Combinação de sensores ópticos e tácteis para peças moldadas por injeção perfeitas

A TPK-Kunststofftechnik GmbH em Nörten-Hardenberg, perto de Göttingen, é especializada na produção de artigos de plástico sofisticados e de moldes de injeção. Fundada em 1997, a empresa familiar, gerida por Werner Ternka e pelos seus filhos Heiko e Mario, e que emprega cerca de 30 pessoas, abrange toda a cadeia de processos: desde a consultoria, conceção, fabrico de ferramentas e produção de protótipos até à moldagem por injeção em série e montagem.

Os clientes da empresa incluem principalmente empresas de tecnologia médica, laboratorial e automóvel, que são conhecidas pelos seus elevados padrões de qualidade. Os requisitos aumentaram ainda mais nos últimos anos, sublinha Mario Ternka, responsável pelo desenvolvimento de produtos, conceção e construção de moldes: "Os dados de desenho que recebemos atualmente dos nossos clientes contêm muitas dimensões e tolerâncias que não podem ser medidas com equipamento de medição manual convencional e dispositivos de medição mais simples, por exemplo, tolerâncias de forma e posição, ou seja, esquadria, paralelismo e planicidade, bem como tolerâncias de forma livre. Para medir corretamente estes critérios, necessitamos, por um lado, de hardware adequado e, por outro, de um grande conhecimento especializado que traduza os valores medidos para a linguagem do fabrico de moldes. É por isso que não podemos deixar a medição para um fornecedor de serviços de metrologia."

A TPK cumpre os requisitos de qualidade acrescidos com tecnologia de medição de ponta

Por conseguinte, a TPK decidiu investir em equipamento de medição adequado. Utilizando uma folha de especificações de 60 pontos, uma equipa de especialistas da TPK avaliou as ofertas de fabricantes de equipamentos de medição bem conhecidos – e decidiu adquirir uma máquina de medição por coordenadas multisensor ScopeCheck® FB 3D da Werth Messtechnik em Giessen.

A sua conceção com uma ponte fixa sobre uma base de granito e as guias mecânicas de precisão robustas garantem a máxima precisão, mesmo quando utilizadas perto da produção. O equipamento inclui um sensor de processamento de imagem com Werth Zoom e uma unidade suplementar de iluminação multi-anel para deteção rápida e fiável de arestas, bem como a sonda de varrimento SP25; além disso, o varrimento raster é utilizado para gerar imagens globais de alta resolução a partir de imagens individuais obtidas durante o movimento do sensor, que podem então ser convenientemente medidas. Para a medição rápida de superfícies ópticas, a TPK investiu também no sensor de distância Werth CFP, que utiliza a aberração cromática de lentes especiais para medições extremamente exactas e em grande parte independentes da superfície.

Mas como é que a decisão foi tomada? "A combinação de opções de medição ótica e tátil estava no topo da nossa lista de requisitos", explica Mario Ternka. "E o sensor de distância ótico tinha de fornecer resultados de medição fiáveis para peças de alto brilho, transparentes, pretas ou brancas."

Ternka e os seus colegas estão particularmente impressionados com a tecnologia do sensor ótico do Werth ScopeCheck® FB: "Não teríamos pensado antes que a precisão e a velocidade seriam possíveis. Este foi o fator decisivo final a favor do ScopeCheck®." Ele também enfatiza a sua acessibilidade e facilidade de utilização: "O dispositivo pode ser programado – rápida e facilmente após apenas uma pequena quantidade de formação –. A medição e a avaliação funcionam então de forma totalmente automática."

O Werth ScopeCheck® é um elemento importante na cadeia de processos TPK

A moldagem por injeção é um processo de formação primária em que os critérios de qualidade, tais como tolerâncias de forma e posição, etc., são muito mais difíceis de cumprir do que na maquinação. Requer uma grande experiência de fabrico e uma cadeia de processos que a TPK desenvolveu e optimizou continuamente nos últimos anos.

A cadeia de processos começa com o modelo CAD 3D. Os designers utilizam-no para criar um molde virtual inicial e uma simulação de moldagem por injeção. Os resultados da análise são utilizados para otimizar o artigo, por um lado, e para melhorar a ferramenta de moldagem, por outro. Desta forma, os engenheiros de plásticos tentam contrariar as dificuldades na moldagem por injeção –, especialmente as distorções causadas pela contração longitudinal e transversal –.

"Ao conceber o molde de injeção, temos de ter em conta as vias de escoamento do plástico, prever o controlo da temperatura e os canais de arrefecimento e planear a desmoldagem e a remoção da peça", explica Mario Ternka. A simulação repetida fornece informações sobre o sistema de canais quentes adequado, o ponto de injeção ideal, a posição dos canais de arrefecimento, as tolerâncias, o coroamento e muito mais. Só quando os especialistas em moldagem por injeção têm a certeza de que o desenho do molde é, em geral, adequado, é que produzem o molde de aço. Na TPK, isto é feito principalmente em máquinas-ferramentas modernas, por exemplo, por fresagem e erosão de 5 eixos.

Em casos simples, a precisão dimensional das ferramentas de moldagem complexas é medida diretamente na máquina-ferramenta. Medições difíceis, como a posição de um contorno em relação às arestas exteriores e a posição de recessos numa bolsa ou de núcleos torneados, podem ser efectuadas pelos fabricantes de moldes utilizando o Werth ScopeCheck® FB e a combinação da tecnologia de sensores ópticos e tácteis.

Assim que o molde estiver pronto, é testado numa das 15 máquinas de moldagem por injeção com forças de aperto até 2200 kN e optimizado no departamento de fabrico de ferramentas até que a moldagem por injeção e a desmoldagem estejam estáveis. O projetista da TPK cria então um programa de medição numa peça de amostra moldada por injeção no ScopeCheck®, que regista todos os critérios decisivos. Com base nos resultados, são decididas outras alterações ao molde. Mario Ternka sublinha: "Nesta fase, estamos normalmente a falar de correcções na ordem de alguns décimos a centésimos de milímetro, que são necessárias para cumprir tolerâncias muito apertadas. Sem a precisão do nosso dispositivo multi-sensor, não poderíamos registar tais valores, ou só o poderíamos fazer com grandes custos."

Engenharia inversa para fabrico de moldes

Como exemplo deste tipo de retrabalho de alta precisão, cita uma superfície de um componente médico que tem de ter uma planicidade inferior a 0,1 mm. Se esta tolerância não puder ser alcançada de forma fiável através do ajuste do controlo de temperatura ou de outros parâmetros de moldagem por injeção, a TPK opta pela correção mínima do molde. O funcionário responsável mede primeiro a área afetada com o sensor cromático Werth CFP. "Com este sensor ótico, podemos também medir a planicidade numa polilinha, o que anteriormente era muito difícil e moroso", acrescenta Mario Ternka. Quando passamos sobre a superfície com o sensor, obtemos rapidamente uma declaração altamente precisa sobre a planicidade do nosso artigo."

Se, por exemplo, for detectada uma ligeira curvatura causada pelo encolhimento do material, o desenhador pode voltar a introduzir os dados de medição no sistema CAD e espelhar a superfície curva na área correspondente do molde. A partir dos dados CAD corrigidos, gera um programa CAM com o qual este coroamento, como é designada esta deformação curva, é fresado no molde. Após a moldagem por re-injeção, a planicidade desejada é alcançada com o encolhimento do plástico.

Este tipo de engenharia reversa é conhecido como engenharia inversa. "Ao combinar métodos de medição ópticos e tácteis, podemos também utilizar o nosso ScopeCheck® para captar peças inteiras como uma nuvem de pontos a altas velocidades de medição e convertê-las novamente em dados CAD. Estamos sempre a precisar disto", explica Mario Ternka.

Comprovado na prática

O Diretor-Geral gostaria de apresentar uma seleção das sofisticadas peças moldadas por injeção produzidas pela sua empresa, mas as restrições de confidencialidade impedem-no de o fazer. Por isso, ele demonstra as capacidades do Werth ScopeCheck® numa placa de cultura de células. Esta placa faz parte da gama de produtos da filial da TPK "zell-kontakt", especializada no desenvolvimento e produção de produtos de cultura celular e de laboratório para as modernas técnicas de imagem e microscopia. Além disso, a zellkontakt oferece placas de rastreio para espetroscopia UV e placas de matriz de grande área para análises de tecidos.

Uma dessas placas UV, tal como a que está atualmente a ser utilizada para medições PCR durante a pandemia da COVID-19, contém 96 poços com uma superfície de visualização constituída por uma película fina e transparente com elevada transmitância na gama UV.

São inseridos anéis de condensação adicionais na tampa, que deve encaixar exatamente nas placas de poços múltiplos. Os anéis evitam que a solução nutritiva se evapore durante a incubação, de modo a que a sua concentração se mantenha constante e as células cultivadas sejam alimentadas de forma óptima.

Isto significa: as mais elevadas exigências em termos de posição, arredondamento e planeza, tanto em termos da placa como da tampa. A planura da placa de cultura de células também desempenha um papel importante quando se trabalha com microscopia automatizada ou métodos de medição. "Os sensores ópticos têm a precisão de medição necessária e reduzem o tempo necessário para medir estas peças de horas para apenas alguns minutos", diz Ternka com satisfação.

Juntamente com os seus colegas, ele continua a descobrir novas áreas em que o ScopeCheck® pode ser utilizado para gerar maior qualidade e eficiência. Ternka resume: "Estamos certos de que a combinação de sensores ópticos altamente precisos e rápidos com a tecnologia de sensores tácteis para a medição completa de diferentes peças de trabalho continuará a abrir-nos muitas portas. Porque com o ScopeCheck® da Werth, somos capazes de captar critérios onde outros falham."