído como uma peça completa. Apesar de parecer simples e facilmente controlável, existem vários fatores que devem ser devidamente ponderados e analisados de modo a tornar o processo o mais otimizado possível. Quando se fala num processo de injeção, pretende-se que este seja o mais consistente e robusto possível, duas características que são extremamente importantes para este processo. Consistente na medida em que este não possua grande variação no que toca à qualidade da peça, mantendo ao longo de uma produção a mesma consistência visual e dimensional nos produtos obtidos. Robustez no que diz respeito aos limites dos parâmetros de processo, isto é, quanto maiores forem os limites dos parâmetros de processamento sem afetarem a qualidade das peças produzidas, mais capacidade terá o processo de sustentar fenómenos que afetem os seus parâmetros, ou seja, mais robusto será o processo e consequentemente, mais consistência este terá. Assim surge a necessidade da criação de métodos e abordagens que têm como objetivo a otimização do processo de moldação por injeção. Desde sempre que a abordagem da “tentativaerro” é utilizada, baseada na testagem e observação de modo a verificar a necessidade ou não de alterar os parâmetros. Contudo, apesar de funcionar e de se obterem resultados, os desperdícios e o tempo de otimização associado são elevados. Deste modo começaram a surgir metodologias mais científicas, que tal como o nome indica, são baseadas em métodos científicos de aplicação de experiências devidamente definidas de modo a tentar eliminar os desperdícios e a reduzir os tempos de otimização das metodologias mais tradicionais. Assim, este projeto passa pela validação de uma metodologia mais científica, de modo a verificar a sua aplicabilidade a nível industrial e se realmente esta traz vantagens ou melhoramentos relativamente às metodologias desde sempre utilizadas pela indústria atual.
2 1.1. Objetivos Como já referido anteriormente, este projeto tem como principal objetivo a validação da abordagem científica de otimização de processos de moldação por injeção, recorrendo a ferramentas de análise estatística de modo a tentar verificar de que modo a abordagem influencia a produtividade do processo. Assim é essencial que para além do conhecimento da influência das varáveis no processo, também é importante conhecer as ferramentas estatísticas utilizadas para analisar os mesmos. Assim os objetivos destes projetos podem ser descritos da seguinte forma: • Compreensão da metodologia do Scientific Injection Molding ; • Aplicação do controlo estatístico do processo e da capacidade do processo de modo a fazer uma primeira análise ao estado atual do processo e para depois verificar de que modo o Scientific Injection Molding influenciou o processo; • Aplicação do DOE de modo a verificar as condições de processamento que mais influenciam a peça a nível dimensional; • Comparação de resultados obtidos nos estudos da capacidade de processo e dos testes experimentais relativos aos Scientific Injection Molding ; • Retirar conclusões acerca da influência desta abordagem nos processos produtivos. 1.2. Organização da dissertação Para a presente dissertação, é feita a introdução deste projeto e da temática a estudar ao longo do mesmo. De seguida são apresentados os conceitos teóricos que estão na base deste projeto, como é o caso da moldação por injeção e com mais pormenor, o Scientific Injection Molding . Depois são apresentadas as metodologias, ou seja, as bases teóricas que fundamentam os métodos a serem utilizados experimentalmente. No tópico das características da peça, como o nome indica, é apresentada a peça e respetivas dimensões, tal como o molde e ferramentas usadas para produzir a mesma De seguida são apresentados os métodos experimentais a serem aplicados em máquina e de onde se irão retirar resultados que posteriormente serão devidamente analisados. Por último seguem as conclusões finais, onde são retiradas as devidas conclusões relativamente a todas as temáticas deste projeto e que aplicabilidade este poderá ter e próximos passos que se poderão efetuar
3 1.3. Apresentação da empresa Fundada em setembro de 2010, a CS Plastic é uma empresa situada em Santo Tirso, com cerca de 30 colaboradores, sendo especializada na área de injeção de plásticos de elevada precisão. É uma empresa direcionada para trabalhar em diversas vertentes do nosso dia-a-dia, tais como a médica, alimentar, desportiva, industrial, eletrónica, entre outras. A CS Plastic, para além da injeção de peças, também se destaca em vários tipos de serviços, nomeadamente a gestão de projetos e desenvolvimento do produto, a prototipagem e o desenvolvimento de peças e moldes. É uma entidade que se presa pela qualidade, competência e experiência, sendo que se destaca também pela facilidade de comunicação em vários idiomas. Tudo isso se traduz na conquista da confiança de importantes empresas nacionais e internacionais, seguindo sempre os mais elevados standards da indústria, que são continuamente monitorizados e melhorados. O desenvolvimento e a produção de componentes termoplásticos da empresa dispõem de um Sistema de Gestão da Qualidade reconhecido e compatível com a norma UNE-EN ISO 9001:2008. [1]
4 2. Conceitos teóricos 2.1. Moldação por injeção O processo de moldação por injeção é uma das técnicas mais usadas a nível de manufatura de materiais plásticos. Este surgiu em 1872, quando foi criada e patenteada a primeira máquina de injeção e desde então que o processo vem evoluindo não só a nível de equipamentos e ferramentas, mas também quanto à sua eficácia e desempenho.[2] Este processo pode ser definido como um conjunto de etapas que permitem a transformação de plástico em peças moldadas, ou seja, é o processo onde há a transformação de grânulos de polímero, que são aquecidos até atingirem o estado fundido e depois são injetados em moldes, tomando a forma do mesmo após o arrefecimento. Este processo, pela sua simplicidade de conceito, eficiência e possibilidade de obter peças complexas, tornam-no num dos mais rentáveis ao nível da produção de peças em plástico. Através deste processo também é possível obtenção de um elevado volume de produção e de peças com excelentes acabamentos superficiais, garantindo também tolerâncias dimensionais rigorosas. [3] As etapas do ciclo de injeção estão incluídas no próximo tópico. Todas elas têm uma grande importância relativamente à qualidade e a eficácia do processo e cada uma delas depende da anterior, sendo que é de extrema importância que o processo esteja sempre estabilizado e bem calibrado para que este seja eficaz na produção de um produto final apropriado. 2.1.1. Ciclo de moldação por injeção O ciclo de moldação por injeção envolve o conjunto de etapas cíclicas que se efetuam numa máquina de injeção durante a produção de duas peças consecutivas. Todas as etapas deste ciclo são importantes e devem ser bem conhecidas e controladas de modo que haja uma produção de peças de alta qualidade no menor tempo possível. Este ciclo é dividido em 6 etapas: 1. Fecho e trancamento do molde A primeira fase do ciclo dá-se quando há o fecho e trancamento do molde. Esta deve ser realizada o mais rapidamente possível, tendo sempre em conta que a velocidade de fecho do molde deve ser ajustada de maneira que o encosto entre as duas partes do molde seja suave, de modo a evitar danificações na superfície do mesmo. Também o desempenho da máquina e as características do molde terão uma dependência direta na duração desta etapa.
5 2. Injeção A fase de injeção dá-se quando a unidade de plasticização avança e o bico de injeção encosta no molde. De seguida, o parafuso é empurrado para a frente, empurrando, deste modo, o fluido para o interior da cavidade do molde. Deve-se ter em atenção ao valor inserido para a velocidade de injeção, que deve não só deve ser capaz de preencher a cavidade do molde com rapidez, mas ao mesmo tempo deve permitir a replicação dos contornos do molde. 3. Pressurização/ Compactação Finalizada a fase de injeção, é necessário continuar a exercer pressão no fundido, com o objetivo de diminuir o efeito da contração do material e evitar que este volte par o cilindro novamente. Para isso é que existe a aplicação da 2ª pressão, que minimiza estes efeitos. Estes valores de pressão não devem ser demasiado elevados para evitar danificações na peça e problemas na extração. Esta fase termina quando o jito e/ou a peça estão solidificados. 4. Arrefecimento Assim que a matéria-prima é injetada para o interior da cavidade e esta entra em contacto com a cavidade, inicia-se o arrefecimento da peça. Nesta fase começa o movimento de rotação do fuso, iniciando a plasticização de mais material, sendo que este é obrigado a recuar sob o efeito da pressão criada pelo mesmo fundido e, ao mesmo tempo, continua o arrefecimento no interior do molde. Quando a plasticização está concluída, este movimento de rotação para, ou seja, foi doseado o volume pretendido de material. O arrefecimento termina quando a moldação atinge uma temperatura que permita a extração correta do material, sendo que este tempo depende muito das dimensões da peça e respetivas características. 5. Abertura e extração Terminadas as fases de plasticização e arrefecimento, pode ocorrer a extração da peça do molde. Esta dá-se com a abertura do molde, que deve ser suficiente para que a peça seja removida da cavidade. A velocidade e o curso de abertura devem ser selecionados consoante as dimensões da peça e do molde. 6. Tempo morto É chamado de tempo morto ao período que vai desde que a peça está pronta a ser extraída até ao início de um novo ciclo. A duração desta etapa depende de vários fatores, como por exemplo da maneira como a peça é extraída do molde, que pode ser manualmente ou automaticamente, sendo que no primeiro, o tempo de extração é bastante mais longo eu no automático, que é
6 praticamente instantâneo. Um dos grandes objetivos da moldação por injeção passa por tentar reduzir este tempo, já que quanto maiores forem os tempos mortos, menor a reprodutibilidade do processo. [3][4] Figura 1Ciclo de moldação por injeção [4] 2.1.2. Consistência em processos de moldação por injeção No desenvolvimento de um processo de moldação por injeção o principal objetivo é que este seja projetado de modo que seja um processo robusto e consistente. Considera-se que um processo é robusto quando alguma alteração provocada nos parâmetros do processo que foram definidos tem efeitos mínimos sobre a qualidade da peça. Deste modo existirá uma maior rentabilização do processo, já que há uma redução de desperdícios de material. Um processo consistente origina peças estruturalmente consistentes. Assim, atinge-se uma maior eficiência produtiva, que significa que não serão necessárias alterações no processo pois este não será sensível a variações inevitáveis. Deste modo, o objetivo quando se desenvolve um processo de moldação será que este seja consististe possível, de modo que este esteja o mais otimizado possível de modo que seja o mais rentável possível.[5] Existem 3 tipos de consistência que os processos de injeção que devem normalmente ser característicos do processo de moldação por injeção. A consistência cavidade para cavidade é importante quando se fala em molde, multicavidade, já que, sendo que é necessário atingir o mesmo nível de qualidade em cada umas das cavidades.
7 Figura 2Consistência cavidade para cavidade [6] Quando se fala em consistência de injeção para injeção, significa que os shots efetuados em cada injeção devem ser idênticos, ou seja, que os parâmetros de processamento devem permanecer as mesmas durante toda a produção. Figura 3Consistência injeção por injeção [6] Por último, existe a consistência processo para processo, que é atingida quando processos distintos são definidos pelas mesmas condições de processamento, sendo apenas efetuar a troca de molde na máquina ondes estes serão inseridos.
8 Figura 4Consistência processo para processo [6] É importante que um processo de moldação que os processos apresentem estes tipos de consistência, o que naturalmente significará que estes se encontram devidamente otimizados. Contudo existem várias razões que podem impedir que o que se descreveu não seja alcançado. Uma inconsistência cavidade para cavidade pode ser causada por defeitos aquando da conceção do molde, como o facto de o tamanho do ataque e dos canais de alimentação serem diferentes para cada cavidade, ou porque a ventilação é insuficiente ou irregular e o arrefecimento ser diferente em cada cavidade. Quanto a inconsistências injeção para injeção, estas podem acontecer quando o processo não está otimizado, quer a nível de parâmetros de processamento, quer a nível de design da peça e do molde. Também podem acontecer porque a injetora não estar a transportar material fundido de forma consistente. Já a consistência processo para processo pode não ser alcançada pela falta de consistência ou de calibração da máquina de injeção ou por não haver forma de reproduzir os parâmetros de moldação por estes não terem sido devidamente registados.[6]
9 2.1.3. Robustez em processos de injeção e os 5 pilares da moldação por injeção Quando se fala em processos de moldação por injeção ou em moldação científica, uns dos termos associados a estas definições é a robustez. Isto é, pretende-se sempre que um processo de moldação por injeção seja o mais robusto possível, onde a moldação científica poderá ser uma ferramenta importante de modo a alcançar esta característica. Considera-se um processo robusto quando alterações efetuadas nos parâmetros de processamento têm efeitos mínimos na qualidade da peça, quando estas não são induzidas propositadamente de forma ponderada. Isto ignifica que se terão gamas de valores que poderão ser inseridos que não irão influenciar negativamente o processo.[6] Deste modo, um processo robusto também irá produzir sempre peças de qualidade consistente, já que há pouca variabilidade no processo, ou então um elevado intervalo de valores que não comprometerão a robustez do mesmo. [5] Ao longo deste projeto, vai-se estudar a robustez de um processo de injeção e serão implementadas metodologias de modo a verificar de que forma se pode tornar um processo o mais consistente e robusto possível. Por isso quando falamos em robustez do processo de injeção, deve-se compreender pilares essenciais que são característicos do processo de injeção e que todas as empresas lutam para atingirem de modo a obterem processos mais robusto e, consequentemente mais rentáveis: 1. Design da peça Este é o primeiro passo de quando se projeta um molde para produção. A peça deve ter um design apropriado para o processo de moldação por injeção. Ou seja, estas devem ser otimizadas e dimensionadas de modo a evitarem qualquer tipo de defeito de injeção tendo em conta os princípios da moldação por injeção e do projeto de peça e de moldes. 2. Seleção de material Baseado no design da peça e das características e especificações que esta tem, deve-se selecionar uma matéria-prima corretamente, sendo que o formato da peça ainda pode exigir algum tipo de aditivo ou material específico de modo a auxiliar na injeção da mesma. Outro pormenor importante é que o material selecionado deve ser compatível com o equipamento de processamento, neste caso, uma injetora.
16 Através da aplicação deste estudo vai-se verificar qual a velocidade ótima de injeção através da obtenção de uma curva de viscosidade, onde se verificam as flutuações que o material possui a nível de viscosidade, variando a velocidade de injeção. Através da curva vai-se verificar para que velocidades de injeção a variação da viscosidade é menor. Procedimento para o estudo da curva da viscosidade 1. Definir a temperatura de processamento de acordo com a ficha técnica do material; 2. Retirar a 2ª pressão; 3. Definir a pressão de injeção para o valor máximo permitido pela máquina; 4. Definir um tempo de arrefecimento para a correta extração da peça; 5. Injetar velocidades baixas (5% em todos os patamares) e observar a moldação produzida. Moldação deve ser incompleta para que mesmo aumentado as velocidades, a peça se mantenha incompleta; 6. Aumentar a velocidade de injeção, sempre garantindo peças incompletas; 7. Injetar uma peça perto da velocidade de injeção máxima, garantindo que esta é incompleta. Se sim, injetar nova peça com velocidade de injeção quase no máximo e registar valor de pressão máxima de injeção atingido e o tempo de enchimento. Se não for incompleta, antes deste passo deve-se aumentar o ponto de comutação até que a peça atinja aproximadamente 95% do seu peso e esteja incompleta; 8. Diminuir velocidade de injeção em aproximadamente 10% da velocidade anterior e registar o tempo de enchimento e a pressão máxima de injeção; 9. Repetir o passo anterior, de modo a obter aproximadamente 10 medições; 3.1.2. Estudo balanceamento das cavidades No processo de injeção é comum que a maior parte dos moldes usados sejam multicavidade, daí ser de extrema importância que se garanta um enchimento uniforme de todas as cavidades de modo a produzir peças completas em todas as cavidades. Neste tipo de moldes, há uma grande probabilidade de o enchimento não ser uniforme de cavidade para cavidade, daí ser importante o estudo do balanceamento das cavidades de forma a tornar o processo mais consistente. [2] Com este estudo, verifica-se o balanço de enchimento entre todas as cavidades através do peso de cada moldação para avaliar o enchimento de cada cavidade e retirar as devidas conclusões relativas à eficiência do processo.
17 Procedimentos para estudo do balanceamento de cavidades 1. Definir 2ª pressão e respetivo tempo para 0; 2. Definir um atraso na plasticização (dosagem) igual ao tempo estimado para a pressão de compactação. Exemplo: se o tempo de pressão de compactação estimado for de 10s, atrasar também a dosagem em 10s; 3. Definir a velocidade de injeção consoante os resultados do estudo da curva reológica; 4. Usando os restantes parâmetros de injeção iguais à primeira etapa, retirar peças quase completas; 5. Esperar que o processo estabilize e retirar amostras, pesando-as individualmente; 6. Registar os valores obtidos como no gráfico da figura 7. Figura 7Exemplo de variabilidade entre cavidades [6] 3.1.3. Estudo da queda de pressão No processo de injeção, o plástico flui através de diversas secções, desde o bico até ao molde. Por isso, a frente de fundido irá perder pressão à medida que se dá o fluxo de material. Isto acontece devido à fricção e ao arrastamento que este sofre. Para além disso, à medida que o fundido entra em contacto com o molde, inicia-se o arrefecimento. Isto irá traduzir-se num aumento da viscosidade do mesmo, pelo que será necessária uma pressão adicional para que a cavidade do molde seja totalmente preenchida a um caudal constante. [8]
18 Nas máquinas de injeção, existe um limite de pressão disponível para empurrar o fuso à velocidade de injeção definida, dependendo da capacidade da bomba da máquina, sendo que a pressão máxima para que isto aconteça nunca deve ser superior à capacidade da máquina. Ao analisarmos a queda de pressão em cada secção que o material flui, tem-se uma noção da queda de pressão geral do processo, assim como em que zonas se verificam quedas de pressão mais elevadas. Isto poderá ser útil a nível de melhoramento do processo, como por exemplo, no sistema de canais do molde, que pode ser modificado caso haja uma queda de pressão demasiado elevada de modo a obter um fluxo mais consistente. [2] Procedimento para o estudo da queda de pressão 1. Definir pressão de injeção para o máximo admissível; 2. Purgar máquina e registar pico de pressão de injeção; 3. Injetar um shot de forma a encher apenas o mínimo possível a peça/jito e registar o pico de pressão de injeção; 4. Injetar um shot de modo a moldar o jito curto (antes à zona do ataque) e registar o pico de pressão de injeção; 5. Injetar uma moldação completa e registar o pico de pressão de injeção. Figura 8Queda de pressão [6]
19 3.1.4. Estudo da janela de processo O estudo da janela de processo é um estudo determinante para o desenvolvimento de um processo robusto. A determinação da janela de processo ajuda-nos a perceber até onde se podem variar certas variáveis do processo de modo que as características finais da peça não sejam afetadas e quanto maior for esta janela, mais alta é a probabilidade de se obter um processo robusto Já se mencionou que há uma fase do ciclo em que é necessária a entrada de mais materiais plásticos de modo a compensar possíveis perdas na peça devido à contração, e por isso existem variáveis que devem ser controladas nesta fase como 2ª pressão, contrapressão, tempo de compactação. [6] Este processo também é conhecido como o diagrama da área moldada, que é a área onde a peça será esteticamente aceitável. Posto isto, este estudo fornece informações importantes acerca da capacidade que o molde tem para produzir peças estiticamente aceitáveis e consistentes. [2] Procedimento para o estudo da janela de processo 1. Definir temperatura do molde através da ficha técnica do material (iniciar valor mais baixo); 2. Definir temperatura do cilindro através da ficha técnica do material (iniciar valor mais baixo); 3. Colocar valor de velocidade obtido na experiência da curva de viscosidade; 4. Colocar valores de tempo e 2ª pressão a 0; 5. Colocar um valor de tempo de arrefecimento maior que o tipicamente necessário (cerca de +10s) 6. Começar a injetar e ajustar ponto de comutação para um valor que garanta que a peça encha entre 45%-98%; 7. Deixar o processo estabilizar ao fim de 5-8 shots; 8. Colocar valor do tempo de 2ª pressão que garanta ataque solidificado; 9. Aumentar o valor de 2ª pressão em pequenos incrementos até que se obtenha uma peça aceitável e anotar “Baixa temperatura-Baixa pressão”; 10. Aumentar o valor de 2ª pressão em pequenos incrementos e anotar pressão onde ocorre um defeito e anotar “Baixa temperatura-Alta pressão”; 11. Repetir passos 9 e 10, mas com temperatura de cilindro no máximo da ficha técnica e anotar “Alta temperatura-Baixa pressão/ Alta temperatura-Alta pressão”;
20 12. Juntando os 4 pontos gera-se a janela do processo; 13. Definir o processo para o centro da janela. Figura 9Exemplo de uma janela de processamento [6] 3.1.5. Estudo da determinação do tempo de solidificação do ataque O plástico fundido entra no molde através do ataque. O enchimento do mesmo é uma fase dinâmica, já que durante esta fase a temperatura de fusão, a pressão e a velocidade de fluxo estão a mudar ao longo do tempo. Após a fase de entrada de material dá-se o enchimento da cavidade e quando esta está quase cheia, começa a fase do empacotamento e da espera. À medida que a velocidade de fluxo diminui, verifica-se uma diminuição da temperatura e consequentemente, um aumento da viscosidade do fundido. Quando este valor de viscosidade chega a um ponto em que não há mais fluxo no ataque, diz-se que este está congelado, sendo que o tempo que este demora a congelar é denominado de tempo de solidificação do ataque. [6] Este estudo permite avaliar e melhorar a consistência de injeção para injeção, onde irão ser produzidas peças e pesadas peças variando o tempo de 2ª pressão do processo, sendo que o tempo onde começa a estabilização do peso das peças será considerado o tempo ideal de 2ª pressão, que corresponderá ao tempo que o ataque demorará a congelar. Procedimento para o estudo da solidificação do ataque:
21 1. Definir velocidade para valor obtido na curva da viscosidade; 2. Definir processo para os valores correspondente ao centro da janela de processo obtido anteriormente; 3. Definir tempo de arrefecimento para um valor que garante que a peça está arrefecida antes da extração; 4. Definir tempo 2ª pressão para 0 e injetar. Efetuar cerca de 5-8 injeções; 5. Aumentar tempo de 2ª pressão para 1s e efetuar moldação; 6. Aumentar tempo de 2ª pressão para 2s e efetuar moldação; 7. Aumentar de 1 e 1s e efetuar injeções; 8. Pesar peças e efetuar gráfico de variação peso-tempo; 9. Determinar a partir de que momento o peso estabiliza, que será o tempo que o ataque demora a solidificar e considerar o tempo de 2ª pressão 1 segundo acima do anterior. Figura 10Variação do peso de peça com o tempo de 2ª pressão [5] 3.1.6. Estudo tempo de arrefecimento O arrefecimento do fundido começa a partir do momento em que este atinge as paredes do molde. Finda a fase de empacotamento e o tempo de 2ª pressão, começa-se então a contar o tempo de arrefecimento. Quando termina o tempo de arrefecimento e a peça atinge a temperatura de extração correta, então esta pode ser ejetada do molde. Se a peça for extraída antes de se atingir o tempo de arrefecimento correto, pode haver deformação da mesma porque o material encontrase mole por não estar bem solidificado. Não obstante, caso o tempo de arrefecimento definido seja excessivo há perda de tempo desnecessário, que pode resultar em prejuízos no processo.[6]
22 O tempo de arrefecimento é extremamente importante para a eficiência de um processo de injeção e também que se obtenham peças consistente. Este parâmetro deve ser bem estudado, que é o propósito deste estudo, que visa a determinação de um tempo de arrefecimento ideal, através da injeção de peças a diferentes tempos de arrefecimento e analisando as moldações obtidas a nível dimensional. Procedimento para o estudo do tempo de arrefecimento 1. Definir valores do processo para as condições determinadas na obtenção da curva de viscosidade, janela de processo, arrefecimento, ataque; 2. Começar a injetar e quando o processo estabilizar realizar 3 injeções; 3. Baixar tempo de arrefecimento em 1 ou 2s e efetuar mais 3 injeções; 4. Continuar a baixar tempo de arrefecimento ao longo das injeções; 5. Medir as dimensões das peças ao longo das injeções; 6. Desenhar o gráfico da variação das dimensões em função do tempo de arrefecimento; 7. Selecionar tempo de arrefecimento que permita obtenção da peça com melhor qualidade; 8. Efetuar 30 moldações com tempo de injeção selecionado e fazer análise estatística para determinar capacidade de processo com este tempo de arrefecimento. Figura 11Variação dimensional com o tempo de arrefecimento [6]
23 3.2. Cartas de controlo Como referido anteriormente, as cartas de controlo são uma ferramenta mais desenvolvida e sofisticada para monitorizar a variação existente num processo. Desenvolvidas por Stewart em 1931, estas são aplicadas para verificar a estabilidade de um processo ao longo do tempo, ou seja, é a representação gráfica de uma característica que foi medida ou calculada através de uma amostra. [13] Estas cartas de controlo apresentam no eixo das ordenadas os valores observados que dependem da característica que está a ser analisada e no eixo das abcissas o instante ou número que é relativo à amostra ou subgrupo correspondente. Para além disso estas também apresentam limites de especificação, que são denominados de limite superior de controlo (LSC), limite inferior de controlo (LIC) e linha central (LC). A figura 12 representa um exemplo de carta de controlo. [15] Figura 12Exemplo de cartas de controlo [13] 3.2.1. Regras para deteção de padrões não-aleatórios O facto de um ponto se encontrar fora dos limites de controlo evidencia que há a ocorrência de uma causa especial de variação, já que se trata de um comportamento não aleatório do processo. Existem razões que podem influenciar o facto de um ponto não se enquadrar dentro dos limites de controlo, como o facto dos limites de controlo estarem incorretamente calculados, ou pelo facto de o sistema de medição ter sido alterado, ou porque a variabilidade entre ou dentro de cada subgrupo ter aumentado significativamente, entre outras.[16]
24 Contudo, uma causa especial de variação também pode ser um padrão não aleatório dentro dos intervalos definidos pelos limites de controlo, isto é, o facto de não existirem pontos fora dos limites de controlo que o processo se vai encontrar estável. Assim, com o objetivo de aumentar a sensibilidade das cartas de controlo, foram desenvolvidas regras de deteção de causas especiais de variação. Para isso, são definidas 6 zonas simétricas cada uma de largura 1𝜎𝜔, como observado na figura 13. Essas regras estão definidas na tabela 1 e exemplificadas na figura 13. Tabela 1Regras de detenção de padrões não-aleatórios; adaptado de [16] Regras para a deteção de padrões não aleatórios do processo Regra 1: Um qualquer ponto fora dos limites de controlo Regra 2: Nove pontos consecutivos na zona C ou para além da zona C, do mesmo lado da linha central Regra 3: Seis pontos consecutivos no sentido ascendente ou descendente Regra 4: Catorze pontos consecutivos crescendo e decrescendo alternadamente Regra 5: Dois de três pontos consecutivos na zona A ou para além da zona A, do mesmo lado da linha central Regra 6: Quatro de cinco pontos consecutivos na zona B ou A ou além desta zona, do mesmo lado da linha central Regra 7: Quinze pontos consecutivos na zona C acima e abaixo da linha central Regra 8: Oito pontos consecutivos de ambos os lados da linha central, sem nenhum na zona C Figura 13Padrões não-aleatórios [16]
25 3.2.2. Tipos de carta de controlo Existem 2 tipos de cartas de controlo, sendo estas a cartas de controlo para variáveis e as cartas de controlo para atributos. O primeiro são cartas de controlo que são usadas quando a característica em estudo pode ser medida e expressa numa escala continua (como dimensões, pesos) sendo que para este tipo devem ser construídas duas cartas, uma que controla localização e outra para controlar a dispersão da população. A segunda trata-se de cartas de controlo para atributos, ou seja, são aplicadas quando a característica assume valores discretos (p.e. número de defeitos ou número de peças não OK). Para cada carta existem vários tipos de cartas a serem aplicadas, que dependem do tipo de análise que se pretende fazer e também da característica e tipo de dados a recolher. Na tabela seguinte encontram-se as cartas de controlo estatísticos, para atributos e variáveis, sendo que no presente projeto serão utilizadas as cartas de controlo de variáveis, nomeadamente, de observações individuais e amplitudes e as cartas de media e variância. [14] Tabela 2Tipos de cartas de controlo Cartas de controlo Tipos de cartas Variáveis Média: carta 𝑋 ; Amplitude: carta R Média: carta 𝑋 ; Desvio padrão: carta S Média: carta 𝑋 ; Variância: carta 𝑆2 Mediana: carta 𝑋 ; Amplitude: carta R Observações individuais: carta 𝑋 ; Amplitudes móveis: carta MR Atributos Proporção de unidades não conformes: carta p Número de unidades não conformes: carta np Número de defeitos: carta c Número de defeitos por unidade: carta u
32 Tabela 5Características da máquina de injeção Parâmetros Valor Unidades Índice de fluidez 12 g/10 min Resistência à tração 32 MPa Tensão de tração 11 % Módulo de flexão 1400 MPa Resistência ao impacto de Izod 3 kJ/m2 Temperatura de amolecimento Vicat 153 ºC Temperatura de deflexão térmica 90 ºC 4.2. Dimensões Esta é uma peça de dimensões relativamente pequenas, como se verificou na figura 15. Esta vem num conjunto com outras 3 peças, sendo que servirá como elemento de ligação entre cada uma das restantes 3 peças, formando então um conjunto que será usado na indústria das telecomunicações. A figura 16 está parte do desenho técnico da peça em estudo, tendo esta como dimensões gerais 51x19 mm, tendo uma espessura variável ao longo da peça, sendo que a espessura mínima de 1mm e máxima de 1.92mm, sendo então que se uma peça de pequenas dimensões com medidas e espessuras aceitáveis a nível de injeção.
33 Figura 16Desenho técnico geral da peça Esta é uma peça que não está completamente visível para o consumidor, estando encaixada em três outras peças, como se pode observar na figura 17 assinalado a vermelho, onde se denota que a parte superior da peça em análise, que serve de encaixe de modo a interligar as restantes três peças
34 Figura 17Conjunto montado com a peça a analisar Esta peça possui 2 zonas que devem ser controladas a nível dimensional para que as peças produzidas sejam aprovadas pelo controlo de qualidade, que são as duas cotas presentes na figura 18 e 19. Estas duas cotas são consideradas então críticas para a qualidade da peça, sendo que o processo deve estar controlado de modo que estas cotas não sejam excedidas. Figura 18Cota crítica no encaixe da peça
35 Figura 19Espessura crítica na peça De um modo geral, esta é uma peça esteticamente e geometricamente simples, pelo que para além das cotas críticas referidas anteriormente apenas se deve ter em atenção que a peça não possua defeitos visuais muito notórios, como rebarba ou chupados, de modo que não afete a peça funcionalmente e esteticamente. 4.3. Molde O molde é uma ferramenta que permite a formação de uma peça plástica através da enformação de material injetado numa zona moldante, sendo que também permite o arrefecimento e a devida extração da mesma. De forma geral, os moldes são constituídos por duas zonas, a parte fixa e parte móvel, que contêm respetivamente a cavidade e a bucha, divididas por uma linha de partição, que irão definir posteriormente a peça que se pretende obter. O molde desta peça trata-se de um molde de 2 placas de canais frios em aço temperado, com 8 cavidades. Na figura 20 temos uma representação geral do molde de injeção.
36 Figura 20Representação em Solidworks do molde 4.3.1. Lado da injeção O lado da injeção possui 3 postiços. O postiço na figura 21 é onde se encontram as cavidades de moldação, onde está presente a zona do ponto de ataque para as 8 cavidades. Contudo, verificase que neste postiço apenas uma parte da peça se encontra presente. Isto acontece porque a injeção dá-se em conjunto com o lado da extração, onde se encontra um quarto postiço que auxilia na injeção e onde será moldada a restante peça Figura 21Postiço lado da cavidade
37 Os outros 2 postiços possuem a mesma função e estão posicionados em cada uma das partes laterais do postiço das cavidades, ou seja, por cima de cada um do lado que possuem cavidades. Isto porque se observamos a parte inferior destes postiços (figura 22) existem 8 buracos dispostos aos pares, que se encontraram na parte superior de cada cavidade. Dentro destes orifícios existem aços que estão fixos aos mesmo e que incluem uma gravação que será gravado na peça aquando da injeção. Neste caso, as gravações a incluir, para além do número de cada cavidade tratam-se de datadores. Um datador é uma gravação que costuma estar presente em muitas peças de injeção que indica a data de manufatura da peça em causa, normalmente o mês e o ano, tal como acontece nesta peça. Figura 22Em cima: postiços colocados para os datadores; Em baixo: Aço com a gravação do datador
38 4.3.2. Lado da extração O lado da extração, como o nome indica, caracteriza-se por tratar da extração, neste caso recorrendo apenas ao uso de extratores comuns, denominados de extratores circulares. Neste caso, este tipo de extração é suficiente já que a peça não exige muitos cuidados no que toca à extração, que pode ser o caso em peças com acabamentos mais sensíveis. Como é possível observar na figura 23 assinalado a vermelho, são utilizados 4 extratores para auxiliar a remoção sendo que irão bater na parte superior da peça de cada cavidade e 10 extratores que tratarão da remoção do gito, representados na parte central do postiço do lado da extração, como observado na figura 23, assinalado a amarelo. Figura 23Sistema de extração Como referido anteriormente, o postiço do lado da extração, vai auxiliar na injeção, como se verifica na figura 24. Nesse postiço observa-se o esquema de injeção, que representa o percurso que o material percorre, culminando nos pontos de ataque de cada cavidade, presentes no postiço da cavidade. Também é postiço da extração que se molda a restante peça. Na parte lateral do postiço, ser-lhe-á conferida espessura na zona plana da peça, pelo que quando o molde fecha, a junção dos dois postiços resulta na peça completamente moldada.
39 Figura 24Postiço lado da extração 4.3.3. Sistema de arrefecimento Já foi referido que as cavidades do molde estão presentes em postiços de modo a facilitar a injeção das 8 cavidade, pelo que sistema de arrefecimento deve ter em conta esse tipo de estrutura. Na placa da zona de injeção (figura 25 à esquerda) encontra-se um circuito e com o formato de canais de arrefecimento relativamente simples, em que tanto a entrada e a saída se encontram lado a lado relativamente perto do centro da placa de injeção. Contudo este sistema tem uma particularidade. No canal de arrefecimento localizado ao lado dos raccord s (estrutura onde se ligam as mangueiras de água) existem 2 buracos assinalados a verde separados por um tampão. Isto existe para que no primeiro furo a água entre pelo postiço da cavidade e percorra um segundo sistema de arrefecimento presente no mesmo, como representado na figura 25 à direita, onde a água apenas percorre 3 canais, entrando pelo canal do lado direito da figura 25 (lado direito) e saindo pelo lado esquerdo, regressando aos canais de arrefecimento da placa de injeção, percorrendo o restante circuito até ao raccord de saída e água.
40 Figura 25Sistema de refrigeração lado da injeção Figura 26Esquema de ligações de água lado da injeção Como é possível observar no esquema de ligações no molde (figura 26), este ainda possui mais 4 ligações de água (2 de cada lado da placa das cavidades) na direção dos postiços que têm o propósito de colocar as gravações dos datadores nas peças produzidas. Isto porque esses postiços também possuem um sistema de arrefecimento muito simples, em que a água entra pelos raccords superiores de ambos os lados percorrendo um pequeno canal de arrefecimento (figura
41 27 à esquerda). Após percorrer esse canal, as águas serão levadas para um outro canal de arrefecimento localização mais acima no postiço, percorrendo esse canal na totalidade, sendo que no fim irá voltar para um pequeno canal de arrefecimento idêntico ao de entrada de água. Este é mais um sistema de arrefecimento que vai auxiliar no processo de arrefecimento das peças produzidas. Figura 27Sistema de refrigeração nos postiços das gravações No lado da extração, os sistemas de arrefecimento apesar da ideia a nível de circuito ser a mesma verificam-se algumas diferenças relativamente ao sistema de arrefecimento do lado da injeção. Neste caso, e ao contrário do que se verifica no lado da injeção já não se verifica que a entrada e a saída de água são separadas por um tampão entre um canal de arrefecimento que liga ambas, a entrada e saída de água possuem canais distintos que se irão ligar a cada um dos canais de arrefecimento horizontais, como se observa na figura 28 (à esquerda). Também se verifica que a distância entre os canais de arrefecimento verticais é um pouco maior, isto porque o sistema de extração assim o obriga, de modo que não haja qualquer tipo de interceção entre ambos. Apesar destas diferenças, o circuito de água acaba por ser semelhante ao do lado de injeção, em que a água entra pelo racoord de entrada de água ( raccord de cima da figura 28 à esquerda) posicionado do lado esquerdo) sendo que ao encontrar o primeiro buraco a verde presente no canal, as águas irão entrar no postiço, percorrendo o mesmo trajeto que no postiço do lado da injeção, acabando por sair novamente para a placa de injeção e percorrendo o restante circuito.
48 Passando agora à construção das cartas de controlo, é necessário que nas recolhas efetuadas, a dimensão n das amostras seja sempre igual ao longo do tempo. Em primeiro lugar é necessário calcular a média e amplitude de cada amostra, sendo que o cálculo de cada um destes parâmetros representam-se pelas seguintes equações: 𝑋 𝑖=∑𝑋𝑖𝑗 𝑛 𝑗=1 𝑛 𝑅𝑖= 𝑋𝑚á𝑥 −𝑋𝑚𝑖𝑛 De modo a calcular os limites de controlo, e tendo já obtido resultados às equações anteriores relativamente às m amostras recolhidas, sendo que iremos agora calcular a média global (médias das médias amostrais) e a amplitude média, como representado nas equações abaixo: 𝑋 =∑𝑋 𝑖 𝑚 𝑗=1 𝑚 𝑅 =∑𝑅𝑖 𝑚 𝑗=1 𝑚 Assim podemos obter os limites de controlo, que são calculados da seguinte forma: 𝐿𝑆𝐶𝑋 = 𝑋 +𝐴2𝑅 ` 𝐿𝐶𝑋 = 𝑋 𝐿𝐼𝐶𝑋 = 𝑋 −𝐴2𝑅 𝐿𝑆𝐶𝑅 = 𝐷4𝑅 𝐿𝐶𝑅 = 𝑅 𝐿𝑆𝐶𝑅 = 𝐷3𝑅 Os termos, 𝐴2,𝐷3 𝑒 𝐷4 são constantes tabeladas, dependente do número de amostras que se recolheu (Anexo II). Efetuados todos os cálculos pode-se proceder à construção deste tipo de cartas de controlo, onde se poderá observar a variação do peso das diferentes amostras de peças.[13], [14]
49 5.1.2. Cartas de controlo de Observações Individuais e Amplitudes Móveis Quando apenas se pretende a recolha de observações individuais e não de grupos de observações, utiliza-se a carta de observações individuais e das amplitudes móveis. Neste tipo de cartas, os resultados obtidos serão relativos a observações registadas nesse instante. Em primeiro lugar calcula-se as amplitudes de duas observações consecutivas, neste caso para a construção da carta das amplitudes móveis, através da seguinte equação: 𝑀𝑅𝑖=|𝑋𝑖−𝑋𝑖−1| Depois passamos ao cálculo da média das observações e das amplitudes médias, através das seguintes expressões: 𝑋 =∑𝑋 𝑖 𝑚 𝑖=1 𝑚 𝑀𝑅 =∑𝑀𝑅𝑖 𝑚−1 𝑖=1 𝑚−1 Assim pode-se proceder ao cálculo dos limites de controlo utilizando as seguintes equações: 𝐿𝑆𝐶𝑋= 𝑋 +3 𝑀𝑅 𝑑2 ` 𝐿𝐶𝑋 = 𝑋 𝐿𝐼𝐶𝑋 = 𝑋 −3 𝑀𝑅 𝑑2 𝐿𝑆𝐶𝑅 = 𝐷4𝑀𝑅 𝐿𝐶𝑅 =𝑀𝑅 𝐿𝑆𝐶𝑅 = 𝐷3𝑀𝑅 Tal como nos cálculos anteriores, os valores dos termos 𝑑2, 𝐴2, 𝐷3 e 𝐷4 estão tabelados e presentes no Anexo II. [13], [14] 5.2. Aplicação dos estudos de otimização do processo O objetivo principal deste projeto é a aplicação do scientific molding , que, como já foi descrito anteriormente, possui essencialmente 6 estudos de otimização do processo para sua aplicação. Deste modo, os 6 passos foram organizados de modo a seguirem uma ordem lógica, de acordo com os passos para cada estudo, isto é, este foram organizados de modo que a abordagem seja
50 o mais eficiente possível de modo que nem seja necessário interromper o processo produtivo durante muito tempo, não se traduzindo em grandes desperdícios para o processo em causa. Nesta fase do projeto foram então realizados os estudos de otimização do processo sendo que foi realizado um procedimento experimental tendo em conta esses estudos, que será descrito neste tópico. 1. Definir as temperaturas do processo: O primeiro passo a ser realizado foi a definição das temperaturas do processo. Esta etapa é feita consultando a ficha técnica do material. Desde modo, todas as temperaturas devem estar dentro destes intervalos, sendo que para qualquer estudo que se realizar para esta abordagem, deve-se sempre começar com temperaturas nos valores mais baixo e ir aumentando quando for necessário, pois é mais fácil e rentável aquecer o cilindro da máquina do que aguardar que este arrefeça depois de ter sido estabelecido para temperaturas mais elevadas. 2. Definir queda de pressão Como referenciado anteriormente, existe uma pressão disponível para empurrar o fuso a uma velocidade de injeção definida. De modo a analisar a queda de pressão nas diferentes secções onde o material flui, verificou-se que pressão disponível existe para este processo produtivo, sendo que para que um processo seja robusto esta queda de pressão deve ser elevada o suficiente de modo que a pressão possa ser alterada em caso de aparecimento de peças com defeitos 3. Definir velocidades e pressões de injeção: Estudar a velocidade de injeção de um processo é de extrema importância para a eficácia do processo, uma vez que o material deve ser injetado no molde com um caudal adequado, já que este não deve ser demasiado baixo pois pode não injetar material suficiente para preencher a cavidade do molde, mas também não deve ser demasiado elevado para não danificar a peça. Para definição das velocidades de injeção recorre-se ao estudo de otimização de processo onde se obterá a curva de viscosidade. Para isso devem ser seguidos os passos explicados no tópico que explica o estudo da curva da viscosidade e retirar os dados necessários para a obtenção da mesma. Neste passo também conseguiremos definir as pressões ideais de injeção pois para o cálculo das velocidades de injeção já que para os cálculos da viscosidade relativa necessitamos dos valores de pressão de injeção correspondentes às velocidades de injeção definidas.
51 4. Definição da janela de processo para a temperatura do fuso e 2ª pressão Com este estudo serão estabelecidos intervalos de valores ideais de 2ª pressão e de temperaturas do fuso que produzem peças aceitáveis. Assim, este estudo é determinante para a obtenção de um processo consistente e robusto, sendo que para isso é importante que se obtenha uma janela de processo ampla. Para obtermos a janela de processo foram seguidos os passos do estudo da janela de processo, sendo que depois é possível obter um gráfico que define os intervalos da janela de processo. 5. Balanceamento das cavidades Este estudo permite avaliar o modo como as cavidades do molde enchem. Através do peso das peças a determinadas condições de processamento, saberemos se o enchimento é uniforme, ou seja, se enchem ao mesmo tempo e com a mesma quantidade de material em todas as cavidades, ou não. Aqui, para além de serem seguidas as diretrizes do estudo do balanceamento das cavidades, serão usadas peças completas obtidas de estudos anteriores, já que esses estudos apresentam passos em comum com o estudo do balanceamento de cavidades sendo assim possível usar amostras de estudos anteriores, tornando esta abordagem ao scientific moulding mais eficiente. 6. Definição do tempo de 2ª pressão Saber o tempo de 2ª pressão é importante na medida em que, e como foi explicado anteriormente, irá ser possível relacioná-lo com o tempo de solidificação do ataque, o que poderá ajudar na melhoria da consistência de injeção para injeção do processo. Assim, vai-se perceber quanto tempo o ataque demora a solidificar, que irá corresponder ao valor de 2ª pressão para o qual o peso das peças moldadas começa a estabilizar. Por isso para determinar o tempo de 2ª pressão e ao mesmo tempo verificar quanto tempo o ataque demora a solidificar, realizou-se o estudo do tempo da solidificação do ataque explicado anteriormente. [24] 7. Definição do tempo de arrefecimento Finalizados todos os testes realizados anteriormente, será feito um estudo do tempo de arrefecimento onde já serão usados valores ideais estudados nas experiências anteriores. Esta experiência consiste em variar o tempo de arrefecimento e medir dimensões pré-definidas para verificar a variação desta consoante o tempo de arrefecimento. Para este estudo devem ser seguidos os passos do estudo do tempo de arrefecimento anteriormente descritos.
52 Para melhor compreender esta sequência experimental, a figura 34 apresenta um fluxograma com todos os passos devidamente ordenados para aplicação da moldação científica Figura 34Planeamento experimental Scientific Molding 5.3. Estudo da capacidade do processo Para o estudo de capacidade o processo, é usual seguir uma dispersão 6 Sigma na distribuição da característica da qualidade do produto a ser medida. Ou seja, e prossupondo que que estes dados seguem uma distribuição normal, isto significa que 99,73% dos valores estão compreendidos entre 𝜇 +3𝜎 e 𝜇−3𝜎, que correspondem aos limites de especificação (LSE e LIE) onde 𝜇 é a média e 𝜎 o desvio padrão do processo, cuja fórmula é: 𝜎 = 𝑅 𝑑2 Sendo que 𝑅 a média das amplitudes e 𝑑2 uma constante tabelada tendo em conta o tamanho da amostra (n=2) (Ver Anexo II) Após calculados todos os limites de especificação, pode proceder-se ao cálculo dos índices de capacidade do processo. Para o cálculo do 𝐶𝑝, tendo em conta que este não tem em conta a localização do processo dentro das especificações, podemos calculá-lo da seguinte forma: 𝐶𝑝=𝐿𝑆𝐸 −𝐿𝐼𝐸 6𝜎
53 No cálculo do 𝐶𝑝𝑘, que tem a conta a variabilidade e localização da média, ou seja, para qual dos limites de especificação esta se encontra mais próxima, este será o valor mínimo entre os 𝐶𝑝𝑘 obtidos através dos limites calculados anteriormente, como exemplificado pelos cálculos abaixo 𝐶𝑝𝑘 = 𝑚𝑖𝑛[𝐶𝑝𝑘𝑚𝑖𝑛; 𝐶𝑝𝑘𝑚á𝑥] Onde: 𝐶𝑝𝑘𝑚𝑖𝑛 =𝜇−𝐿𝐼𝐸 6𝜎 𝐶𝑝𝑘𝑚á𝑥 =𝐿𝑆𝐸−𝜇 6𝜎 Através dos valores de 𝐶𝑝 e 𝐶𝑝𝑘 obtidos serão retiradas conclusões relativamente à capacidade do processo tendo em conta a tabela 3 apresentada anteriormente.[11], [16] 5.4. Aplicação do DOE 5.4.1. Definição de variáveis Para o estabelecimento de uma janela de processo dimensional através do DOE, em primeiro lugar é necessário estabelecer que condições de processamento serão analisadas, ou seja, que parâmetros do processo influenciam mais uma peça a nível dimensional. São vários os parâmetros que afetam diretamente o plástico, ou seja, que influenciam a qualidade de uma peça plástica. A lista representada abaixo apresenta esses mesmo parâmetros: [6] • Velocidade de injeção; • Pressão de injeção; • 2ª pressão; • Tempo de 2ª pressão; • Temperatura de fundido; • Temperatura do molde; • Tamanho e posição do shot ; • Contrapressão; • Velocidade de rotação do parafuso; • Tempo de arrefecimento.
54 Como é notório, existem parâmetros que não têm tanta influencia numaa peça a nível dimensional, mas sim mais a nível estético, sendo que algumas dessas serão analisadas nos 6 estudos do scientific molding descritos anteriormente. Da listagem anterior, são 4 os parâmetros que são mais usualmente utilizados como fatores para DOE’s. Os parâmetros são os seguintes: 2ª Pressão: a 2º pressão é um dos fatores mais importantes neste tipo de análises. De facto, a aplicação de 2ª pressão no fundido vai afetar dimensionalmente a peça, já que esta tem influência no volume específico da peça, pelo que este é um dos fatores comumente usado em DOE’s deste género. Tempo de arrefecimento: o tempo de arrefecimento é outra varável que pode ter influência nas dimensões da peça, porque o tempo de permanência no molde pode afetar a peça, nomeadamente na contração da mesma. Deste modo, se a quantidade de tempo de residência da peça no molde muda, a temperatura a que a peça se encontrará ao sair do molde será diferente, o que poderá influenciar na taxa de contração da mesma, pelo que é importante analisar o tempo de arrefecimento nesta fase. Temperatura do fundido: Esta temperatura é responsável por fazer com que o material atinja a viscosidade necessária para ser injetado. Em materiais amorfos, o intervalo recomendado de temperaturas que o fundido deve ter é mais amplo, o que poderá afetar a contração da peça. Assim é interessante analisar no DOE para este tipo de materiais. Por sua vez, os materiais semicristalinos, o intervalo de temperaturas de fundido é mais estreito, o que não irá influenciar significativamente a contração, pelo que não se considera um fator importante a nível dimensional para este tipo de materiais. Temperatura do molde: A temperatura do molde, para além de ser um auxílio na fase de arrefecimento, também é responsável por manter o fluxo de fundido até ao fim do enchimento da cavidade, influenciando deste modo a temperatura em que a peça sai do molde. Isto acontece quer para materiais semicristalinos quer para amorfos. No caso dos materiais semicristalinos estes apresentam uma característica especifica. Como a formação de cristalinidade exige uma certa temperatura, uma parte dessa temperatura é fornecida pelo molde, que terá influência na velocidade de arrefecimento da peça, ou seja, vai influenciar a cristalinidade do material, daí que o molde deve estar a uma temperatura dentro de valores recomendados, sendo, para este tipo de
55 materiais, uma característica importante para analisar em DOE. Portanto deve ser sempre usada a temperatura de molde mais baixa desde que se atinja qualidade estética pelo que para materiais amorfos não seja um fator de peso a analisar.[6] Na maioria dos casos, 3 fatores com 2 níveis são suficientes para a realização de um DOE, pelo que, tendo em conta a morfologia do polímero em causa, apenas serão escolhidos 3 das 4 características descritas anteriormente. sabendo que o material da peça em análise é um polipropileno (semicristalino), seria de maior interesse analisar a temperatura do molde em relação à temperatura do fundido, pelo fator de cristalinidade que este material apresenta, pelo que os outros fatores serão a 2ª pressão e o tempo de arrefecimento.[6] 5.4.2. Planeamento de experiências Selecionadas as variáveis a analisar pode-se proceder ao planeamento das experiências a efetuar em máquina, que será feito através do método de Taguchi que foi descrito anteriormente. Como também já foi referido, serão usados no planeamento experimental 2 fatores para as 3 variáveis selecionadas. Na tabela 7 estão apresentados as condições de processamento e os respetivos níveis. Estes foram definidas tendo em conta os resultados obtidos nas 6 experiências do scientfic molding e os parâmetros que estavam a ser utilizados antes da aplicação da moldação científica. Tabela 7Variáveis DOE Variáveis Nível 1 Nível 2 Unidades 2ª Pressão 25 30 bar Temperatura do molde Injeção/Extração: 40/30 Injeção/Extração: 50/40 ºC Tempo de arrefecimento 6 12 s Tendo em conta estes fatores, o número de experiências a realizar é calculado através da fórmula descrita anteriormente, ou seja: 𝑛 = 23= 8 experiências Deste modo foi construída uma matriz de modo a planear as experiências a realizar em máquina, que neste caso trata-se de uma matriz 𝐿8.
56 Tabela 8DOE matriz 𝐿8 Nº experiência 2ª Pressão Tempo de arrefecimento Temperatura do molde 1 1 1 1 2 1 1 2 3 1 2 1 4 1 2 2 5 2 1 1 6 2 1 2 7 2 2 1 8 2 2 2 5.5. Minitab Para a elaboração das cartas de controlo e realização do estudo da capacidade do processo que foram descritos anteriormente, recorreu-se ao uso do software Minitab . Este que é utilizado para desenvolver análises estatísticas principalmente a nível industrial. Este é muito usado para controlo de processos a nível industrial de qualquer setor, principalmente para quem utiliza metodologias como o Lean Six Sigma para melhoria contínua de processos. O software utiliza ferramentas estatísticas de qualquer nível de modo a realizar derivadas analises e possibilitar uma ampla gama de interpretações e aplicações. Com ele podemos examinar dados atuais de modo a tentar prever futuros padrões, relacionar variáveis, identificar que fatores são importante numa iteração de modo a solucionar vários tipos de problemas.[25][26] Figura 35Dashboard Minitab
57 5.6. Design Expert Para a analise de resultados do DOE experimental efetuado, recorreu-se a um outro software para esse efeito, denominado de Design Expert . Este é um programa que utiliza ferramentas de modo a analisar o processo efetuando também realiza misturas ou combinações de fatores e componentes. Este software ajuda a observar se algo é estatisticamente significativo e como modelar e trata resultados com mais precisão, oferecendo uma vasta seleção de gráficos e derivados tipos de analises que ajudam a observar efeitos que determinadas variáveis possam ter em processos que estejam a ser analisados.[27]
64 dos 30 MPa.s−1 de viscosidade relativa e aproximadamente 1,00 s−1 de taxa de corte aparente, que irá corresponder a aproximadamente 60% de velocidade de injeção. Deste modo, pode concluir-se que de modo a garantir maior consistência do processo a nível da velocidade de injeção, deve-se injetar a partir de uma velocidade de 70%, pois a partir desse valor garante-se uma menor variação da viscosidade do material, que se irá traduzir num enchimento mais consistente a partir da velocidade de injeção indicada que influenciará diretamente a consistência dimensional da peça. Figura 42Curva de viscosidade 6.2.3. Janela de processo Com a realização deste estudo, obter-se-ão intervalos de variação no qual o processo vai produzir peças esteticamente aceitáveis. Estes intervalos devem ser os mais amplos possíveis de modo que o processo seja robusto e capaz de aceitar grandes variações sem que isso afete esteticamente a peça. Deste modo obteve-se a janela de processo presente na figura 43. Como se pode verificar, à medida que se vão aumentando os valores de 2ª pressão e de temperatura, a janela começa a ficar mais estreita, sendo que a temperaturas mais elevadas teremos mais sensibilidade a nível de 2ª pressão. Contudo, pode-se na mesma afirmar que o processo possui uma janela de processo ampla, sendo que se forem aplicados valores de temperatura e de 2ªpresão mais localizados no 0 10 20 30 40 50 60 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 Viscosidade Relativa (MPa.s) Taxa de corte aparente (s⁻¹)
65 centro da janela (aproximadamente nos 25 bar de 2ªpressão e nos 235ºC de temperatura), o processo ainda aceitará alguma variação, mantendo na mesma a peças esteticamente aceitáveis. Ou seja, esta janela não deixa de ser característica de um processo robusto, sendo capaz de suportar variações consideráveis, tendo em atenção que a temperaturas mais elevadas a 2ªpressão que o processo aceita será menor que a temperaturas mais baixas. Figura 43Janela do processo 6.2.4. Balanceamento de cavidades No estudo do balanceamento de cavidades foram usadas as peças obtidas em cada um dos pontos do gráfico da janela de processo, como referido anteriormente. Após pesadas todas 8 cavidades para cada ponto (numeradas de 5 a 12) obteve-se o gráfico da figura 44. Como se pode verificar, existe alguma variação a nível dos pesos entre cada cavidade nas 4 condições indicadas. Contudo essa variação não é significativa ao ponto de se considerar que as cavidades não se encontram balanceadas, já que em termos de injeção dificilmente é possível obterem-se cavidades com exatamente o mesmo em cada moldação. Estas variações são na casa das centésimas de grama e comportam-se de maneira semelhante entre as cavidades para as 4 condições em análise, não sendo possível afirmar qual a cavidade que enche em primeiro lugar, já que para os pontos de temperaturas mais baixas verifica-se um pico na cavidade 5 e para temperaturas mais altas esse pico passa para a cavidade 8. Todavia para esta análise interessaALTA TEMPERATURA-BAIXA PRESSÃO ALTA TEMPERATURA-ALTA PRESSÃO BAIXA TEMPERATURA-ALTA PRESSÃO BAIXA TEMPERATURA-BAIXA PRESSÃO 0 10 20 30 40 50 60 200 210 220 230 240 250 260 270 2ª Pressão (bar) Temperatura (°C)
66 nos apenas afirmar que as cavidades se encontram bem balanceadas e o enchimento dá-se da mesma forma para todas as cavidades. Figura 44Gráfico do balanceamento de cavidades 6.2.5. Tempo de solidificação do ataque Na figura 45 encontra se o gráfico do tempo de solidificação do ataque. Para esta experiência já foi usada uma 2ªpresão de 22 bar, tendo em conta a janela de processo obtida anteriormente. Analisando o gráfico verifica-se que os pesos das moldações começam a estabilizar a partir dos 4s de tempo de 2ª pressão, começa-se a dar a solidificação do ataque. Deste modo deve-se selecionar 1 segundo a mais que o tempo de solidificação do ataque obtido de modo a garantir que em todos os ciclos o ataque se encontra completamente solidificado. Assim através deste estudo obteve-se um tempo de solidificação do ataque, e por sua vez, um tempo de 2º pressão de 5s. Este tempo de 2ª pressão terá sempre influencia no tempo de arrefecimento da peça. Tendo em conta que o tempo de arrefecimento selecionado se dá após a aplicação de 2ºpressão no material, é incorreto dizer que a peça começa a arrefecer só após a aplicação dessa pressão, já que a partir do momento em que o material entra em contacto com as paredes do molde se começa a dar o arrefecimento da peça. Assim o tempo de ciclo será a soma do tempo de enchimento com a aplicação de 2ºpressão e o tempo de arrefecimento colocado em máquina, ou seja, caso haja uma 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28 1,29 5678910 11 12 Peso (g) Número de cavidade Temperatura: 215ºC Pressão: 10 bar Temperatura: 215ºC Pressão: 50 bar Temperatura: 260ºC Pressão: 10 bar Temperatura: 260ºC Pressão: 25 bar
67 redução de tempo de 2ªpressão, esta deve ser compensada com mais tempo de arrefecimento e vice-versa. Figura 45Gráfico do tempo de solidificação do ataque 6.2.6. Tempo de arrefecimento Para este estudo apenas se realizou a comparação entre 3 tempos de arrefecimento, já que abaixo dos 6s se verificava que a peça não arrefecia o suficiente para ser extraída completamente. De referir que a cota A referida é a da figura 18, que possui de valor máximo 11 mm e um mínimo de 10,80 mm, e a cota B é a da figura 19, de 1 mm com ± 0.5mm de tolerância. Portanto os tempos estudados foram os 6 e os 7 segundos e depois para um tempo de arrefecimento mais longo, neste caso de 11s, de modo a verificar se é mesmo necessário recorrer a tempo de arrefecimentos mais elevados de modo a manter as cotas críticas dentro das tolerâncias. Como se pode verificar pela tabela 10 e pelo gráfico da figura 46, para 6s verifica-se que todos os valores para todas as cavidades da peça em cada uma das duas cotas críticas se encontram dentro das tolerâncias, tal como acontece para os 7s de tempo de arrefecimento. Para o valor mais analisado de tempo de arrefecimento verifica-se que os valores das cotas também se mantêm constante, apesar de alguns valores se encontrarem fora das tolerâncias para a cota A. 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0 10,2 01234567 Peso (g) Tempo 2ª Pressão (s)
68 Tabela 10Tempos de arrefecimento e cotas obtidas para cota A Figura 46Variação da cota A por cavidade Relativamente á cota B, em nenhuma das cavidades se verifica que o valor da cota para cada cavidade não ultrapassa os limites definidos, pelo que o tempo de arrefecimento não afetará esta espessura. Tabela 11Tempos de arrefecimento e cotas obtidas para cota B Tempo de arrefecimento (s) Cota 2 (mm) Média (mm) 6 1,00 0,98 0,96 1,00 0,96 0,97 0,96 0,98 0,976 7 0,97 0,99 0,97 0,98 0,98 0,99 1,00 1,00 0,985 10 0,98 0,99 1,00 1,00 0,97 0,97 0,98 0,96 0,981 10,60 10,80 11,00 11,20 11,40 5678910 11 12 Cotas (mm) Nº de cavidade 6s 7s 10s Tolerância inferior Tempo de arrefecimento (s) Cota 1 (mm) Média (mm) 6 11,00 11,00 10,99 10,99 10,98 11,00 11,00 10,96 10,990 7 10,98 11,00 10,99 11,00 11,00 10,98 11,00 10,99 10,993 10 11,03 11,03 11,02 11,04 11,04 11,00 11,02 11,04 11,028
69 Figura 47Variação da cota B por cavidade Findos os estudos de otimização do processo, obtiveram-se as condições de processamento presentes na tabela 12 que depois foram usadas em máquina aquando da análise da capacidade do processo que se efetuou após estes estudos. Tabela 12Parâmetros obtidos através da moldação científca Parâmetro analisado Valor obtido Velocidade de injeção 70% Pressão de injeção 3,17 MPa 2ª Pressão 25 bar Tempo de 2ª pressão 5s Dosagem 88,2 mm Tempo de arrefecimento 6s 6.3. Análise do estudo da capacidade de processo pósscientific molding Após a aplicação da moldação científica no processo em análise, as condições de processamento ideais obtidas nos ensaios são colocadas em máquina, sendo que depois de passar algum tempo para o processo estabilizar, começou-se a realizar a análise da capacidade do processo com as novas condições de processamento. 0,9 0,95 1 1,05 1,1 5678910 11 12 Cota (mm) Nº cavidade 6s 7s 10s Tolerância Inferior Tolerância superior
70 Analisando os resultados obtidos nas pesagens de peças com as novas condições de processamento, verifica-se a nível de cartas de controlo que no primeiro dia de recolhas que apenas às 12h é que o processo não se encontra em controlo estatístico, pois um dos valores encontra-se fora dos limites de especificação, como se pode verificar pela figura 48. Figura 48Análise estatística dia 1 às 12h Nos restantes horários desse dia, verifica-se que no momento da recolha o processo se encontra em controlo estatistico, contudo a nível de capacidade de processo, os valores não ultrapassam 1.00 de 𝐶𝑝𝑘, o que indicia um processo incapaz como foi o caso às 10h (figura 49), mas também existem horarios nesse dia em que o 𝐶𝑝𝑘 é superior a 1.00, indicando que nesse momento o processo se encontra estável a nível de capacidade de processo, como aconteceu às 16h, comprovado pela figura 50.
71 Figura 49Análise estatística dia 1 às 10h Figura 50Análise estatística dia 1 às 16h
72 Esta irregularidade tanto a nível de controlo estatístico como a nível de capacidade de processo poder-se-ia justificar pelo facto de o processo ainda estar numa fase de estabilização pelo que o processo ainda se encontrava com potencial para melhorias relativamente ao primeiro dia. Contudo no 2º dia verificou-se a mesma tendência que o primeiro, ou seja, apesar de em todos os horários o processo estar estatisticamente controlado e de existirem horários em que o processo é ideal, como aconteceu às 10h (figura 51), existem casos em que os valores de 𝐶𝑝𝑘 se encontram abaixo de 1.00, mais uma vez indicando instabilidade no processo, como se verifica na figura 52, relativo às 16h. Figura 51Análise estatística dia 2 às 10h
73 Figura 52Análise estatística dia 2 às 16h Avançando para o terceiro dia, não há grandes mudanças relativas ao comportamento do processo, desta vez já há o aparecimento de um caso em que o processo não está em controlo estatístico que foi às 10h, como se verifica na figura 53, apresentando o padrão não aleatório referente à regra 6 (ver tabela 1).
80 Tabela 13𝐶𝑝𝑘 ao longo da análise Transitando para a carta Xbar , ainda mais se evidencia a insconstância e pouca consistencia que o processo apresenta quando comparada a análise anterior, pelo que não se pode por e simplemente afirmar que o Scientific Injection Molding foi benéfico para o processo, quando se fala em peso da peça. Em suma, pelas cartas dos valores individuas, o processo demonstrou poder estar mais controlado quando se fala no peso desta peça, contudo a nível de capacidade do processo, esta é muito baixa para um processo industrial, podendo numa prespetiva futura próxima necessitar de uma nova análise de modo a implemetar melhorias ao processo. Tendo em conta a carta das médias, esta evidencia que o processo não se encontra completamente controlado, sendo que desta forma se pode constatar que a moldação cientifica Dia Hora Cpk 1 10h 0,83 14h 0,93 16h 1,09 2 10h 1,74 12h 0,95 14h 1,12 16h 0,92 3 12h 1,43 14h 1,11 16h 0,93 4 10h 1,00 12h 0,84 16h 1,06 5 10h 1,21 12h 0,83 14h 1,20 Média 1,07
81 em pouco ajudou no que se refere ao controlo estatísitico do processo, no que se refere ao peso da peça. Ou seja, isto não significa diretamente que foi a moldação cientifica que causou esta incônstancias nos pesos. Podem existir outros fatores alheios à abordagem do scientific molding ou até mesmo ao processo produtivo em si que possa de alguma maneira ter influenciado o processo, o que justificaria uma alteração da capacidade do processo.
82 6.4. Obtenção da janela dimensional de processamento para as cotas críticas 6.4.1. Análise ANOVA Para a obtenção da janela de processamento realizou-se um DOE em máquina, que foi contruído anteriormente. Foram então realizadas as experiências definidas no DOE de forma aleatória e foram medidas as duas cotas críticas também apresentadas posteriormente. Ao efetuarmos um DOE, existe sempre uma variação inerente às variáveis a serem estudadas, sendo que neste caso se trata de dimensões. Por isso é importante analisar estas diferenças de modo a verificar de que maneira as alterações efetuadas no processo afetam a variável em estudo. Para isso existe uma forma de analisar estas diferenças, que se denomina de ANOVA. Também conhecida como análise de variância, compara a variação inerente dentro de um processo através da diferença entre as médias das variáveis. Recorrendo às experiências definidas no DOE, retiraremos os valores da média de cada uma das cotas e será feita a diferença das médias tendo em conta os níveis definidos no DOE para cada condição de processamento a variar. É importante referir que deve haver uma alteração suficiente no processo de moldação por injeção de modo que posteriormente se verifique uma diferença significativa na peça. Deste modo usa-se como referência a janela de processamento cosmética obtida anteriormente, que pode servir de ponte de ligação para definir limites de condições de processamento, algo que se teve em conta nas definições dos intervalos do DOE obtido para esta análise. Posto isso, fez-se uma análise ANOVA para cada uma das cotas A e B, tendo em conta os valores obtidos em cada experiência do DOE utilizando o programa Design Expert. Em primeiro lugar deve-se verificar se as diferenças entre as médias são significativas. Para isso define-se um nível de significância α que normalmente possui o valor de 0.05, sendo que este deve ser igual ou superior a um valor denominado de Valor-P, que é dado pelo programa. Caso isto não aconteça diz-se que os valores das médias não são estatisticamente significativos. Em primeiro lugar foram analisados os resultados obtidos para a cota A, que podem ser observados na tabela 14. De referir que, e tal como é possível observar no tópico das dimensões da peça, esta cota tem um valo máximo de 11,00mm, sendo que internamente foi definido um valor mínimo de 10,80mm, de modo que não há uma grande discrepância a nível dimensional para esta cota.
83 Tabela 14Valores da cota A obtidos no DOE Experiências Cota A (mm) 5 6 7 8 9 10 11 12 Média 1 10,97 10,98 10,98 10,98 10,98 10,97 10,98 10,97 10,98 2 10,97 10,99 10,97 10,98 10,97 10,98 10,99 10,98 10,98 3 10,96 10,95 10,96 10,97 10,97 10,96 10,97 10,98 10,97 4 10,98 10,98 10,98 10,97 10,97 10,96 10,97 10,96 10,97 5 11,00 11,00 11,00 10,99 11,00 10,99 11,00 11,00 11,00 6 10,99 11,00 10,99 10,99 10,98 11,00 11,00 11,00 10,99 7 11,00 11,00 11,00 11,00 10,99 10,99 10,99 10,99 11,00 8 10,99 11,00 11,00 11,00 10,99 11,00 10,99 10,98 10,99 Efetuando a análise ANOVA para estes resultados, relativamente às 3 condições de processamento analisadas, verifica-se que o Valor-P para a 2ª pressão é inferior a 0.05, pelo que este possui uma influência significativa no processo. Para as restantes condições, verifica-se que esse valor já é superior a 0.05, no entanto para a tempo de arrefecimento esse valor é de 0.1817, tal como para o tempo de arrefecimento e para a interação entre 2ª pressão e tempo de arrefecimento. Isto significa que nenhuma delas irá influenciar a cota em análise, pelo que podemos afirmar que para esta cota o processo é robusto relativamente aos 2 parâmetros que revelaram não ter qualquer influência (tempo de arrefecimento e temperatura do molde). Ou seja, para qualquer valor dentro dos intervalos que foram analisados no DOE para cada um dos parâmetros, nenhum deles terá influência a nível dimensional para esta cota A análise ANOVA realizada encontra presente na tabela 15. Tabela 15Tabela ANOVA para a cota A De modo a verificar o efeito que cada condição de processamento tem nesta cota, as médias depois são expostas num gráfico onde no eixo do X estão os níveis do DOE e no eixo do Y o valor
84 da condição a analisar. Neste caso apenas interessa observar o comportamento da 2ª pressão na cota, tendo em conta que segundo a análise ANOVA efetuada é a única que tem influência significativa na cota em análise. Observando o gráfico da figura 63, e como era de se esperar, verifica-se que à medida que aumentamos a 2ª pressão o valor da cota tende a aumentar, pois com o aumento da 2ª pressão, há um aumento da quantidade de material que entra para a cavidade que compensa eventuais contrações volúmicas que a peça possa ter, pelo que não afetará tanto a mesma a nível dimensional. Figura 63Variação da cota A com a 2ª pressão Analisando agora a cota B, a tabela 16 mostra os resultados obtidos no DOE experimental efetuado. Neste caso o desenho técnico indica-nos que esta cota é 1±0,05mm, possuindo um valor máximo de 0,95mm e um valor máximo de 1,05mm.
85 Tabela 16Valores da cota B obtidos no DOE Experiências Cota B (mm) 5 6 7 8 9 10 11 12 Média 1 0,99 1,02 0,98 0,98 0,98 0,99 0,98 0,98 0,99 2 0,99 0,98 0,97 0,97 0,98 0,98 0,99 0,99 0,98 3 0,99 0,98 0,98 0,97 0,98 0,99 1,01 0,98 0,99 4 1,00 0,99 1,01 0,98 1,02 1,00 0,99 1,03 1,00 5 0,99 0,98 0,97 0,97 0,98 0,98 0,96 0,96 0,97 6 0,99 0,99 0,99 0,97 0,99 0,98 0,99 1,00 0,99 7 0,99 0,97 0,97 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 0,98 8 1,00 0,98 0,97 0,98 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 Ao realizar a análise ANOVA verificou-se que nenhum dos parâmetros de processamento que foram variados terão influência nesta cota. Observando a tabela 17, para todos os parâmetros, o Valor-p é inferior a 0.05, incluindo às interações. Tabela 17Tabela ANOVA para a cota B Como nenhum dos parâmetros ou interações são considerados significativos ao ponto de afetarem esta espessura, não é de interesse avaliar a variação desta cota para cada parâmetro de processamento, já que nenhum mostrou ser significativo, ou seja, o comportamento observado na cota não será relevante para uma análise da variação da mesma para estas condições de processamento. Contudo isto também significa que relativamente a esta cota o processo encontrase robusto para estas condições de processamento. Finalizada a análise ANOVA, pode-se concluir que na primeira cota apenas a 2ª pressão tem influência significativa na cota A, ou seja, a variação da 2ª pressão irá influenciar o valor da mesma, pelo que é importante ter em atenção este parâmetro a nível de otimização e controlo do processo,
86 ao contrário do que acontece com os restantes parâmetros, que em pouco influenciam o valor desta cota. A nível dimensional isto pode significar uma certa robustez do processo, já que apenas uma variação mais acentuada da 2ª pressão afetará mais notoriamente esta dimensão crítica. Para a cota B, verifica-se que estas condições do processamento não afetarão em demasia esta dimensão, pelo que qualquer variação mais acentuada destes 3 parâmetros em pouco irá afetar esta espessura. Posto isso, a nível de construção de uma janela dimensional, apenas interessa para a cota A já que é a única que possui uma condição de processamento que influencia verdadeiramente o valor desta dimensão. 6.4.2. Janela dimensional Após a análise ANOVA apresentada anteriormente, apenas se obteve uma janela de processo para a cota A que é a única que se deixa influenciar por uma das condições de processamento em análise. Para isso, em primeiro lugar é necessário obter uma equação que relaciona estes parâmetros de processamento. Utilizou-se esta equação para efetuar uma previsão sobre respostas para determinados níveis de cada fator da mesma. Também é útil para identificar o impacto relativo dos fatores em análise comparando os coeficientes dos fatores. A tabela 18 apresenta os valores para cada termos da equação para a cota A determinados através do programa Design Expert . Tabela 18Fatores da equação para obtenção da janela dimensional
87 Em que A é o termo correspondente à 2ª pressão, B ao tempo de arrefecimento, C à temperatura do molde e AB a interação entre a 2ª pressão e o tempo de arrefecimento. Claramente é evidenciado também através dos termos de mesma que é mais o fator A (2ªpressão) que influencia mais o gráfico que se vai obter para a janela de processamento Para isso, realizou-se em Excel um gráfico através da equação presente na tabela 18, de modo a observar o comportamento da cota quando se varia os parâmetros da equação. Tendo em conta o programa onde se obtiveram os parâmetros, estes devem ser variados entre -1 e 1. Neste caso como apenas o parâmetro A se apresenta o único com influência significativa, apenas se obteve uma curva onde este parâmetro variou entre -1 e 1, e os restantes tiveram um valor constante, neste caso, o fator B será a -1, o C será 1 e por sua vez, o fator AB será igual à multiplicação do fator A pelo fator B. Posto isto obteve-se o gráfico da figura 64. Figura 64Janela dimensiona cota A Como se pode observar no gráfico, todos os valores obtidos quando se varia o parâmetro A estão muito próximos do limite superior da cota em causa, sendo que o valor mínimo obtido no gráfico ronda os 10,98 mm, havendo ainda há uma distância relativamente grande entre o valor mínimo 10,75 10,8 10,85 10,9 10,95 11 11,05 11,1 -1 -0,5 0 0,5 1 Cota (mm) Parãmetros Variação parâmetro A Limite máximo Limíte mínimo
88 obtido na reta e o limite mínimo que esta cota pode ter, já que estes valores não se encontram “centrados” entre os limites estabelecidos para esta cota. Isto significa que tendo em conta os resultados obtidos nesta equação, os valores se encontram dentro dos limites que estão estabelecidos. Contudo, todos eles se encontram muito próximos do limite superior, significando que qualquer variação que possa ser provocada no processo pode facilmente provocar com que estes valores possam ultrapassar o valor máximo e comprometer a aprovação da peça. Ou seja, de facto não podemos garantir que, para esta cota, o processo é robusto no que toca à 2º pressão, já que mesmo que atualmente este valor se encontram todos dentro de tolerâncias, nada garante que qualquer alteração que possa acontecer no processo possa mudar esta variação. No entanto, podemos concluir que recorrendo a valores mais baixos de 2ºpressão, podem causar valores mais baixos de cota, pelo que este gráfico permite concluir que usando valores mais baixos de 2ª pressão iremos obter valores mais baixos de cota, pelo que isto deve ser tido em conta aquando da colocação dos parâmetros de injeção em máquina.
89 7. Conclusão Através da realização deste projeto foi possível reter novos conhecimentos e novas ferramentas relativas à otimização de processos de moldação por injeção. Recorrendo à moldação científica, conseguiu-se fazer uma análise ao processo produtivo em causa, acabando por otimizar, de certa forma, parâmetros importantes deste processo, como velocidades mais elevadas de injeção, e uma janela de processamento de 2ªpressões e temperaturas de fuso robusta. Verificou-se também uma redução do tempo de arrefecimento em 4 segundos. Em contrapartida, obteve-se um tempo de 2ª pressão mais elevado 2 segundos em relação ao anteriormente usado no processo, resultando numa redução de 2 segundos no tempo de ciclo, algo bastante positivo. Neste caso, moldação científica verificou ser uma abordagem muito vantajosa, pois é uma metodologia mais científica e bem planeada que permitiu a obtenção de parâmetros ideais de injeção, originando pouco desperdício pelo facto de ser algo muito bem definido e planeado relativamente à abordagem mais convencional. No entanto ainda há alguns pontos em que esta pode e deve ser melhorada, principalmente no que toca ao tempo de aplicação da mesma, que se verificou ser muito longo e que futuramente deve ser algo a analisar com mais detalhe, de modo a tentar arranjar forma, por exemplo, a nível do planeamento de experiências, de que forma esse tempo de aplicação da abordagem pode ser reduzido. No que toca ao DOE e ao seu propósito, verificou-se através da análise ANOVA que, a nível dimensional para as 2 cotas críticas em análise, apenas a 2ª pressão irá afetar uma delas, sendo o processo robusto para as restantes condições de processamento analisadas para cada uma das cotas. Quanto ao controlo estatístico do processo, os resultados obtidos não foram os que se esperavam inicialmente. De facto, era de se esperar melhorias a nível de controlo estatístico comparativamente à primeira analise antes da moldação científica. Contudo, quando se analisa as cartas de controlo obtidas, e apesar de se verificar que maior parte das amostras se encontram dentro dos limites de controlo e sem apresentarem causas de variação especiais, quando se observam os valores de capacidade de processo obtidos, estes são relativamente baixos, pois poucos são os que possuem um 𝐶𝑝𝑘 acima de 1.33, inclusive alguns apresentam valores abaixo do 1.00 de 𝐶𝑝𝑘, o que revela que o processo apresenta no seu estado atual muita variabilidade e não apresenta expectativas futuras de melhoramento. Isto não significa automaticamente que foi a moldação científica que causou esta variabilidade.
96
97 Dia 210h, 12h, 14h, 16h
98
99 Dia 310h, 12h, 14h, 16h
100
101 Dia 410h, 12h, 14h, 16h
102
103 Dia 510h, 12h, 14h
104 Cartas das Médias e Amplitudes
105 ANEXO IVAnálises estatísticas pósscientifc molding Dia 110h, 12h, 14h, 16h
112
113 Dia 510h, 12h, 14h, 16h
114
115 Cartas das Médias e Amplitudes
116 ANEXO VMáquina de injeção