Sebenta · Monitorizar o funcionamento e informação de moldes (UC03949)

Introdução

Um molde de injeção de plásticos não é só uma peça de aço com uma cavidade. É um sistema com resistências de aquecimento, sensores, um circuito de refrigeração, por vezes atuadores hidráulicos, e um conjunto de esquemas e chapas que documentam tudo isto para quem o monta, opera e repara. Monitorizar o funcionamento de um molde é acompanhar estas variáveis, interpretar corretamente os esquemas que as documentam, e manter as chapas de identificação e de esquema montadas e atualizadas.

Esta sebenta segue exatamente o referencial da UC: parte da eletricidade de base (corrente, tensão, Lei de Ohm, potência, energia), passa pelos sensores e a sua simbologia, cobre os quatro tipos de esquema de um molde (elétrico de comando, refrigeração, hidráulico, cinemática), fecha com as chapas que os tornam acessíveis no próprio molde, e termina na segurança e saúde no trabalho que enquadra qualquer intervenção.

Objetivos de aprendizagem (referencial): analisar as especificações e a documentação técnica de moldes; implementar os mecanismos de monitorização de moldes; e montar os esquemas e chapas de identificação de moldes, cumprindo sempre as normas de segurança e saúde no trabalho, e de proteção ambiental.

1. Fundamentos de eletricidade

A corrente elétrica é o movimento ordenado de eletrões livres ao longo de um condutor. Para que haja corrente, é preciso uma diferença de potencial elétrico (a tensão) entre dois pontos: sem esse "desnível" elétrico, os eletrões não se movem.

Os materiais dividem-se, para este efeito, em duas famílias:

• Materiais condutores (cobre, alumínio): permitem a circulação fácil de eletrões. Usam-se nos condutores dos circuitos.
• Materiais isolantes (PVC, borracha, cerâmica): impedem essa circulação. Usam-se para revestir e proteger ligações.

Um molde tem os dois tipos de corrente presentes ao mesmo tempo, em zonas diferentes do circuito:

A rede elétrica industrial fornece corrente alternada; é dentro dos controladores e sensores que essa energia é convertida e usada em corrente contínua para os sinais.

Exemplo resolvido · identificar o tipo de corrente

Numa intervenção, o técnico precisa de medir dois pontos: (a) a alimentação da resistência de aquecimento de uma zona; (b) o sinal de um sensor de posição ligado ao controlador.

Resolução: (a) é corrente alternada, porque a resistência liga diretamente à rede de 230 V; o multímetro deve estar no modo AC. (b) é corrente contínua, porque o sinal do sensor sai já convertido pela eletrónica interna; o multímetro deve estar no modo DC. Medir no modo errado dá uma leitura sem sentido ou mesmo nula.

2. Lei de Ohm, potência e energia elétrica

A Lei de Ohm relaciona as três grandezas fundamentais de qualquer circuito:

$$V = I \times R$$

onde V é a tensão em volt (V), I é a corrente em ampere (A) e R é a resistência em ohm (Ω). Conhecendo duas destas grandezas, calcula-se sempre a terceira.

A potência elétrica é a energia transferida por unidade de tempo:

$$P = V \times I$$

medida em watt (W). Combinando com a Lei de Ohm, obtêm-se as formas equivalentes $P = I^2 \times R$ e $P = V^2 / R$, todas úteis consoante os dados disponíveis.

A energia elétrica é a potência ao longo do tempo:

$$E = P \times t$$

normalmente em watt-hora (Wh) ou quilowatt-hora (kWh), quando o tempo é medido em horas.

Exemplo resolvido · resistência nominal e corrente nominal

Uma resistência de cartucho de um molde tem placa de característica de 1000 W a 230 V. Calcular a sua resistência nominal e a corrente nominal.

Resolução:

$$R = \frac{V^2}{P} = \frac{230^2}{1000} = \frac{52\,900}{1000} = 52{,}9\ \Omega$$

$$I = \frac{P}{V} = \frac{1000}{230} \approx 4{,}35\ \text{A}$$

Estes dois valores, 52,9 Ω e 4,35 A, são a referência contra a qual se comparam depois as medições reais feitas com o multímetro.

A Lei de Joule

A Lei de Joule descreve o calor produzido por um condutor percorrido por corrente:

$$Q = I^2 \times R \times t$$

Esta lei explica dois fenómenos opostos no mesmo molde:

• Nas resistências de aquecimento, é o princípio de funcionamento desejado: converter corrente em calor útil.
• Na cablagem de sinal (sensores, conetores), é uma perda indesejada: quanto maior a resistência do cabo, mais energia se dissipa em calor em vez de chegar ao controlador como sinal fiável.

Exemplo resolvido · energia consumida com ciclo de controlo

A resistência de 1000 W do exemplo anterior não está sempre ligada: o controlador de temperatura liga-a e desliga-a consoante a leitura do sensor. Em média, num turno de produção, a resistência está ligada 60% do tempo.

1. Energia numa hora:

$$E = P \times \text{fração ligada} \times t = 1000 \times 0{,}60 \times 1 = 600\ \text{Wh} = 0{,}6\ \text{kWh}$$

2. Energia total do molde, com 4 resistências iguais, num turno de 8 horas:

$$E_{total} = 4 \times 1000 \times 0{,}60 \times 8 = 19\,200\ \text{Wh} = 19{,}2\ \text{kWh}$$

A potência nominal (4 kW no total) nunca dá o consumo real: é sempre preciso considerar a fração de tempo em que o controlador mantém cada resistência ligada.

Exemplo resolvido · perdas por efeito Joule na cablagem

Um cabo de ligação a um sensor de posição tem resistência 0,5 Ω e é percorrido por uma corrente de sinal de 0,2 A, durante 1 hora (3600 s).

$$Q = I^2 \times R \times t = 0{,}2^2 \times 0{,}5 \times 3600 = 0{,}04 \times 0{,}5 \times 3600 = 72\ \text{J}$$

É um valor pequeno em termos absolutos, mas justifica a norma técnica de usar cabos e conetores de baixa resistência nas ligações de sinal: menos perdas por efeito Joule significam um sinal mais fiel entre o sensor e o controlador.

3. Elementos de um circuito elétrico

Qualquer circuito elétrico de um molde combina três famílias de componentes:

• Fontes de tensão: alimentam o circuito. No molde, a rede AC (230 V ou 400 V) para potência, e fontes internas de 24 V DC para sinal.
• Recetores: consomem energia elétrica e produzem um efeito útil. As resistências de aquecimento são o recetor mais comum; motores de bombas hidráulicas são outro.
• Elementos de comando: controlam a energia entregue ao recetor. Relés, contactores, interruptores e o próprio controlador de temperatura.

Um circuito só funciona fechado: fonte, condutores, comando e recetor formam um anel completo. Se este anel se interromper em qualquer ponto (mau contacto, fusível fundido, ligação solta), o recetor deixa de funcionar, mesmo que ele próprio esteja em perfeitas condições.

Exemplo resolvido · metodologia de diagnóstico de um circuito aberto

Uma resistência de aquecimento não aquece. O circuito tem, por ordem: fusível de proteção, contacto do relé, resistência.

Resolução: verificar sempre do elemento mais simples para o mais complexo: 1.º fusível (continuidade com o multímetro), 2.º relé (o contacto fecha quando o controlador o comanda?), 3.º resistência (continuidade e valor de resistência). Desmontar logo a resistência sem verificar antes o fusível e o relé é o erro mais comum e o que mais tempo desperdiça.

4. Equipamentos de medida

Três equipamentos cobrem a maioria das medições elétricas num molde:

A pinça amperimétrica é preferida em manutenção porque mede a corrente por indução, envolvendo o condutor, sem cortar nem abrir o circuito. Já um multímetro em modo amperímetro tem de ser ligado em série, o que obriga a interromper o circuito, com risco de curto-circuito se for ligado por engano em paralelo.

Exemplo resolvido · diagnosticar uma resistência degradada

A resistência do exemplo do capítulo 2 (nominal: 1000 W, 230 V, 52,9 Ω) é medida em funcionamento normal. A tensão de alimentação mantém-se em 230 V; a pinça amperimétrica lê uma corrente de 3,9 A.

1. Resistência real medida (Lei de Ohm):

$$R_{medida} = \frac{V}{I} = \frac{230}{3{,}9} \approx 58{,}97\ \Omega$$

2. Potência real:

$$P_{medida} = V \times I = 230 \times 3{,}9 = 897\ \text{W}$$

3. Comparação com os valores nominais:

Diagnóstico: a resistência degradou-se (a oxidação interna do elemento resistivo aumenta a sua resistência ao longo da vida útil). Com a mesma tensão de alimentação, uma resistência mais alta faz circular menos corrente, e portanto menos potência: a zona aquece abaixo do previsto, o que pode afetar a qualidade da peça moldada. É este o raciocínio a fixar: resistência a subir, corrente e potência a descer, para a mesma tensão.

5. Dispositivos e sensores de monitorização

Monitorizar um molde é acompanhar, em tempo real ou por registo, as variáveis relevantes do seu funcionamento. Os sensores captam a variável física e convertem-na em sinal elétrico; os dispositivos de monitorização recolhem, mostram ou registam esse sinal.

Sensores de moldes e a sua simbologia

Reconhecer cada sensor pela sua simbologia, sem ambiguidade, é uma das aptidões diretamente avaliadas nesta UC.

O mould stick e o histórico do molde

O mould stick é um dispositivo USB que se liga ao quadro elétrico do molde e regista dados de produção ao longo do tempo, tipicamente o número de ciclos realizados. Isto permite consultar o histórico do molde de forma independente da máquina onde ele está montado num dado momento, o que é importante porque o mesmo molde pode passar por várias máquinas ao longo da sua vida.

Com este histórico, planeia-se a manutenção preventiva com base em ciclos reais acumulados, em vez de datas aproximadas ou de estimativas de produção.

6. Elementos resistivos e controladores de temperatura

Nem toda a resistência de um molde serve o mesmo propósito. Há duas famílias distintas:

• Resistências de aquecimento: de cartucho (inseridas num furo cilíndrico) ou de banda/placa (fixadas à superfície). Convertem corrente elétrica em calor por efeito Joule, deliberadamente.
• Resistências sensoras (ex.: PT100): a sua resistência elétrica varia com a temperatura, de forma previsível e calibrada. Não aquecem, medem.

Confundir as duas é um erro grave: uma resistência sensora tem valores de resistência muito mais baixos e não deve nunca ser ligada a uma fonte de potência como se fosse uma resistência de aquecimento.

A função do controlador de temperatura

O controlador de temperatura (termorregulador) fecha o ciclo de controlo de cada zona do molde, em quatro passos que se repetem continuamente:

1. Lê a temperatura atual através da resistência sensora (PT100).
2. Compara essa leitura com o valor programado (setpoint).
3. Liga ou desliga a resistência de aquecimento, comandando um relé ou contactor.
4. Repete o ciclo, mantendo a temperatura estável dentro de uma margem definida.

Sem esta malha fechada, a resistência ficaria permanentemente ligada e a zona sobreaqueceria, sem qualquer controlo.

7. Elementos conetores para moldes

Um molde muda de máquina de injeção ao longo da sua vida útil, e precisa de conetores normalizados para se ligar de forma fiável e rápida a qualquer máquina compatível.

• Conetores circulares multipolares (norma EUROMAP): concentram numa só ligação os vários circuitos de comando e sinal do molde para a máquina, evitando dezenas de ligações soltas.
• Fichas de potência: dedicadas às resistências de aquecimento, dimensionadas à corrente nominal de cada zona (ver capítulo 2).
• Conetores de sinal: para sensores, normalmente de secção menor, porque transportam correntes muito baixas.

Selecionar a ficha errada, com secção insuficiente para a corrente real da zona, é um risco de sobreaquecimento no próprio conector, independentemente de a resistência estar em bom estado.

Exemplo resolvido · dimensionar um conetor

Uma zona de aquecimento tem 3 resistências de cartucho iguais, cada uma de 1000 W a 230 V, ligadas ao mesmo conetor de potência.

Resolução: a corrente de cada resistência é, pela Lei de Ohm/potência, $I = P/V = 1000/230 \approx 4{,}35$ A. Como as três resistências partilham o mesmo conetor, a corrente total a considerar no dimensionamento é $3 \times 4{,}35 \approx 13{,}04$ A, e não a corrente de uma única resistência. O conetor e o cabo de alimentação até ele têm de suportar este total, não apenas 4,35 A.

8. Esquema elétrico de comando do molde

O esquema elétrico de comando de um molde representa, com a simbologia elétrica normalizada em fabrico de moldes, todas as ligações entre fonte, sensores, controladores e resistências, organizadas por zona de aquecimento.

Cada zona repete tipicamente a mesma estrutura:

[L 230V AC] ── [Fusível F1] ── [Contacto do relé K1] ── [Resistência R1] ── [N]
                                        ▲
                        [Controlador T1] ── lê ── [PT100 · sensor S1]

• F1 protege a zona contra sobrecorrente.
• K1 é o contacto de comando, acionado pelo controlador T1.
• T1 lê a temperatura através da sonda S1 e decide ligar ou desligar K1.

Exemplo resolvido · interpretar e diagnosticar uma zona

Numa zona com esta estrutura, o controlador T1 mostra uma temperatura muito abaixo do setpoint e a resistência R1 não aquece. O fusível F1 está intacto (continuidade confirmada com o multímetro).

Resolução: com F1 confirmado, o passo seguinte é verificar se K1 está a fechar quando comandado (medir tensão nos terminais do contacto, ou continuidade quando ativado). Se K1 fechar corretamente e mesmo assim R1 não aquecer, mede-se a resistência de R1 diretamente com o multímetro (com o circuito despressurizado e sem tensão) e compara-se com o valor nominal calculado a partir da placa de característica. Só depois de excluídos F1 e K1 se conclui que o problema está em R1.

9. Esquemas de refrigeração

O circuito de refrigeração de um molde faz circular água (ou outro fluido) por canais internos, para controlar a temperatura da peça durante a moldação e reduzir o tempo de ciclo.

O esquema de refrigeração representa esses canais, com a simbologia própria para entrada (IN) e saída (OUT) de cada circuito, e as válvulas de controlo de caudal. Cada circuito é numerado e identificado, para que a ligação das mangueiras não seja trocada.

Uma refrigeração desequilibrada entre zonas do molde (um canal obstruído, ou entrada e saída trocadas) causa arrefecimento desigual da peça, o que se traduz em empenos e defeitos dimensionais.

Aplicar a chapa do esquema de refrigeração

A chapa do esquema de refrigeração fixa-se no molde, junto às ligações físicas, e mostra visualmente qual circuito corresponde a qual entrada e saída. Evita erros de ligação quando o molde muda de operador ou de máquina, e deve estar sempre coerente com o esquema arquivado: qualquer alteração ao circuito de refrigeração obriga a atualizar a chapa.

10. Esquemas hidráulicos

Alguns moldes têm atuadores hidráulicos: cilindros que produzem movimentos que a máquina de injeção, por si só, não realiza, corrediças, machos retráteis, extratores auxiliares.

O esquema hidráulico representa a bomba, as válvulas direcionais, os cilindros e as linhas de pressão e de retorno, com a sua simbologia própria. Cada movimento hidráulico corresponde a uma etapa do ciclo do molde, e a pressão de trabalho é sempre indicada, porque dimensiona toda a instalação (mangueiras, válvulas, cilindros).

Aplicar a chapa do esquema hidráulico

A chapa do esquema hidráulico identifica, no próprio molde, qual mangueira liga a qual válvula ou cilindro. É um dos pontos mais críticos de verificação: um movimento hidráulico trocado, por exemplo, uma linha de pressão ligada ao lado errado de um cilindro, pode inverter um movimento e provocar a colisão de componentes do molde, com dano físico grave, e não apenas uma falha de funcionamento.

11. Esquema da cinemática do molde

O esquema da cinemática do molde representa a sequência e o sentido dos movimentos mecânicos: abertura, extração, corrediças, machos retráteis. Ao contrário dos esquemas anteriores, que documentam ligações, este documenta uma ordem temporal de acontecimentos.

Exemplo resolvido · sequência de abertura com corrediça

1. A máquina inicia a abertura do molde.
2. Um sensor de posição confirma que o curso de abertura mínimo foi atingido.
3. A corrediça hidráulica recua (ver esquema hidráulico, capítulo 10).
4. O extrator avança; um sensor de posição confirma o fim de curso.
5. A peça é libertada.

Cada passo desta sequência depende do anterior estar confirmado por sensor, e não apenas de um tempo decorrido estimado. Confiar num temporizador fixo em vez de numa confirmação de sensor é um erro comum que arrisca colisões entre elementos do molde que ainda não completaram o movimento anterior.

12. Chapas de esquemas e de identificação

As chapas de esquemas (elétrico, refrigeração, hidráulico, cinemática) devem estar montadas no molde, numa localização acessível e coerente com as ligações que documentam, tipicamente na face lateral, junto ao respetivo circuito. Uma chapa desatualizada é pior do que a ausência de chapa, porque induz o técnico em erro: qualquer alteração ao molde obriga a atualizar a chapa correspondente.

A chapa de identificação do molde

Distinta das chapas de esquema, a chapa de identificação do molde regista os dados essenciais para o gerir ao longo da sua vida útil:

Esta chapa, em conjunto com o histórico do molde (ciclos registados via mould stick, manutenções realizadas), suporta decisões de manutenção preventiva baseadas em dados reais e não em estimativas.

13. Segurança e saúde no trabalho

Qualquer intervenção num molde, verificar uma resistência, um sensor, uma ligação hidráulica, só se faz com a máquina consignada e despressurizada:

• LOTO (Lockout-Tagout): bloquear e sinalizar a máquina antes de intervir no molde, para que ninguém a religue durante a intervenção.
• Confirmar ausência de tensão com o multímetro antes de tocar em qualquer ligação elétrica, mesmo quando a máquina parece desligada.
• Despressurizar os circuitos hidráulicos antes de desligar qualquer mangueira.

Este enquadramento decorre da Lei n.º 102/2009 (regime jurídico da promoção da segurança e saúde no trabalho) e do Decreto-Lei n.º 50/2005 (prescrições mínimas de segurança e de saúde na utilização de equipamentos de trabalho pelos trabalhadores).

Equipamento de proteção individual (EPI)

O EPI adequado depende da tarefa concreta, não é uma regra genérica:

• Luvas resistentes ao calor : manuseamento de resistências e de zonas quentes do molde.
• Óculos de proteção : risco de projeção ao desligar linhas hidráulicas ou de refrigeração.
• Calçado de segurança : manuseamento de moldes pesados.

A exposição a considerar inclui também a fase de limpeza após a intervenção: resíduos de óleo hidráulico ou água de refrigeração exigem os mesmos cuidados, e a sua recolha segue as normas de proteção ambiental, sem descarga direta no meio ambiente. Em caso de acidente, o número de emergência é o 112.

Erros comuns

• Medir tensão alternada com o multímetro no modo de corrente contínua (ou o inverso), obtendo uma leitura sem sentido.
• Calcular a energia consumida usando a potência nominal a 100% do tempo, ignorando o ciclo de ligar/desligar do controlador.
• Concluir que uma resistência com valor medido mais alto do que o nominal "aquece mais": é o contrário, uma resistência mais alta faz circular menos corrente e menos potência, para a mesma tensão.
• Desmontar logo a resistência de aquecimento sem antes verificar, por ordem, o fusível e o contacto do relé.
• Confundir uma resistência de aquecimento com uma resistência sensora (PT100), ligando-a como se fosse a mesma coisa.
• Dimensionar o conetor de potência para a corrente de uma só resistência, esquecendo que várias resistências partilham o mesmo conetor.
• Trocar a entrada pela saída num circuito de refrigeração ao ligar as mangueiras.
• Confiar num temporizador fixo em vez da confirmação por sensor de posição, na sequência da cinemática do molde.
• Confundir a chapa de esquema com a chapa de identificação do molde: são documentos diferentes, com funções diferentes.
• Intervir no molde sem confirmar ausência de tensão e sem despressurizar os circuitos hidráulicos.

Glossário

• Corrente elétrica : movimento ordenado de eletrões num condutor.
• Diferença de potencial (tensão) : a "força" elétrica que provoca a corrente.
• Lei de Ohm : relação entre tensão, corrente e resistência (V = I × R).
• Lei de Joule : calor produzido por uma corrente ao atravessar uma resistência (Q = I² × R × t).
• PT100 : resistência sensora cuja resistência varia com a temperatura, usada para medir temperatura.
• Controlador de temperatura (termorregulador) : compara a leitura de um sensor com um setpoint e comanda a resistência de aquecimento.
• Contador de ciclos : sensor que regista o número de aberturas/fechos do molde.
• Mould stick : dispositivo USB que regista dados de produção do molde, incluindo ciclos.
• EUROMAP : norma de conetores usada na indústria de plásticos para ligar moldes a máquinas.
• Esquema de comando : documento que representa as ligações elétricas do molde por zona.
• Esquema de refrigeração : documenta os canais de água e o sentido de entrada/saída.
• Esquema hidráulico : documenta bomba, válvulas e cilindros dos atuadores hidráulicos.
• Esquema da cinemática : documenta a sequência temporal dos movimentos mecânicos do molde.
• Chapa de esquema : placa fixada no molde com um dos esquemas acima.
• Chapa de identificação : placa fixada no molde com os dados de identificação e características.
• LOTO (Lockout-Tagout) : bloqueio e sinalização de uma máquina antes de uma intervenção.

Síntese

Um molde monitorizado começa nos fundamentos: corrente, tensão, Lei de Ohm, potência e energia dão as contas que confirmam se uma resistência de aquecimento está a funcionar como deveria. Sobre essa base assentam os sensores (pressão, temperatura, posição, ciclos, força de fecho, mould stick), cada um com a sua simbologia, e os elementos resistivos e o controlador de temperatura que fecham o ciclo de aquecimento. A informação circula por quatro esquemas distintos, elétrico de comando, refrigeração, hidráulico e cinemática, cada um documentando uma dimensão diferente do funcionamento do molde. As chapas de esquema e de identificação, montadas e localizáveis no próprio molde, tornam essa documentação acessível a qualquer técnico. E nenhuma intervenção se faz sem segurança: máquina consignada e despressurizada, EPI adequado à tarefa, e o enquadramento da Lei 102/2009 e do DL 50/2005.

Exercícios resolvidos

1. Uma resistência de cartucho tem placa de característica de 1500 W a 230 V. Calcula a resistência e a corrente nominais.

Resolução: $R = V^2/P = 230^2/1500 = 52\,900/1500 \approx 35{,}27\ \Omega$. $I = P/V = 1500/230 \approx 6{,}52$ A.

2. Um controlador mantém uma resistência de 1500 W ligada 50% do tempo, durante um turno de 8 horas. Calcula a energia consumida.

Resolução: $E = P \times \text{fração} \times t = 1500 \times 0{,}50 \times 8 = 6000$ Wh = 6 kWh.

3. Uma resistência nominal de 800 W a 230 V é medida em funcionamento: tensão 230 V, corrente medida 3,0 A. A resistência está a funcionar acima, ao nível ou abaixo da potência nominal? Justifica.

Resolução: resistência nominal: $R = 230^2/800 = 66{,}13\ \Omega$; corrente nominal: $I = 800/230 \approx 3{,}48$ A. A corrente medida (3,0 A) é inferior à nominal (3,48 A), logo a potência real é $P = 230 \times 3{,}0 = 690$ W, abaixo dos 800 W nominais. A resistência medida é $R = 230/3{,}0 \approx 76{,}67\ \Omega$, mais alta do que a nominal, sinal de degradação, coerente com a corrente e a potência mais baixas.

4. Distingue uma resistência de aquecimento de uma resistência sensora (PT100) quanto à função e ao efeito da temperatura sobre elas.

Resolução: a resistência de aquecimento converte corrente em calor por efeito Joule, deliberadamente, e o seu valor de resistência é aproximadamente constante. A resistência sensora (PT100) não aquece: o seu valor de resistência varia com a temperatura de forma calibrada, e é essa variação que o controlador lê para saber a temperatura da zona.

5. Um molde apresenta empenos localizados numa das faces da peça. Que esquema deve ser revisto em primeiro lugar, e porquê?

Resolução: o esquema de refrigeração. Empenos localizados indicam habitualmente arrefecimento desigual entre zonas, o que aponta para um canal obstruído ou para entrada/saída trocadas nesse circuito, problema documentado e diagnosticável através do esquema e da chapa de refrigeração.

6. Antes de desligar uma mangueira hidráulica de um molde, que dois cuidados de segurança são obrigatórios?

Resolução: confirmar que a máquina está consignada (LOTO), para que ninguém a acione durante a intervenção, e garantir que o circuito hidráulico está despressurizado, para evitar a projeção de fluido sob pressão.