Capitulo 2 - Maquinas de Inyeccion de Plasticos

2.1

Antecedentes históricos.

El diseño actual de la máquina de moldeo por inyección ha sido influido por la demanda de productos con diferentes características geométricas, con diferentes polímeros involucrados y colores. Además, su diseño se ha modificado de manera que las piezas moldeadas tengan un menor costo de producción, lo cual exige rapidez de inyección, bajas temperaturas, y un ciclo de moldeo corto y preciso.

John Hyatt registró en 1872 la primera patente de una máquina de inyección, la cual consistía en un pistón que contenía en la cámara derivados celulósicos fundidos. Sin embargo, se atribuye a la compañía alemana Cellon-Werkw el haber sido pionera de la máquina de inyección moderna. Esta firma presentó, en 1928, una patente incluyendo la descripción de nitrocelulosa (celuloide). Debido al carácter inflamable de la nitrocelulosa, se utilizaron posteriormente otros derivados celulósicos como el etanoato de celulosa. Los británicos John Beard y Peter Delafield, debido a ciertas diferencias en la traducción de la patente alemana, desarrollaron paralelamente la misma técnica en Inglaterra, con los derechos de patente inglesa para la compañía F.A. Hughes Ltd.

El primer artículo de producción masiva en Inglaterra fue la pluma fuente, producida durante los años treinta por la compañía Mentmore Manufacturing. La misma utilizaba máquinas de moldeo por inyección de Eckert & Ziegler (Alemania). Estas máquinas funcionaban originalmente con aire comprimido (aproximadamente 31 kg/cm2); el sistema de apertura de molde y la extracción de la pieza eran realizados manualmente, y los controles incluían válvulas 59

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manuales, sin control automático ni pantallas digitales; además, carecían de sistemas de seguridad.

En 1932 apareció la primera máquina para inyección operada con sistemas eléctricos, desarrollada por la compañía Eckert & Ziegler. Al mismo tiempo, otros países como Suiza e Italia empezaban a conseguir importantes avances en maquinaria. Ya a finales de los años treinta, el polietileno y el PVC, ambos, de alta producción y bajo costo, provocaron una revolución en el desarrollo de la maquinaría, teniendo el PVC mayor éxito como material para extrusión.

En 1951 se desarrolló en Estados Unidos la primera máquina de inyección con un tornillo reciprocante (o, simplemente, husillo), aunque no fue patentada hasta 1956. Este cambio ha sido la aportación más importante en la historia de las máquinas inyectoras. Al finalizar la segunda guerra mundial, la industria de la inyección de plástico experimentó un crecimiento comercial sostenido. Sin embargo, a partir de la década de los ochenta, las mejoras se han enfocado a la eficiencia del diseño, del flujo del polímero, el uso de sistemas de software CAD, inclusión de robots más rápidos para extracción de piezas, inyección asistida por computadora, eficacia en el control de calentamiento y mejoras en el control de la calidad del producto.

2.2

Generalidades

de las máquinas de moldeo por inyección















Unidad de Cierre

Fig. 2.1

Unidad de Inyección

Máquina de inyección de plásticos.

1. La unidad de inyección o plastificación. La unidad de inyección plastifica e inyecta el polímero po límero fundido.

Fig. 2.2

Unidad de inyección típica.















2. La unidad de cierre. Soporta el molde, lo abre y lo cierra además de contener el sistema de expulsión de la pieza. RODILLERA

Fig. 2.3

Unidad de cierre tipo rodillera.

3. La unidad de control. Es donde se establecen, monitorean y controlan todos los parámetros del proceso: tiempos, temperaturas, presiones y velocidades. En algunas máquinas se pueden obtener estadísticas de los parámetros de moldeo si así se desea.















Fig. 2.4

Control de máquina.

Básicamente todas las máquinas de inyección están formadas por los mismos elementos. Las diferencias entre una máquina y otra radican en su tamaño, la unidad de cierre y el diseño de la unidad de plastificación.

Tolva de alimentación

Calentadores

Barril Husillo

Pistón del husillo Nariz

Motor y engranes del husillo

Válvula Check

Platina Fija Platina Móvil Molde Barras Guía

Cilindro de Cierre

Cilindro Hidráulico















En menor medida, también se diferencian en las variantes del diseño de sus elementos de montaje y los sistemas de accionamiento. A continuación se explicarán a detalle los elementos constitutivos de cada subsistema que componen a una máquina de inyección de plásticos así como de una breve descripción del proceso de moldeo por inyección para poder comprender mejor el funcionamiento de las máquinas.

2.3

Introducción

al proceso de moldeo por inyección.

El proceso de obtención de una pieza de plástico por inyección, sigue un orden de operaciones que se repite para cada una de las piezas. Este orden, conocido como ciclo de inyección, se puede dividir en las siguientes etapas:

















a)

Cierre del molde.

Con el cierre del molde se inicia el ciclo, preparándolo para recibir la inyección del material fundido. En esta fase se aplica la fuerza de cierre, que es aquella que hace la máquina para mantener cerrado el molde durante la inyección. Depende de la superficie proyectada de la pieza y de la presión real (presión específica), que se tiene en la cavidad del molde.

Fig. 2.7

b)

Cierre de molde.

Inyección: Fase de llenado y Fase de mantenimiento.

Una vez que el molde está cerrado, la unidad de inyección mueve el plástico hacia la cavidad del molde, con una velocidad y una presión determinadas por el















Cuando el material plastificado hace contacto con las paredes del molde, este comienza a solidificarse, por lo que es importante que la velocidad de inyección sea la adecuada; no tan rápido como para degradar el material por la fuerza cortante debida a la velocidad del flujo ni tan pequeña como para que se solidifique antes de llenar las cavidades del molde. Ya que la cavidad del molde ha sido llenada casi en su totalidad, de 80-95%, la presión de inyección disminuye y da entrada a la fase de mantenimiento.

Fig. 2.9

Fase de solidificación.

Una vez dentro del molde, material comienza a solidificarse, esta solidificación se realiza desde las paredes de las cavidades hacia adentro de la pieza, lo cual trae consigo contracciones naturales al polímero; es ahí donde la presión de















c)

Enfriamiento de la pieza.

La fase de mantenimiento termina una vez que el punto de inyección ha solidificado completamente, es entonces que ya no es necesaria la presión de mantenimiento, a partir de este punto ya no sigue entrando más material a la cavidad del molde. Aún cuando el enfriamiento ha comenzado desde el momento que el material ha entrado a la cavidad, el material pierde calor aun cuando ya ha solidificado, ya que el centro de la pieza todavía no ha solidificado del todo y es necesario seguir retirando calor de la pieza aún cuando su capa más externa esté sólida. El enfriamiento termina cuando el molde se abre.

Algunos procesos o piezas necesitan que se retire la unidad de inyección un poco de la boquilla una vez que la pieza ha solidificado y no es necesaria más presión de sostenimiento. Este paso generalmente se utiliza para romper la colada de la pieza y facilitar la expulsión del molde, este por supuesto depende de cada pieza, ya que estará en función del tipo y geometría de la colada.















contracciones se comiencen a hacer evidentes horas después de que se ha retirado la pieza del molde. Los problemas más comunes que se presentan son los rechupes y el alabeo (piezas pandeadas o torcidas).

Molde lleno, la pieza

está enfriando Husillo gira y

retrocede

Fig. 2.11

d)

Etapa de enfriamiento y dosificación.

Plastificación o dosificación.

Una vez que el punto de inyección ha solidificado, ya no es necesaria más presión sobre sobre el material, es entonces cuando cuando la unidad unidad de inyección comienza su proceso de plastificación o dosificación.















El tornillo reciprocante comienza su camino de regreso a su punto inicial, girando en sentido contrario de las manecillas del reloj, con lo cual los filetes del tornillo transportan los gránulos de material sin fundir hacia la cámara de inyección, estos gránulos se plastifican por la acción de la fricción y de los termopares colocados al exterior del cañón de inyección. Una vez que el tornillo ha regresado a su posición inicial, el material plastificado está en la cámara de inyección lista para otro disparo. d isparo.

e)

Apertura del molde y expulsión de la pieza.

Ya que la pieza se ha enfriado adecuadamente y la cámara de inyección está preparada para otro disparo, el molde se abre y el sistema de expulsión extrae la pieza del interior del molde, dando por terminado el ciclo al momento en que el molde se cierra para dar paso a la siguiente pieza.

















2.4

Unidad

de plastificación.

La unidad de inyección realiza las funciones de cargar y plastificar el material sólido mediante el giro del tornillo, mover el tornillo axialmente para inyectar el material plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presión hasta que sea expulsado. El tornillo tiene una acción reciprocante además de girar para fundir el plástico, se mueve de manera axial para actuar como pistón durante el proceso de inyección. inyección.















proceso de inyección. Algunas máquinas tienen 2 unidades hidráulicas, una para la inyección y otra para el cierre.

Tolva

Molde

Husillo

Calefactor

Calefactor

Fig. 2.15

Pistón

Fluido Hidráulico

Motor

Típica unidad de plastificación.















Como ya habíamos mencionado, los gránulos de plástico se vierten en la tolva de alimentación y esta a su vez lo alimenta al husillo dentro del barril. Aunque los gránulos pueden introducirse directamente al husillo, usualmente el material se alimenta por gravedad dentro de la zona de alimentación del barril. Estas tolvas son en realidad contenedores de forma cónica truncada, aunque esta geometría depende de cada fabricante de máquina. Pueden clasificarse en tolvas cortas y tolvas largas.

Las tolvas cortas son típicamente utilizadas cuando se seca la resina de manera independiente en una mezanine o en una máquina de secado fuera de la máquina de inyección, esto con la finalidad de que no se acumule mucho material en la















tipo de tolva es también ampliamente utilizada, sin embargo presentan mucha más dificultad para moverlas fuera de la garganta de la máquina cuando se necesita inspeccionar la entrada del material al cañón.

Fig. 2.17

Tolva larga con secador.















Anillo

Fig. 2.18

de enfriamiento

Anillo de enfriamiento.

















Fig. 2.19

Zonas del tornillo reciprocante.

Los husillos, o tornillos reciprocantes por lo general se dividen en 3 zonas y















y

Moverse para acercar o alejar la boquilla de la unidad de inyección del bebedero del molde.

y

Generar la presión requerida entre la boquilla de la unidad de inyección y el bebedero del molde.

y

Girar el tornillo durante la etapa de alimentación ali mentación..

y

Mover el tornillo de manera axial durante el proceso de inyección.















por lo tanto permitirá que una mayor plastificación con menores temperaturas, lo que ayuda a disminuir el tiempo de ciclo, y por lo tanto permitirá el aumento de la productividad.

Sin embargo, esta misma ventaja es su principal punto débil, ya que al tener un tiempo de permanencia largo, algunos polímeros tienden a degradarse, lo que ocasiona una pérdida en las propiedades mecánicas de estos. Es en base a esto















y

AISI 4140. Un acero para herramientas con co n excelente resistencia mecánica cuando se le aplica un tratamiento térmico o un recubrimiento rec ubrimiento superficial.

y

AISI D2.Un acero con altos contenidos de carbono y cromo, excelente resistencia al desgaste pero bajo desempeño en la transmisión tra nsmisión de torque.

y

CPM-9V. Excelente acero para aplicaciones de alto desgaste, como materiales cargados con fibra de vidrio, buen desempeño contra el desgaste.















Aparte de los husillos convencion co nvencionales, ales, existen otros más especializados, entre los que se pueden contar:

y

Husillos de doble filete.

y

Husillos para PVC rígido r ígido..

y

Husillos para desgasificación. desgasificación.

y

Husillos para materiales termoestables.

y

Husillos para elastómeros.

















debe tomarse en cuenta la conveniencia de cambiarlo, pues los husillos viejos pueden presentar cavidades superficiales donde el plástico puede degradarse y ocasionar posteriormente problemas de corrosión.















El correcto funcionamiento de esta válvula es esencial para tener un proceso estable, ya que si tenemos fugas de material de la cámara de dosificación hacia los filetes del husillo tendremos una variación considerable en el volumen















Es un material para aplicaciones generales como el estireno, polipropileno y polietileno. CPM-9V. Acero grado herramienta, alta resistencia a la abrasión debido a





























y

Acero CPM-10V. Acero grado herramienta, ofrece excepcional resistencia al desgaste.





























































































































Capitulo 2 - Maquinas de Inyeccion de Plasticos

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