Informação profissional para a indústria de plásticos portuguesa

O sistema de assistência iQ weight control garante maior estabilidade do processo

Como aumentar as possibilidades de uso de materiais reciclados

Dipl.-Eng. Dr. Georg Pillwein, Chefe de Desenvolvimento de Tecnologia de Processos na Engel Austria GmbH, em Schwertberg, na Áustria; georg.pillwein@engel.at; Dipl.-Eng. Philipp Willnauer, engenheiro de desenvolvimento em tecnologia de processos na Engel; philipp.willnauer@engel.at; Prof. Dr. Eng. Georg Steinbichler, vice-presidente sénior de Tecnologia de Pesquisa e Desenvolvimento na Engel Austria GmbH e presidente do Instituto de Moldagem por Injeção de Polímeros e Automatização de Processos na Universidade Johannes Kepler, em Linz, na Áustria; georg.steinbichler@engel.at.

25/02/2022

Os sistemas de assistência inteligentes estão a abrir o caminho para a auto-otimização da produção. A correção automática de parâmetros relevantes para a qualidade já é uma realidade em diversas fases do processo de moldagem por injeção. Na última K, a Engel apresentou pela primeira vez o iQ weight control com o exemplo de uma aplicação de materiais reciclados. Testes realizados em conjunto com o especialista em reciclagem Erema confirmam que o sistema tem um grande potencial para a economia circular.

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Com o fabrico de peças de amostra de paredes finas, a Engel apresentou pela primeira vez o sistema de assistência inteligente iQ weight control na K2019, com uma aplicação de materiais reciclados.

As caixas de transporte e armazenamento são uma aplicação perfeita para uso de matérias-primas recicladas. Vários clientes da Engel Austria, já processam materiais reciclados em grandes quantidades para produzir vários tipos de embalagem, com a ajuda do iQ weight control para melhorar a repetibilidade do processo. O software deteta flutuações na matéria-prima e nas condições ambientais e ajusta individualmente o perfil de injeção, o ponto de transição e a pressão de retenção, para que cada processo de injeção se adeque às condições de produção do momento. “Podemos processar materiais reciclados de diferentes fontes e, graças ao iQ weight control, minimizar a taxa de rejeição. Isto torna muito mais fácil usar materiais reciclados”, comentou um cliente da Engel, bem conhecido internacionalmente.

As flutuações nas propriedades dos materiais representam um desafio significativo para o processamento de materiais reciclados. Mesmo os resíduos plásticos recolhidos e tratados de forma homogénea estão sujeitos a maiores flutuações do que o material virgem, uma vez que as propriedades dos materiais reciclados também são influenciadas por circunstâncias como a intensidade da contaminação dos resíduos e o processo utilizado para lavar, triturar e voltar a peletizar os resíduos. No processamento de reciclados, os materiais são geralmente obtidos de fornecedores diferentes. Como as empresas de reciclagem usam tecnologias diferentes, sempre que se muda de lote verifica-se uma variação na qualidade do material.

As flutuações nas propriedades dos materiais representam um desafio significativo para o processamento de materiais reciclados

A Engel abordou este problema na última K. A empresa utilizou uma máquina de injeção victory 120 para processar ABS totalmente reciclado em peças de teste alongadas. Os lotes de material reciclado vieram de dois fornecedores, que usaram diferentes tecnologias de tratamento e obtiveram as matérias-primas de diferentes fontes.

Os visitantes da feira puderam iniciar eles próprios uma mudança de lote e acompanhar no display (CC300) como o sistema de assistência adapta os parâmetros de processamento às diferentes viscosidades de fusão a fim de produzir peças aceitáveis com a primeira injeção após uma mudança de lote. Para ilustrar isso mesmo, o iQ weight control foi alternadamente ativado e desativado na mudança de lote (Fig. 1). Quando este foi desligado, as peças deixaram de ser completamente preenchidas após a mudança do lote e ocorreram rejeições.

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Fig. 1. As secções da imagem da extremidade do caminho de fluxo (topo) mostram claramente que, com o iQ weight control desativado (cinza), a cavidade não foi completamente preenchida após a mudança de lote. Por outro lado, com o iQ weight control ativado (verde) foram produzidas peças aceitáveis de forma consistente.

Testes com reciclados processados de diferentes formas

O pré-requisito para o estabelecimento de uma economia circular é usar os resíduos plásticos processados de maneira mais diversificada para a produção de novos produtos de alta qualidade. Como fabricante de máquinas de injeção, a Engel dá um contributo essencial para a economia circular, aumentando a estabilidade do processo. No mercado desde 2012, o iQ weight control foi inicialmente lançado para o processamento de material virgem [1].

A demonstração levada a cabo durante a feira K e os primeiros exemplos práticos, como a produção de caixas e recipientes, mostram o potencial dos sistemas de assistência na economia circular. Para avaliar este potencial com mais fundamento, a Engel e a Erema investigaram a eficácia do iQ weight control no processamento de materiais reciclados.

No centro técnico da Erema, foi utilizada uma máquina Engel da série victory para moldar peças de amostra em polipropileno (PP). Os materiais de reciclagem processados provinham de geotêxteis que tinham sido anteriormente utilizados em estaleiros de construção, e que, por isso, estavam muito sujos. Os materiais foram lavados, processados e novamente peletizados (Fig. 2).

Para simular condições realistas e realizar mudanças de lote, foram utilizadas quatro combinações diferentes de tecnologias de reciclagem e parâmetros de processamento. Os quatro materiais reciclados resultantes têm diferentes índices de fluidez (MFI) no intervalo entre 15 e 30 g/10 min. e têm propriedades correspondentemente diferentes durante o processamento.

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Fig. 2. Diferentes métodos de reprocessamento influenciam a fluidez e outras propriedades dos granulados resultantes. Para simular um amplo espetro de condições diferentes, a série de experiências foi conduzida com quatro materiais reciclados de PP tratados de forma diferente.

Reconhecimento e compensação de diferenças nas propriedades dos materiais

Numa primeira série de testes, foram moldadas por injeção barras de tração. Para avaliar a repetibilidade do processo e a qualidade das peças resultantes, a atenção foi centrada no enchimento das peças e nas propriedades mecânicas, como a resistência ao impacto, que foram determinadas em laboratório. As propriedades mecânicas, assim como a viscosidade, dependem do peso molecular do polímero processado. O iQ weight control, pode reconhecer até mesmo pequenos desvios na viscosidade em relação a um valor de referência. Uma alteração (automaticamente) detetada na viscosidade é, portanto, um indicador de que algo pode ter mudado na distribuição do comprimento da cadeia do polímero.

Ao ajustar o perfil de injeção, o ponto de transição e o perfil de retenção de pressão, o sistema de assistência mantém o volume de enchimento constante mesmo com uma viscosidade flutuante, evitando o enchimento incompleto das peças. O enchimento mais consistente também ajuda a garantir a mesma compressão, idependentemente da carga. Os défices de resistência provocados pela degradação do peso molecular da matéria-prima não podem ser compensados por meio de um controlo de processos.

Mais útil do que o MFI

O MFI é frequentemente usado como um indicador de fluidez. No entanto, este índice ignora a influência da taxa de cisalhamento sobre a viscosidade. Com o aumento da taxa de cisalhamento, a viscosidade é reduzida pelo comportamento pseudoplástico dos fundidos plásticos, o que melhora a fluidez. Uma vez que, na moldagem por injeção, ocorrem taxas de cisalhamento significativamente mais altas que na medição do MFI, este nem sempre é adquad para avaliar a fluidez sob condições de processamento. O iQ weight control deteta as mudanças de viscosidade com base nas taxas de cisalhamento que realmente afetam o processo e, portanto, permite obter informação mais precisa (Fig. 3).

A medição MFI na taxa de cisalhamento mais baixa coincide com a medição no reómetro capilar de alta pressão (HCR) ao mostrar uma diferença de 23,7% nas capacidades de fluidez dos dois materiais em consideração. No processo real de moldagem por injeção, o iQ weight control, por outro lado, calcula uma diferença de viscosidade de apenas + 11,7%, o que coincide muito bem com a diferença de 12,4% determinada com a medição HCR na taxa de cisalhamento efetiva correta (Fig. 3, à esquerda).

Se as curvas das viscosidades dependentes da taxa de cisalhamento se cruzarem, um material que flui mal na medição MFI pode fluir ainda mais facilmente sob as condições reais do processo. Aqui também, o iQ weight control fornece o resultado correto de -5,4% (Fig. 3, à direita).

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Fig. 3. Os dois diagramas mostram curvas de viscosidade dependentes da taxa de cisalhamento medidas no reómetro capilar de alta pressão (HCR), para diferentes materiais reciclados em apresentação logarítmica dupla. As medições de MFI são feitas no intervalo de taxas de cisalhamento baixas, no qual taxas de cisalhamento significativamente mais altas ocorrem durante o processo real de moldagem por injeção. A alteração da viscosidade determinada a partir dos dados do processo é, portanto, frequentemente muito mais relevante do que uma comparação pura de MFI.

Moldes com geometrias complexas como objetos de teste

Para poder avaliar o modo de operação do software em geometrias mais complexas, foi usado, numa segunda série de experiências, um molde de teste para o fabrico de placas escalonadas ramificadas com várias variações na espessura de parede (Fig. 4). As placas têm uma espessura de parede de 3 mm ao longo da alma central. Os braços laterais têm 2, 1 e 0,5 mm de espessura, com as regiões mais finas localizadas no final do caminho do fluxo.

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Fig. 4. Placa escalonada com quatro espessuras de parede diferentes. A alma central tem 3 mm de espessura. Os braços laterais têm espessuras de parede de 2, 1 e 0,5 mm, com as regiões mais finas localizadas no final do caminho do fluxo.

Nos testes, foram moldados dois dos quatro materiais reciclados reprocessados pela Erema. Um dos materiais foi definido como referência (material reciclado 1). Com a mudança do material de referência para o outro (material reciclado 2), verificou-se que, sem o controlador de processo inteligente, o peso da injeção diminuiu significativamente e a cavidade já não pôde ser totalmente preenchida (Fig. 5). Quando o iQ weight control foi ativado, o peso da injeção aumentou até atingir a ordem de valores obtidos com o material de referência e foram produzidas, de forma consistente, peças completamente preenchidas.

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Fig. 5. Na troca do material reciclado, o peso de injeção diminui significativamente, com a consequência de que são produzidas peças defeituosas. Com a ativação do iQ weight control, os pesos de injeção são aumentados para o intervalo do material de referência.

Este resultado foi corroborado pela análise das curvas de pressão interior do molde registadas (Fig. 6). Neste caso, o controlo foi, no entanto, realizado através do transdutor de pressão de injeção na máquina, já que isto é o que normalmente acontece na prática. Na fase de enchimento, a pressão necessária é significativamente aumentada com o material reciclado 2, com menor fluidez. O ponto de transição, marcado por uma linha vertical, e o nível de pressão de retenção são ajustados de forma correspondente com o iQ weight control (Fig. 6, topo).

Dois aumentos de pressão marcados são percetíveis na curva de pressão da cavidade, os quais são destacados na figura por meio de linhas pontilhadas verticais. O primeiro aumento de pressão ocorre no ponto em que a frente de fluxo atinge o sensor de pressão da cavidade, e o segundo aumento de pressão ocorre como resultado do enchimento volumétrico completo da cavidade ou durante o congelamento prematuro da frente de fluxo nas partes preenchidas de forma incompleta.

Sem o iQ weight control, o enchimento é retardado, o que se traduz no aumento retardado da pressão no molde, uma pressão significativamente mais baixa na fase de retenção e, finalmente, no enchimento incompleto da cavidade. Com o iQ weight control, por outro lado, graças à adaptação do ponto de transição e do nível de pressão de retenção, a curva de pressão da cavidade foi quase idêntica à obtida durante o processamento do material de referência (Fig. 6, parte inferior).

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Fig. 6. Curvas de pressão após a mudança de lote de material reciclado 1 para material reciclado 2. O diagrama superior apresenta o perfil de pressão de injeção específico. O gráfico das curvas de pressão da cavidade (parte inferior) apoia o resultado da medição do peso da peça e também mostra o progresso frontal de preenchimento mais uniforme com o iQ weight control.

Avaliação fiável do potencial antes do investimento

O sistema de assistência inteligente do programa ‘Inject 4.0’ está disponível para todas as máquinas de injeção da Engel, tanto com unidades injetoras elétricas como hidráulicas. O monitor do iQ weight control ajuda com uma avaliação do potencial antes de o investimento ser realizado [2]. Este software faz parte do âmbito de série de todas as máquinas de moldagem por injeção. Assim como o iQ weight control, este reconhece desvios de um estado de referência e permite que o processador reconheça as flutuações e avalie a qualidade do respetivo lote de matéria-prima. O mesmo difere do iQ weight control porque o monitor de peso iQ não efetua correções no processo.

A Engel está continuamente a desenvolver os respetivos sistemas de assistência. Na K2019, o iQ weight control não foi apenas apresentado com uma aplicação de materiais reciclados pela primeira vez, mas também com uma nova função. Na moldagem por injeção em cascata com iQ weight control, os parâmetros de processo relevantes para a qualidade podem agora ser adaptados para múltiplas portas conectadas em série. Depois do enchimento na primeira porta, este muda primeiro para a segunda, e depois para todas as outras portas, e apenas para a pressão de retenção no final da cascata.

No processo, para além do perfil de injeção, do ponto de transição e da pressão de retenção, o software adapta adicionalmente os respetivos pontos de abertura e fecho às condições do processo no momento. As peças de amostra alongadas de ABS reciclado foram preenchidas por meio de três portas. Assim, na moldagem por injeção de peças de grandes áreas com longos caminhos de fluxo - tanto com material virgem como com material reciclado - o potencial do iQ weight control pode ser completamente explorado.

Conclusão

As flutuações de lote devido a diferentes materiais iniciais e tecnologias de reciclagem, representam um grande desafio para a economia circular. A adequação prática do controlador de processo iQ weight control para processamento de materiais reciclados foi confirmada em ensaios conjuntos pela Engel e pela Erema, bem como numa demonstração ao vivo na K2019. O sistema de assistência pode, assim, contribuir significativamente para o funcionamento de uma economia circular.

Referências

1. Giessauf, J.; Pillwein, G.; Steinbichler, G.: Process Control: Switch over to Consistent Quality Kunststoffe 102 (2012) 9, pp. 28-32

2. Giessauf, J.; Maier, C.; Kapeller, P.; Pillwein, G.; Steinbichler, G.: Numbers that Count Kunststoffe 107 (2017) 9, pp. 28-32

iQ weight control

Com a injeção de plástico fundido na cavidade, a quantidade de preenchimento é influenciada por diversos fatores, que podem afetar negativamente a qualidade da peça. Além de flutuações no lote de matéria-prima, eles também incluem a alteração da temperatura ambiente e da humidade atmosférica, flutuações no comportamento de fecho da válvula de retenção e no fornecimento de fluido operacional, bem como uma fase de longa execução, por exemplo, após um tempo de paragem da produção.

O sistema de assistência de iQ weight control da Engel analisa a mudança de pressão em tempo real durante a injeção e compara os valores medidos com um ciclo de referência pré-determinado. Se o software detetar desvios, o mesmo adapta o perfil de injeção, o ponto de transição e o perfil de pressão de retenção às condições atuais do processo na mesma injeção. No caso de peças que são preenchidas em cascata por meio de múltiplas portas, o iQ weight control corrige adicionalmente a abertura e o fecho das válvulas de fecho individuais de acordo com o progresso do enchimento. Desta forma, o software garante alta constância do processo e maximiza a produção de peças aceitáveis.

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