Estudo, simulação e desenvolvimento de canais de refrigeração (ramificados e capilares) para moldes mecânicos via manufatura aditiva

Abstract

Resumo: O processo de fabricação industrial busca volume, eficiência, rapidez e qualidade na produção, os quais são essenciais para garantir a competitividade. O volume (quantidade) de produtos produzidos também representa economia, quanto mais se produz menor é o custo unitário do que é fabricado, pois são reduzidos os gastos com o processo de produção e reduzidos os custos com a compra de matéria-prima. Na busca por resultados favoráveis, muitas empresas adotam a "produção em massa", quando são produzidas muitas peças com as mesmas características, utilizando a mesma matéria-prima e mesmo processo de fabricação via Manufatura Formativa (MF). Para esse processo de fabricação são muito utilizados os moldes industriais, esses moldes possuem uma ou mais cavidades internas com o formato geométrico desejado, na qual é injetada a matéria-prima fundida, após a solidificação o produto é extraído do molde, quase sempre pronto. A construção do molde é um processo dispendioso que custa, além do material e produção do molde, muito tempo em desenvolvimento, fabricação dos protótipos e testes antes de se chegar a um molde eficiente e final. Um dos pontos mais importantes no molde são os canais de refrigeração. Nestes canais passa o líquido refrigerante que solidifica a peça a ser produzida, quando um molde é fabricado por Manufatura Subtrativa (MS), o desenvolvimento desses canais de refrigeração é limitado geometricamente, dificultando a construção de canais eficientes. Entretanto, o aumento da utilização da Manufatura Aditiva (MA), na construção de moldes se mostra viável e muito efetiva visto que é possível construir moldes com canais de refrigeração complexos(conformados), além das facilidades da utilização de modelos computacionais e simulações em 3D. Com o aprofundamento nas pesquisas, pode-se melhorar os canais de refrigeração conformados, desenvolvendo canais ramificados que distribuem melhor o líquido refrigerante e canais capilares, que além de melhorar a distribuição, podem acessar as partes mais complexas da geometria do molde, aumentando a área de troca de calor e consequentemente a efetividade do molde. Esta pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de refrigeração mais eficiente do que os convencionais e apresenta que um estudo aprofundado nos sistemas possíveis através da MA levam aos canais ramificados e capilares que justificam seu tempo de projeto visto que o sistema proposto foi capaz de reduzir o ciclo produtivo estimado de ~43,53 segundos para ~34,2 segundos além de apresentar uma distribuição de calor muito mais uniforme que outros tipos de sistemas, diminuindo o estresse estrutural que seria de ~16,7MPa em canais lineares para ~10MPa nas áreas mais afetadas, o que consequentemente aumenta a qualidade do produto. Os resultados das simulações demonstram a eficiência na refrigeração que resulta na redução do tempo do ciclo produtivo e tende a aumentar a produção, a receita e a competitividade.

Abstract: The industrial manufacturing process seeks volume, efficiency, speed and quality in production, which are essential to ensure competitiveness. The volume (quantity) of products produced also represents savings, how much more you produce, decrease unit cost of what is manufactured, as expenses with production process are reduced and costs with purchase raw materials are reduced. Seeking out for favorable results, many companies adopt "mass production", when many parts with same characteristics are produced, using same raw material and same manufacturing process via Formative Manufacturing (FM). Industrial moulds are widely used for this manufacturing process, these moulds have one or more internal cavities with desired geometric shape, inside this cavities the molten raw material is injected, after solidification product is extracted from mould, almost always ready. Mould construction is an expensive process that costs, in addition to the material and production of mould, a lot of time in development, manufacturing of prototypes and tests before arriving at an efficient and final mould. One of most important points in mould is coolant channels. The coolant passes through these channels and solidifies part to be produced, when a mould is manufactured by Subtractive Manufacturing (SM), development of these cooling channels is geometrically limited, making it difficult to manufacture efficient channels. However, the increased use of Additive Manufacturing (AM) in construction of moulds proves to be viable and very effective since it is possible to manufacture moulds with complex cooling channels (conformal), in addition to ease of use of computer models and 3D simulations. With further research, it is possible to improve conformal cooling channels, developing branched channels that better distribute coolant and capillary channels, which in addition to improving distribution, can access most complex parts of mould geometry, increasing area of heat exchange and consequently effectiveness of mold. This research aims to develop a more efficient refrigeration system than the conventional ones and shows that an in-depth study of the possible systems through AM directs to branched and capillary channels that justify its design time since the proposed system was able to reduce the estimated production cycle from ~43.53 seconds to ~34.2 seconds, in addition to presenting a much more uniform heat distribution than other types of systems, reducing the structural stress that would be ~16.7MPa in linear channels to ~10MPa in the most affected areas, which consequently increases the quality of the product. The simulation results demonstrate the efficiency in refrigeration that results in the reduction of the production cycle time and tends to increase production, revenue and competitiveness.