Sistema de aquecimento de superfícies moldantes por indução

O processo tecnológico de moldação por injeção de plásticos é uma das tecnologias de processamento de produtos plásticos com maior relevância no mercado, existindo uma constante necessidade de aumentar, quer a taxa de produção, quer a qualidade dos produtos produzidos, em simultâneo com a redução de custos.

O processo de injeção é influenciado por inúmeros parâmetros, envolvendo diferentes áreas da física, como por exemplo a transmissão de calor e a engenharia estrutural. Um desses parâmetros, de elevada importância na qualidade superficial dos produtos produzidos, é a temperatura a que se encontram as superfícies moldantes durante a moldação do polímero (Li et al., 2009).

Esta temperatura das superfícies moldantes resulta da combinação entre a temperatura a que o polímero é injetado e a temperatura do líquido de refrigeração. O polímero quando é injetado encontra as superfícies moldantes frias, isto é, a uma temperatura relativamente inferior à do próprio. Este gradiente térmico a que o material se encontra sujeito no instante em que é injetado, origina diversos defeitos devido à resistência que o escoamento sofre no interior das cavidades moldantes (Chen et al., 2006).

De forma a minimizar estes defeitos, uma solução utilizada consiste no aumento significativo da pressão de injeção, elevando os níveis de consumo energético. Outra solução consiste no aquecimento das superfícies moldantes. Esta solução, para além de ser efetiva na obtenção de uma elevada qualidade superficial dos componentes produzidos, permite também reduzir significativamente a pressão de injeção.

Contudo, o aquecimento das superfícies moldantes poderá aumentar significativamente o tempo de ciclo do processo de moldação por injeção, originando, consequentemente, um aumento do custo de produção. Por isso, a redução do tempo de aquecimento e de arrefecimento das superfícies moldantes é um fator crucial.

O aquecimento das superfícies moldantes, recorrendo aos diversos mecanismos de transferência e de geração de calor, tem sido alvo de investigação no sentido de diminuir o tempo de ciclo, encontrando-se na literatura inúmeros casos de estudo sobre possíveis soluções. A solução com um elevado potencial é o aquecimento por indução eletromagnética devido às elevadas taxas de aquecimento obtidas (Chen et al., 2006).

Dada a complexidade dos processos físicos inerentes à geração de calor por indução eletromagnética, e das geometrias com alguma complexidade das superfícies moldantes, é benéfico recorrer à simulação numérica para um correto dimensionamento dos sistemas de aquecimento por indução. Atualmente, existem diversos softwares comerciais que permitem associar as equações de Maxwell com a equação de transporte de calor. Contudo, para a realização do presente trabalho, o software selecionado foi o Ansys Maxwell (versão 14.5) devido à constante validação numérico-experimental realizada em diversos trabalhos científicos, como por exemplo no trabalho de Bao et al. (2020).

O caso de estudo selecionado corresponde ao aquecimento de uma placa de aço 1.2311 (P20) com uma dimensão de 100 x 100 mm e uma espessura de 5 mm, de forma a simplificar a geometria da placa moldante. Relativamente à geometria da bobine, esta foi alvo de análise através da realização de ensaios preliminares, resultando numa espiral plana (4 voltas). A Figura 1 apresenta uma fotografia do aparato experimental e do respetivo modelo numérico.

Relativamente ao modelo numérico importado para o software Ansys Maxwell, as propriedades físicas atribuídas aos diferentes materiais presentes no modelo foram consideradas como independentes da temperatura, utilizando um valor médio das mesmas, de forma a simplificar o estudo e diminuir o tempo de computação.

Como condição inicial, para o campo térmico, foi definido um valor uniforme de 250C. Como condições de fronteira foram aplicadas excitações nos terminais da bobine de 200A e 235A a 50kHz. O entorno de ar, foi modelado para ser suficientemente grande, uma vez que nas suas fronteiras exteriores o campo magnético é forçado a ser tangente.

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