Moldes também podem contribuir para a eficiência energética

Moldes também podem contribuir para a eficiência energética

A transformação das resinas plásticas naturalmente envolve alto consumo de energia. A indústria está lutando para reduzir esse gasto, não só tendo em vista os seus custos crescentes, mas também uma força motriz igualmente forte: a obsessão pela sustentabilidade, a qual está encontrando cada vez mais apoiadores.

Durante o processamento de polímeros termoplásticos é necessário usar calor para fundi-los e, dessa forma, moldar os produtos acabados - e, nesse momento, ele deve ser novamente dissipado. Do ponto de vista energético, o produto moldado acabado encontra-se no mesmo nível que a matéria-prima que foi entregue. Portanto, o processo de transformação tem de ser tornado tão eficiente quanto possível.

Molde apresentando múltiplas aberturas contendo 384 cavidades para a fabricação de protetores de agulhas (figuras fornecidas pela Schöttli)

Dentro da cadeia de processos, o fabricante de peças moldadas por injeção despende a maior parte da energia na injetora. É por isso que todos os principais fabricantes de equipamentos há muito tempo incluíram os modelos totalmente elétricos na sua linha de produtos. Em comparação com as injetoras hidráulicas, as versões elétricas apresentam perdas energéticas muito menores durante a conversão; além disso, os acionamentos elétricos oferecem a possibilidade de recuperação, ou seja, regeneração da energia durante a execução de algumas funções do equipamento.

Mas o que frequentemente se subestima é o potencial de economia que o molde de injeção propriamente dito pode proporcionar. Neste caso o uso de moldes com sistemas de alimentação plenamente aquecidos oferece os maiores potenciais. Para poder economizar energia no molde, os fluxos individuais de energia

O balanço dos fluxos de calor através do molde encontra-se em estado de equilíbrio termodinâmico

são calculados usando-se programas adequados baseados no método de elementos finitos; por outro, são indispensáveis a suplementação e validação desses cálculos usando dados coletados empiricamente em laboratório. Equipamentos apropriados para as medidas e criatividade na determinação dos fluxos individuais de energia são absolutamente essenciais. A avaliação imediatamente revela os fatores relevantes e sua ponderação. Este trabalho de desenvolvimento leva a moldes de injeção que consomem menos energia, que se caracterizam por instalações com menor potência elétrica e que conseguem maior produtividade graças ao uso mais eficiente da capacidade de resfriamento.

O CALOR CONTIDO NA RESINA FUNDIDA DEVERIA RESPONDER PELA MAIOR PARTE DA ENERGIA CONSUMIDA

O objetivo aqui é alcançar uma alta fração de calor para a resina fundida em relação ao total de todos os fluxos de entrada do balanço de energia. Ao final do ciclo, o sistema de resfriamento do molde tem novamente de dissipar a energia térmica que havia sido introduzida na unidade de injeção para a fusão do plástico após a injeção do fundido na cavidade do molde. Portanto, no que concerne à eficiência energética, deve-se programar a menos temperatura possível para a resina fundida. O cálculo simplificado abaixo ilustra a influência da temperatura da resina fundida:

Pode-se observar que uma redução na temperatura da resina fundida (AT) de 10ºC, para uma vazão maciça de polipropileno fundido de 100 kg/h ao longo de um padrão de três turnos de trabalho (24h) (C igual a 2,880 J/kg.K) resulta numa economia de aquecimento de 19,2 kWh por dia. O potencial de economia aumenta ainda mais caso sejam usadas unidades de refrigeração para resfriar a água, dependendo do coeficiente de eficiência térmica - trata-se de uma quantidade significativa de energia para um molde sob operação contínua (figura 1).

A fricção gera calor - e maior demanda por pressão

Como se pode observar na prática, uma grande quantidade de energia mecânica pode ser convertida em energia térmica no sistema de alimentação, no bocal da injetora e nos canais quentes do molde.

A razão para isso encontra-se no comportamento de fluxo do material. Dependendo do fluxo volumétrico e da geometria, ocorre fricção, predominantemente ao logo das bordas do canal de resina fundida. Esta fricção se reflete, por um lado, num aumento da temperatura da resina fundida (calor de cisalhamento) e, por outro, numa maior demanda por pressão na unidade de injeção. Esta pressão, por sua veza, inclui a pressão requerida para preencher a cavidade que formará a peça moldada por injeção e as perdas de pressão no sistema de alimentação. Estas podem ser influenciadas predominantemente pelo projeto da geometria do sistema de canais quentes.

A experiência tem mostrado que a perda de pressão no sistema de canais quente de moldes com grande número de cavidades responde por aproximadamente 30 a 40% da demanda total de pressão. Deve-se ressaltar aqui que a perda de pressão é plenamente efetiva somente durante a fase de preenchimento, ou seja, enquanto houver um fluxo volumétrico. Essa perda de pressão pode ser minimizada por meio da adaptação da reologia dos canais quentes conforme a aplicação desejada.

Molde com 96 cavidades para fabricação de tampas para garrafas

Frequentemente este potencial é desprezado quando se usam sistemas modulares. Mas, dependendo da resina usada e de demandas específicas, tais como o comportamento quando da troca de cores e o máximo tempo de residência do plástico, os diâmetros internos para a passagem de resina fundida no sistema de alimentação devem ser tão pequenos quanto necessário e os mais curtos possíveis. A demanda de pressão reduzida se reflete num menor consumo de energia pela injetora. Um exemplo pode servir para ilustrar essa influência: num molde com 96 cavidades para tampas de garrafas (figura 2), uma redução na queda de pressão no sistema de canais quentes de 100 bar resulta numa economia de energia de aproximadamente 24 kWh.

O aquecimento da água para refrigeração é ineficiente

No caso de moldes com canais quentes plenamente aquecidos, o correspondente sistema de aquecimento elétrico pode responder por uma grande parte do consumo de energia. 

No caso ideal, a potência de aquecimento empregada deve ser apenas suficiente para manter o plástico sob a temperatura de transformação. do ponto de vista ideal, a resina fundida não deve nem resfriar, nem absorver calor. Dito de outra forma, isto significa que a potência total de aquecimento dos canais quentes deve ser projetado do ponto de vista térmico, de maneira tal que ocorra um pequeno fluxo de energia elétrica de aquecimento para a água de refrigeração. Engenheiros projetistas geralmente conseguem alcançar esse objetivo por meio da redução do número de pontos de contato e usando materiais isolantes com baixa condutividade térmica (figura 3). O sistema de canais quente precisa ser isolado da melhor forma possível para que eles desempenhem eficientemente sua função.

Modelo computacional do canal quente baserado no método de elementos finitos. A dissipação de calor desde o canal quente para o molde tem de ser reduzida

Em comparação, engenheiros de aplicação da Schöttli AG, de Di-essenhofen, Suíça, examinaram o consumo de energia de vários sistemas de canais quentes, manufaturados pelos principais fabricantes, usando-se esse molde para tampas de garrafas com 96 cavidades. Puderam ser constatadas diferenças significativas entre os vários sistemas individuais. O potencial de economia aqui foi de até 50% ou 240 kWh por dia. Esse ineficiente "aquecimento da água de refrigeração" também limita a capacidade dos sistemas de refrigeração existentes, o que constitui desvantagem para o resfriamento da peça moldada. Portanto, um sistema eficiente de canais quentes exerce efeito positivo sobre o desempenho do molde.

Vantagens dos moldes empilhados e dos acionamentos elétricos para o extrato de macho

Em comparação com moldes que apresentam apenas uma linha de partição, os moldes empilhados (figura mostrada no início do trabalho) oferecem potenciais de economia não reconhecidos associados ao aquecimento elétrico do sistema de alimentação. As duas superfícies de partição compartilham um canal quente comum no meio do molde. Dessa forma diminuem o número e área dos pontos de contato em comum entre o canal quente e o molde em relação ao número de cavidades. Isto significa que o consumo de energia por cavidade cai. Portanto, na prática, os transformadores de plásticos podem economizar aproximadamente 30% da energia consumida no aquecimento elétrico usando um simples molde com a assim chamada face única. O consumo relativo de energia por cavidade correspondente ao movimento das placas da máquina também cai, uma vez que a energia requerida para abrir e fechar a placa móvel do molde aumenta, mas de forma leve, enquanto o número de peças ejetadas é quase que dobrado.

Os acionamentos elétricos também iniciaram sua marcha triunfal na área dos moldes. 

Sistema hidráulicos e pneumáticos são tradicionalmente usados para acionar extratores de machos e mecanismos de fechamento por agulhas. eles são particularmente caracterizados por altas perdas de conversão.

Contudo, os acionamentos elétricos não apenas oferecem a vantagem de serem capazes de controlar precisamente os movimentos como também apresentam reduzido consumo de energia. Por outro lado, eles também impõem altos custos de investimento. Mas já foi visto que a utilização correspondente do molde faz com que os altos investimentos financeiros sejam compensados pelo menor consumo de energia.

O uso de uma filosofia de projeto orientada estritamente à eficiência energética permite que seu consumo pelo processo de moldagem por injeção seja significativamente reduzido. A experiência mostrou ainda que a exploração seletiva das constatações mostradas nesse trabalho também melhora o desempenho do molde.

Fonte: Revista Plástico Industrial