Estado Del Arte de La Inyeccion de Plastico Colombia

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ESTUDIO ESTADO DEL ARTE DE MOLDEO POR ESTUDIO ESTADO DEL ARTE DE MOLDEO POR

INYECCION EN COLOMBIA INYECCION EN COLOMBIA

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CONTENIDO CONTENIDO

Pag. Pag. 1.

1. PLANTEAPLANTEAMIENTO MIENTO DEL DEL PROBLEMA PROBLEMA 44 2.

2. JUSTIFICACION JUSTIFICACION 66

3.

3. ANTECEDENTEANTECEDENTES S 77

3.1 PRECEDENTE HISTÓRICO DE LOS PLÁSTICOS Y LA 3.1 PRECEDENTE HISTÓRICO DE LOS PLÁSTICOS Y LA INYECCIÓN

INYECCIÓN DE DE POLÍMEROS POLÍMEROS 77

3.1.1

3.1.1 Origen Origen De De Los Los Plásticos Plásticos 77 3.1.2

3.1.2 Evolución Evolución De De Los Los Plásticos Plásticos 99 3.1.3

3.1.3 Inicios Inicios De De La La Inyección Inyección De De Polímeros Polímeros 1010 4.

4. OBJETIVOS OBJETIVOS 1313

4.1

4.1 OBJETIVO OBJETIVO GENERAL GENERAL 1313

4.2

4.2 OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECIFICOS ESPECIFICOS 1313 5.

5. METODOLOGIA METODOLOGIA 1414

6.

6. MARCO MARCO TEORICO TEORICO 1515

6.1

6.1 PLÁSTICOS PLÁSTICOS 1515

6.1.1

6.1.1 Características Características Generales Generales De De Los Los Plásticos Plásticos 1515 6.2

6.2 INYECCION INYECCION DE DE POLIMEROS POLIMEROS 1616 6.3

6.3 MAQUINA MAQUINA DE DE INYECCION INYECCION 1717

6.3.1

6.3.1 Unidad Unidad De De Inyección Inyección 1717 6.3.2

6.3.2 Unidad Unidad De De Cierre Cierre 2020

6.3.3

6.3.3 Unidad Unidad De De Control Control Del Del Proceso Proceso 2121 6.4

6.4 CICLO CICLO DE DE MOLDEO MOLDEO 2121

6.5

6.5 MOLDES MOLDES DE DE INYECCIÓN INYECCIÓN 2424

6.5.1

6.5.1 Sistema Sistema De De Alimentación Alimentación Caliente Caliente 2626 6.6 MECANISMOS DE

6.6 MECANISMOS DE ACCIONAMIENTO DINAMICOACCIONAMIENTO DINAMICO – – DISEÑO

DISEÑO PARA PARA LA LA OPTIMIZACION OPTIMIZACION DEL DEL LLENADO LLENADO 2727 6.6.1

6.6.1 Presión Presión De De Inyección Inyección 2828 6.6.2

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6.6.2.1

6.6.2.1 Presión Presión De De Inyección Inyección Y Y Longitud Longitud De De Flujo Flujo 3131 6.6.2.2

6.6.2.2 Presión Presión De De Inyección Inyección Y Y Espesor Espesor De De Pieza Pieza 3232 6.6.2.3

6.6.2.3 Presión Presión De De Inyección Inyección Y Y Tiempo Tiempo De De Llenado Llenado 3333 6.6.2.4

6.6.2.4 Presión Presión De De Inyección Inyección Y Y Material Material 3434 6.6.2.5 Presión De Inyección Y Temperatura De

6.6.2.5 Presión De Inyección Y Temperatura De Inyección

Inyección Y Y De De Pared Pared Del Del Molde Molde 3535 6.6.2.6

6.6.2.6 Presión Presión De De Inyección Inyección Y Y Velocidad Velocidad Del Del Pistón Pistón 3535 6.6.3

6.6.3 MODELO MODELO DE DE LLENADO LLENADO 3636

6.6.3.1 Definición De La Velocidad Del

6.6.3.1 Definición De La Velocidad Del Frente FusiónFrente Fusión  Y Área Del Frente De Fusión

 Y Área Del Frente De Fusión 3737

6.6.3.2 Frente De Fusión, Orientación Molecular Y 6.6.3.2 Frente De Fusión, Orientación Molecular Y De

De Las Las Fibras Fibras 3838

6.6.3.3

6.6.3.3 MFV, MFV, MFA MFA Y Y Equilibrio Equilibrio Del Del Flujo Flujo 3939 6.7

6.7 ESTIMACION ESTIMACION DE DE CICLOS CICLOS Y Y COSTE COSTE 4040 6.7.1

6.7.1 TAMAÑO TAMAÑO MAQUINA MAQUINA DE DE INYECCION INYECCION 4040 6.7.2

6.7.2 CICLOS CICLOS DE DE TIEMPOS TIEMPOS DE DE LA LA INYECCION INYECCION 4343 6.7.2.1

6.7.2.1 Tiempos Tiempos De De Inyección Inyección 4444 6.7.2.2

6.7.2.2 Tiempo Tiempo De De Enfriamiento Enfriamiento 4545 6.7.2.3

6.7.2.3 Tiempo Tiempo De De Recuperación Recuperación 4747 6.8

6.8 ESTIMACION ESTIMACION DE DE COSTES COSTES 4848

6.8.1

6.8.1 Costes Costes De De Los Los Materiales Materiales Del Del Molde Molde 4848 6.8.2

6.8.2 Costes Costes Preparación Preparación Del Del Moldeo Moldeo 4848 a)

a) Costes determinadoCostes determinado s por las dims por las dim ensionension es de la es de la piezapieza 4848 b)

b) Costes determinadoCostes determinado s por la coms por la com plejidad de la plejidad de la pieza pieza  4949 c)

c) Costes poCostes po r extracciones lateralr extracciones lateraleses 5151 d)

d) Costes poCostes po r extracciones retractiler extracciones retractiles s  5252 e)

e) Costes Costes por por extracciones extracciones automautom ááticas de ticas de machmach os os  r o s c a d o s

r o s c a d o s 5252

f)

f) Costes por acabado Costes por acabado  5353

g)

g) Costes por toleranciasCostes por tolerancias 5454

h)

h) CosCos tes tes popo r lír línea dnea d e pare par tictic ión ión  5454 i)

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7. MOLDEO POR INYECCION EN COLOMBIA 57 7.1 ESTADO DEL DE LA INDUSTRIA DE MOLDEO

POR INYECCION COLOMBIA 58

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los procesos de globalización y apertura económica han obligado a los sectores productivos a cambiar completamente sus estrategias de trabajo centrando sus esfuerzos en mejorar su calidad y productividad, con el objetivo de lograr una mayor competitividad. Es así como el presente trabajo analiza detalladamente el estado del arte del moldeo por inyección, el sector de la industria dedicado a la fabricación de moldes y toda las implicaciones que conlleva este proceso.

De esta forma, con nuestra idea central de investigación clara, nos formulamos la siguiente afirmación:

-“En que posición tecnológica y productiva se encuentra el diseño y

fabricación de moldes por inyección en la industria nacional y local”

-Este planteamiento nos lleva directamente a realizar los interrogantes que contribuirán al desarrollo del proyecto investigativo, y a la formulación de hipótesis que se acerquen a la realidad:

1. ¿cuál ha sido la trascendencia histórica del proceso de transformación de plásticos?

2. ¿qué es el moldeo por inyección y cuáles son los principios de los procesos que se conllevan el moldeo por inyección?

3. ¿cuáles son los factores y condiciones que se deben tener en cuenta en el diseño de moldes para inyección de polímeros?

4. ¿que aspectos de análisis dinámico, se involucra en las partes de accionamiento de la maquinaria de inyección que intervine en el proceso de moldeo?

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5. ¿en que estado se encuentra la industria nacional en cuanto a la transformación de plásticos, y la producción de moldes para la inyección de polímeros?

6. ¿Con que tecnologías y desarrollo en conocimientos cuenta nuestro país para la fabricación de moldes por inyección?

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2. JUSTIFICACION

En los últimos años a nivel nacional y mundial se ha incrementado la demanda de productos cuya materia prima es el plástico, este fenómeno toma cada vez mayor fuerza pues muchos productos que eran fabricados de otras materias primas, en este momento son fabricadas de plástico, debido a su mejor comportamiento y costo; dentro de las múltiples formas de transformación de esta metería prima en productos útiles para el hombre, una de las mas representativas es el moldeo por inyección de polímeros.

De esta manera, en nuestro proceso investigativo, hemos considerado necesario presentar, como principal factor, la necesidad que tiene la industria nacional en desarrollar el conocimiento y la tecnología para la fabricación de moldes para inyección de polímeros. Todo esto, a partir de una investigación minuciosa de todos los procesos de moldeo por inyección existentes y del estado actual del arte del moldeo por inyección de polímeros en el país.

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3. ANTECEDENTES

3.1 PRECEDENTE HISTÓRICO DE LOS PLÁSTICOS Y LA INYECCIÓN DE POLÍMEROS

3.1.1 Origen De Los Plásticos

El término Plástico, en su significación mas general, se aplica a las sustancias de distintas estructuras y naturalezas que carecen de un punto fijo de ebullición y poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones. Sin embargo, en sentido restringido, denota ciertos tipos de materiales sintéticos obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales.

La definición enciclopédica de plásticos reza lo siguiente: Materiales poliméricos orgánicos (los compuestos por moléculas orgánicas gigantes) que son plásticos, es decir, que pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada por medio de extrusión, moldeo o hilado. Las moléculas pueden ser de origen natural, por ejemplo la celulosa, la cera y el caucho (hule) natural, o sintéticas, como el polietileno y el nylon. Los materiales empleados en su fabricación son resinas en forma de bolitas o polvo o en disolución. Con estos materiales se fabrican los plásticos terminados.

Etimológicamente, el vocablo plástico deriva del griego plastikos, que se traduce como moldeable. Los polímeros, las moléculas básicas de los plásticos, se hallan presentes en estado natural en algunas sustancias

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vegetales y animales como el caucho, la madera y el cuero, si bien en el ámbito de la moderna tecnología de los materiales tales compuestos no suelen encuadrarse en el grupo de los plásticos, que se reduce preferentemente a preparados sintéticos.

El primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collander ofreció una recompensa de 10.000 dólares a quien consiguiera un sustituto aceptable del marfil natural, destinado a la fabricación de bolas de billar. Una de las personas que compitieron fue el inventor norteamericano Wesley Hyatt, quien desarrolló un método de procesamiento a presión de la piroxilina, un nitrato de celulosa de baja nitración tratado previamente con alcanfor y una cantidad mínima de disolvente de alcohol. Si bien Hyatt no ganó el premio, su producto, patentado con el nombre de celuloide, se utilizó para fabricar diferentes objetos detallados a continuación. El celuloide tuvo un notable éxito comercial a pesar de ser inflamable y de su deterioro al exponerlo a la luz.

El celuloide se fabricaba disolviendo celulosa, un hidrato de carbono obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y etanol. Con él se empezaron a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de lentes y película cinematográfica. Sin éste, no hubiera podido iniciarse la industria cinematográfica a fines del siglo XIX. Puede ser ablandado repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que recibe el calificativo de termoplástico.

En 1909 el químico norteamericano de origen belga Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) sintetizó un polímero de interés comercial, a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Este producto podía moldearse a medida que se formaba y resultaba duro al solidificar. No conducía la electricidad, era resistente al agua y los disolventes, pero fácilmente mecanizable. Se lo bautizó con el nombre de baquelita (o bakelita), el primer plástico totalmente sintético de la historia.

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Baekeland nunca supo que, en realidad, lo que había sintetizado era lo que hoy conocemos con el nombre de copolímero. A diferencia de los homopolímeros, que están formados por unidades monoméricas idénticas (por ejemplo, el polietileno o el polipropileno), los copolímeros están constituidos, al menos, por dos monómeros diferentes.

Otra cosa que Baekeland desconocía es que el alto grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la baquelita le confiere la propiedad de ser un plástico termoestable, es decir que puede moldearse apenas concluida su preparación. En otras palabras, una vez que se enfría la baquelita no puede volver a ablandarse. Esto la diferencia de los polímeros termoplásticos, que pueden fundirse y moldearse varias veces, debido a que las cadenas pueden ser lineales o ramificadas pero no presentan entrecruzamiento.

Entre los productos desarrollados durante este periodo están los polímeros naturales alterados, como el rayón, fabricado a partir de productos de celulosa.

3.1.2 Evolución De Los Plásticos

Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).

 Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho,

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comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos, potes y hueveras. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico.

También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Walace Carothers, que trabajaba para la empresa Dupont. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico, formaban polímeros que bombeados a través de agujeros y estirados formaban hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán.

En la presente década, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.

3.1.3 Inicios De La Inyección De Polímeros

En la época actual resultaría difícil imaginar que alguno de los sectores de nuestra vida diaria, de la economía o de la técnica, pudiera prescindir de los plásticos. Sólo basta con observar a nuestro alrededor y analizar cuántos objetos son de plástico para visualizar la importancia económica que tienen estos materiales.

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Dicha importancia se refleja en los índices de crecimiento que, mantenidos a lo largo de algunos años desde principios de siglo, superan a casi todas las demás actividades industriales y grupos de materiales.

En 1990 la producción mundial de plásticos alcanzó los 100 millones de tonelada y para el año 2,000 llegará a 160 millones de toneladas. El consumo de plásticos sólo se encuentra por abajo del consumo del hierro y acero, pero debe tomarse en cuenta que estos tienen una densidad entre seis y sietes veces mayor a la de los plásticos. Por esta razón, el volumen producido de plásticos fue mayor al del acero.

La denominación de los plásticos se basa en los monómeros que se utilizaron en su fabricación, es decir, en sus materias primas.

En los homopolímeros termoplásticos se antepone el prefijo. A la par del descubrimiento y síntesis de los materiales plásticos, la creatividad del hombre ha ideado formas para moldearlos con el objeto de satisfacer sus necesidades.

Por ejemplo: la sustitución de los materiales tradicionales como el vidrio, metal, madera o cerámica, por otros nuevos que permiten obtener una mejoría de propiedades, facilidad de obtención y, por las necesidades del presente siglo, la posibilidad de implementar producciones masivas de artículos de alto consumo a bajo costo.

El nacimiento de los procesos de moldeo de materiales plásticos, se remota a épocas bíblicas con el uso del bitúmen, para la confección de la canasta en la que se puso al patriarca hebreo Moisés en el río Nilo y en el uso de este material en vez de cemento para edificar Babilonia. Al seguir el curso de la historia, se detectan otros usos de resinas naturales como el ámbar en joyería en la antigua roma, la laca como recubrimiento en la India, pelotas de hule natural para juegos rituales en América Central, y otras.

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En 1839, Charles Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del hule con azufre, pero aún no se puede hablar de procesos de moldeos comerciales o industriales.

En 1868 Parkes, en Londres, idea el moldeo de nitrato de celulosa utilizando rodillo, una pequeña cantidad de solvente y calor para plastificar el compuesto. Los intento para el desarrollo de productos y proceso para moldear continuaron, y en 1872 se patenta la primer máquina de inyección, para moldear nitrato de celulosa, pero debido a la flamabilidad de este material y peligrosidad de trabajar, el proceso no se desarrolló.

 Al término del siglo XIX, los únicos materiales plásticos disponible para usos prácticos eran el Shellac (laca), la Gutta Percha, la Ebonita y el Celuloide, el ámbar y el bitúmen, moldeados en formas artesanales.

En 1926, la expansión de materiales poliméricos y las experiencias en el diseño de máquinas para procesarlos, estimulan la creación de máquinas con aplicación industrial, en la construcción y fabricación en serie de inyectores de émbolo impulsada por la Síntesis del Poliestireno (PS) y  Acrílico (PMMA).

En 1935 Paul Toroester, en Alemania, construye una máquina extrusora de termoplásticos, basada en diseños anteriores para el procesamiento de hules.

 A Partir de estas fechas inicia el uso de electricidad para el calentamiento, que sustituye al vapor. En Italia se genera el concepto del uso de husillos gemelos. En 1938, se concibe la idea industrial de termoformado, y en 1940 el moldeo por soplado. A la fecha, se cuenta con la existencia de cientos de polímeros patentados; de ellos aproximadamente 30 son imprescindibles. Los productos manufacturados con plásticos, son obtenidos por más de 20 procesos de moldeo distintos aproximadamente 10 gobiernan la mayor parte del volumen de plásticos transformados.

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4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Establecer a través del trabajo investigativo, todos los aspectos relacionados con el moldeo por inyección de polímeros, y el estado del arte del mismo.

4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

 Analizar y representar el proceso de moldeo por inyección de polímeros.

 Determinar los diferentes aspectos que se deben tener en cuenta el proceso de elaboración de un producto a tr avés de

 Representar los mecanismos de accionamiento de la maquinaria que interviene en el proceso de moldeo por inyección de polímeros la inyección de polímeros.

 Analizar y exponer la necesidad que existe en nuestro país de implementar tecnologías para el desarrollo de moldes para inyección de polímetros.

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5. METODOLOGIA

Definidos los objetivos de nuestra investigación se procedió a determinar el mejor método para iniciar la investigación sobre moldeo por inyección, así como el análisis que realizaremos a la situación de la industria nacional en el tema. con el fin de presentar un marco de referencia bastante cercano a la realidad, decidimos realizar una relación de tipo Investigación-Campo en nuestro estudio; que lo podemos desmembrar en dos etapas de directa relación:

Una etapa de investigación y documentación; en donde el desarrollaremos uno de los propósitos mas importantes de nuestro proceso investigativo, que involucra una muestra completa del proceso del moldeo por inyección, los mecanismos de accionamiento del proceso, así como los factores que conlleva su desarrollo.

Y una etapa de campo, en la cual ahondaremos el estudio del comportamiento en la industria colombiana y local, como se encuentra esta tanto en conocimientos y tecnología frente al diseño de moldes por inyección; tomando como referencia las empresas dedicadas a la fabricación de moldes (si las hay) y a las empresas usuarias de los mismos.

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6. MARCO TEORICO

6.1 PLÁSTICOS

6.1.1 Características Generales De Los Plásticos

Los plásticos se caracterizan por una relación resistencia/densidad alta, unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes. Las enormes moléculas de las que están compuestos pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo del tipo de plástico. Las moléculas lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoendurecibles (se endurecen con el calor).

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diferentes. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones, otras, globos, etc. Algunas se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

La mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas.

En general, los polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas de Van der Waals

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6.2 INYECCION DE POLIMEROS

El moldeo por inyección de polímeros es el método mas utilizado para la fabricación de piezas de termoplástico, aproximadamente un 60% de las maquinas de transformación de plástico son maquinas de inyección. Con ellas puede abordarse la fabricación de piezas desde un peso de unos cuantos miligramos hasta 100 kg.

Básicamente el proceso de moldeo por inyección inicia al fundir el plástico dentro de una cámara calefactora, allí un émbolo o pistón de inyección se mueve rápidamente para empujar el plástico ablandado por el calor. Bajo la acción combinada del calor y la presión ejercida por el pistón de inyección, el polímero es lo bastante fluido como para llegar, a través de un tornillo del extrusor, al molde frío donde toma forma la pieza en cuestión. El polímero estará lo suficiente fluido como para llenar el molde frío. Pasado un tiempo breve dentro del molde cerrado, el plástico solidifica, el molde se abre y la pieza es removida. El ritmo de producción es muy rápido, de escasos segundos. A continuación en la Figura 1. representamos un esquema de una Maquina de Inyección en la cual se lleva a cabo el proceso explicado anteriormente.

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La inyección es adecuada para realizar piezas de una sola etapa de producción, sin rebabas y prácticamente es innecesaria la etapa de acabado. Además el proceso es completamente automatizable, lo que permite la utilización de las maquinas de forma continua y amortizar la inversión de la maquinaria en un plazo relativamente corto.

Desde el punto de vista del diseño, una de las principales ventajas que proporciona la inyección de plástico es la posibilidad de incorporar a una sola pieza varias funciones, de forma que se puede reducir el número de piezas y el tiempo de ensamblaje. También debe destacarse, que la inyección de plásticos utiliza herramientas y equipamientos muy caros, por lo que es necesario obtener una estimación de cotes en las primeras fases del diseño de la pieza.

6.3 MAQUINA DE INYECCION

Según la norma DIN 24450 una inyectora es una maquina cuya tarea principal consiste en la fabricación discontinua de piezas a partir de masas de moldeo de elevado peso molecular, con la ayuda de presiones elevadas. Una maquina inyectora consta de tres parte principales: Unidad de Cierre, Unidad de Inyección y Unidad de Control de Proceso.

6.3.1 Unidad De Inyección

Se encarga de fundir el plástico, homogenizarlo, trasportarlo, dosificarlo e inyectado en el molde. Actualmente la mayoría de las maquina están dotadas de un husillo plastificador que actúan también como embolo de inyección. La unidad de inyección dispone de un sistema de calefacción encargado de fundir el plástico. El husillo da vueltas dentro un cilindro calentado, en el que se introduce el material desde una tolva de alimentación (ver Figura 2). La unidad de inyección puede desplazarse horizontalmente para facilitar el cambio del huesillo o boquilla de forma que se adate al material a trasformar, o al volumen que exige la pieza. La

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velocidad con la que se desplaza el huesillo horizontalmente se puede regular para que la entrada del material en el molde se produzca de forma homogénea.

 A continuación presentamos un esquema más grafico, de la manera como se realiza el proceso de trabajo de la Unidad de Inyección:

 La Unidad de Inyección es alimentada a través de la tolva, luego

allí el material es acumulado y plastificado mediante el giro y retroceso del husillo (Figura 3)

Figura 3. Unidad de Inyección – Alimentación de la Tolva.

 Luego la Unidad de Inyección avanza a gran velocidad, hasta la

piquera, que es el punto, donde el material entra al molde, La válvula antirretorno impide el retroceso del material. es en esta parte del proceso, donde se regula el movimiento por velocidad de inyección y presión máxima admisible en el molde (Figura 4)

Figura 4. Unidad de Inyección – Punto de Inyección y regulación de proceso.

 Luego se continúa el proceso manteniendo la presión en el molde,

inyectando más material durante inicio de cristalización y contracción. Luego se procede a la separación del molde, y se

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inicia un nuevo ciclo de plastificación mientras la pieza termina el enfriamiento en el molde (Figura 5).

Figura 5. Unidad de Inyección – Separación del molde.

Es importante destacar también, dentro de las Unidades de Inyección, las Unidades de Inyección de dos etapas. Este tipo de unidades representan una mayor ventaja en la capacidad de producción, mayor presión, y mayor precisión en el volumen de inyección. Este tipo de Unidades de Inyección permiten la fabricación de pieza de alta complejidad, aunque esto representa al mismo tiempo, un mayor costo de producción y menor homogeneidad del material. En la Figura 6 podemos apreciar un esquema de este tipo de unidades de inyección.

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6.3.2 Unidad De Cierre

La unidad de cierre de una maquina de inyección es semejante a una prensa en posición horizontal. La placa de sujeción del molde, en el lado de la inyección es fija, mientras que la del lado de expulsión es móvil deslizándose gracias a cuatro guías. En esta placa se sujeción va montado el molde, de manera que la pieza cae hacia abajo con la ayuda de expulsores. La mitad del molde que permanece fija se denomina semimolde fijo y la mitad que se desplaza en sentido horizontal móvil. El sistema de expulsión de la pieza se coloca en el semimolde móvil, por lo que debemos asegurarnos que la pieza que se quede adherida a esa mitad.

Los sistemas de accionamiento mas frecuentes para la placa de sujeción del lado de expulsión son:

• Rodillera de accionamiento hidráulico (Figura 7) • Accionamiento totalmente hidráulico (Figura 8)

Figura 7. Unidad de Cierre – Unidad Rodillera

Los sistemas basados en rodilleras se emplean en maquina de pequeño o mediano tamaño y funcionan gracias a un sistema de propulsión hidráulico. La ventaja de este sistema son la rapidez y la fiabilidad de funcionamiento, así como la característica de ser autoblocante. Los inconvenientes son la posibilidad de roturas de las guías, las

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deformaciones en el molde, en caso de ajustes defectuosos, y los elevados costos de manteamiento.

Figura 8. Unidad de Cierre – Unidad Hidráulica

El peligro de la rotura no existe en los sistemas totalmente hidráulicos ya que los esfuerzos no deforman las guías. Las ventajas de este sistema radican en su superior precisión y posicionamiento versátil con la ausencia de deformaciones indeseables en el molde y de las roturas en la guía. Las desventajas se resumen en una velocidad de cierra menor y un mayor consumo energético.

6.3.3 Unidad De Control Del Proceso

La unidad de control se encarga de regular los tiempos de cada fase del proceso. Mientras el molde este vació controla la velocidad de giro del huesillo, el desplazamiento horizontal de este y la temperatura de inyección. Un a ves lleno el molde regula la presión de inyección y el tiempo de enfriamiento y finalmente expulsa la pieza.

6.4 CICLO DE MOLDEO

El proceso de inyección de termoplásticos tiene 3 fases: inyección, enfriamiento y expulsión.

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Durante la inyección el plástico esta en estado liquido este fluye a través de los conductos del molde y es enfriado a través de las paredes de este, entonces el polímero solidifica bajo presión de la maquina de inyección finalmente se abre el molde, la pieza es expulsada y se prepara la maquina para el siguiente ciclo (recuperación).

La fase de inyección consiste en hacer fluir el material desde el cilindro calentador al interior del molde. La cantidad del material inyectado se denomina del material bruto, ya que se inyecta un volumen mayor que el de la pieza en previsión de los conductos de alimentación y de las contracciones. Las fase de inyección se acompaña de un incremento de presión, tal y como se muestra en la Figura 9. Tan pronto como la cavidad es llenada la presión aumenta rápidamente y se produce la compactación. Durante la fase de compactación el material sigue fluyendo, pero a menor velocidad de forma que se compense la perdida de volumen por contracción del material durante la solidificación. El tiempo de compactación depende de las propiedades del material, después de la compactación la presión en el molde disminuye, al mismo tiempo se comienza alimentar el cilindro calentador con el material que será utilizado en la siguiente pieza.

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En el momento en el que se reduce la presión el material es todavía fluido especialmente en piezas gruesas esto puedo originar el flujo del material en sentido inverso y se evita con un correcto diseño de los conductos de alimentación del molde. Después de la solidificación del material decreciendo la presión gradualmente debido a la baja conductividad térmica de los materiales termoplásticos, el tiempo de enfriamiento suele ser el más amplio del ciclo de trabajo. La Figura 10 representa el tiempo aproximado empleado en cada una de las fases y en la Figura 11 vemos una maquina de inyección en posición de trabajo en cada una de las fases del moldeo.

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6.5 MOLDES DE INYECCIÓN

La función del molde es la de generar la forma deseada en el termoplástico y enfriar la pieza. El molde se divide en dos conjuntos de piezas: platos y soportes de platos. El tamaño y el peso de la pieza a fabricar limita el numero de piezas a fabricar por moldes (números de cavidades) en la Figura 12 se muestra un típico molde de inyección, básicamente consiste en dos piezas el plato cavidad y el plato núcleo. El plato cavidad es la mitad del molde que percance fija y por donde se inyecta el material fundido, mientras que el plato núcleo es la mitad del molde móvil donde se encuentran los eyectores. La línea de separación de ambos se llama línea o plano de partición. El material se introduce en el molde atreves del canal central de alimentación llamado bebedero. Durante la solidificación la pieza sufre una contracción y esta provoca que se quede pegada al plato núcleo, de forma que son necesarios los eyectores para retirar la pieza. Los dos platos están provistos de canales de refrigeración, por donde circulan un liquido refrigerante que generalmente es agua con algún aditivo, que evacua el calor de la pieza los moldes disponen de un agujero que asegura que no se quede aire atrapado entre los platos muchas veces estos se consigue simplemente dejando una pequeña holgura en los expulsadotes de forma que se pueda escapar el aire.

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En la Figura 12 a y b vemos dibujado un molde donde se puede ver una extracción lateral, estas son necesarias cuando se quieren generar cavidades en el dirección perpendicular a la apertura del molde, supone un costo adicional elevado pero en ocasiones es imprescindible colocarlos.

Figura 13. Molde de dos placas

El tipo de molde mas utilizado es el de dos placas, que tiene una única cavidad y un núcleo, podemos ver un molde de este tipo en la Figura 13 consta de dos semimoldes donde se han labrado las cavidades además dispone de un sistema de refrigeración, sistema de expulsores y otros elementos que facilitan el montaje en la maquina inyectora. Los eyectores se mueven gracias al desplazamiento de la placa expulsora y vuelve a su posición inicial mediante un resorte recuperador el molde de tres placas (Figura 14) se utiliza cuando se pretende obtener la pieza separada del sistema de alimentación (bebederos, canales, etc). La separación se realiza de forma automática en la apertura del molde.

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Presenta la ventaja de no tener que realizar una operación posterior de arranque de canales de alimentación, sin embargo resultan más caros de fabricar que los de placa. Los desperdicios se pueden reciclar para sucesivas inyecciones, en ambos tipos de moldes.

Figura 14. Molde de tres placas

6.5.1 Sistema De Alimentación Caliente

El objetivo de los sistemas de alimentación calientes es reproducir piezas libres de bebederos y canales de alimentación. De esta forma se elimina la operación posterior de arrancar los canales además supone un ahorro de material ya que el volumen que se inyecta en el mismo que el de la pieza.

El principio de funcionamiento es mantener caliente los materiales, de forma que nunca lleguen a solidificar. Estos sistemas mantienen los canales calientes mediante el soporte de calor o bien gracias a un aislamiento térmico. En la Figura 15 se ve una boquilla que permanece siempre caliente gracias al aislamiento que proporciona el propio plástico. Vemos que existen dos zonas diferenciadas, la zona fría y la caliente, separadas por una capa de plástico solidificado.

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Figura 15. Molde con alimentación caliente

Esta capa de plástico se llena con la primera inyección y solidifica la capa aislante cuando la pieza solidifica y es expulsada del molde, parte del plástico solidificado fuera de la pieza se desprende dejando abierto de nuevo la entrada del molde. Se trabaja con un sistema de alimentación caliente, cuando se trata de piezas de paredes gruesas que no puede fabricarse en tiempos de ciclos de tres a cuatro inyecciones por minuto, debido a su mayor tiempo de enfriamiento en el molde. Estos sistemas suponen un incremento de coste del molde, sin embargo se compensa con la reducción de operaciones posteriores y del ciclo de tiempo.

6.6 MECANISMOS DE ACCIONAMIENTO DINAMICO - DISEÑO PARA LA OPTIMIZACION DEL LLENADO

En los últimos años se han desarrollado con éxito un gran numero de programas informáticos de apoyo a la ingeniería (CAE: computer arded enginneering). Los programas de análisis CAE ayudan al diseño de piezas de plástico, moldes y condiciones de proceso. Sin la ayuda de estos programas el diseño se basaría en la experiencia previa intuición, fabricación de prototipos, o ensayos para obtener información tal como perfiles de llenado, líneas de soldaduras atropamiento de aire, orientación de las fibras, ciclos de tiempo, Forma final de piezas, deformación, etc. A demás nos seria muy complicado el estudio de otros parámetros de diseños importantes como son: distribución de presión, temperatura,

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tensiones de cortadura, velocidad, etc. El manejo de paquetes CAE puede suplir en algunos casos la falta de experiencia en la fabricación de piezas de plástico y ayuda a los ingenieros con experiencia a afinar aun mas sus diseños. Utilizando el CAE podemos hacer un gran numero de iteración hasta optimizar el diseño, ahorrando tiempo y dinero, ya que podemos reducir el material, disminuir el tiempo de fabricación y mejorar el producto. Como todas la herramientas sofisticadas el rendimiento de la herramienta CAE dependen de la habilidad del ingeniero además requiere de algo de tiempo de aprendizaje hasta que se consigue su total dominio.  Además los resultados generados por análisis CAE necesitan estar

correctamente interpretados.

 A continuación pretendemos dar una visión general de las posibilidades de esta herramienta aplicadas al proceso de inyección de plástico, así como un análisis de las principales variables que influyen en este proceso.

6.6.1 Presión De Inyección

Uno del los factores que resulta mas determinantes para optimizar el diseño para la fabricación en pieza de plástico inyectadas es reducir al máximo la presión de inyección, ya que repercutirá favorablemente en el resto de variables, como son fuerza de cierre del molde, maquina inyectora, propiedades del molde, etc.

La presión es la fuerza que expulsa al polímero a través del molde, hasta llenarlo completamente si se colocan varios sensores de presión a lo largo de la trayectoria del flujo, se puede obtener la distribución de presiones en las distintas partes del molde durante el proceso de inyección, como se ilustra en la Figura 16 el flujo del polímero fundido va desde la área de alta presión a las áreas de baja presión, análogamente fluye de las partes mas altas a las partes mas bajas. Durante la inyección la presión más alta se forma en la parte superior de la boquilla de inyección.

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Figura 16. Disminución de la presión a lo largo del sistema de alimentación y la cavidad 

La presión diminuye a lo largo del camino del plástico y finalmente la presión alcanza la presión atmosférica y el frente del flujo. La presión aumenta con la resistencia del flujo del plástico que en función de la geometría y viscosidad del termoplástico. Si la longitud del flujo aumenta la presión a la entrada del polímero debe aumentar, para conseguir el llenado completo.

6.6.2 Factores Que Influyen En La Presión De Inyección

Las ecuaciones que determinan la presión de inyecciones basan en la teoría de la mecánica de flujos con algunas simplificaciones. La presión de inyección requerida para llenar en sistema de alimentación (bebedero, canales secundarios, puertas) y las cavidades en función de los materiales empleados, diseño de la pieza y condiciones del proceso. La Figura 17 muestra la relación entre la presión y la inyección y los parámetros.

 A modo orientativo podemos dar una relación entre estas variables en el caso de trabajar con canales de sección circular:

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Donde:

 P = Es la presión de inyección

 n = una constante propia del material (con una rango de 0.15 y 0.36)

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6.6.2.1 Presión De Inyección Y Longitud De Flujo

Como se puede ver en la Figura 18, la presión de inyección aumenta linealmente con la longitud del flujo, por lo tanto debemos minimizar el recorrido que hace el plástico en el interior de la cavidad. Para reducir este camino podemos variar la localización de las puertas de entradas o bien variar el número de estas. Normalmente la colocación de múltiples puertas reduce la longitud del flujo, reduciendo la presión de inyección requerida para llenar el molde. En la Figura 19 se muestra con la ayuda simulación por ordenador de la inyección el recorrido del material para la pieza con diversas soluciones de puertas además de la presión requerida y el perfil de avance del plástico.

Figura 18. Muestra la presión de inyección como función de viscosidad, longitud del flujo, flujo volumétrico y espesor de la pieza

Vemos que con la solución de tres puertas la presión de inyección es la menor, sin embargo estos diseños traen consigo otros problemas, como es la aparición de líneas de soldaduras y requiere de unos canales de alimentación algo mas complicados.

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Figura 19. Muestra de cómo la ubicación de la puerta afecta la presión de inyección, avance del frente de fusión y longitud del flujo

6.6.2.2 Presión De Inyección Y Espesor De Pieza

Como ya hemos visto anteriormente el espesor de la pieza afecta fundamentalmente al tiempo de enfriamiento de la pieza, pero además el espesor de la pieza afecta a la presión de inyección requerida. Cuando menor es el espesor, mayor es la presión de inyección. En la Figura 20 podemos ver la presión necesaria para la pieza del ejemplo y con diferentes espesores.

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Figura 20. Diagrama de presión de inyección Vs espesor de la geometría de la pieza

6.6.2.3 Presión De Inyección Y Tiempo De Llenado

En la relación entre tiempo de llenado y la presión de inyección, se presentan varios factores que se contrarrestan. Cuanto mas corto sea el tiempo de llenado mayor será el caudal, con lo que la presión de inyección según la Ecu 1 aumentara. Dado el volumen fijo de la cavidad, el tiempo de llenado es inversamente proporcional al caudal. Sin embargo un llenado rápido genera un incremento de la temperatura del material por fricción (o una disminución de la velocidad del enfriamiento), lo que hace disminuir la viscosidad del material con la que la presión de inyección disminuye.

Figura 21. Geometría de la pieza y presión de la inyección requerida para varios tiempos de llenado

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En la Figura 21 podemos ver la presión de inyección respecto al tiempo de llenado mostrando que la relación es la línea curva. El tiempo óptimo de llenado es el punto de la curva donde la presión de inyección es mas baja. Por ejemplo se muestra que la máxima presión de inyección requerida para llenar una cavidad rectangular, de dimensiones 200*25*2 mm3 usando una resina de PP con diferentes tiempos de llenado.

6.6.2.4 Presión De Inyección Y Material

La presión de inyección varia notablemente para distintos materiales la viscosidad del material fundido es la propiedad del flujo que afecta mas significativamente a la presión de inyección. Generalmente, la viscosidad del material fundido es función de la temperatura, velocidad, deformación y presión. Esto implica que la viscosidad de un polímero varia de acuerdo a las condiciones del proceso sin embargo existe un amplio rango de condiciones donde la viscosidad permanece estable para diferentes materiales.

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La Figura 22 ilustra como la presión de inyección afecta el tiempo de llenado de dos materiales diferente. Los materiales son una resina PP y una resina PMMA. La cavidad es un triangulo de 200*25*2mm3.

6.6.2.5 Presión De Inyección Y Temperatura De Inyección Y De Pared Del Molde

Las temperaturas de fusión y pared de molde tienen un impacto directo en el resultado de moldeado. Afecta la presión de inyección, calidad de superficie, contracción de la pieza, alabamiento y tiempo del ciclo, así como otras variables. Por ejemplo, a aumentar la temperatura del plástico y la temperatura de la pared del molde se reducirán la presión de inyección requerida, viscosidad del plástico y, por consiguiente, la presión de inyección disminuirá aproximadamente un 10% por cada 10ºC de incremento en la temperatura del plástico durante el rango de temperatura del proceso.

6.6.2.6 Presión De Inyección Y Velocidad Del Pistón

Otra forma de reducir la presión de inyección es optimizar la velocidad del pistón que desplaza al tormillo sin fin. Que inyecta al plástico en el interior del molde. Una velocidad variable del pistón da como resultado una velocidad lenta del plástico al atravesar el área de la puerta. Para evitar salpicaduras y altas tenciones de corte. Una vez atravesada la puerta la velocidad de flujo de material aumenta para llenar la cavidad. La velocidad del pistón se reduce de nuevo, antes de llenar completamente la cavidad para eliminar picos de presión, además de reducir la fuerza de cierre necesaria. Este perfil de velocidades se muestra en la Figura 22 con la presión de inyección.

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Figura 22. Muestra como el perfil de la velocidad del pistón afecta la presión de inyección

6.6.3 MODELO DE LLENADO

El modelo de llenado es la progresión transitoria del frente de plástico en el interior de los canales de alimentación del molde y en las cavidades de este. Juega un papel importante en la calidad final de la pieza. El modelo de llenado ideal es aquel que consigue que el frente de plástico llegue a todos los extremos de la pieza al mismo tiempo, con una velocidad de frente fluido (MFV) constante. Un MFV variable durante el llenado conduce a cambios moleculares o en la orientación de las fibras, ya que el plástico inmediatamente solidifica al entrar en contacto con la superficie fría del molde.

 Antiguamente, para analizar el modelo de llenado se realizaban pruebas de llenado inyectando menos plástico, para poder observar como se realizaba el llenado. Esta forma de trabajo necesita de disponer de un molde prototipo o de uno ya terminado. Actualmente se cuenta con la ayuda de la informática para simular el llenado de los moldes, cuando el diseño esta todavía en las primeras fases del diseño. Los programas de simulación son capaces de dibujar el modelo de llenado mediante isócronas. El espacio que hay cada una de estas isócronas nos dan un índice para medir la velocidad del frente del fluido (MFV). Líneas muy

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próximas indican velocidad lenta y líneas muy separadas indican mayor velocidad. De la misma forma la disminución espacio entre líneas indican una desaceleración del frente, y el aumento de espació entre ellas una aceleración.

El modelo de llenado resulta útil para analizar las siguientes características:

 Posición de las líneas de soldadura y “unión”.  Localización de los atropamientos de aire.  Influencia de la carrera del pistón.

 Aceleración del frente fluido.  Equilibrado del llenado.

6.6.3.1 Definición De La Velocidad Del Frente Fusión Y Área Del Frente De Fusión

Esta sección presenta dos parámetros importantes del proceso: velocidad del frente de fusión (MFV) y área del frente de fusión (MFA). Como su nombre lo indica, MFV es la velocidad del frente del plástico fundido. El área del frente de fusión (MFA) se define como a sección transversal del frente del plástico (Figura 23). En cualquier momento la multiplicación de MFV x MFA es igual al caudal.

Los moldes que tienen una geometría variable en sus cavidades, una velocidad constante del pistón (equivalente a un caudal constante) no garantiza necesariamente una velocidad constante del plástico. Cuando la proyección del área de la sección de la cavidad varia, unas áreas de las piezas se llenan mas rápido que otras áreas. La figura 23 muestra un ejemplo donde el MFV aumenta alrededor de la inserción, aunque l caudal es constante. Esto genera tensiones y orientación molecular diferente en los laterales de la pieza y crea diferentes contracciones y alabeos.

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Figura 23. Velocidad del frente de fusión y área del frente de fusión. Nota: el flujo volumétrico constante no garantiza necesariamente un velocidad constante del plástico,

debido a la geométrica variable de la cavidad.

6.6.3.2 Frente De Fusión, Orientación Molecular Y De Las Fibras

Durante el llenado del molde, las moléculas de polímeros y las fibras (si las hay) se orientan, influenciadas por el flujo de plástico en su misma dirección. Durante la fase de llenado. Las moléculas de polímero y las fibras (si las hay) se orientan siguiendo la orientación determinada por el flujo. Dado que se inyecta en un molde que generalmente se encuentra fijo, la mayor parte del plástico en la proximidad de las paredes de este se queda instantáneamente solidificado. Tal y como se muestra en la figura 24. El grado de orientación de la fibra y molecular depende de la dinámica del flujo. En el frente del flujo, una combinación de fuerza, fuerza a fluir las partículas de plástico desde el centro de la pieza a las paredes del molde,

es lo que se conoce familiarmente como “efecto fuente”.

Los efectos dinámicos del frente de fusión son los aspectos menos definidos y comprendidos del llenado del molde, y esta mas allá del alcance de de nuestros objetivos de diseño. Sin embargo, se conoce bien que cuando mas alta es la velocidad del frente de fusión, más alta es la tensión en la superficie y la orientación molecular y de la fibra. Una orientación no uniforme en el interior de la pieza, como resultado de una

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alabeos. Por lo tanto, es recomendable mantener la velocidad de llenado constante para generar una orientación molecular y orientación de la fibra uniforme.

Figura 24. Muestra la orientación molecular y orientación de la fibra adyacente a la superficie de la pieza se forman en la zona fría detrás del frente de fusión.

6.6.3.3 MFV, MFA Y Equilibrio Del Flujo

MFV y MFA son parámetros importantes del diseño, sobre todo por equilibrar el flujo durante el llenado de la cavidad. Por ejemplo, se puede usar el MFA como un índice de comparación cuantitativa del grado de equilibrio del flujo. Mas específicamente, cuando el flujo es variable, partes del frente de fusión alcanzan el extremo de la cavidad mientras otras partes todavía están en movimiento. El área del frente de fusión cambia bruscamente con la geometría de la pieza. En cambio, el flujo equilibrado generalmente tiene una variación mínima de área del frente de fusión en la cavidad. Para una geometría compleja de la pieza se debe determinar una situación óptima de la puerta para minimizar la variación de MFA en la cavidad.

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La relación entre el caudal, MFA y MFV se puede expresar como:

Velocidad frente de Fusión = caudal de inyección / Área frente de fusión (MFA)

6.7 ESTIMACION DE CICLOS Y COSTE

 A continuación se describe el método para la estimación de ciclos y coste de fabricación de piezas de termoplástico inyectada. Tantos los tiempos como los coste obtenidos son meramente orientativos.

6.7.1 TAMAÑO MAQUINA DE INYECCION

La determinación del tamaño de la maquina de inyección se realiza a través de la fuerza de cierre necesaria, según las condiciones de trabajo y del material de la pieza. Esta a su vez depende del área proyectada de la cavidad y de la máxima presión en el molde durante el llenado. El área proyectada de la cavidad es función del área de la pieza (o piezas si se trata de un molde multicavidad) y el sistema de alimentación. Para calcular el volumen de material bruto a inyectar en cada cavidad, se ha de calcular la cantidad de material acumulado en los conductos de alimentación. Si se utilizan conductos de alimentación calientes, entonces el volumen inyectado coincide con el volumen de la pieza, en la Tabla 1 vemos unos valores típicos en % de conductos de alimentación aumento de forma exponencial con la disminución del volumen de la pieza

Como primera aproximación se puede estimar que el área proyectada de los conductos es proporcional al área de la pieza, aunque esto es solo cierto si la pieza es plana y el sistema de conductos tiene el mismo espesor de la pieza. En la Tabla 2 y la  Tabla 3 vemos los datos de maquinas de inyección y de los principales polímeros. Estimar la presión que tiene el plástico en el interior del molde es muy complicado, ya que el flujo del plástico es no lineal. Se simplifica el problema estimando una

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presión media en todo el molde, obtenida gracias a datos experimentales, del 50% de la presión generada por la maquina de inyección, esta perdida de presión es debida a la fricción en los conductos de alimentación y a la porción de plástico que comienza a solidificar en las proximidades de las paredes del molde.

Volumen pieza %conductos alimentación Volumen necesario 16 37 22 32 27 41 64 19 76 128 14 146 256 10 282 512 7 548 1024 5 1075

Tabla 1. Incremento volumen de inyección por conductos de alimentación.

Para el cálculo del área proyectada hay que incrementar el %, aunque solo es estrictamente correcto para piezas con el mismo espesor que la colada. Fuerza de cierre (kN) (Fc) Volumen bruto ( cm3) (vi) Coste horario (Ptas/h) Ciclo en Vacio (s) (ts) Recorrido Maximo (cm) (L) Potencia (kW) (Pw) 300 34 4200 1.7 20 5.5 500 85 4500 1.9 23 7.5 800 201 4950 3.3 32 18.5 1100 286 5400 3.9 37 22.0 1600 286 6150 3.6 42 22.0 5000 2290 11100 6.1 70 63.0 8500 3636 16200 8.6 85 90.0

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 Además de la fuerza de cierre y el volumen máximo de inyección, la maquina inyectora debe cumplir con un recorrido mínimo, este se calcula según la geometría de la pieza, suponiendo que la profundidad de la pieza es D y que dejamos un margen de seguridad de 5 cm, entonces el recorrido mínimo será: (2D + 5) (ver Figura 25). El ciclo en vacío, también llamado ciclo blanco, es el tiempo necesario para abrir al máximo el borde, inyectar aire en lugar de termoplástico y volver a cerrar el molde, en la práctica el recorrido del molde se adecua al tamaño de la pieza.

Por lo tanto la maquina inyectora que seleccionaremos será la más económica que cumpla con los siguientes requisitos:

 Fuerza de cierre. Calculada a partir del área proyectada y de la presión de inyección.

 Volumen de inyección sumando todas las cavidades y los conductos de alimentación.

 Recorrido mínimo: 2D+ 5 cm.

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Termoplástico Peso especifico (gr/cm3) Coef. Conductividad Termico (mm2 /s) Temp. Inyección (0C) Temp. Molde (0C) Temp. Expulsión (0C) Presión Inyección (bar) Coste (Pts/Kg) Polietileno 0.95 0.11 232 27 52 965 113 Poliestireno 1.59 0.09 218 27 77 965 168 Acrilonitrilo butadien estireno(ABS) 1.05 0.13 260 54 82 1000 333 Acetal 1.42 0.09 216 93 129 1172 462 Poliamida (nylon 6/6) 1.13 0.10 291 91 129 1103 672 Policarbonato 1.20 0.13 302 91 127 1172 651 Policarbonato (30% cristal) 1.43 0.13 329 102 141 1310 831 PPO 1.06 0.12 232 82 102 1034 413 PPO (30% cristal) 1.27 0.14 232 91 121 1034 726 Polipropileno (40% cristal) 1.22 0.08 218 38 88 965 176 Poliéster (30% cristal) 1.56 0.17 293 104 143 1172 561

Tabla 3. Características Termoplásticas.

6.7.2 CICLOS DE TIEMPOS DE LA INYECCION

Una vez que hemos seleccionado la maquina inyectora, podemos estimar los tiempos de trabajo. Como ya se comento anteriormente el ciclo del moldeado de plástico se divide en inyección, enfriamiento y recuperación. Seguidamente se hará una estimación de los ciclos utilizando el método desarrollado por Boothroyd, donde se mezclan ecuaciones teóricas con experimentales. Los resultados obtenidos no siempre se ajustan a la realidad, ya que hay muchos factores que no se tienen en consideración. Sin embargo estos resultados son validos a nivel cualitativo y, nos sirven

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de ayuda para poner de manifiesto la repercusión relativa respecto de los costes totales de cada una de las variables que intervienen.

6.7.2.1 Tiempos De Inyección

Para poder precisar el tiempo de inyección es necesario conocer con todo detalle la geometría de los conductos de entrada del molde y las cavidades de este. Como en esta fase del estudio todavía no se conocen se efectúa una serie de simplificaciones que nos ayudan a estimar el tiempo de llenado. Asumimos que al comienzo de la inyección se utiliza la maquina a la máxima potencia y que la presión del polímero en la tobera del inyector es la recomendada para el termoplástico. En estas condiciones, que normalmente no se cumplirán, el caudal es:

Q=Pot / P (m3/s)

Donde:

 Pot. = potencia maquina inyectora (w)

  P = presión recomendada inyección (N/m2)

En la práctica el caudal inicial decrece gradualmente mientras el molde se llena, debido a la resistencia que ofrecen los conductos del molde y a la reducción de sección de estos por el material que solidifica en las paredes. Consideramos que el caudal medio es aproximadamente la mitad del inicial:

m  s

 P   Pot  Qm / 2 3 

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Y el tiempo estimado para el llenado, como el volumen dividido por el caudal: ) ( 2  s  Pot   P  V  Q v t  i m i ll   

Donde Vi es el volumen total a inyectar (m3)

6.7.2.2 Tiempo De Enfriamiento

Para el cálculo del tiempo de enfriamiento supondremos que todo el calor se transmite por conducción a través de las paredes el molde. Despreciamos el calor que transmite por convección, y por radiación no existe transmisión de calor.

Si aplicamos la ecuación de conducción del calor unidimensional:

∂T = α ∂2T

∂t ∂x2

Donde:

 x: Distancia mínima punto pieza a la pared molde (cm)  T: Temperatura (0C )

 t: Tiempo (s)

 α: Coeficiente de conductividad térmica del plástico (mm2/s)

La conductividad térmica de los materiales termoplásticos es tres órdenes de magnitud menor que la del molde metálico. Por lo tanto podemos despreciar la resistencia térmica del molde frente a la del termoplástico y consideramos la pared del molde a temperatura constante (Tm). Consideramos que se puede realizar la apertura del molde y la expulsión de la pieza cuando el punto mas caliente ha alcanzado la temperatura recomendada, luego el tiempo de enfriamiento será:

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Donde:

 te = Tiempo de enfriamiento (s)  hmax = Espesor máximo de pared (mm)

 Texp = Temp. de expulsión pieza recomendada (oC)  Tm = Temp. molde recomendada (oC)

 Ti = Temp. Inyección termoplástico recomendada (oC)  α = Coeficiente de conductividad térmica (mm2/s)

Debemos señalar que la ecuación anterior no es correcta para espesores de pared y finos, ya que se hace muy pequeño el valor de te. Esto es

debido a que para este tipo de piezas el espesor de los conductos de alimentación es, a menudo. Mayor que el de la pieza. Se recomienda tomar como valor mínimo para te, 3 segundos.

Es importante hacer notar que para un termoplástico concreto y una temperatura de molde dada, el tiempo de enfriamiento varia con el cuadrado del espesor de la pared. Por esta razón la inyección del plástico no resulta rentable para piezas de espesores gruesos. Además debemos procurar que el espesor de la pieza sea el mínimo posible y que toda la pieza tenga ese espesor. Si una pequeña parte de la tiene un espesor mayor que el resto, supondrá un retraso en el ciclo aunque el volumen de la zona sea significante frente al de la pieza.

En el caso de que trabajemos con piezas rotacionales, estas disipan el calor con mayor facilidad por lo que se aplica el coeficiente reductor de 2/3 al espesor máximo, y aplicaremos la ecuación anterior.

) ( ) ( ) ( 4 exp 2 max 2  seg  T  T  T  T   In h t  m m i e           

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6.7.2.3 Tiempo De Recuperación

 A la suma de tiempos de apertura del molde, expulsión de la pieza y cierre del molde se le conoce como tiempo de recuperación del molde. Este valor depende de la capacidad de la maquina (ciclo en vacío), del desplazamiento requerido y del tiempo necesario de expulsión de la pieza. El tamaño de la pieza afecta a estos tiempos mediante dos parámetros, el área proyectada (teniendo en cuenta el numero de piezas del molde) y la profundidad de la pieza. De la Tabla 2 obtenemos los parámetros necesarios para el calculo del tiempo de recuperación según la maquina inyectora que elijamos.

El tiempo de apertura del molde es generalmente menor que el tiempo de cierre. Esto se debe a que durante la apertura, la fuerza de los moldes es mayor ya que la pieza se encuentra pegada al molde por la contracción de la pieza sufrida durante la solidificación. Una apertura excesivamente rápida puede originar la rotura de la pieza. Como estimación podemos suponer que la apertura es un 40% mas lenta que el cierre, a demás asumimos como velocidad media obtenida dividiendo el máximo recorrido entre el tiempo empleado .lo que supone que despreciamos las aceleraciones de la maquina tanto al abrir como al cerrar. Con esta simplificación, el tiempo necesario para realizar el recorrido es proporcional a la raíz cuadrada de este. Si estimamos el tiempo de expulsión de la pieza en 1 segundo, entonces el tiempo de puesta a cero del molde es:

Donde:

 t r = Tiempo de recuperación  t v = Tiempo de ciclo de vacío.   L = Recorrido máximo.  D = Profundidad pieza  L  D t  t 11,75 v 2 5

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6.8 ESTIMACION DE COSTES

El coste del moldeo lo podemos dividir en dos grupos:  Costes de los materiales.

 Costes preparación molde.

6.8.1 Costes De Los Materiales Del Molde

Se puede estimar que el coste de los materiales del molde es función del área de los platos y del espesor combinado de ambos. A partir de una nube de puntos experimentales, se ajustó la ecuación del coste de los materiales del molde:

Cm=150000+67.5*Ac*hp0.4 Ec. 2

Donde:

 Cm = Costes de los materiales del molde (Ptas.)  Ac = Área proyectada de los platos (cm2)

 hp = Espesor combinado de los platos (cm)

Para estimar el área del molde supondremos que existe una separación de 7.5 cm entre cavidades. Si hay que realizar extracciones laterales o de roscas automáticas habrá que prever 7.5 cm por cada una de ellas.

6.8.2 Costes Preparación Del Moldeo

a) Costes determinado s por las dim ension es de la pieza 

Una vez estimado el coste de todos los materiales del molde es necesario realizar una serie de tareas para terminar la fabricación del molde. La principal tarea es la de taladrar los profundos agujeros de los canales de enfriamiento y fresar la forma de las piezas a moldear. Es necesario conocer el número de expulsores necesarios, normalmente esta información no esta disponible en esta fase del diseño. La experiencia muestra que el número de expulsores depende de parámetros tales como

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tamaño de la pieza, profundidad de la pieza, nervios, etc. Sin embargo la influencia más importante es la del área proyectada de la pieza en la dirección de apertura del molde. Por lo tanto estimamos el número de expulsores como:

Ne=Ap0.5 Ec. 3

Donde:

 Ne = Nº de expulsores necesarios.  Ap  = Área proyectada (cm2).

Se estima que el tiempo de fabricación por cada expulsor es de 2.5 horas, por lo tanto el tiempo de fabricación debido a los expulsores será:

Me=2.5*Ap0.5 (horas) Ec. 4

 Además es incremento de tiempo de fabricación por tamaño de la pieza es:

MT=5+0.085*Ap1.2 (horas) Ec. 5

b) Costes determinado s por la com plejidad de la pieza 

Sin lugar a duda la determinación de la complejidad de la pieza es la parte mas complicada de la estimación de costes del molde, ya que requiere de la definición de rasgos con unas características comunes que muchas veces no son fácilmente reconocibles. Por simplificación, la lista de rasgos tipo ha sido limitada a las principales formas de construcción elementales. Estos rasgos tipos son los siguientes.

 Superficie: Consideramos que todas las superficies por complejas que sean se pueden dividir en superficie simples que se han unido entre si para formar una mas compleja, a estas pequeñas superficies le llamaremos parches. Una superficie, puede ser considerada como una solo superficie parche o un conjunto de

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superficies parches. Por lo tanto cualquier superficie única con teniendo múltiples superficies parches, puede ser separada en superficies parches.

 Depresión:  Una depresión es considerada como una región que esta mas hundida que la superficie circundante. Se debe tener en cuenta debido al coste adicional que suponen los machos. Es decir, el área de la depresión debe de ser significativamente más pequeña que el área de la superficie inmediata en la que se localiza. Cuando hay varias depresiones idénticas, el número del total (repeticiones) se tendrá en cuenta, en razón a considerar los ahorros en reproducir formas idénticas en lugar que superficies únicas. Por ejemplo si las depresiones las generamos por electro erosión, el mismo electrodo nos sirve para todas las depresiones.  Proyección:  La proyección es un rasgo que sobresale en la

superficie principal de la pieza, como un nervio, u otro rasgo de la pieza. Cuando hay varias proyecciones idénticas se reducirá el tiempo y el coste de fabricación de estas, por contra, si las proyecciones no son idénticas tendrán que considerarse por separado. Por ejemplo, un saliente solidó rigidizado por cuatro cartelas se debe contar como una única proyección del saliente y la proyección de cartelas que se repite cuatro veces. Una proyección es lo contrario a una depresión.

 Proyección hueca: Las proyecciones huecas se utilizan en piezas de plástico inyectadas para la colocación de tornillos. La proyección hueca solo puede incluir un hueco o depresión. Este hueco o depresión no es necesariamente sencillo (conteniendo una solo superficie parche), y el número de superficie parche del hueco o depresión debe ser incluido con las restantes superficies o proyecciones.

 Agujero: Depresión que tiene superficie de entrada y de salida se forman en zonas del molde donde están en contacto el núcleo y la cavidad, y por lo tanto no permite el paso del plástico.

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Generalmente los agujeros son esbeltos, por lo que resulta más rentable construirlo mediante un postizo.

El incremento de horas de fabricación debido a la complejidad geométrica de la pieza se estima como:

Mcg=45*(Xi+Xo) 1.27 (horas) Ec. 6

Donde Xi y Xo son números que cuantifican las dificultades geométricas

interior y exterior respectivamente.

Xi=0.01*Nsp+0.04*Nhd Superficie Interior

Xo=0.01*Nsp+0.04*Nhd Superficie Exterior

Donde:

 Nsp = Nº de superficie parches  Nhd = Nº agujeros y depresiones

c) Costes po r extracciones laterales 

Se designa como extracciones laterales a los mecanismos necesarios, para generar rasgos en las piezas en la dirección perpendicular a la apertura del molde. Estos rasgos pueden ser tanto internos como externos de la pieza y necesitan de machos que deslicen en la dirección perpendicular a la apertura. Estos resaltes dificultan el desmoldeo de las piezas, particularmente con materiales rígidos, resultando necesarios para construcciones especiales de los moldes, en los que una parte de la pared se mueve lateralmente y son llamados moldes de corredera. Ver figura 26. El uso de correderas tiene efecto directo en el número máximo de cavidades que se pueden realizar, quedando estas muy limitadas.

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Figura 26. Extracciones laterales

d) Costes po r extracciones retractiles 

Son moldes que disponen de machos que se hacen pequeños para facilitar su extracción. Se considera que aproximadamente se emplean unas 150 horas por cada retractor.

e) Costes po r extracciones auto máticas de m achos rosc ados

Si queremos hacer una rosca interior por inyección debemos construir un mecanismo que extraiga el macho de forma automática, estos mecanismos son costosos de fabricar y requieren de mucho espacio en el molde para su colocación, ver figura 27. Para el cálculo de costes añadir 250 horas por cada mecanismo de extracción de roscas.

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