INYECCION DE MATERIALES TERMOPLASTICAS
1. Introducción: Plásticos,
materiales
polímetros
orgánicos
(compuestos
formados
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 nailon. Los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, 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 termoplásticos (se ablandan con el calor), mientras que las entrecruzadas son termoestables (no se ablandan con el calor). El desarrollo de estas sustancias se inició 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. Una de las personas que optaron al premio fue el inventor estadounidense 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 alcohol. Si bien Hyatt no ganó el premio, su producto, patentado con el nombre de celuloide, se utilizó para fabricar diferentes objetos, desde placas dentales a cuellos de camisa. El celuloide tuvo un notable éxito comercial a pesar de ser inflamable y deteriorarse al exponerlo a la luz. Durante las décadas siguientes aparecieron de forma gradual más tipos de plásticos. Se inventaron los primeros plásticos totalmente sintéticos: un grupo de plásticos termoestables o resinas desarrollado hacia 1906 por el químico
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estadounidense de origen belga Leo Hendrik Baekland, y comercializado con el nombre de baquelita. Entre los productos desarrollados durante este periodo están los polímeros naturales alterados, como el rayón, fabricado a partir de la celulosa, del nitrato de celulosa o del etanoato de celulosa. En 1920 se produjo un acontecimiento que marcaría la pauta en el desarrollo de materiales plásticos. El químico alemán Hermann Staudinger aventuró que éstos se componían en realidad de moléculas gigantes o macromoléculas. Los esfuerzos
dedicados
a
probar
esta
afirmación
iniciaron
numerosas
investigaciones científicas que produjeron enormes avances en esta parte de la química. En las décadas de 1920 y 1930 apareció un buen número de nuevos productos, como el etanoato de celulosa (llamado originalmente acetato de celulosa), utilizado en el moldeo de resinas y fibras, y el policloruro de vinilo (PVC), empleado en tuberías y recubrimientos de vinilo. Uno de los plásticos más populares desarrollados durante este periodo es el metacrilato de metilo polimerizado, que se comercializó en Gran Bretaña con el nombre de Perspex y como Lucite en Estados Unidos, y que se conoce en español como plexiglás. Este material tiene unas propiedades ópticas excelentes; puede utilizarse para gafas y lentes, o en el alumbrado público o publicitario. Las resinas de poliestireno, comercializadas alrededor de 1937, se caracterizan por su alta resistencia a la alteración química y mecánica a bajas temperaturas y por su escasa absorción de agua. Estas propiedades hacen del poliestireno un material adecuado para aislamientos y accesorios utilizados a bajas temperaturas, como en instalaciones de refrigeración y en aeronaves destinadas a los vuelos a gran altura. El PTFE (politetrafluoretileno), sintetizado por primera vez en 1938, se comercializó con el nombre de teflón en 1950. Otro descubrimiento fundamental en la década de 1930 fue la síntesis del nailon. Durante la II guerra mundial, tanto los aliados como las fuerzas del Eje sufrieron reducciones en sus suministros de materias primas. La industria de los plásticos demostró ser una fuente inagotable de sustitutos aceptables. Alemania, por ejemplo, que perdió sus fuentes naturales de látex, inició un gran programa que llevó al desarrollo de un caucho sintético. La entrada de Japón en el conflicto mundial cortó los suministros de caucho natural, seda y muchos 2
metales procedentes de Asia a Estados Unidos. La respuesta estadounidense fue la intensificación del desarrollo y la producción de plásticos. El nailon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles, los poliésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y se produjeron en grandes cantidades varios tipos de caucho sintético.
El auge de la posguerra Durante los años de la posguerra se mantuvo el elevado ritmo de los descubrimientos y desarrollos de la industria de los plásticos. Tuvieron especial interés los avances en plásticos, como los policarbonatos, los acetatos y las poliamidas. Se utilizaron otros materiales sintéticos en lugar de los metales en componentes para maquinaria, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas temperaturas y muchos otros productos empleados en lugares con condiciones ambientales extremas. En 1953, el químico alemán Karl Ziegler, desarrolló el polietileno, y en 1954 el italiano Giollio Natta, desarrolló el polipropileno, que son los dos plásticos más utilizados en la actualidad. En 1963, estos dos científicos compartieron el Premio Novel de Química por sus estudios acerca de los polímeros.
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Tabal: 1. Cronologia de los principales plasticos Forma de sintetización
Fecha de la primera produccion
Fibra vulcanizada
Termoestable
1859
Gran Bretaña
Celuloide
Termoplástico
1869
EE.UU
Galatita
Termoestable
1904
Alemania
Variedad de plastico
País de origen
EE.UU Austria Alem.
Fenoplastos/ aminoplastos
Termoestable
1909-1923
Poliestireno
Termoplástico
1930
Alemania
Termoplástico
1933
Alemania
Policloruro de vinilo PVC
Termoplástico
1938
Alemania
Poliamida
Termoplástico
1938
Alemania
Polietileno LDPHE
Termoplástico
1939
Gran Bretaña
Poliuretano
Termoest./ Termopl./Elast.
1940
Alemania
Poletrafluoretuleno
Termoplástico
1941
EE.UU
Poliesteres saturados
Termoestables
1941
EE.UU
Termoplástico./
1943
EE.UU
Resinas epoxi
Termoestable
1946
Suiza
Polietileno HDPE
Termoplástico
1955
Alemania
Policarbonato
Termoplástico
1956
Alemania
Polipropileno
Termoplástico
1957
Alemania
Poliacetales
Termoplástico
1958
EE.UU
Polimetacrilato metilo
Siliconas Elastom
de
no
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y
1.2. Materiles plásticos: 1.2.1 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). 1.2.1.1. Tipos de plásticos Puede establecerse la siguiente clasificación de los plásticos: por el proceso de polimerización, por la forma en que pueden procesarse y por su naturaleza química. 1.2.2. Polimerización Dos procesos básicos de la producción de resinas son la condensación y las reacciones de adición. La condensación produce varias longitudes de polímeros, mientras que las reacciones de adición producen longitudes específicas. Por otro lado, las polimerizaciones por condensación generan subproductos en pequeñas cantidades, como agua, amoníaco y etilenglicol, mientras las reacciones de adición no producen ningún subproducto. Algunos polímeros típicos de condensación son el nailon, los poliuretanos y los poliésteres. Entre los polímeros de adición se encuentran el polietileno, el polipropileno, el cloruro de polivinilo y el poliestireno. Las masas moleculares medias de los polímeros de adición son generalmente mayores que las de los polímeros de condensación. Posibilidades de procesado
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El plástico se procesa de formas distintas, según sea termoplástico o termoendurecible. Los termoplásticos, compuestos de polímeros lineales o ramificados, pueden fundirse. Se ablandan cuando se calientan y se endurecen al enfriarse. Lo mismo ocurre con los plásticos termoendurecibles que están poco entrecruzados. No obstante, la mayoría de los termoendurecibles ganan en dureza cuando se calientan. El entrecruzado final que vuelve rígidos a los termoendurecibles se produce cuando se ha dado forma al plástico . 1.2.3. Naturaleza química La naturaleza química de un plástico depende del monómero (la unidad repetitiva) que compone la cadena del polímero. Por ejemplo, las poliolefinas están compuestas de monómeros de olefinas, que son hidrocarburos de cadena abierta con al menos un doble enlace. El polietileno es una poliolefina. Su monómero es el etileno. Otros tipos de polímeros son los acrílicos (como el polimetacrilato), los estírenos (como el poliestireno), los halogenuros de vinilo (como el cloruro de polivinilo), los poliésteres, los poliuretanos, las poliamidas (como el nailon), los poliéteres, los acetatos y las resinas fenólicas, celulósicas o de aminas. 1.2.4. Fabricación La fabricación de los plásticos y sus manufacturados implica cuatro pasos básicos: obtención de las materias primas, síntesis del polímero básico, composición del polímero como un producto utilizable industrialmente y moldeo o deformación del plástico a su forma definitiva. 1.2.5. Materias primas En un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban con resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites (de semillas), derivados del almidón o el carbón. La caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del nailon se basaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el 6
nailon 11 se fabrique todavía con semillas de ricino, la mayoría de los plásticos se elaboran hoy con derivados del petróleo. Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón. 1.2.6. Síntesis del polímero El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Como se comentaba anteriormente, los dos métodos básicos de polimerización son la condensación y las reacciones de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en solución se forma una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interfase los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la interfaz entre los dos líquidos. 1.2.7. Aditivos Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen el polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores ultravioleta lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas se utilizan también como aditivos. Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto, lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de carbono) a la matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas, un material compuesto de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera.
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1.2.8. Forma y acabado Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y fluencia (conocido como deformación). La naturaleza de muchos de estos procesos es cíclica, si bien algunos pueden clasificarse como continuos o semicontinuos. Una de las operaciones más comunes es la extrusión. Una máquina de extrusión consiste en un aparato que bombea el plástico a través de un molde con la forma deseada. Los productos extrusionados, como por ejemplo los tubos, tienen una sección con forma regular. La máquina de extrusión también realiza otras operaciones, como moldeo por soplado o moldeo por inyección. Otros procesos utilizados son el moldeo por compresión, en el que la presión fuerza al plástico a adoptar una forma concreta, y el moldeo por transferencia, en el que un pistón introduce el plástico fundido a presión en un molde. El calandrado es otra técnica mediante la que se forman láminas de plástico. Algunos plásticos, y en particular los que tienen una elevada resistencia a la temperatura, requieren procesos de fabricación especiales. Por ejemplo, el politetrafluoretileno tiene una viscosidad de fundición tan alta que debe ser prensado para conseguir la forma deseada, y sinterizado, es decir, expuesto a temperaturas extremadamente altas que convierten el plástico en una masa cohesionada sin necesidad de fundirlo. 1.3. Proceso para la fabricación del plástico Hay muchos procesos de fabricación de plásticos, y una extensa sociedad de plástico que pueden ser procesados por cada uno de los procesos o técnicas. Los procesos pueden ser divididos en dos: Proceso de Presión y Proceso de poca Presión. El proceso de poca presión como: vaciado, infusión, insulado, El proceso de presión es usualmente como Termoplástico.
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1.3.1. Moldeado de compresión: El molde abierto que está ubicado entre el rodillo precalentado de la prensa, llenando con una gran cantidad de material para el moldeado, y cerrado bajo presión, causando que el material fluya dentro de la cavidad de moldeado. La presión requerida depende del material a moldear y la geometría del molde. El molde se mantiene cerrado hasta que el material se cure, después el molde es abierto, la parte es retirada y se repite el ciclo. 1.3.2. Moldeado de transferencia: El material moldeado es primero puesto en una olla pre-calentado, separado de la cavidad de moldeado. El plástico caliente es transferido bajo presión desde la olla a través de unas ranuras dentro de la cavidad del moldeado. La propiedad del molde consiste en que el material entra al mismo tiempo que el molde esta cerrado. 1.3.3. Moldeado por inyección: Es el proceso más practico, la operación es fácil, pero el equipo no. Un material con propiedades Termoplástico que es viscoso a temperatura elevadas y es estable a temperaturas del ambiente, se mantiene caliente. El material es forzado desde el reservorio hasta un molde que es mantenido a bajas temperaturas, el molde es abierto tan pronto como el material se enfría, la velocidad del ciclo es determinada por la rapidez con que el material usado se enfría, esto depende en la coductibilidad térmica del material. 1.3.4. Moldeado con termo inyección: La naturaleza química de los plásticos, el moldeado por inyección, el método de comprensión y transferencia, han sido los métodos tradicionales, estos también han sido métodos primordiales. Porque son los mejores en la velocidad del ciclo y lo bajo de su costo, termoplásticos tiene un costo substancial. 9
Como un resultado de esto, en equipos mas avanzados y en compuestos de moldeados. 1.3.5. Extensión: El proceso de extensión consiste en forzar plástico derretido continuamente, que tiene una puerta puntiaguda para finalizar en una sección en forma de cruz. La aplicación de este método es en la producción continua de largos filamentos, etc. 1.3.6. Termoformas: Consiste en calentar una hoja de plástico; la forma de la pieza se da con la forma que tenga el molde, tanto como por diferentes presiones de aire o por métodos mecánicos. Esta técnica permite que las hojas pueden ser convertidas fácilmente y eficaz.
1.4. Aditivos para el plástico Muchos de los polímeros empleados como materiales de envase y embalaje no existirían si no hubiera una amplia gama de productos químicos que se añaden, en muy pequeñas cantidades, a los plásticos para conseguir modificar alguna propiedad. A estos productos se les llama aditivos. Los aditivos ayudan a la protección del contenido del envase. Cuando el producto contenido en un envase tiene una cierta inestabilidad a las radiaciones UV de la luz solar, por ejemplo, debe evitarse que estas radiaciones atraviesen las paredes del envase. Esto puede conseguirse mediante la adición de cargas y pigmentos haciendo el plástico totalmente opaco, mediante la adición de absorbentes UV o las combinaciones de ambos. Las aplicaciones son múltiples, desde los envases de medicamentos hasta el retractilado aplicado a los palets, con la finalidad de proteger la mercancía embalada Los distintos tipos de aditivos que se pueden usar en la industria del envase y 10
embalaje son: •
ANTIESTÁTICOS. Son aditivos de naturaleza orgánica que, añadidos a los plásticos, incrementan la conductividad superficial disminuyendo las cargas electrostáticas.
•
BLANQUEANTES ÓPTICOS. Los blanqueantes ópticos se emplean en los plásticos para mejorar su color inicial, obtener un envase más blanco y aumentar su brillo en otros negros o pigmentados.
•
CARGAS Y REFUERZOS. Las cargas son aditivos sólidos que se añaden a los plásticos para modificar sus propiedades. Inicialmente se usaron para reducir el coste del envase. Hoy día se continúa empleando, a pesar del bajo coste de los plásticos, porque aportan mejora de algunas propiedades mecánicas.
•
ESTABILIZANTES DE PROCESO. Se utilizan para estabilizar un polímero frente a la degradación térmica y/o de proceso. Los estabilizantes térmicos usados para el PVC son básicamente captadores del cloro que se libera cuando se degrada el plástico. Todos los demás plásticos se estabilizan con aditivos denominados antioxidantes.
•
ESTABILIZANTES A LA LUZ. La radiación denominada ultravioleta es la causante de la degradación de los plásticos. Además de la radiación UY la temperatura, la humedad y la contaminación también deben ser tenidos en cuenta. La temperatura hace que a la degradación por efecto de los rayos UV se le sume la termooxidativa que a veces puede llegar a ser superior a la UV
•
LUBRICANTES. Facilitan el procesado de los plásticos, mejorando las propiedades de flujo y reduciendo la adherencia de los elementos fundidos a las partes de la maquinaria. Además de la función principal ofrecen propiedades antibloque (antiapelmazantes); antitacking (evitan el pegado de las hojas o láminas ya producidas); efecto antiestático, así como la mejora del color o la resistencia al impacto.
•
NUCLEANTES. Reflejan propiedades físico-mecánicas (mayor transparencia y menor fragilidad).
•
PLASTIFICANTES. Confieren características de flexibilidad, extensibilidad y procesabilidad. También mejoran el aspecto y brillo de las superficies, reducen la
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capacidad de cargarse electrostáticamente, reducen la fricción y bajan la temperatura de transición vítrea.
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1.5. Inyectoras de plástico: Una máquina inyectora es un equipo capaz de plastificar el material polimérico y bombearlo hacia un molde en donde llena una cavidad y adquiere la forma del producto deseado. Una inyectora se compone de cuatro unidades principales: 1. La unidad de cierre 2. La unidad de inyección 3. La unidad de potencia 4. La unidad de control
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1.5.1. Unidad de cierre: Consiste de una prensa conformada por dos placas portamoldes, una móvil y otra fija. El sistema de accionamiento de la placa móvil puede ser un mecanismo de palancas acodadas, accionado hidráulicamente, un cilindro hidráulico o un sistema eléctrico de tornillo sin fin accionado por un motor. El parámetro fundamental para dimensionar una unidad de cierre es su fuerza para mantener el molde cerrado. Usualmente se da este valor en toneladas (ton). Otros parámetros importantes en una unidad de cierre son: la distancia mínima entre placas, la distancia máxima de apertura, las dimensiones de las placas y la distancia entre columnas, la carrera del sistema de expulsión. Estos datos se utilizan para dimensionar los moldes.
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1.5.2. Unidad de inyección La unidad de inyección está conformada por el tornillo y el barril de inyección, la boquilla y las resistencias alrededor del barril. El material sólido ingresa por la tolva a la zona de alimentación del tornillo, en esta zona es transportado, por efecto de la rotación del tornillo dentro del barril, hacia la zona de fusión donde se plastifica; finalmente el material es bombeado hacia la parte delantera del tornillo en la zona de dosificación. Durante el proceso de plastificación del material el tornillo gira constantemente. Cuando se va a realizar la inyección hacia el molde, el tornillo deja de girar y actúa a manera de pistón, haciendo fluir el plástico fundido hacia el molde y llenando las cavidades.
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Es bien sabido que la conductividad térmica de los plásticos es muy inferior a la de los metales, por lo que su procesamiento debe hacerse en capas delgadas para que la transferencia de calor sea lo más rápida posible y sostenible económicamente. Esto se logra aprovechando el fenómeno de plastificación, que consiste en la fusión de la capa de material directamente en contacto con la superficie del barril, la cual transmite el calor, por convección forzada, al material sólido en las capas inferiores hasta que se plastifica completamente la masa de material.
En las inyectoras comerciales aproximadamente un 50% del calor requerido para fundir el material lo aporta la fricción viscosa, generada por el giro del tornillo con respecto al barril, y el otro 50% lo aportan las resistencias eléctricas.
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1.5.3. La unidad de potencia Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la unidad de inyección y de la unidad de cierre. Los principales tipos de sistemas de potencia se pueden clasificar como. 1. Sistema de motor eléctrico con unidad reductora de engranajes 2. Sistema de motor hidráulico con unidad reductora de engranajes 3. Sistema hidráulico directo Sistema de potencia eléctrico: El sistema eléctrico se utiliza generalmente en máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea tanto para el giro del tornillo como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos sistemas mecánicos de engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del molde y otro para el tornillo. Cada uno accionado por un motor eléctrico independiente. El accionamiento del tornillo cuando realiza la inyección lo ejecuta un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la velocidad puede ajustarse sólo en un determinado número de valores, lo cual puede ocasionar problemas en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la obtención de piezas con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes torques de arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros pequeños para evitar que se rompan. Sistema de potencia hidráulico: Los motores hidráulicos son los más comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas electromecánicos, donde la potencia es transmitida a través de engranajes y palancas, en un sistema con fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o totalmente, por tuberías de conducción que llevan el fluido a presión a los pistones de inyección y de cierre del molde. El fluido que más se utiliza es el aceite debido, principalmente, a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que involucran grandes cargas. En los sistemas hidráulicos es común utilizar presiones que varían entre los 70 y 140 kg/cm2. Las ventajas del motor hidráulico con respecto al eléctrico pueden resumirse principalmente en:
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•
Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido.
•
La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite de torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es aproximadamente igual al de funcionamiento.
•
Permite arranques y paradas rápidos debido al pequeño momento de inercia.
•
Permite relaciones bajas de peso potencia, lo que posibilita alcanzar altas velocidades de inyección del material.
Sistema de potencia eléctrico: El sistema eléctrico se utiliza generalmente en máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea tanto para el giro del tornillo como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos sistemas mecánicos de engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del molde y otro para el tornillo. Cada uno accionado por un motor eléctrico independiente. El accionamiento del tornillo cuando realiza la inyección lo ejecuta un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la velocidad puede ajustarse sólo en un determinado número de valores, lo cual puede ocasionar problemas en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la obtención de piezas con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes torques de arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros pequeños para evitar que se rompan. Sistema de potencia hidráulico: Los motores hidráulicos son los más comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas electromecánicos, donde la potencia es transmitida a través de engranajes y palancas, en un sistema con fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o totalmente, por tuberías de conducción que llevan el fluido a presión a los pistones de inyección y de cierre del molde. El fluido que más se utiliza es el aceite debido, principalmente, a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que involucran grandes cargas. En los sistemas hidráulicos es común utilizar presiones que varían entre los 70 y 140 kg/cm2. Las ventajas del motor hidráulico con respecto al eléctrico pueden resumirse principalmente en:
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•
Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido.
•
La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite de torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es aproximadamente igual al de funcionamiento.
•
Permite arranques y paradas rápidos debido al pequeño momento de inercia.
•
Permite relaciones bajas de peso potencia, lo que posibilita alcanzar altas velocidades de inyección del material.
1.5.4. La unidad de control Este sistema básicamente contiene un controlador lógico programable (PLC) y controladores PID para las resistencias eléctricas del barril y de la boquilla. El PLC permite programar la secuencia del ciclo de inyección y recibe señales de alarma, por sobrepresión o finales de carrera, para detener el ciclo. Los controladores PID son los más adecuados para el control de temperatura debido a su elevada velocidad de respuesta para mantener la temperatura a los niveles requeridos.
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1.5.5. Parámetros de una inyectora Las principales características utilizadas para dimensionar y comparar máquinas inyectoras son: •
Capacidad o fuerza de cierre: usualmente se da en toneladas (ton)
•
Capacidad de inyección: es el volumen de material que es capaz de suministrar la máquina en una inyección (cm3/inyección). Es común dar este valor en gramos, tomando como referencia la densidad del poliestireno.
•
Presión de inyección: es la presión máxima a la que puede bombear la unidad de inyección el material hacia el molde. Usualmente se trabaja a un 60% de esta presión o menos.
•
Capacidad de plastificación: es la cantidad máxima de material que es capaz de suministrar el tornillo, por hora, cuando plastifica el material; se da en kg/h.
•
Velocidad de inyección: es la velocidad máxima a la cual puede suministrar la unidad de inyección el material hacia el molde; se da en cm3/s.
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1.5.6. El Ciclo de Inyección El ciclo de inyección se puede dividir en las seis siguientes etapas: 1. Se cierra el molde vacío, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido para inyectar dentro del barril. El molde se cierra en tres pasos: primero con alta velocidad y baja presión, luego se disminuye la velocidad y se mantiene la baja presión hasta que las dos partes del molde hacen contacto, finalmente se aplica la presión necesaria para alcanzar la fuerza de cierre requerida.
Cierre del molde e inicio de la inyección
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2. El tornillo inyecta el material, actuando como pistón, sin girar, forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde con una determinada presión de inyección.
Inyección del material
3. Al terminar de inyectar el material, se mantiene el tornillo adelante aplicando una presión de sostenimiento antes de que se solidifique, con el fin de contrarrestar la contracción de la pieza durante el enfriamiento. La presión de sostenimiento, usualmente, es menor que la de inyección y se mantiene hasta que la pieza comienza a solidificarse.
Aplicación de la presión de sostenimiento
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4. El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificándolos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una presión contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyección.
Plastificación del material
5. El material dentro del molde se continúa enfriando en donde el calor es disipado por el fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil del molde se abre y la pieza es extraída.
Enfriamiento y extracción de la pieza 6. El molde cierra y se reinicia el ciclo.
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En cuanto al consumo de potencia en cada una de las etapas del ciclo, se observa que en el cierre del molde apenas se requiere la potencia para vencer la fricción generada al desplazar la placa móvil. La inyección necesita la potencia máxima durante un período muy desplazamiento de la unidad de inyección y la apertura del molde
necesaria etapa de corto. El requieren
muy poca potencia. En el siguiente diagrama se esquematiza el consumo de potencia durante el ciclo de inyección.
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1.6. Duración del Ciclo de Inyección El tiempo que tarda un ciclo de inyección, permite establecer el costo y rentabilidad de una producción. El cierre y apertura del molde consumen el mismo tiempo. La suma de estas etapas es el tiempo de ciclo en vacío, que es una constante de la máquina y la indica el fabricante; de igual manera, el fabricante señala el número máximo de ciclos en vacío por minuto. El tiempo total del ciclo se compone de el tiempo en vacío (tv), el tiempo de inyección (ti), el tiempo de aplicación de la presión de sostenimiento (tp), el tiempo de plastificación (tf) y el tiempo de solidificación o enfriamiento (ts). •
Tiempo de inyección (ti): También se denomina tiempo de llenado del molde, es el tiempo necesario para que el material pase del barril a las cavidades en el molde. Este tiempo puede abarcar entre el 5 y el 30% del tiempo de ciclo total.
Para calcular ti, se requiere conocer el volumen que puede desplazar la máquina por segundo o sea la velocidad de inyección, que es indicada por el fabricante de la máquina. En algunos casos la velocidad de inyección es indicada en gramos de poliestireno. Para conocer la capacidad de inyección con otro material, se determina así:
ti se puede estimar así:
Bown, en Injection Molding of Plastics components, McGraw-Hill, UK, 1979, muestra resultados experimentales en los cuales ti se relaciona con el espesor y otras características geométricas de la pieza y de factores adimensionales
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dependientes de la temperatura del fundido, de la temperatura del molde y de la temperatura de deflexión bajo carga (HDT).
Donde: S : Espesor de pared mínimo de la pieza (cm) Fm: Recorrido máximo del fundido desde la entrada al molde (cm) Fl: Relación entre el recorrido de flujo y el espesor de pared para el material a inyectar Tx: Temperatura de distorsión bajo carga, HDT, del material (ºC) Tm: Temperatura del molde (ºC) Tc: Temperatura del fundido (ºC)
Debe observarse que esta relación es deducida suponiendo que el material comienza a solidificarse al entrar en contacto con las paredes de la cavidad del molde, reduciendo así, paulatinamente, el área a través de la cual puede circular el material fundido que va entrando. Por lo cual, si se aumenta la temperatura del molde mayor será el tiempo de inyección, pues mayor tiempo se requerirá para que el material se solidifique. •
Tiempo de presión de sostenimiento (tp): En esta etapa lo que se busca es compensar la contracción que sufre el material durante la solidificación, para evitar rechupes y distorsiones pronunciadas de la pieza. No existe una manera analítica de estimar este tiempo, por lo que en la práctica lo que se hace es determinar con prueba y error, el tp adecuado para que el producto salga con la calidad deseada; esto es, sin distorsiones inadmisibles o con las dimensiones dentro de la tolerancia permitida. No se justifica mantener la presión de sostenimiento durante todo el tiempo de solidificación de la pieza pues esto hace aumentar el tiempo de ciclo y el gasto de energía.
•
Tiempo de solidificación o de enfriamiento (ts): Este tiempo transcurre entre el final de la aplicación de la presión de sostenimiento y el comienzo de la apertura del molde. En este tiempo 26
se debe asegurar que el material ha solidificado y que al extraer la pieza, no se distorsionará. Ts es el tiempo más largo del ciclo, llegando a alcanzar entre el 50 y el 85% del tiempo total. La siguiente fórmula puede ser utilizada para determinar teóricamente el tiempo de enfriamiento:
Donde: ts: tiempo mínimo de enfriamiento (s) S: espesor máximo de la pieza (cm) 2
: difusividad térmica del material (cm /s) Tx: temperatura a la que se extrae la pieza (comúnmente se usa la temperatura de distorsión bajo carga, HDT,ºC) Tm: temperatura del molde (ºC) Tc: temperatura del material fundido (ºC)
Debe anotarse que este tiempo es teórico y sólo se utiliza para estimar el tiempo de enfriamiento requerido; por lo que el tiempo real deberá establecerse inyectando la pieza y mirando su calidad.
Pueden presentarse dos tipos de ciclos totales. El primero, en que la etapa de solidificación termina después o al mimo tiempo que la fase de plastificación, por lo que el tiempo total del ciclo (tt) será: tt = tv + ti + ts Otro ciclo es en el que la fase de solidificación termina antes que la fase de plastificación, donde el tiempo total será: tt = tv + ti + tp + tf
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1.7. CONDICIONES DE PROCESAMIENTO Ajustes para el punto inicial de la máquina Dependiendo de la granza, resina los aditivos y colorantes, los ajustes para preparar la máquina de moldeo por inyección. 1.7.1 Temperaturas del barril Se proporcionan los ajustes normales de temperatura para el barril. Aunque es posible ajustar las temperaturas del barril. Los ajustes reales de temperatura dependerán de la relación de capacidad del barril respecto al tamaño de la colada. Si se va a usar una porción grande del barril para cada colada, se deben incrementar las temperaturas de la zona posterior. Si sólo se va a utilizar una pequeña porción del barril, se deben reducir las temperaturas de la zona intermedia. Un tiempo extenso de residencia producirá una degradación del polímero y las propiedades de la pieza moldeada serán inaceptables. Si el fundido se mantiene a temperaturas superiores a 660°F (350°C), se puede producir una degradación del polímero, lo cual se debe evitar. La temperatura de la boquilla debe ajustarse para evitar el congelamiento o el escurrimiento. La temperatura de la boquilla debe fijarse en el punto más alto posible para reducir al mínimo el material frío, pero suficientemente baja como para evitar el escurrimiento. Los controladores de temperatura del molde deben fijarse para mantener la temperatura del molde a la temperatura mínima. Se pueden usar temperaturas más altas para mejorar el aspecto superficial o facilitar el llenado de la cavidad del molde, pero es posible que se alarguen los tiempos del ciclo. Puede ser que las piezas con secciones muy delgadas en las paredes requieran temperaturas más altas en el molde para lograr una cristalinidad óptima.
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1.7.2. Ajustes del ciclo de moldeo En lo que a esto se refiere, el proceso de moldeo se puede visualizar como tres pasos diferentes: •
Inyección del polímero o llenado del molde,
•
Empacado y sostenimiento o densificación de la pieza,
•
Enfriamiento y recuperación del husillo.
Inyección del polímero o llenado del molde El paso de llenado del molde es la porción del ciclo que se realiza con presión alta o de inyección; este paso termina cuando la presión se reduce a la presión de sostenimiento, la cual es más baja. Este paso del proceso se puede controlar usando diversos métodos de control de procesos. Los métodos incluyen controlar el tiempo a una presión de inyección constante; controlar la presión con un censor de presión en la cavidad; o controlar la velocidad de inyección hasta que la posición del husillo alcance el punto de referencia. El método recomendado es controlar la velocidad de inyección (velocidad designada de inyección) y cambiar a presión de sostenimiento en una posición establecida del husillo, cuando la prensa cuente con esta capacidad. La ventaja de este método es que se aplica un volumen controlado de resina en la cavidad a una velocidad específica. Por lo general se recomiendan las velocidades rápidas de inyección. Para usar este método, se debe determinar la posición adecuada del husillo para cambiar de la presión de inyección a la presión de sostenimiento. Esta posición debe ser tal que la pieza esté llena aproximadamente al 95%; el resto de la pieza se debe llenar y compactar con la presión de sostenimiento. Este método debe permitir que el resto del gas que permanece en el molde sea venteado sin quemarse.
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El siguiente es un método eficiente para determinar la posición correcta del husillo para la transición a presión de sostenimiento: 1. Fije la presión de sostenimiento (baja) en cero. 2. Fije la velocidad hacia adelante (de inyección) del husillo en 2 a 5 pulg/s (5 a 13 cm/s). 3. Moldee varias coladas y observe las piezas. El objetivo es encontrar la posición del husillo en la que la pieza esté casi llena pero no compactada. 4. Si las piezas parecen estar completamente llenas, mueva el punto de transición para que sea numéricamente más alto (menor volumen de la colada). 5. Si las piezas están muy cortas, ajuste el punto de transición para que sea numéricamente más bajo (mayor volumen de la colada). Otra posibilidad es que la presión de la cavidad se puede utilizar para determinar el punto de referencia correcto para la transición. La presión de la cavidad incrementará cuando la pieza está llena. Por lo tanto, el punto de referencia de transición se puede ajustar incrementándolo hasta donde se indique un aumento de la presión, para luego reducirlo punto por punto hasta que no se observe aumento de presión en la cavidad. El éxito de este método depende de la colocación correcta de los transductores de presión en la cavidad. Los transductores se deben colocar en la última área de la cavidad que se vaya a llenar. Para permitir un buen mezclado del molido y la resina virgen, el tamaño de partícula del molido debe acercarse lo más posible al tamaño del gránulo de resina virgen. Es posible que las piezas demasiado grandes de molido no pasen bien por la tolva y se atoren en ella. El polvo del molino tiende a pegarse en los lados de la tolva y se requiere mucho mantenimiento en los filtros del cargador al vacío. Un método excelente para controlar el tamaño de partícula es usar una unidad vibradora con criba doble, en la que la criba superior sea de malla 4 y la inferior de malla 40. Las partículas que no pueden pasar por la malla 4 se reciclan al molino. Las partículas finas que pasan por la malla 40 deben descartarse. El material que permanece entre las dos cribas es adecuado para el molido. 30
1.7.3. Secar Como se mencionó anteriormente, el molido debe estar seco para un moldeo correcto. Un método de manejo que elimina la necesidad de procedimientos especiales de secado es usar el molido en un sistema de "circuito cerrado" como se muestra en la Figura.
En este tipo de sistema, la corredera y la colada se transportan al molino y al clasificador de tamaño en cuanto se generan. El molido se coloca entonces de nuevo en el secador de la tolva antes de que pueda absorber humedad atmosférica.
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1.7.4. Mezclar por completo con resina virgen A fin de mantener la uniformidad de una colada a otra (y de una pieza a otra), el molido debe mezclarse eficientemente con la resina virgen. Si esto se hace fuera de línea, se puede lograr con mezcladoras de tambor o algún método similar. La Figura muestra un cargador proporcional sobre el secador de la tolva, el cual mide las cantidades volumétricas de los suministros de resina virgen y molida. El cargador tiene un controlador que puede variar el tiempo de extracción de cada suministro, ajustando por lo tanto el porcentaje de molido según sea necesario. No es aceptable lograr un nivel de molido del 25%, por ejemplo, colocando 75 libras de resina virgen en la tolva y después 25 libras de molido encima. En este caso, estaríamos produciendo 75% de las piezas con 100% de resina virgen y 25% con 100% de molido. 1.7.5. Utilizar cantidades constantes A fin de mantener un proceso estable se debe utilizar la misma cantidad de molido todo el tiempo. De forma ideal, la cantidad usada será igual que la cantidad generada. Como se explicó anteriormente, si el nivel de molido cambia con el tiempo, es posible que el proceso y la calidad de la pieza moldeada también cambien. El cargador proporcional extrae tanto del suministro de molido como del de material virgen y controla la cantidad de molido en la relación deseada.
1.7.6. Purgado El purgado es el proceso de eliminar la resina del barril de la máquina de moldeo por inyección. Al cambiar de una resina a otra, la resina que permanece en el barril se purga antes de la introducción de la segunda resina. El purgado también es importante para los períodos de arranque y apagado cuando la resina puede quedar expuesta a períodos relativamente largos a alta temperatura. Normalmente, las resinas térmicamente sensibles se purgan y reemplazan con resinas más estables al apagar la máquina. El purgado
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también se puede usar para limpiar la resina degradada del barril y el husillo. Se proporcionan recomendaciones de purgado para usarse con resinas en circunstancias rutinarias y no rutinarias.
1.7.6.1. Purgado en circunstancias rutinarias Al final de un proceso de moldeo, o si el proceso de moldeo se va a interrumpir durante más de 10 minutos, es recomendable eliminar la resina AMODEL del barril de la máquina de moldeo. Si no se elimina la resina durante un proceso interrumpido, ésta se puede degradar y contaminar las piezas moldeadas subsiguientes. Se deben seguir los procedimientos correctos de seguridad todo el tiempo. Todas las guardas y cubiertas de la máquina deben estar en su sitio cuando se realice el purgado. Se debe usar equipo de protección personal. Los materiales purgados están muy calientes y deben manejarse con el equipo protector adecuado. También es aconsejable que se coloque una barrera de purgado contra el buje de la corredera para proteger el molde. La barrera de purgado debe construirse con material que pueda resistir las condiciones de purgado. Los materiales del purgado se deben desechar correctamente, de acuerdo con los reglamentos locales.
1.7.6.2. Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo Si el ciclo se va a interrumpir durante más de 10 minutos, se puede lograr un purgado de un solo paso de la siguiente manera: 1. Cierre la alimentación de resina en la garganta de la tolva. 2. Retire el transportador del barril del buje de la corredera. 3. Purgue el husillo hasta que quede vacío y no se pueda purgar más resina 4. Añada polietileno de alta densidad (HDPE) a la garganta de alimentación. 5. Purgue el barril con HDPE hasta que la purga salga limpia.
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Al reiniciar el proceso de moldeo, purgue con resina
hasta obtener una
inyección aceptable.
1.7.6.3. Procedimiento diario de apagado Cuando haya terminado el día de moldeo, o cuando el moldeo se suspenda durante varias horas y vaya a comenzar con la misma categoría de resina, deberá utilizar el Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo de la siguiente manera: Repita los pasos 1 al 5 del proceso anterior. 6. Apague los calentadores del barril.
1.7.6.4. Procedimiento de cambio Al terminar de moldear, y si tiene intención de cambiar a otra categoría de material, se sugiere el siguiente procedimiento: 1. Cierre la alimentación de resina en la garganta de la tolva. 2. Retire el transportador del barril del buje de la corredera. 3. Purgue el husillo hasta que quede vacío y no se pueda purgar más resina . 4. Añada un material adecuado para purgado de alta temperatura a la garganta de alimentación. Existen varios materiales de purgado* disponibles a nivel comercial, que se especifican para resistir las temperaturas que se utilizan en este documento. El material de purgado que se utilice debe estar especificado para usarse a una temperatura mínima de 750°F (400°C). Siga las instrucciones que proporcione el fabricante del material de purgado. 5. Purgue con el material de purgado de alta temperatura hasta que ya no haya resina visible en las coladas de purgado. 6. Añada HDPE a la garganta de la tolva. 7. Purgue con HDPE hasta que la purga salga limpia. 8. Apague los calentadores del barril. * Un material adecuado para purgado de alta temperatura consiste normalmente en una mezcla de polietileno de alta densidad y acrílico (poli
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(metil metacrilato) _ PMMA) con índice de fluidez fraccional. Hay otros materiales disponibles que también funcionan bien.
1.7.6.5. Purgado en circunstancias no rutinarias Ocurren situaciones que interrumpen el proceso de moldeo sin previo aviso. Usualmente, el purgado se requiere debido a que la interrupción del ciclo produce degradación en la resina, lo cual puede afectar la calidad de la pieza.
1.7.6.6. Pérdida de la alimentación eléctrica en la máquina de moldeo Cuando se pierda la alimentación eléctrica, proceda de la siguiente manera: 1. Apague todos los controles de los calentadores del barril y de la boquilla. Cuando vuelva la energía eléctrica: 2. Retraiga el transportador del barril del molde y prenda los calentadores del barril y la boquilla. Es probable que ocurra cierta degradación de la resina mientras los calentadores calientan el barril hasta la temperatura de procesamiento. Como resultado de esta degradación, es posible que ocurran escurrimientos en la boquilla y gaseo. 3. Incremente la ventilación. Instale protectores para evitar el contacto con la resina caliente. 4. Cuando el barril se haya calentado lo suficiente, siga el
1.7.6.7. Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo Descrito anteriormente para eliminar toda la resina del barril. No trate de acelerar el proceso incrementando las temperaturas más allá de los puntos de referencia del proceso. 5. Una vez que haya purgado toda la resina, podrá reiniciar el proceso de moldeo como lo desee.
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1.7.6.8. Pérdida de la banda calefactora del barril o la boquilla Puede ser que falle una banda calefactora, lo cual provoca un congelamiento parcial del barril. 1. Si esto ocurre, apague todas las bandas calefactoras. 2. Descomprima manualmente el husillo y permita que el barril se enfríe. 3. Una vez que el barril se haya enfriado, reemplace la banda calefactora defectuosa y prenda el calentador. 4. Después de que el barril alcance su temperatura, púrguelo usando el
1.8. Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo que se describió antes. 5. Reinicie el proceso de moldeo.
1.9. Pérdida del control del termopar en una banda calefactora Puede ser que un termopar resulte defectuoso, lo cual puede provocar una situación de sobrecalentamiento.
1.10. Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo Que se describió en los pasos 1,2,3,4. 1. Si esto ocurre, apague la zona defectuosa y siga el 2. Apague todos los calentadores del barril. 3. Cuando esté frío, reemplace el termopar defectuoso. 4. Reinicie el proceso de moldeo.
1.10.1. Obstrucción en la boquilla Puede ser que la boquilla de la máquina de moldeo se obstruya por dos razones:
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•
La resina se solidifica (se congela)en la boquilla o la boquilla está tapada por una punta de husillo o un anillo de retención quebrado o alguna otra obstrucción física. Debido a que la solidificación de la resina es más común, pruebe primero los pasos 1 y 2.
1. Verifique que el calentador y el termopar de la boquilla estén funcionando bien. 2. De ser así, aumente la temperatura de la boquilla en incrementos de 10°F (5°C) hasta que la resina fluya libremente. No aumente la temperatura de la boquilla por encima de 660°F (350°C). Si la temperatura de la boquilla no se aumenta lo suficiente, es posible que necesite instalar una banda calefactora más grande o aislar la boquilla. No use una fuente externa de calor como un soplete, porque el sobrecalentamiento localizado puede producir una peligrosa acumulación de presión. La resina caliente puede salir a chorros al liberar la presión. 3. Si el aumento de temperatura hasta 660°F (350°C) no elimina la obstrucción, es posible que la boquilla esté físicamente tapada. Apague todos los calentadores del barril. 4. Cuando el barril se enfríe, retire la boquilla y la obstrucción. No trate de retirar la boquilla mientras la resina aún está fundida, ya que puede liberar una acumulación de presión. 5. Coloque de nuevo la boquilla destapada y prenda los calentadores del barril. Cuando la temperatura del barril alcance el punto de referencia, púrguelo usando el
1.10.2. Procedimiento de purgado para interrupción del ciclo Como se describió en los paos 1,2,3,4,5.
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1.10.3. Pérdida de la función de la máquina de moldeo En general, si cualquier función de la máquina de moldeo como el funcionamiento de la abrazadera, la presión hidráulica u otra función mecánica no está funcionando bien, las buenas prácticas de seguridad dictan que dicha falla se debe de reparar antes de que el proceso de moldeo continúe. Si es necesario detener el moldeo durante más de diez minutos para facilitar dichas reparaciones, se debe seguir los pasos 1,2,3,4,5.
1.11. Diseño de moldes (Aceros para moldes y tratamientos para superficies Al igual que con cualquier granza de ingeniería, el número y la calidad de las piezas que se espera que produzca el molde dictarán la selección del acero para el mismo. Para una producción de alto volumen, el gasto inicial en unas herramienas de alta calidad será una inversión viable. Por lo general, los aceros comunes para moldes como el H_13, S_7 y P_20 son aceptables para construir moldes para inyección. Al moldear resinas reforzadas con vidrio o mineral se requiere resistencia a la abrasión, y el H_13 es el que rinde mejores resultados. Se debe evitar el uso de metales suaves como el aluminio, aún para prototipos. El acero del molde se debe endurecer antes de la producción; sin embargo, es recomendable probar el molde antes de endurecerlo para que los cortes finales en las dimensiones se puedan hacer con facilidad. Después de determinar las dimensiones generales del molde usando los valores de encogimiento publicados para la categoría de resina que se está considerando, es prudente cortar todas las dimensiones del molde de una forma "segura al acero". O sea, los componentes del molde diseñados para formar las características interiores de las piezas (corazones) se deben de cortar sobredimensionados y los componentes del molde diseñados para formar las características exteriores se deben cortar con dimensiones más pequeñas que las previstas. Después del muestreo inicial del material, las piezas moldeadas se pueden medir y las dimensiones finales del molde se pueden ajustar para producir las dimensiones deseadas en la pieza. Aunque no
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se requiera un aspecto excelente en la superficie, es necesario eliminar todas las marcas de troquelado del molde para asegurar una expulsión adecuada de la pieza. Todas las superficies deben pulirse en dirección de la expulsión. Se permiten las superficies texturizadas para las piezas; sin embargo, no se permiten las muescas. Por lo general no se requiere el chapado del acero del molde. Si se requiere una superficie durable y con alto brillo, ésta se puede obtener con un tratamiento superficial como el cromado de alta densidad o el tratamiento con nitruro de titanio. Existen muchos otros recubrimientos o tratamientos para superficies de molde disponibles. Aunque las resinas no son químicamente corrosivas para el acero del molde, sí pueden ocurrir desgastes y abrasión, especialmente con las categorías de vidrio y las cargadas de mineral o vidrio. Normalmente, el desgaste ocurre en las áreas de mucho deslizamiento del molde como los puntos de inyección, las esquinas y las áreas dentro de la cavidad que entran inicialmente en contacto con la resina inyectada. Al diseñar el molde se debe de considerar el desgaste cuando se seleccione la ubicación del punto de inyección y la distribución de la cavidad. El uso de insertos para puntos de inyección y componentes fácilmente intercambiables para el interior de la cavidad en sitios de desgaste esperados reducirá al mínimo el tiempo improductivo debido a reparaciones.
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1.11.1 Tipos de moldes Existen varios tipos de moldes. Entre éstos se incluyen los sistemas de dos placas, tres placas y de colada caliente. Todos ellos pueden contener carros manuales o hidráulicos. 1.11.2. Moldes de dos placas Los moldes de dos placas o A y B son los más sencillos y comunes de todos los tipos de moldes. Estos moldes utilizan un lado A estacionario y un lado B móvil. La granza fundida se inyecta por medio de una corredera en el lado A y a lo largo de un sistema de colada en la línea divisoria que entra a la cavidad o cavidades del molde, el cual normalmente se corta en el lado B. Debido a que el sistema expulsor por lo general se diseña para expulsar la pieza moldeada del lado móvil o B, es necesario que la pieza, la corredera y el sistema de colada permanezcan en el lado B cuando el molde se abra. Para asegurar que esto ocurra, es una práctica común cortar un depósito de material frío, el sistema de colada y la mayoría de la cavidad en el lado B. El depósito de material frío, que normalmente se corta en el lado B y opuesto a la corredera, tiene dos funciones. •
La primera es recolectar la punta frontal del material inyectado, el cual normalmente contiene un "material frío" de material de la punta de la boquilla y evita que el material entre a la cavidad del molde.
•
La segunda, por medio de una pequeña muesca, el depósito de material frío extrae la corredera dellado A mientras el molde se abre. La colocación de un perno expulsor en el lado B en el sitio del depósito de material frío expulsa la corredera.
El sistema de colada normalmente se corta también en el lado móvil del molde. Los pernos expulsores en el sistema de colada que se encuentran parcialmente por debajo de la superficie, conocidos como "pernos succionadores", aseguran que la colada permanezca en el lado móvil. Estos pernos succionadores pueden contener muescas ligeras. Para asegurar que la pieza moldeada propiamente dicha permanezca en el
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lado móvil de la abertura del molde, es común hacer que la mayor parte de la pieza se forme en ese lado. Los detalles se deben mantener al mínimo en el lado estacionario. Cuando sea necesario tener una cantidad significativa de detalle en el lado A, se recomienda hacer planes para una expulsión segura del lado A, como un sistema expulsor accionado por resortes.
1.11.3. Moldes de tres placas Los moldes de tres placas son una modificación del sistema de dos placas en la cual se añade una placa central entre las placas móvil y estacionaria. La placa central aísla la corredera y el sistema de colada, de las piezas. El sistema de colada se forma entre la placa estacionaria y la central, y las piezas moldeadas se forman entre la placa central y la móvil. Al abrirse el molde, las piezas permanecen en la placa móvil y se expulsan desde ahí. Sin embargo, el sistema de colada y la corredera se separan de las piezas moldeadas y permanecen entre las placas central y estacionaria. Un sistema expulsor accionado por resortes que se encuentra en la placa central expulsa la colada. Existen varios aspectos de este sistema que lo hacen más ventajoso que el sistema de dos placas. En primer lugar, el corte de los puntos de inyección se realiza durante el proceso de expulsión de la pieza, no como una operación secundaria. En segundo lugar, existe mucha mayor libertad para seleccionar el número y ubicación de los puntos de inyección por medio de la colocación de los conos de inyección a través de la placa central. Se pueden colocar puntos de inyección en varios sitios de las piezas más grandes para facilitar el llenado.
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1.11.4. Sistemas de colada caliente Los sistemas de colada caliente reemplazan el sistema de corredera y colada fría con un múltiple calentado por medio de electricidad, el cual mantiene esa porción de la colada en estado fundido. La granza se inyecta en las cavidades del lado B directamente desde los descensos del múltiple. La ventaja más importante de un sistema de colada caliente es la eficiencia del material. Como no se moldea ninguna corredera ni colada, el 100% de la resina se queda en la pieza. Se debe evitar el tiempo excesivo de residencia en el múltiple ya que puede producir degradación del material. Se deben usar controladores de temperatura separados para cada descenso en el múltiple. La posición del termopar controlador para cada fuente de calor en el múltiple y descenso debe estar cerca de la resina y entre la fuente de calor y la resina. En general, el diseño del molde debe ser tan sencillo como sea posible: •
Se debe tomar en cuenta la expulsión de la pieza.
•
Así como la ubicación del punto de inyección al determinar el posicionamiento de la cavidad.
•
El manejo térmico del molde también es fundamental.
•
El medio de transferencia de calor circulante se debe diseñar para mantener una temperatura uniforme en la cavidad.
Si estos aspectos no se toman en cuenta, se pueden producir problemas para expulsar la pieza.
1.12. Cómo equilibrar la distribución de la cavidad En cualquier molde con varias cavidades, es fundamental acomodar las cavidades de forma equilibrada para lograr el moldeo de piezas de calidad. Esto significa que todas las cavidades deben contener el mismo volumen y llenarse al mismo tiempo. En un molde desequilibrado se sobreempacan algunas cavidades mientras que otras quedan subempacadas. En un molde equilibrado se llenan todas las cavidades a la misma velocidad con la misma presión, asegurando la producción de piezas uniformes. Usualmente, esto se logra colocando las cavidades equidistantes de la
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corredera con coladas de tamaño idéntico. La ruta del flujo debe tener la misma longitud hacia cada cavidad. A veces se construyen moldes familiares para moldear dos o más piezas con forma diferente en un solo molde. Con frecuencia es imposible equilibrar este tipo de molde y se debe evitar su uso. Cuando la economía requiere que se coloquen diferentes cavidades en un solo molde base, el sistema de colada debe equiparse con cierres de cavidad. Si no es posible moldear piezas aceptables juntas, los cierres de cavidad permiten que cada pieza se moldee individualmente.
1.13. Manejo térmico Como el proceso de moldeo por inyección de termoplásticos consiste esencialmente en inyectar una resina fundida en una cavidad y permitir que se solidifique ahí antes de expulsarla, es muy importante que la temperatura del molde se controle correctamente. Por lo general, esto se logra haciendo circular un medio de transferencia de calor a través de canales en el molde. Se puede utilizar agua para temperaturas del molde de hasta 200°F (95°C), pero se requiere aceite para temperaturas más altas. La temperatura necesaria en el molde depende de la categoría de resina que se esté procesando. No se deben usar calentadores eléctricos de cartucho. Aunque tienen la capacidad para calentar el molde, no pueden eliminar el calor del mismo. Como el polímero que se inyecta en el molde está considerablemente más caliente que la cavidad, es necesario eliminar el exceso de calor. Esto es especialmente cierto en las áreas térmicamente aisladas como los pernos de corazón, donde el calor puede acumularse y causar problemas de expulsión. Se pueden insertar pernos conductores térmicos de cobre berilio en estas áreas para facilitar la transferencia de calor. Los canales de transferencia de calor en el molde se deben ubicar equidistantes de cada cavidad, y el flujo se debe diseñar de forma que cada cavidad quede expuesta a la misma cantidad y temperatura de líquido. El patrón de flujo por las cavidades se debe diseñar para que sea simultáneo en lugar de secuencial. Los conductos internos que transportan el líquido para la
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transferencia de calor se deben dimensionar, dentro de los límites de la velocidad de flujo disponible, para crear un flujo turbulento que aumente al máximo la transferencia de calor.
1.14. Sistemas de colada El objetivo del sistema de colada es proporcionar un canal que conecte la corredera y la cavidad. A fin de evitar el desperdicio de material en la corredera y el sistema de colada, por lo general éste se muele y se utiliza de nuevo. Normalmente se permite el mezclado del 25% de correderas y coladas molidas con 75% de granza virgen. Por lo tanto, el diseño de molde más eficiente respecto a los materiales se logra cuando el peso de la corredera y la colada no es más de 25% del peso total de la inyección. La reducción en el peso de la colada se puede lograr reduciendo al mínimo tanto la longitud de la colada como la relación de superficie a volumen de la misma. Una colada completamente redonda es la que tiene la relación de superficie a volumen más baja. Es la colada más eficiente, pero es difícil fabricarla. La colada trapezoidal con una pendiente de 10% incrementa el peso del sistema de colada aproximadamente un 25%, pero es considerablemente más fácil troquelarla. El tamaño de la colada dependerá de la longitud de la ruta del flujo y la categoría de la granza que se esté utilizando. En todos los casos, el eje principal de la colada debe ser mayor que la sección más gruesa de la pieza para asegurar que la colada no se congele antes de que la pieza esté completamente densificada. Cuando la colada se divide para llenar dos cavidades o más, el volumen total de todas las coladas secundarias no debe ser mayor que el volumen de la colada primaria. Esto asegurará que la velocidad del frente del fundido no se reduzca. Se deben usar depósitos de material frío en cada vuelta del sistema de colada, así como en la base de la corredera. Estos depósitos sirven para eliminar la punta del fundido que avanza y evitar la introducción de material frío a la cavidad. Como el material del sistema de colada usualmente se utiliza de nuevo, el 44
sistema de colada debe estar bien venteado para evitar marcas de quemaduras. El venteo de la colada también permite que el gas que se encuentra en la colada salga en lugar de tener que ventearse por la cavidad. Se puede mantener el sistema de colada en la placa correcta durante la apertura del molde con extractores de correderas y pernos succionadores que contengan muescas ligeras. La colocación de un buen número de pernos expulsores en el sistema de colada asegurará una expulsión total del molde.
1.15. Puntos de inyección Todos los tipos convencionales de puntos de inyección son adecuados para el procesamiento de granza, incluyendo los sistemas de colada caliente. Las consideraciones para seleccionar un método de colocación de puntos de inyección incluyen la ubicación del punto de inyección para una densificación óptima, el método para remover el punto de inyección, la generación y uso de material molido y los requisitos cosméticos. ver figura.
1.15.1. Puntos de inyección de corredera Los puntos de inyección de corredera (directos) se usan con mayor frecuencia en los sistemas de colada caliente y también en los moldes de prototipos. Este 45
método coloca la cavidad del molde directamente alineada con la corredera o debajo del descenso de la colada caliente. Las principales ventajas de este método incluyen la simpleza del sistema y la reducción al mínimo del volumen y la longitud de flujo de la colada. Las desventajas de los puntos de inyección de corredera incluyen el potencial de que el material frío sea visible en la pieza y la necesidad de remover los vestigios de la corredera o la colada caliente, lo cual por lo general involucra una operación posterior de maquinado o una operación manual por parte del operador de la prensa.
1.15.2. Puntos de inyección en las orillas Puntos de inyección en las orillas son con mucho el tipo más común de puntos de inyección. Estos puntos de inyección se usan con un sistema convencional de corredera y colada. La colada introduce la resina a la cavidad del molde a lo largo de la línea divisoria. Se colocan depósitos de material frío en el sistema de colada para mantenerlo fuera de las piezas. Por lo general se coloca una muesca en el lado móvil del molde para que actúe como extractor de la corredera. También se pueden colocar muescas ligeras en el punto de inyección donde se junta con la pieza, para facilitar la separación de la colada y la pieza. Las ventajas de los puntos de inyección en las orillas incluyen: •
La facilidad de fabricación, modificación y mantenimiento
•
Así como una operación sin problemas.
Los depósitos de material frío eliminan el material frío de las piezas. La desventaja de este método para puntos de inyección es la generación de desperdicio, parte del cual se puede moler y reutilizar. Se recomienda ampliamente el uso de insertos en los puntos de inyección para facilitar el reemplazo del punto de inyección si ocurre un desgaste excesivo.
1.153. Puntos de inyección de diafragma Los puntos de inyección de diafragma se usan casi exclusivamente para moldear piezas circulares sin líneas de unión del plástico. También se puede lograr un alto grado de planeidad con este método al usar una categoría con 46
refuerzo de fibra que puede tender a producir ondulaciones cuando se usan otros tipos de puntos de inyección. Al igual que con los puntos de inyección de corredera, se requiere una operación de maquinado para eliminar el punto de inyección.
1.15.4. Puntos de inyección de túnel o submarinos Los puntos de inyección de túnel o submarinos son otro método popular porque el corte del punto de inyección se efectúa por sí mismo. Los puntos de inyección de túnel utilizan un sistema convencional de colada en la línea divisoria, similar a un punto de inyección estándar en orilla. Sin embargo, al estar muy cerca de la cavidad del molde, la colada forma un túnel por debajo de la línea divisoria y se conecta a la pieza por debajo de las superficies divisorias del molde. Durante la expulsión, la pieza moldeada y la colada y punto de inyección se ven separados por el acero del molde propiamente dicho. El ángulo de descenso es fundamental para asegurar que la colada se expulse correctamente y no se quede atorada en el molde. Debido al alto módulo de las categorías reforzadas de la granza, se recomienda un ángulo máximo de 30 grados perpendicular a la línea divisoria del molde para estas categorías. Las categorías no cargadas, con un módulo más bajo, pueden usar ángulos de descenso menos agudos. La ventaja principal de los puntos de inyección de túnel es su característica automática de corte del punto de inyección. Una desventaja potencial es la posibilidad de un vestigio irregular en el punto de inyección. Se recomiendan ampliamente los insertos en los puntos de inyección de túnel.
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1.16. Moldes de colada caliente Los moldes de colada caliente son muy populares debido a su eficiencia de materiales. Los moldes de colada caliente se pueden combinar con cualquiera de los métodos de colocación de puntos de inyección descritos anteriormente, aunque con mayor frecuencia utilizan puntos de inyección directos. Los moldes de colada caliente con frecuencia se proporcionan como un sistema de llave en mano; sin embargo, ciertos aspectos del diseño son importantes para lograr una operación exitosa con granza. Los canales del múltiple de colada caliente deben tener un flujo libre sin codos marcados o puntos muertos. La granza fundida tiende a estancarse en los codos o los puntos muertos, lo cual produce una degradación que eventualmente contamina el fundido y las piezas. Figura 116. Orificios de entilacon
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El control de la temperatura del molde de colada caliente es fundamental. Cada descenso del molde debe tener su propio termopar y fuente de calor. La colocación del termopar debe hacerse entre la fuente de calor y el canal del fundido, para permitir un manejo térmico exacto sin degradación de la granza.
1.17. Dimensiones del punto de inyección Las dimensiones de un punto de inyección dependen de varios factores, incluyendo: •
El tamaño de la pieza.
•
Su grosor,
•
El tipo de punto de inyección que se esté usando.
•
La categoría de la granza.
En general, la dimensión más pequeña para un punto de inyección debe ser igual al 50% del grosor de la pared en el lugar en el que se coloca dicho punto de inyección para asegurar una densificación óptima. •
Si los puntos de inyección son demasiado pequeños es posible que las piezas queden subempacadas, que se encojan de forma errática, tengan porosidad interna o marcas de hundimiento y tengan un rendimiento mecánico deficiente.
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Los puntos de inyección en las orillas rectangulares deben ser 1.5 a 2 veces más anchos que profundos, y deben ser proporcionales al grosor de la pieza como se mencionó anteriormente.
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Los puntos de inyección de túnel deben tener un mínimo de 0.020 pulg (0.5 mm) en el eje menor e incrementar su tamaño para piezas más grandes.
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Los moldes de tres placas deben usar puntos de inyección de tamaño proporcional, pero de no menos de 0.020 pulg (0.5 mm) de diámetro para piezas pequeñas y no más de 0.125 pulg (3.2 mm) de diámetro para piezas grandes.
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Los puntos de inyección muy grandes en los moldes de tres placas pueden causar problemas de corte del punto de inyección.
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1.17.1. Ubicación de los puntos de inyección Los puntos de inyección siempre se deben de ubicar en la sección más gruesa de la pieza para permitir el flujo de las secciones gruesas a las delgadas. Las consideraciones cosméticas pueden dictar la ubicación de los puntos de inyección; sin embargo, no se aconseja el flujo a través de una sección delgada hacia una sección más gruesa. Otros factores que pueden influenciar la ubicación de los puntos de inyección incluyen la ubicación de las líneas de unión, los requisitos de planeidad, y la cantidad de puntos de inyección que se requieren para llenar la pieza.
1.17.2. Venteo Los orificios de ventilación en la cavidad del molde, como se muestra en la Figura 1.17, permiten que el gas (aire) que se encuentra presente en la cavidad escape mientras la resina la llena. El venteo inadecuado puede hacer que el gas se comprima en la cavidad y se caliente entonces hasta el punto de causar marcas de quemaduras en la pieza y un depósito en la superficie del molde. Esto se conoce como dieselización. El venteo deficiente también puede producir una resistencia deficiente en la línea de soldadura y la incapacidad para llenar por completo la cavidad. Las velocidades de inyección relativamente rápidas necesarias en la mayoría de las variedades de granza requieren que se utilice una cantidad considerable de venteo en el herramental. La ubicación de los orificios de ventilación depende de la distribución de la cavidad y puede predecirse con exactitud por medio de la simulación del flujo. También se pueden usar inyecciones cortas para descubrir las áreas donde se requiere el venteo. Por lo general, los orificios de ventilación se deben colocar opuestos a los puntos de inyección, en las líneas esperadas de unión del plástico y en diversos sitios de la línea divisoria, de forma que el volumen total de orificios de ventilación sea igual a aproximadamente el 25% del perímetro de la cavidad. El venteo por debajo de la línea divisoria se puede lograr incorporando orificios de ventilación en los pernos expulsores. El venteo en los pernos de corazón y las cavidades profundas también ayuda en la expulsión de
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la pieza al eliminar el vacío que se forma y prevenir la ondulación de la pieza.
1.17.3. Orificios de ventilación Si los procesos de producción se interrumpen con frecuencia para limpiar los depósitos que se forman en el molde, la colocación de orificios de ventilación adicionales puede ayudar a mejorar el problema. Tolerancias de moldeo La variabilidad dimensional de una pieza moldeada es una combinación de la variabilidad dimensional de las cavidades, la variabilidad debida al proceso de moldeo y la variabilidad por el encogimiento del material. El encogimiento del material depende del tipo de carga y de su contenido. Cuanto mayor es el nivel de carga, menor será el encogimiento. Las cargas con una relación de aspecto, como la fibra de vidrio, tienen diferentes encogimientos en la dirección del flujo y la dirección transversal. La tolerancia real depende de la dimensión. Cuanto mayor es la dimensión, mayor será la tolerancia necesaria. Por lo general, se puede mantener una tolerancia de +/_ 0.2% de una dimensión dada. Para dimensiones muy grandes, puede ser posible mantener una tolerancia de más de 0.2%. Para dimensiones muy pequeñas, suponga que la mejor tolerancia sea de +/_ 0.002 pulg (0.05 mm). Para tener capacidad de tolerancia estadística, se aconseja duplicar los objetivos anteriores.
1.18. Expulsión de la pieza Existen varios factores importantes a considerar cuando se planea la expulsión de las piezas de la cavidad del molde. La mayoría de los problemas de moldeo se puede relacionar con problemas de expulsión que se pueden evitar. Ángulo de salida El ángulo de salida consiste en añadir una conicidad que permita que la pieza se libere del molde después de sólo un desplazamiento corto de los pernos expulsores.
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El nivel de conicidad se conoce comúnmente como ángulo de salida. Aunque los ángulos de salida por lo general no se consideran parte del sistema de expulsión, son esenciales para que el sistema de expulsores funcione correctamente. Los ángulos de salida mínimos para la granza son de 0.5 a 1 grado para las superficies exteriores del molde y de 1 a 1.5 grados para las superficies interiores o corazones. Cuando las tolerancias dimensionales no permiten el ángulo de salida recomendado, se pueden investigar métodos alternativos: •
Dividir la pieza moldeada entre las superficies móvil y estacionaria del molde
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Dividir los pernos de corazón.
Ambos métodos pueden reducir a la mitad el cambio de dimensiones debido al ángulo de salida. Cuando la superficie de la pieza está texturizada, es necesario incrementar los ángulos de salida 1 grado por cada 0.001 pulg (0.025 mm) de profundidad de la textura.
1.19. Pulido del molde Es esencial que las superficies de expulsión de los moldes se pulan en la dirección de la expulsión, lo cual se conoce como pulido en el ángulo de salida. No se permiten las muescas porque éstas hacen que las piezas se peguen. El pulido de los moldes debe ser parte regular del mantenimiento preventivo del molde.
1.20. Pernos expulsores El método más común para expulsar las piezas es por medio del uso de pernos expulsores conectados a una placa expulsora en la mitad móvil del molde. Al abrirse el molde, los pernos expulsores se mueven hacia adelante y empujan la pieza para que salga de la cavidad del molde. •
La colocación y tamaño de los pernos expulsores son sumamente importantes para asegurar la expulsión correcta de las piezas.
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El uso de pernos expulsores pequeños o insuficientes puede producir un defecto en el molde que se conoce como marcas testigo, o ciclos de
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moldeo innecesariamente largos. •
Los pernos expulsores se deben colocar de manera regular en toda la pieza para asegurar una expulsión uniforme.
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Se deben colocar pernos adicionales en la parte más profunda de la cavidad.
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Estos pernos aseguran que la pieza se empuje de manera uniforme hacia afuera de la cavidad. Sin ellos, las secciones menos profundas de la pieza jalan a las más profundas para sacarlas de la cavidad, lo cual puede producir una distorsión o ruptura en la pieza.
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Cuando una parte profunda de la pieza tiene forma de reborde, se debe considerar el uso de un perno expulsor en forma de cuchilla o rectangular. Los pernos expulsores deben ser tan grandes como sea posible para reducir al mínimo la fuerza de expulsión por unidad de área.
1.21. Placas de expulsión Cuando el diseño de una pieza requiere varios corazones, especialmente con requisitos de tolerancias muy bajas para los ángulos de salida, se puede usar una placa de expulsión para jalar los corazones hacia la mitad móvil del molde antes de que se accionen los pernos expulsores. Las placas de expulsión con frecuencia se pueden accionar por medio de resortes, con lo que se reduce al mínimo la complejidad del diseño.
1.22 Expulsores para placas estacionarias Cuando la complejidad de una pieza exige que haya una cantidad considerable de detalle tanto en el lado móvil como en el estacionario del molde, es posible que la pieza tenga la indeseable tendencia a permanecer en el lado estacionario del molde mientras éste se abre. Por lo general, esto se puede resolver con el uso de una muesca (extractor de la corredera) en el lado móvil debajo de la corredera. En casos extremos, una placa expulsora accionada por resorte en el lado estacionario del molde obliga a la pieza a permanecer en el lado móvil. Las directrices para los expulsores del lado móvil se aplican en este caso.
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1.23. Corazones colapsables Se puede usar un corazón colapsable cuando se requieran muescas en un diámetro interior. Debido a la complejidad y alto mantenimiento que requieren estos corazones, se debe evitar usarlos siempre que sea posible.
1.24. Mantenimiento del molde Es fundamental darle un mantenimiento adecuado al molde a fin de mantener la calidad de las piezas y aumentar al máximo la vida del molde. El programa de mantenimiento mínimo recomendado se muestra en la Tabla 5. Algunos moldes pueden requerir intervenciones de mantenimiento adicional.
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Tema 2.
SISTEMS DE SEGURIDAD
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