PT1924415E

PT1924415E - Dispositivo de transformação de materiais utilizando um aquecimento por indução

Info

Publication number: PT1924415E
Application number: PT06779028T
Authority: PT
Inventors: Jose Feigenblum; Alexandre Guichard
Original assignee: Roctool
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2012-02-28
Also published as: CN101253030A; RU2407635C2; FR2890588B1; ES2380225T3; DK1924415T3; EP1924415B1; RU2008107739A; EP1924415A1; JP4712091B2; US20080230957A1; CA2620883A1; CA2620883C; ATE533604T1; WO2007031660A1; JP2009507674A; FR2890588A1; CN101253030B

Description

DESCRIÇÃO

"DISPOSITIVO DE TRANSFORMAÇÃO DE MATERIAIS UTILIZANDO UM AQUECIMENTO POR INDUÇÃO" A presente invenção refere-se a um dispositivo e a um processo utilizando um aquecimento por indução, particularmente, com o objectivo de realizar a transformação ou a moldagem de materiais, em particular, de materiais compósitos de matriz termoplástica ou termo-endurecivel.

Para realizar a moldagem de peças plásticas ou compósitos, os processos conhecidos de aquecimento por indução apresentam o inconveniente de aquecer uma parte importante de um corpo de molde. É assim conhecido, pelo documento JP-A-57193340, um dispositivo para a vulcanização de borracha compreendendo dois corpos de molde metálicos em torno dos quais está enrolada uma bobina de aquecimento por indução. A invenção permite limitar o aquecimento por indução a uma superfície, de modo a localizar o aquecimento na interface molde/matéria, o que permite limitar o consumo de energia e, por conseguinte, melhorar o rendimento energético do dispositivo. A produtividade é igualmente aumentada com tempos aquecimento e de arrefecimento diminuídos, visto uma fracção muito reduzida do volume do molde ser submetida ao aquecimento por indução. A invenção tem, também, por objectivo, reduzir o custo das ferramentas. 1 A invenção refere-se, assim, a um dispositivo de transformação, particularmente por moldagem, de materiais, em particular, de materiais compósitos de matriz termoplástica ou termo-endurecivel, compreendendo: - dois corpos de molde móveis um relativamente ao outro, realizados num material electricamente condutor e compreendendo, cada um, uma zona moldante destinada a estar em contacto com o material a transformar, e - meios indutores para gerar um campo magnético de frequência F envolvendo os corpos de molde, - as faces de, pelo menos, um dos dois corpos de molde situadas em frente dos meios indutores, com excepção da zona moldante, sendo recobertas por uma camada de blindagem de um material amagnético impedindo a penetração do campo magnético nos corpos de molde,

Os corpos de molde estando isolados electricamente um relativamente ao outro durante a fase de moldagem, para que as faces em frente dos dois corpos de molde delimitem um entreferro nas quais circula o campo magnético que induz correntes na superfície da zona moldante de cada corpo de molde, permitindo, assim, localizar o aquecimento na interface zona moldante/material a transformar.

Segundo uma forma de realização, os dois corpos de molde estão recobertos por uma camada de blindagem.

Segundo uma forma de realização, os corpos de molde compreendem um composto magnético, de um modo preferido de 2 permeabilidade magnética relativa e resistividade elevadas, por exemplo, um aço à base de níquel, crómio e/ou titânio.

Segundo uma forma de realização, um único corpo de molde está recoberto por uma camada de blindagem, o outro corpo de molde compreendendo um material amagnético, de um modo preferido, ligeiramente resistivo como, por exemplo, alumínio.

Segundo uma forma de realização, o corpo de molde recoberto por uma camada de blindagem compreende um composto magnético, de um modo preferido, de resistividade e permeabilidade magnética relativa elevadas, por exemplo um aço à base de níquel, crómio e/ou titânio.

Segundo uma forma de realização, a camada de blindagem recobre igualmente uma parte, que não constitui uma zona moldante de, pelo menos, uma das duas faces em frente dos dois corpos de molde.

Segundo uma forma de realização, a camada de blindagem compreende uma chapa metálica fixa ao corpo de molde magnético, sendo esta, por exemplo, soldada ou aparafusada.

Segundo uma forma de realização, a camada de blindagem compreende uma deposição de matéria, particularmente, uma deposição electrolítica.

Segundo uma forma de realização, a espessura e da camada de blindagem é, pelo menos, igual a: e = 50* (p/F) 1/2 3 p sendo a resistividade do material amagnético e F a frequência do campo magnético.

Segundo uma forma de realização, a frequência F é, pelo menos, igual a 25 kHz e, de um modo preferido, no máximo, igual a 100 kHz.

Segundo uma forma de realização, a camada de blindagem compreende um material amagnético de reduzida resistividade eléctrica, por exemplo, cobre ou alumínio.

Segundo uma forma de realização, uma camada electricamente isolante é aplicada sobre a zona moldante de, pelo menos, um corpo de molde para constituir o isolamento eléctrico destes últimos, particularmente, quando o material a transformar é condutor.

Segundo uma forma de realização, os meios indutores compreendem duas partes, cada uma solidária com um dos corpos de molde para permitir a abertura do dispositivo e móveis com o corpo de molde respectivo.

Segundo uma forma de realização, as duas partes dos meios indutores são ligadas electricamente através de, pelo menos, um contactor eléctrico permitindo manter o contacto durante o deslocamento relativo de um corpo de molde relativamente ao outro durante a fase de transformação. A invenção refere-se, igualmente, a um processo de fabrico de peças, particularmente em grande série, recorrendo ao dispositivo definido acima. 4

Outras características e vantagens da invenção revelar-se-ão com a descrição feita abaixo, sendo esta última efectuada a titulo de exemplo não limitativo fazendo referência aos desenhos seguintes, nos quais: - a figura 1 representa um dispositivo de acordo com a invenção, - a figura 2 mostra o dispositivo da figura 1 durante a transformação de um material, - as figuras 3a e 3b mostram duas disposições diferentes dos indutores para o dispositivo mostrado na figura 1, correspondendo estas figuras a vistas segundo a linha 3-3 da figura 2, - a figura 4 mostra uma variante do dispositivo, e - a figura 5 mostra uma segunda variante. 0 dispositivo de moldagem representado nas figuras 1 e 2 compreende dois corpos 10, 20 de molde, móveis um relativamente ao outro. Os corpos 10, 20 de molde são realizados num material magnético, do qual uma parte constitui uma zona moldante, respectivamente, 12 para o corpo 10 de molde e 22 para o corpo 20 de molde. As zonas 12, 22 moldantes estão situadas em duas faces em frente dos corpos de molde.

Uma rede de indutores 30, ligados electricamente em paralelo ou em série a um gerador de corrente, está disposta em torno dos corpos de molde. Cada indutor 30 compreende uma espira 5 condutora e compreende duas partes 32, 34 separáveis, das quais cada uma é solidária com um corpo de molde, respectivamente 10, 20.

Uma parte da superfície exterior de cada corpo 10, 20 de molde, com excepção das zonas 12, 22 moldantes, está recoberta com uma camada 14, 24 de blindagem. No exemplo, a blindagem recobre as faces exteriores dos corpos de molde situadas em frente dos indutores 30 e uma parte das faces em frente dos dois corpos de molde. Em contrapartida, não é necessário que as faces exteriores dos corpos de molde que não estão em frente de um indutor (i. e.r as faces paralelas ao plano da figura 1) sejam recobertas com uma camada de blindagem, porque o campo magnético gerado tem uma influência muito limitada sobre estas faces. A figura 1 mostra os dois corpos de molde afastados um do outro antes da moldagem e a figura 2 é semelhante à da figura 1 e mostra os dois corpos de molde durante a operação de moldagem.

Durante a transformação de um material 40, como representado na figura 2, este é encerrado e mantido sob pressão entre as zonas 12, 22 moldantes dos dois corpos de molde. O material assegura, então, o isolamento eléctrico entre estes dois corpos 10, 20 de molde. Graças a este isolamento eléctrico, o espaço delimitado pelas superfícies em frente dos dois corpos de molde constitui um entreferro 42, permitindo a circulação de um campo magnético neste espaço.

Quando os meios indutores compreendendo espiras 30 condutoras são percorridos por correntes li eléctricas alternas de frequência F, por exemplo, compreendida entre 25 e 6 100 quilohertz, gerando os indutores um campo magnético que envolve os corpos 10, 20 de molde. O campo magnético assim gerado atravessa os corpos de molde e circula, igualmente, no entreferro, ou seja, entre os corpos de molde. O campo magnético induz correntes de sentido oposto ao sentido das correntes li, e a presença do entreferro permite gerar correntes Icl e Ic2 induzidas, que circulam na superfície de cada um dos dois corpos de molde. A camada de blindagem impede o campo magnético de atingir os corpos de molde, com excepção das zonas moldantes. Estas correntes Icl e Ic2 induzidas têm, por conseguinte, uma acção térmica, principalmente na superfície da zona moldante que é, por conseguinte, a principal zona aquecida pela acção dos indutores. A blindagem sendo amagnética, é muito pouco aquecida por indução.

Para que o dispositivo funcione de modo eficaz, é necessário que a camada de blindagem seja de uma espessura superior à profundidade de penetração do campo magnético (espessura de pele). Impede-se, assim, que o campo magnético atinja o corpo de molde e aqueça este em outros locais que não a zona moldante.

Para determinar a espessura da camada de blindagem necessária, utiliza-se a fórmula seguinte: e = 50*(p/F.pr)1/2 onde p é a resistividade do material amagnético, pr a permeabilidade magnética relativa do material e F a frequência das correntes indutores. Para um material amagnético, toma-se: 7 pr=l e a fórmula passa a ser: e = 50*(p/F)1/2. Para que a blindagem magnética seja efectiva, a espessura da camada de material amagnético deve, por conseguinte, ser superior à espessura de pele, com as frequências acima mencionadas compreendidas entre 25 kHz e 100 kHz, as espessuras de pele são inferiores ao milímetro. O dispositivo de acordo com a invenção é tanto mais eficaz quanto a presença do entreferro 42 tem por efeito concentrar o fluxo magnético no seu seio, o que aumenta ainda a acção do campo magnético ao nível das zonas moldantes e, por conseguinte, a energia indutiva aplicada na superfície das zonas moldantes.

Um dispositivo de acordo com a invenção apresenta, por conseguinte, a vantagem de aquecer localmente a zona moldante, directamente na interface zona moldante/material e não na espessura do corpo de molde, o que representa uma economia de energia importante. Um tal dispositivo apresenta, igualmente, a vantagem de ser simples e pouco dispendioso de fabricar. O entreferro tem, igualmente, por efeito, limitar a influência da geometria e/ou da distribuição dos indutores sobre o aquecimento resultante porque o entreferro 42 (figuras 3a e 3b) "aplana" a energia fornecida pelos indutores. Deste modo, espiras 30'i a 30'4 indutoras (fig. 3b) repartidas regularmente sobre o comprimento do molde têm praticamente o mesmo efeito que o mesmo número espiras indutoras 30i a 304 (fig. 3a) repartidas sobre um comprimento mais curto. Esta disposição permite escolher à vontade a distribuição das espiras indutoras. A fixação da camada de material amagnético sobre o corpo de molde pode ser efectuada de diversos modos, por exemplo, por 8 fixaçao de uma chapa ou por deposição de matéria, por exemplo, uma deposição electrolitica. 0 material amagnético utilizado para constituir a blindagem tem, de um modo preferido, uma fraca resist ividade de modo a limitar as perdas energéticas, como, por exemplo, o cobre ou o alumínio. 0 material magnético utilizado para o corpo de molde é um composto magnético que pode apresentar uma temperatura de Curie, bem como uma resist ividade eléctrica mais importante que a do cobre, como, por exemplo, ligas de aço à base de níquel, crómio e/ou titânio. Uma resistividade eléctrica importante do corpo de molde constitui uma vantagem porque permite um aquecimento por indução mais eficaz. Contudo, é necessário notar que a permeabilidade magnética do material que constitui os corpos de molde influencia, igualmente, o rendimento do aquecimento por indução. Com efeito, com referência à fórmula citada mais acima, uma permeabilidade magnética relativa elevada conduz a uma profundidade de penetração do campo magnético mais reduzida, uma mesma quantidade de energia é, por conseguinte, distribuída sobre uma zona mais restrita e dai resulta um aquecimento mais importante.

Quando o material apresenta um ponto de Curie, a uma temperatura próxima deste ponto de Curie, o material do corpo de molde perde as suas propriedades magnéticas e o aquecimento por indução diminui fortemente, o que permite regular a temperatura de aquecimento em torno do ponto de Curie. 0 dispositivo representado nas figuras 1 e 2 é dotado de um sistema de arrefecimento para permitir a realização ou a 9 transformação de peças por aquecimento a cadência elevada, o arrefecimento sendo efectuado entre dois tratamentos. Para tal, em cada corpo de molde prevê-se uma rede de canais 18, 28 permitindo fazer circular um liquido de arrefecimento na proximidade das superfícies 12, 22 moldantes. 0 arrefecimento assim obtido é muito eficaz, porque, por um lado, o corpo de molde metálico é termicamente muito condutor e, por outro lado, porque os canais podem ser dispostos mais próximo das zonas 12, 22 moldantes.

No caso da moldagem de um material compósito, após um ciclo de aquecimento e de conformação, o arrefecimento permite fixar o material compósito na sua forma definitiva.

Ao contrário dos sistemas conhecidos, o dispositivo de acordo com a invenção permite concentrar a acção do campo magnético e os efeitos térmicos na proximidade das zonas moldantes. Em consequência, sendo o aquecimento mais localizado, há menos energia térmica a dissipar durante o arrefecimento, que é, por conseguinte, mais rápido. Reduz-se assim, o tempo, de ciclo do dispositivo e aumenta-se, por conseguinte, de modo significativo a produtividade.

Na figura 1 assinalou-se a fronteira f entre cada corpo 10, 20 de molde e a camada de material amagnético que o recobre. A posição desta fronteira f relativamente à zona 12, 22 moldante tem uma influência sobre a qualidade do aquecimento e, por conseguinte, da moldagem. Com o dispositivo de acordo com a invenção, é fácil, por adição ou remoção de matéria, alterar a posição da fronteira f, o que origina uma grande flexibilidade na concepção da ferramenta; torna-se, com efeito, possível 10 ajustar a posição da fronteira após ensaios de tratamento, particularmente de moldagem, em condições reais.

Sendo os indutores, em duas partes 32, 34, separáveis e solidárias do molde, a separação dos dois corpos de molde é fácil, o que permite uma extracção rápida da peça 40 após moldagem e contribui, por conseguinte, para um fabrico a cadência elevada. Durante a transformação de um material, a continuidade eléctrica entre as duas partes 32, 34 da rede de indutores é assegurada por contactores 36 eléctricos. Este contactor permite um deslocamento relativo das duas partes 32, 34 da rede de indutores, porque a transformação dos materiais faz-se, geralmente, a pressão constante, mas origina uma diminuição de espessura do material e, por conseguinte, uma diminuição da distância entre os dois corpos 10, 20 de molde. A transformação de materiais compósitos electricamente condutores necessita de utilizar uma variante do dispositivo. Com efeito, com materiais condutores como, por exemplo, materiais à base de fibras de carbono, o isolamento eléctrico entre os dois corpos de molde nem sempre é perfeitamente assegurado e podem produzir-se curto-circuitos localmente, gerando arcos eléctricos que podem afectar a superfície do material a transformar e/ou a superfície das zonas moldantes. Para constituir o isolamento eléctrico e, assim, evitar qualquer risco de curto-circuito, deposita-se uma camada de isolador eléctrico sobre, pelo menos, uma das duas zonas 12, 22 moldantes. Uma tal camada compreende, por exemplo, materiais à base de teflon, carbono amorfo, fibra de vidro ou, ainda, cerâmica... Esta camada deve ter um comportamento em temperatura e uma resistência mecânica adaptada, com uma espessura da ordem do micrómetro. 11

De um modo clássico, meios mecânicos (não representados) de ejecção da peça fabricada estão igualmente previstos. 0 processo de fabrico assim realizado compreende, por conseguinte, principalmente, quatro fases: — posicionamento do (ou dos) materiais da peça a tratar sobre o corpo de molde inferior do dispositivo, — aquecimento das duas zonas moldantes e pressurização do material entre as duas zonas moldantes durante um dado tempo, — implementação do arrefecimento dos corpos de molde, de modo a arrefecer a peça, — elevação do corpo de molde superior e ejecção/extracção da peça. 0 processo assim implementado beneficia largamente das vantagens trazidas pelo dispositivo de acordo com a invenção, particularmente em termos de produtividade: o aquecimento local ligado à zona moldante permite minimizar os tempos de ciclos. 0 ajustamento fácil da zona aquecida por adição ou remoção de porções da camada de blindagem origina uma grande flexibilidade: pode modificar-se facilmente a ferramenta em função dos resultados obtidos durante os primeiros ensaios.

Finalmente, a ferramenta é económica de produzir, porque a camada 14, 24 de blindagem, não necessita de fabrico complexo ou dispendioso. 12

Uma variante, representada na figura 4, do dispositivo de acordo com a invenção permite realizar uma ferramenta mais simples, em particular, no âmbito da transformação de peças muito finas, particularmente de peças de espessura inferior ao milímetro. Com efeito, estas espessuras permitem limitar o aquecimento a uma só face da peça. Utiliza-se um dispositivo no qual um dos dois corpos de molde não está recoberto com uma camada de blindagem, este corpo (70) de molde compreendendo um material amagnético. Assim, este corpo (70) de molde, não permeável ao campo magnético, permite sempre dispor de um entreferro no qual circula o campo magnético criado pela rede de indutores (74) . O aquecimento por indução é, por conseguinte, realizado principalmente ao nível da zona moldante do corpo 72 de molde que está recoberto por uma camada de blindagem. Este dispositivo é menos dispendioso de realizar, visto o corpo (70) de molde não compreender uma camada de blindagem. No exemplo da figura 4, o corpo 70 de molde é desprovido de circuito de arrefecimento.

Numa outra variante (figura 5) prevê-se um só um corpo 50 de molde em torno do qual estão dispostas espiras 52 indutoras. Nesta configuração, a camada de blindagem que envolve o corpo de molde permite localizar o aquecimento na zona 60 moldante, sem presença do entreferro. A ausência deste entreferro torna este dispositivo mais sensível à geometria da rede de indutores, mas o aquecimento permanece principalmente localizado na superfície da zona moldante graças à camada de blindagem.

Lisboa, 15 de Fevereiro de 2012 13

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de transformação por aquecimento, particularmente para a moldagem de materiais, em particular de materiais compósitos de matriz termoplástica ou termo-endurecivel, compreendendo: - dois corpos (10, 20) de molde, móveis um relativamente ao outro, realizados num material electricamente condutor e compreendendo uma zona (12, 22) moldante destinada a estar em contacto com o material a transformar, e - meios (30) indutores para gerar um campo magnético de frequência F envolvendo os corpos de molde, o dispositivo sendo caracterizado por as faces de, pelo menos, um dos dois corpos (10, 20) de molde situadas em frente dos meios indutores, com excepção das zonas (12, 22) moldantes, serem recobertas por uma camada (14, 24) de blindagem de um material magnético que impede a penetração do campo magnético nos corpos (10, 20) de molde, e por os corpos de molde estarem electricamente isolados, um relativamente ao outro, durante a fase de moldagem, de modo a que as faces em frente dos dois corpos de molde delimitem um entreferro (42) no qual circula o campo magnético que induz correntes na superfície da zona (12, 22) moldante de cada corpo (10, 20) de molde, permitindo, assim, localizar o aquecimento na interface zona moldante/material a transformar. 1
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, no qual os dois corpos (10, 20) de molde estão recobertos por uma camada (14, 24) de blindagem.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, no qual os corpos (10, 20) de molde compreendem um composto magnético, de um modo preferido, de permeabilidade magnética relativa e resistividade elevadas, por exemplo, um aço à base de niquel, crómio e/ou titânio.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, no qual único um corpo (72) de molde está recoberto por uma camada de blindagem, o outro corpo (70) de molde compreendendo um material amagnético, de um modo preferido, ligeiramente resistivo como, por exemplo, alumínio.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, no qual o corpo (72) de molde recoberto por uma camada de blindagem compreende um composto magnético, de um modo preferido, de resistividade e permeabilidade magnética relativa elevadas, por exemplo, um aço à base de níquel, crómio e/ou titânio.
6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, no qual a camada (14, 24) de blindagem recobre uma parte, que não constitui uma zona moldante, de, pelo menos, uma das duas faces em frente dos dois corpos de molde.
7. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, no qual a camada (14, 24) de blindagem compreende uma chapa metálica fixa ao corpo de molde, sendo esta, por exemplo, soldada ou aparafusada. 2
8. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, no qual a camada (14, 24) de blindagem compreende uma deposição de matéria, particularmente, uma deposição electrolítica.
9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual a espessura e da camada (14, 24) de blindagem é, pelo menos, igual a um valor tal que: e = 50* ( p/F) 1/2 onde p é a resistividade do material amagnético e F a frequência do campo magnético.
10. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual a frequência F é, pelo menos, igual a 25 kHz e, de um modo preferido, no máximo, igual a 100 kHz.
11. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores no qual a camada (14, 24) de blindagem compreende um material amagnético de reduzida resistividade eléctrica, por exemplo, cobre ou alumínio.
12. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual uma camada isolante é aplicada sobre uma zona moldante de, pelo menos, um corpo de molde para constituir o isolamento eléctrico entre os corpos de molde, particularmente, quando o material a transformar é condutor.
13. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual os meios (30) indutores compreendem duas 3 partes (32, 34), cada uma solidária com um dos corpos de molde e móveis com o corpo de molde respectivo.
14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13, no qual as duas partes (32, 34) dos meios indutores estão ligadas electricamente através de, pelo menos, um contactor (36) eléctrico permitindo manter o contacto durante o deslocamento relativo de um corpo (10, 20) de molde relativamente ao outro durante a fase de transformação.
15. Processo de fabrico de peças, particularmente, em grande série, recorrendo a um dispositivo de acordo com uma das reivindicações anteriores e compreendendo as etapas seguintes: - posicionamento do (ou dos) material (ais) (40) da peça a tratar sobre o corpo (10) de molde inferior do dispositivo, — aquecimento das duas zonas (12, 22) moldantes, e pressurização do material (40) entre as duas zonas moldantes durante um dado tempo. Lisboa, 15 de Fevereiro de 2012 4