Moldagem por Injeção Robótica Avançada para Componentes de Compósitos Funcionalizados

A Anybrid GmbH (Dresden, Alemanha) é uma spin-off do Instituto de Engenharia Leve e Tecnologia de Polímeros (ILK) na TU Dresden. O ILK trabalha com a indústria para desenvolver novas tecnologias leves, com foco em compósitos de polímeros reforçados. "Desenvolvemos esta máquina de moldagem por injeção robotizada há dois anos para produzir componentes híbridos", diz Michael Stegelmann, diretor comercial da Anybrid. Componentes híbridos refere-se a funcionalizar uma estrutura — por exemplo, um tubo de compósito ou chassi de veículo elétrico metálico — com plástico moldado por injeção para criar pontos de fixação locais, nervuras de reforço, etc.

Este processo, referido como overmolding ou moldagem por injeção híbrida, ganhou muita atenção nos últimos 5-6 anos, mas de forma mais tradicional — moldes de aço em uma prensa de moldagem com unidade de injeção anexada. A Anybrid essencialmente miniaturizou esta configuração no efetor final em forma de C vermelho e preto mostrado no robô Kuka na imagem acima e vídeo abaixo. O resultado é revolucionário, permitindo que pultrusões ou extrusões sejam sobremoldadas ao saírem da matriz de moldagem ou que grandes estruturas sejam funcionalizadas enquanto se movem por uma linha de montagem.

ROBIN

ROBIN, abreviação de "robotized injection molding", foi apresentado pela primeira vez em 2019 na feira K em Düsseldorf, Alemanha. "Fundamos a empresa no ano passado e agora estamos trabalhando com clientes para estabelecer linhas de produção piloto usando o equipamento", diz Stegelmann. O conceito, ele explica, é reduzir a massa da máquina de moldagem por injeção usando unidades de injeção pequenas e ferramentas de moldagem compactas e baratas que podem ser trocadas rapidamente.

"O efetor final ROBIN compreende um quadro em C feito de compósito de fibra de carbono e por fora você vê um quadro de alumínio", explica Stegelmann. "O quadro contém o sistema de travamento leve, que suporta até 12 toneladas de forças de carga durante a moldagem por injeção, trazidas do lado superior para o lado inferior do molde." O ROBIN também pode alcançar um balanço de 1 metro através de grandes estruturas. "Este é nosso know-how dentro do ILK — como usar fibra de carbono e materiais leves da maneira certa."

A abordagem tradicional para moldagem por injeção requer grandes prensas e ferramentas de moldagem caras. Assim, tem sido limitada à produção de grandes séries/alto volume. Em contraste, o ROBIN permite fabricação de pequenas séries ou múltiplas moldagens diferentes em componentes maiores. "O princípio é que temos tanta flexibilidade nas máquinas que podemos funcionalizar quase qualquer material ou estrutura de compósito", nota Stegelmann.

"Tentamos minimizar o tamanho dos moldes para reduzir custos, então você precisa apenas de alguns milhares de euros para construir o molde", explica Stegelmann. "Isso permite um sistema integrado de troca rápida porque apenas uma pequena área do molde tem que ser trocada. A ideia, por exemplo, é que você tenha uma linha de montagem com a possibilidade de trocar rapidamente o molde e fazer uma peça diferente em dois lados diferentes da linha. Você pode usar dois sistemas Robin ou um sistema Robin e trocar rapidamente o molde. Então, você tem alta flexibilidade."

Esta redução de tamanho limita a área que pode ser sobremoldada. "No momento, estamos limitados a 50-60 gramas para o tiro de injeção", diz Stegelmann. "Desenvolvemos o ROBIN para pesar apenas 140 quilogramas, o que o torna possível de usar automação menor e mais acessível. Estamos focando agora em funcionalizar tubos e perfis e adicionar elementos menores a estruturas maiores."

Alcançando boa ligação no overmolding

"Na verdade, este é nosso background", diz Stegelmann, referindo-se aos quatro cofundadores da Anybrid. "Fizemos isso em muitos projetos nos últimos 10 ou 15 anos, combinando diferentes materiais e encontrando a ligação certa, fiz meu PhD em processos de extrusão, e é sempre desafiador quando você está combinando diferentes materiais. Você sempre precisa de alguma preparação adicional para ligação como tratamento a plasma ou laser, para alterar a estrutura da superfície, especialmente ao ligar plástico ou plástico reforçado em metal. Compósitos são um pouco mais fáceis, porque você pode combinar a matriz polimérica no material de moldagem por injeção e no substrato."

Por exemplo, no tubo sobremoldado mostrado abaixo, a Mitsui Chemicals Europe (Düsseldorf, Alemanha) forneceu fitas unidirecionais (UD) de polipropileno (PP) reforçado com fibra de carbono e a INOMETA (Herford, Alemanha) usou estas para produzir tubos compósitos, que a Anybrid então sobremoldou. "A funcionalização era o mesmo material dos tubos", diz Stegelmann. "Sobremoldamos com material PP tanto não reforçado quanto reforçado com fibra de carbono, mas também com reforços de fibra de vidro. Com o ROBIN, você pode fabricar com qualquer material termoplástico que esteja no mercado."

Esta última é a razão pela qual a Anybrid auxilia seus clientes com testes. "Recebemos clientes que não têm certeza se seus materiais vão ligar entre si", nota Stegelmann. "Pedimos que nos enviem algum do material e então fazemos algumas estruturas pequenas e simples para testar. Temos um pequeno molde para uma nervura de reforço que podemos moldar por injeção em diferentes placas. Por exemplo, se o cliente nos envia amostras de algumas placas de compósito, podemos sobremoldar nestas com seus materiais de moldagem por injeção. Esse é o primeiro passo, que temos um estudo de viabilidade do comportamento de ligação dos diferentes materiais. Depois disso, podemos fazer alguma análise e oferecer sugestões para otimização."

Aplicações potenciais

"Ainda estamos explorando aplicações, mas inicialmente estamos trabalhando com tubos e perfis", diz Stegelmann. "Uma de nossas ideias é trazer sequencialmente diferentes estruturas sobre estas formas contínuas, potencialmente muito longas", diz Stegelmann. "Assim, elementos podem ser aplicados diretamente a tubos. Tais conceitos já estão sendo usados pela INOMETA e Herone (Dresden, Alemanha) para integrar sistemas de conexão axial e engrenagens de encaixe. Isso também pode ser interessante na indústria da aviação, onde você precisa de vários reforços de rigidez e talvez queira adicionar funções como fixações. Também, você pode ter um stringer ou quadro, por exemplo, mas muitas variações em comprimento. Com nossa tecnologia, há a possibilidade de manter um alto nível de automação e apenas variar os elementos que você está funcionalizando de uma peça para a próxima."

"Também há potencial com componentes grandes", diz Stegelmann. "Trabalhando no ILK nos últimos anos, desenvolvemos muitos componentes híbridos diferentes usando aço, plástico e compósitos. Podemos ver que clipes sobremoldados em quadros estruturais e chassis fazem sentido para montagem. E com a mudança para veículos elétricos e sistemas de hidrogênio, vemos que é importante tornar linhas de montagem e processos tão flexíveis quanto possível, para preparar para uma variedade de diferentes componentes que podem ser necessários no futuro. Com o ROBIN, você pode facilmente ajustar reforços locais para montagem mas também para rigidez da estrutura, por exemplo. No entanto, queremos estender esta capacidade além de apenas automotivo e aeroespacial. Nossa ideia era tornar isso mais acessível para pequenas empresas e habilitar esta tecnologia híbrida para quantidades menores em outros campos e outras aplicações."