INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y MECANICA Y ELECTRICA SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION.
Diseño de moldes de inyección de plástico con Ingeniería concurrente. TESIS. QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIA CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA MECANICA. PRESENTA:
ING. ENRIQUE MAYA ORTEGA. DIRECTORA DE TESIS:
M. EN C. ALLA KABASTSKAIA IVANOVNA.
MEXICO, D.F
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II
II
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
SECRETARIA DE INVESTIGACION Y POSGRADO
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de México, D. F., el día el(la) que suscribe
05
del mes
marzo
ENRIQUE MAYA ORTEGA
del año
2007
alumno (a) del Programa de
MAESTRIA EN INGENIERIA MECANICA con número de registro
B021502
adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la
E.S.I.M.E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis bajo la dirección del trabajo intitulado:
M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA
y cede los derechos del
DISEÑO DE MOLDES DE INYECCION DE PLASTICOS CON INGENIERIA CONCURRENTE
al
Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación.
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III
Diseño de moldes de inyección con ingeniería concurrente. Lista de figuras. Lista de tablas. Lista de Nomogramas. Glosario de términos. Resumen. Abstract. Objetivos. Justificación. Introducción.
V VI VII VIII XII XII XIII XIV XV
Capítulo I.- Generalidades.
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1.1 Estado del arte. 1.2 Historia del plástico. 1.3 Aplicaciones del plástico. 1.4 Procesos de manufactura del plástico y máquinas utilizadas. 1.5 La máquina de inyección. 1.5.1 Tipos de máquinas de inyección. 1.5.2 Descripción de la máquina de inyección. 1.5.3 Características principales de una máquina de inyección.
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Capítulo II.- Proceso de moldeo del plástico.
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2.1 Clasificación de los plásticos. 2.2 Tecnología de moldeo de materiales plásticos. 2.3 Moldeo por inyección de plástico. 2.3.1 El ciclo de inyección. 2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo. 2.3.2.1 Temperatura. 2.3.2.1.1 Viscosidad del material. 2.3.2.2 Presión. 2.3.2.3 Velocidades y tiempo. 2.3.2.3.1 Velocidad de rotación del husillo. 2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas termoplásticas. 2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas. 2.4 Moldeo por inyección de plástico. 2.4.1 La función del molde de inyección. 2.4.2 Clasificación de los moldes. 2.4.3 Descripción de los moldes. 2.5 Situación actual de la fabricación de moldes en México. 2.5.1 Situación económica en la fabricación de moldes en México.
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I
2.5.2 Situación tecnológica en la fabricación de moldes en México.
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Capítulo III.- La ingeniería concurrente en el diseño de piezas de plástico.
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3.1 Concepto de ingeniería concurrente. 3.2 Objetivos de la ingeniería concurrente. 3.3 Mecanismos de la ingeniería concurrente 3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniería concurrente 3.5 Ingeniería concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE. 3.6 Aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de moldes. 3.7 El intercambio de información durante la etapa de diseño.
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Capítulo IV.- Aplicación de la ingeniería concurrente en el proceso de diseño de un molde de inyección de plástico. 31 4.1 Información de la pieza. 4.2 Requerimientos del transformador. 4.2.1 Información de transformación. 4.3 Diseño del molde. 4.3.1 Estudio previo del molde 4.3.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. 4.3.1.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde. 4.3.1.3 Generación de una oferta para su diseño y construcción. 4.3.2 Anteproyecto del molde. 4.3.2.1 Selección del tipo de molde. 4.3.2.2 Determinación de la cantidad de cavidades del molde. 4.3.2.2.1 Área proyectada y fuerza de cierre. 4.3.2.2.2 Cálculo del peso del producto. 4.3.2.2.3 Cálculo de la capacidad de plastificación. 4.3.2.2.4 Cálculo de la capacidad de inyección. 4.3.2.3 Sistema de alimentación (llenado). 4.3.2.3.1 Funciones y componentes. 4.3.2.3.2 Diseño de la sección de la boquilla. 4.3.2.3.3 Configuración de los canales de alimentación. 4.3.2.3.3.1 Análisis reológico. 4.3.2.3.4 Configuración de las entradas o canales de estrangulamiento. 4.3.2.3.5 Disposición de las entradas en la pieza. 4.3.2.3.6 Cantidad de entradas. 4.3.2.3.7 Salida de aire. 4.3.3 Sistema de expulsión. 4.3.3.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyección. 4.3.3.2 Configuración de las varillas expulsoras. 4.3.3.3 Contracción de la pieza. 4.3.4 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 4.3.4.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. 4.3.4.2 Determinación del calor que debe disiparse por unidad de tiempo.
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II
4.3.4.3 Disposición del sistema de enfriamiento en el molde. 4.3.4.4 Cálculo del tiempo total de un ciclo de inyección. 4.3.5 Proyecto del molde.
61 63 63
Capítulo V.- Resultados y discusiones.
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5.1 Información básica de entrada. 5.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de plástico”. 5.1.2 Segunda etapa “Solicitud de diseño de la pieza”. 5.1.3 Tercera etapa “Información de producción”. 5.2 Diseño de molde. 5.2.1 Estudio previo del molde. 5.2.1.1 Cuarta etapa “Solicitud de estudio previo y oferta de diseño”. 5.2.2 Anteproyecto del molde. 5.2.2.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo y oferta del molde”. 5.2.2.2 Sexta etapa “Interpretación y aplicación de los resultados del programa “Cálculos de diseño en moldes”. 5.3 Proyecto del molde. 5.3.1. Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE ”. 5.4 Ejemplo de aplicación. 5.4.1 Información básica de entrada. 5.4.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de plástico”. 5.4.1.2 Segunda Etapa “Solicitud de diseño de la pieza.” 5.4.1.3 Tercera etapa “información de producción”. 5.4.2 Diseño de molde. 5.4.2.1 Estudio previo del molde. 5.4.2.2.1 Cuarta etapa “Estudio previo del molde y oferta de diseño”. 5.4.2.1.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. 5.4.2.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde. 5.4.2.2.1 Selección del tipo de molde. 5.4.3 Anteproyecto del molde. 5.4.3.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo y oferta del molde”. 5.4.3.2 Sexta etapa “Interpretación y aplicación de los resultados del programa “Cálculos de diseño en moldes””. 5.4.3.2.1 Determinación de la cantidad de cavidades del molde. 5.4.3.2.2 Área proyectada y fuerza de cierre. 5.4.3.2.3 Cálculo de la capacidad de inyección. 5.4.3.2.4 Cálculo de la capacidad de plastificación. 5.4.3.2.5 Sistema de alimentación (llenado). 5.4.3.2.5.1 Diseño de la sección de la boquilla. 5.4.3.2.5.2 Salida de aire.
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III
5.4.3.4.6 Sistema de expulsión. 5.4.3.4.6.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyección. 5.4.3.4.6.2 Configuración de las varillas expulsoras. 5.4.3.4.6.3 Contracción de la pieza. 5.4.3.4.7 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 5.4.3.4.7.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. 5.4.3.4.8 Cálculo del tiempo de inyección. 5.4.3.4.9 Cálculo del tiempo del ciclo de inyección. 5.5 Proyecto del molde. 5.5.1 Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE ”. 5.6 Planos del molde
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Conclusiones y recomendaciones.
107
Referencias
110
IV
Lista de figuras. Titulo. Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 Figura 4.11 Figura 4.12 Figura 4.13 Figura 4.14 Figura 4.15 Figura 4.16 Figura 4.17 Figura 4.18 Figura 4.19 Figura 4.20 Figura 4.21 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4
Juego de pelota. Productos fabricados con plástico. Máquina de compresión. Máquinas de inyección. Máquina de extrusión. Partes de una máquina de inyección. Inyección del material. Aplicación de la presión de sostenimiento. Enfriamiento y extracción de la pieza. Ciclo de operación de termoplásticos. Ciclo de operación de termofijos. Diagrama de presión de inyección vs. tiempo. Partes de un molde de inyección. Etapas de realización de cambios. Cadena productiva. Información fundamental general. Información general. Actividad diseñar el molde. Concentración de esfuerzos. Curvas de costos para cavidades. Distribución de áreas para el diseño de cavidades. Fuerzas que actúan en el proceso de inyección a presión. Características de la pieza a fabricar. Sistema de llenado. Tipos de boquilla. Configuración del bebedero y la boquilla. Mazarota cónica o de barra. Perfiles de los canales de alimentación. Dimensiones principales del canal parabólico y trapezoidal. Configuración de las entradas o canales de estrangulamiento. Perfil de velocidades en la sección del molde. Curvas de velocidad de flujo, temperatura y gradiente de velocidad. Porcentaje de capa fría en función de la longitud de flujo recorrido. Canal de estrangulamiento rectangular con canal de llenado. Dimensionado del canal de estrangulamiento. Representación esquemática de varias varillas de expulsión. Entalpías de las masas termo plásticas. Disposición en espiral de los canales de refrigeración en piezas circulares. Disposición rectilínea de los canales de refrigeración en piezas rectangulares. Pieza requerida. Dimensiones de la pieza. Determinación del peso de la pieza en Rhinomold V3. Detalle de las dimensiones de la pieza.
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V
Figura 5.5 Figura 5.6 Figura 5.7 Figura 5.8 Figura 5.9 Figura 5.10 Figura 5.11 Figura 5.12 Figura 5.13 Figura 5.14 Figura 5.15
Verificación del ángulo de desmoldeo. Punzón y matriz del molde. Superficies analizadas. Verificación del área proyectada en la placa. Selección de la boquilla. Dimensiones propuestas para la boquilla y bebedero. Dimensiones del bebedero. Patrón de llenado, por el tipo de configuración. Sistema de enfriamiento recomendado. Archivo CAD de las cavidades Archivo CAD tipo malla.
Lista de tablas. Titulo. Tabla 2.1 Tabla 4.1 Tabla 4.2 Tabla 4.3 Tabla 4.4 Tabla 4.5 Tabla 4.6 Tabla 4.7 Tabla 4.8 Tabla 4.9 Tabla 4.10 Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5 Tabla 5.6 Tabla 5.7 Tabla 5.8
Materiales más utilizados por el método de inyección. Espesores de pared sugeridos. Tipos de moldes. Tipos de moldes de acuerdo a su configuración. Tipos de sistema de expulsión. Valores comunes de diámetros de varillas en relación con la longitud. Contracción en % de plásticos. Para la determinación del tiempo de enfriamiento t según la pieza. Conductividad térmica de algunos materiales de inyección. Tipos de líquidos intercambiadores de calor. Temperaturas de operación. Propiedades del polietileno de alta densidad (PEAD). Características de la maquina marca Tat Ming modelo MA18-A. Espesores de pared sugeridos. Configuración de moldes según su clasificación. Formatos de información acerca de la máquina MA 18-A para la aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL. Formatos de información acerca del material PEAD para la aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL. Lista de símbolos del programa Mathcad para las características de la máquina de inyección para el archivo Excel. Lista de símbolos del programa Mathcad para las características del material de inyección para el archivo Excel.
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VI
Lista de Nomogramas. Titulo. Nomograma 4.1 Nomograma 4.2
Calculo del diámetro de entrada. Para el cálculo del tiempo de enfriamiento.
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VII
Glosario. Área provista: Esto es el área provista de las piezas y las anchuras. Se mide viendo la superficie del molde en los ángulos derechos. Abertura de ventilación: Un canal pequeño o una ranura desde el borde de la cara de la cavidad hasta el borde del molde para permitir que el aire y el gas se escapen durante el proceso de moldeo. Ampolla: La elevación redondeada y no deseada en la superficie del plástico, las fronteras que pueden ser perfiladas indefinidamente, pareciendo algo en forma como una ampolla en la piel humana. Anchura: La parte de un molde que proporciona la amputación de la rebaba de la pieza moldeada. (1) La superficie de una boquilla de extrusión que está paralela a la dirección del flujo de la masa. Ángulo de desmoldeo: La cantidad de conicidad en los lados del molde y la pieza moldeada requerida para la eliminación fácil de la parte moldeada del molde. (El grado de conicidad en la pared lateral o el ángulo del espacio libre diseñado para facilitar la eliminación de las piezas de un molde.) Barra guía: Las espigas o barras en el molde que aseguran que se alinee apropiadamente las mitades del molde. Los elementos que mantienen la alineación apropiada del émbolo de fuerza y la cavidad cuando el molde se cierra. Barras de expulsión: Las espigas de acero incrustadas en la cavidad del molde y conectadas a una placa separada de atrás del molde. La placa de expulsión está actuando cuando se abre el molde para forzar las espigas de expulsión contra la pieza moldeada y para empujarla fuera de la cavidad. Bebedero: El canal para el flujo del material de la boquilla del cilindro de inyección hasta los canales del molde. Boquilla: El extremo anterior de un cilindro de inyección, que restringe el flujo de material caliente por un orificio pequeña. La boquilla está diseñada para formar bajo la presión un sello entre el cilindro de calentar o la cámara de transferencia y el molde. El extremo anterior de la boquilla puede tener forma plana o esférica. Buje: Los bujes cumplen la función de alinear las dos mitades del molde. Estos hacen pareja con los pernos guía. Canal (se refiere al molde): En un molde de inyección o transferencia, el canal que conecta el bebedero con la entrada y la cavidad. Capacidad de disparo (inyección): Esto es la cantidad de material que es capaz de inyectar la maquina en un ciclo; generalmente se mide en centímetros cúbicos o en gramos y debe ser mayor que la cantidad de material necesario para llenar el molde.
VIII
Capacidad de plastificación: La capacidad de plastificación, es la indicación de la cantidad de material referido a una hora de producción que puede procesar la maquina. Carga: La cantidad de material requerida para llenar las cavidades del molde. Cavidad: La parte del molde que forma la superficie exterior de la pieza moldeada. Dependiendo del número de tales, los moldes están diseñados como uní-cavidad o multi cavidad. Gracias a que el plástico se encoge o contrae, la cavidad esta siempre del lado fijo. Si se llega a quedar la pieza del lado fijo es porque sé esta sobre-empacando el plástico o tiene algún negativo la cavidad. Ciclo: El tiempo que se tarda en completar una operación de moldeo. Incluye la carga del molde, el cierre, la curación, la abierta del molde y expulsión de la pieza del molde. En moldeo, el tiempo del ciclo es el período, o tiempo pasado, entre un punto cierto en un ciclo y el mismo punto del próximo. Cojinetes contra presión: Los bloques de acero fuera del área de la cavidad que juntan cuando se cierra el molde para prevenir la presión excesiva en las anchuras de la cavidad. (Los refuerzos distribuidos alrededor de las áreas muertas y las caras del molde para ayudar a las anchuras absorben la presión final del cierre sin derrumbarse.) Contrapresión: La presión desarrollada en el material por la rotación del tornillo cuando se introduce por la fuerza el material en el tambor. (La resistencia de un material a causa de su viscosidad, para continuar fluyendo cuando está cerrado el molde.) Corazón (Macho): Al contraerse el plástico, este se adhiere fuertemente por lo que al abrirse el molde es más fácil desmoldearlo. Esta parte se deja abierto todo el caudal del agua a fin de enfriar la pieza en el menor tiempo posible. Curación: El tiempo requerido para congelar o polimerizar el material termoendurecido cuando está bajo calor y presión. (Para cambiar las propiedades físicas del material por reacción química, que puede ser condensación, polimerización, o vulcanización; usualmente se logra por la acción de calor y catalizadores, solo o en combinación, con o sin la presión.) Desperdicio: El disco redondo del material que se queda en la transferencia o pozo de pistón después de que se llene el molde. El manguito del bebedero es el canal que conecta la boquilla del cilindro de inyección con el sistema de canales del molde. Entrada: Una abertura pequeña y restringida entre el extremo del canal y el borde de la cavidad de un molde de inyección. Inserción: Un objeto moldeado en o presionado en una pieza moldeada, usualmente metal. (Una parte integral de un moldeo plástico que consiste de metal u otro material que puede ser moldeado en una posición o puede ser presionado en la parte después de que el moldeo esté completado.)
IX
La unidad de cierre: Es principalmente el lugar donde vamos a poner el molde. Una unidad de cierre por muy grande que sea solo tendrá un 10% de su fuerza de cierre para ejercer la apertura. La unidad de inyección: Nos ayuda a introducir el material plástico al interior del molde. La presión de inyección permanecerá más o menos constante mientras que la velocidad de inyección aumentará con el tamaño de la máquina. Molde familiar: Un molde con multi-cavidades que contiene varias cavidades de tamaños y formas diferentes. (Un molde de multi-cavidad en donde cada de las cavidades forman una de las piezas que lo integran del objeto montado y acabado. El término está aplicado a menudo a moldes cuyas piezas de clientes diferentes son agrupadas juntas en un molde para la economía de producción. Algunas veces se refiere al molde como combinación.) Molde: Una forma hueca de la cavidad en que el material de plástico líquido está introducido para dar la forma del componente requerido. En términos generalmente se refieren al montaje completo de los elementos que componen la sección del equipo de moldeo en la que las piezas están formadas. Perno recuperador: Su función es la de asegurar que la placa de expulsores se regrese hacia atrás durante el cierre del molde. Esto asegura que los pernos expulsores no peguen en las cavidades. Cuando el sistema de expulsión es hidráulico se debe acoplar el sistema de expulsión al botador de la máquina. Pistón: La parte de una prensa de inyección o compresión que se aplica la presión en el material plástico no fundido para empujarlo en la cámara, que a su vez fuerza la fundición del plástico al frente de la cámara fuera de la boquilla. Placa porta-cavidad: Es la que lleva la cavidad o cavidades. También aloja el perno guía. Normalmente es de acero tratado. Placa porta-corazón: Es la que lleva los corazones o machos. También el buje. Normalmente es de acero tratado. Placa porta molde: Las placas superiores e inferiores de una prensa en que las mitades del molde están unidos con pernos. (Las placas de fijación de una prensa para moldeo por inyección o compresión, en que el montaje entero está unido con pernos.) Plasticidad: Un término usado para describir el grado en el que el material fluye bajo el calor y presión. (Una propiedad de plástico que permite que el material sea deformado continuamente y permanente sin ruptura en la aplicación de una fuerza que excede el valor de productividad del material.) Polimerización: La reacción química que ocurre al moldear durante “curación.” (Una reacción química en que las moléculas se juntan para formar moléculas grandes cuyo peso molecular es multiplicado de la sustancia original. Cuando dos o más monómeneres están involucrados, el proceso se refiere al copolimerización o heteroipolimerzación.
X
Preforma: Un bloque de material comprimido. ((1) Una pastilla comprimida o galleta de compuesto plástico usado para eficacia en manejar y la exactitud en pesar los materiales.) (2) Para hacer el polvo de moldeo plástico a gránulos o pastillas.) Purificación: Se refiere a la limpieza de un color o tipo de material del cilindro de una máquina de moldeo por inyección extrayéndolo para ingresar un color nuevo o un material para ser usado en producción subsiguiente. Rebaba: El material excesivo que fluye fuera de la cavidad del molde bajo la presión. (El plástico extra adjuntado a un molde por la línea de separación; bajo la mayoría de condiciones sería desagradable y tiene que ser eliminada antes de considerar las piezas aceptables.) Respiración: La abertura y el cierre del molde para permitir que los gases puedan escapar durante el ciclo de moldeo.
XI
Resumen. En este trabajo se presenta una metodología para el diseño de moldes de inyección de plástico basada en la ingeniería concurrente, se realiza una secuencia de actividades con diferentes recomendaciones para llevar a cabo un buen diseño de moldes de una manera más rápida, para lo cual se presentaron los modelos de información involucrados en la tarea de diseño de moldes útiles para la ingeniería concurrente, así como la integración de un programa en MATHCAD 11, para hacer más fácil y rápida la solución de los modelos matemáticos en la tarea de diseño de moldes en su fase de anteproyecto de diseño, así mismo en el ejemplo de aplicación de la metodología se utilizó el programa RHINOMOLD v3.
Abstract. In this work a methodology for the design of molds of plastic injection based on concurrent engineering appears, are made different recommendations to carry out a good design of molds of a way but fast, for which the models of involved information in the task of design of useful molds for concurrent engineering appeared, as well as the integration of a program in MATHCAD 11, to make but the solution fast and easy of the mathematical models in the task of design of molds in its phase of design first draft, also in the example of application of the methodology I am used program RHINOMOLD v3.
XII
Objetivo. La aportación de elementos a la industria de la transformación del plástico, que faciliten la labor de diseñar moldes de inyección, así como la implementación de la ingeniería concurrente, para obtener tiempos de respuesta más rápidos y consecuentemente el tener mayor ventajas competitivas en una economía globalizada. Este objetivo principal viene acompañado de otros parciales, como son:
Implementar la metodología de la ingeniería concurrente con todo lo que ello implica. Desarrollar un proceso de diseño de moldes de inyección basada en el diseño de cada componente. Una recopilación de información acerca del diseño de moldes de inyección de plástico, que permita realizar un óptimo diseño de moldes. Un análisis de los modelos de información presentes en el ciclo productivo de una pieza de plástico.
XIII
Justificación. La realidad de las empresas nacionales que se dedican a la producción de piezas de plástico por inyección, es que gran parte de los moldes los obtienen de países con un mayor desarrollo tecnológico. Por lo anterior es notorio que la situación de la industria nacional del plástico revela la urgente necesidad del desarrollo de capacidades tecnológicas propias para los fabricantes de moldes, maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita competir con ventaja en un mundo globalizado. Es una necesidad el desarrollo de tecnologías en México para la generación de diseños de moldes propios, por tal motivo el presente trabajo pretende desarrollar una metodología que permita el diseño de moldes de inyección, además de que se desea aplicar la ingeniería concurrente durante el proceso de diseño, esto con el objetivo de reducir el tiempo de puesta en mercado, a través de la integración de todas las actividades involucradas en el diseño de moldes desde su fase de definición, asegurando que se realice un mejor producto con plazos de ejecución más cortos y con una mejora de la calidad.
XIV
Introducción. La industria de productos plásticos ha tenido un crecimiento muy grande desde 1945 y una gran parte de éste crecimiento ha sido en la inyección de plásticos. Esto ha creado una necesidad cada vez mayor desde entonces, de moldes para inyección de plástico cada vez más complejos y exigentes. Desde el diseño hasta la construcción de un molde de inyección de plástico existe una serie de pasos y factores que deben visualizarse en todo momento. En un mundo cada vez más globalizado la velocidad de respuesta es un factor primordial para aprovechar las ventajas competitivas que involucra poner un producto en el mercado antes que otra empresa. Se ha observado que con el concepto de ingeniería concurrente esto es una realidad ya que esta metodología esta siendo implementada por la industria automotriz en todo el mundo.
XV
XVI
Capítulo I Generalidades.
1
1.1 Estado del arte. En la actualidad, cualquier persona que observe a su alrededor se dará cuenta de una diversidad de objetos producidos a partir de diferentes materiales como madera, metales, rocas, cerámica, vidrio, huesos, entre otros. Entre los materiales más utilizados actualmente destacan los plásticos. Cada día alcanzan un papel más importante, en la vida cotidiana, resaltando aun más lo obtenidos por el proceso de inyección [1]. El inicio de la utilización del proceso de inyección data con exactitud del año de 1872, cuando J. W. Hyatt resolvió el problema de plastificar y conformar una mezcla de nitrocelulosa y alcanfor con su "máquina de empaquetar" [2], y fue en 1878 cuando fabrica aquel que es posible considerar como el primer molde de inyección, siendo esto un paso primordial en el proceso de transformación por medio de la inyección del plástico. A partir de 1921 año en que Eichengrun y H. Buchholz patentaron lo que se considera la primera moldeadora moderna (Máquina de inyección) en la que el celuloide pasaba a un estado líquido antes de ser introducida bajo presión hacia el interior del molde [2], comienza el inicio de la era de la inyección del plástico, aunque este equipo tenía muchos problemas en el control de la temperatura y en el proceso en general, aunado a la falta de moldes para ser utilizados en esta maquina [3]. El primer molde comercial de inyección fue hecho en Alemania en 1926 por Eckert y Ziegler : lo patentaron con él número 495362, y era un molde horizontal incorporado a una maquina, en el cual el molde era guiado por aire a presión, con la mitad fija en una placa móvil. La industria de los plásticos paso de nivel artesanal al ámbito de la producción industrial, con ciclos rápidos de producción para esos tiempos [2]. En 1935, la firma alemana Franz Brawn A.G. presentó un compresor con inyección automática, dando así un gran avance en los equipos de inyección, trayendo como consecuencia la exigencia del desarrollo de moldes más rápidos y eficientes. La fabricación de moldes y maquinas de inyección de plásticos a partir de la década de los 70 acelera su crecimiento en países desarrollados. En el caso de los moldes de inyección, la utilización de maquinas herramientas convencionales con una capacidad de maquinado con tolerancias más estrechas trajo consigo la fabricación de moldes cada ves más exactos logrando con ello la sustitución de piezas metálicas, vidrio, cerámica y madera, por piezas plásticas logrando así una incursión rápida en la industria automotriz y electrónica, al cumplir con especificaciones técnicas cada vez más rigurosas [3]. Aunque los moldes de inyección eran cada vez más exactos los tiempos de desarrollo y maquinado eran largos, por lo cual el contar con sistemas de manufactura más modernos era una prioridad. Con la llegada de los sistemas CAD/CAM y herramentales más modernos estos tiempos de desarrollo y manufactura fueron disminuyendo logrando así que las piezas de plástico incursionaran, más rápidamente en el mercado, con una calidad mayor y a un menor precio.
2
Todos estos aspectos históricos son los que determinaron la evolución de la Industria plástica y sus aportaciones más importantes en el contexto mundial se han podido ver en los últimos 20 años.
1.2 Historia del plástico.
“Plástico” proviene de PLASTIKOS palabra griega que significa susceptible de ser modelado o moldeado. La historia del plástico data desde 1839, cuando Charles Goodyear vulcaniza la goma, hasta llegar a nuestros días en que existen una gama de procesos y productos plásticos.
Figura 1.1 Juego de pelota. Caía la Gran Tenochtitlán bajo el asedio hispano y ya circulan en España escritos del Mártir de Anglería que mencionaban la existencia de una materia elástica obscura procedente de la desecación de una savia vegetal que se podía apelmazar y extender a voluntad, totalmente impermeable al agua. Otros autores de libros y escritos siguieron mencionando ese producto: Sahagún en 1529, Fernández de Oviedo en 1535, Antonio Herrera y Tordesillas, entre otros.
1.3 Aplicaciones del plástico. El empleo de los materiales plásticos en la actualidad es destacable, día con día alcanza un papel más importante, la popularización de los plásticos se debe, básicamente a su bajo costo de producción, poco peso, elevada resistencia y a la posibilidad de fabricación de piezas en las más variadas formas, tamaños y colores, figura 1.2 Prácticamente el plástico es utilizado en todas las áreas de la ingeniería. Es imposible mencionar todas las aplicaciones tanto domésticas como industriales que tiene actualmente. Entre las aplicaciones del plástico en productos de consumo están los juguetes, los artículos deportivos y demás [2].
Figura 1.2 Productos fabricados con plástico.
3
Un ejemplo importante que demuestra el incremento del uso del plástico y la importancia que tiene, se ve reflejado al analizar la evolución del automóvil; en los modelos más recientes es notorio que la sustitución de piezas de metal, por plástico en sus componentes ha aumentado [1].
1.4 Procesos de manufactura del plástico y máquinas utilizadas. La fabricación de los plásticos y su manufactura implica cuatro pasos básicos que son: La obtención de la materia prima, la síntesis del polímero básico, la composición del polímero como un producto utilizable industrialmente y el moldeo ó deformación del plástico en su forma definitiva. El moldeo del plástico consiste en dar la forma y medida deseada a un plástico por medio de un molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el plástico fundido para que adquiera su forma. Para ello los plásticos se introducen a presión en los moldes. En función del tipo de presión, se tienen: moldeo a alta presión y moldeo a baja presión. El moldeo a alta presión, se realiza mediante máquinas hidráulicas que ejercen la presión suficiente para el moldeado de las piezas. Básicamente existen tres tipos [4]: • Compresión. • Inyección. • Extrusión.
Compresión: En este proceso, el plástico en polvo es calentado y comprimido entre las dos partes de un molde mediante la acción de una prensa hidráulica, ya que la presión requerida en este proceso es muy grande. Fig. 1.3
Figura 1.3 Máquina de compresión.
Inyección: Consiste en introducir el plástico granulado dentro de un cilindro, donde se calienta. En el interior del cilindro hay un tornillo sinfín que cuando el plástico se reblandece lo suficiente, lo inyecta a alta presión en el interior de un molde de acero para darle forma. El molde y el plástico inyectado se enfrían mediante unos canales interiores por los que circula agua. Por su economía y rapidez, el moldeo por inyección resulta muy indicado para la producción de grandes series de piezas. El equipo utilizado es una máquina de inyección, figura 1.4.
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Figura 1.4 Máquinas de inyección.
Extrusión: Consiste en moldear productos de manera continua, ya que el material es empujado por un tornillo sinfín a través de un cilindro que acaba en una boquilla, la que produce una tira de longitud indefinida. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos perfiles. También se emplea este procedimiento para la fabricación de tuberías, inyectando aire a presión a través de un orificio en la punta del cabezal. El equipo utilizado es una máquina de extrusión, figura 1.5.
Figura 1.5 Máquina de extrusión.
Moldeo a baja presión: El moldeo a baja presión, se emplea para dar forma a láminas de plástico mediante la aplicación de calor y presión hasta adaptarlas a un molde. Se emplean, básicamente, dos procedimientos: El primero consiste en efectuar el vacío absorbiendo el aire que hay entre la lámina y el molde, de manera que ésta se adapte a la forma del molde. El equipo utilizado es una máquina de termoformado al vacío. El segundo procedimiento consiste en aplicar aire a presión contra la lámina de plástico hasta adaptarla al molde. Este procedimiento se denomina moldeo por soplado.
Colada: La colada consiste en el vertido del material plástico en estado líquido dentro de un molde, donde fragua y se solidifica. La colada es útil para fabricar pocas piezas o cuando se emplean moldes de materiales baratos de poca duración, como escayola o madera. Debido a su lentitud, este procedimiento no resulta útil para la fabricación de grandes series de piezas.
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Espumado: Consiste en introducir aire u otro gas en el interior de la masa de plástico de manera que se formen burbujas permanentes. Por este procedimiento se obtiene la espuma de poliestireno, la espuma de poliuretano (PUR), entre otras. Calandrado: Consiste en hacer pasar el material plástico a través de unos rodillos que producen mediante presión, láminas de plástico flexibles de diferente espesor. El equipo utilizado es una máquina de rotomoldeo. 1.5 La máquina de inyección. La máquina de inyección, tiene la función de inyectar el plástico en un molde en el que se encuentra impresa la forma de la pieza final.
1.5.1 Tipos de máquinas de inyección. La gran diversidad y complejidad de los productos obtenidos a partir del método de moldeo por inyección exige, que exista una diversidad de máquinas de inyección que faciliten los requisitos exigidos en procesos de producción, entre las que destacan [4], [5]: 1. Con sistema de Pre-plastificación. 2. Para moldeo descentrado. 3. Giratoria (FiFo). 4. De inyección de multicomponentes. 5. De coinyección (proceso sándwich). 6. De inyección de pintura en el molde (IPT). 7. De inyección para espumas rígidas. 8. De inyección asistida por gas. 9. De moldeo por inyección reactiva (RIM). 10. De inyección con fundido pulsante. Además de los distintos tipos de máquinas, existen también distintos arreglos en las unidades de inyección, como lo son: 1. 2. 3. 4.
Inyección y cierre horizontal (posición normal). Cierre horizontal con inyección vertical. Cierre e inyección vertical. Cierre vertical e inyección horizontal.
1.5.2 Descripción de la máquina de inyección. La descripción se refiere al tipo normal de máquinas de inyección [6]. Una máquina de moldeo por inyección tiene como función realizar un ciclo de trabajo, con un molde de inyección de plástico, para lo cual el molde es montado en las dos unidades principales, que son la unidad de cierre y la unidad de inyección. En una máquina de inyección pueden identificarse diferentes partes fundamentales, las cuales normalmente se agrupan dentro de las siguientes unidades [5]:
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1. 2. 3. 4.
Unidad de cierre. Unidad de inyección. Unidad de potencia. Unidad de control.
1.- La unidad de cierre; Cuenta con los dispositivos necesarios para la colocación accionamiento y funcionamiento de las dos mitades del molde, su funcionamiento es semejante al de una prensa de compresión [4]. Por razones de costo, frecuentemente se utiliza un sistema mecánico a base de palancas acordadas para máquinas con capacidad de hasta 10 000 KN de fuerza de cierre, mientras que para máquinas mayores se prefiere el sistema hidráulico [5].
2.- La unidad de inyección; Comprende las partes necesarias de la máquina para la carga, plastificación e inyección de plástico. Esta unidad tiene la función de cargar y plastificar el material sólido mediante el giro axial del tornillo con la finalidad de inyectar el material plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presión hasta que sea eyectado. Existen tres tipos importantes de unidades de inyección [5]: 1. Unidades de pistón de una fase. 2. Unidades de pistón de dos fases pistón-tornillo. 3. Unidades en línea con tornillo alternativo. En la actualidad el más usado es la unidad en línea con tornillo alternativo.
3.- La unidad de potencia: Comprende el conjunto de dispositivos necesarios de la máquina para transformar y suministrar la fuerza motriz a la unidad de inyección y de cierre. Las máquinas emplean dos sistemas de potencia uno para el cierre del molde y otro para la inyección [5]. 4.- La unidad de control: Es la parte necesaria de la máquina para que se realice el proceso de una forma predeterminada y pueda variarse. El sistema de control está ligado íntimamente al de potencia, a través del cual las distintas señales se convierten en movimientos de las unidades de inyección y cierre [5].
1.5.3 Características principales de una máquina de inyección. Las características principales de una máquina de inyección son aquellas que permiten definir las limitaciones en el tamaño y en el peso de la pieza a inyectar, tamaño de molde, producción, entre otros, estas características generales incluyen las especificaciones del fabricante de la máquina, en las cuales destacan las unidades de presión y de cierre , ya que es más común diseñar un molde para utilizarlo en una máquina determinada, que diseñar un molde y buscar un modelo de máquina que cumpla con los requerimientos del mismo . Las partes principales de una maquina de inyección se muestra en la figura 1.6
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Figura 1.6 Partes de una máquina de inyección.
La unidad de inyección es la parte plastificante de la máquina se tienen varias características de importancia, que permiten definir y comparar capacidades [5]: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Diámetro del husillo. Volumen a inyectar. Presión de inyección. Relación L/D. Velocidad máxima del husillo. Velocidad de inyección. Capacidad de plastificación.
Entre las principales características de la unidad de cierre están [5]: 1. 2. 3. 4.
Fuerza de cierre. Altura máxima del molde. Carrera de apertura. Espacio entre barras.
Dentro de la unidad de cierre, el tamaño mínimo de una prensa está determinado por la presión requerida para cerrar el molde durante el ciclo de moldeo.
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Capítulo II Proceso de moldeo del plástico.
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2.1 Clasificación de los plásticos. La clasificación de los plásticos [7] esta definida por las propiedades físicas y químicas de las resinas que los constituyen, existen dos grupos principales: los termoplásticos y los termofijos. Su clasificación se basa por su capacidad para volver a ser fundidos mediante el uso de calor. Los termoplásticos son resinas con una estructura molecular lineal que durante el moldeo en caliente no sufren ninguna modificación química, además la acción del calor causa que estas resinas se fundan, solidificándose rápidamente por enfriamiento de aire o al contacto con las paredes del molde. Las resinas termofijas pueden ser fundidas una sola vez. (Esta es la principal diferencia de los plásticos termofijos y termoplásticos), estas resinas bajo la acción del calor se funden inicialmente, pero si sé continua aplicando calor, experimentan un cambio químico irreversible, el cual provoca que las resinas se tornen infusibles (no se plastifiquen) e insolubles [8]. La tabla 2.1 muestra las principales resinas utilizadas en la industria de la inyección del plástico. Tabla 2.1 Materiales más utilizados por el método de inyección. Resinas Termofijas. Fenolicas.
Símbolo. ISO 1043
UF.
Resina fenolfolmadehido. Resinamelaminaformaldehído. Resinamelamina-fenolformaldehído. Resina ureaformaldehído.
Arílicas.
---
Alquidicas.
PDAP
Epóxicas. Poliesteres insaturados.
EP.
Poliuretanos. (con estructura reticulada) Silicónicas. (con estructura reticulada)
PUR.
Melaminicas.
Ureicas.
PF.
Denominación.
MF. MPF
UP.
SI.
Resinas Termoplásticas. Acrílicas. Celulositas.
Símbolo. ISO 1043
Denominación. Polimetil-metacrilato.
PMMA CA CAB CP
Acetato de celulosa. Acetabutirato de celulosa. Polipropinato de celulosa.
Estirenicas.
PS SB ABS SAN
Resina alquídica.
Vinílicas.
Resina alílica (policialilftalato. Resina epxica. Resina poliéster (insaturada).
Poliolefinicas.
Poliestireno. Poliestireno de alto impacto. Acrilonitrilo-butadienoestireno. Acrilonitrilo-estireno. Cloruro de polivinilo. Poliacetato de vinilo. Polietileno. Polipropileno. Poliacetal (poli-simetileno). Poliamida 66. Poliamida 6. Poliamida 610. Poliamida 11. Poliamida 12. Policarbonato.
Resina poliuretánica. (rígida ó flexible)
Policarbonatos.
PVC PVAC PE PP POM PA 66 PA 6 PA 610 PA 11 PA 12 PC
Resina silicónica (rígida o flexible)
Poliesteres Termoplásticos.
PBTP PETP
Polibutilén-tereftalato. Polibutilén-tereftalato.
Polifenilénicas. Poliuretanos (Con estructura lineal). Resinas Fluoro-carbónicas.
PPO PUR
Polióxido de fenileno. Poliuretano termoplástico
FEP ETFC PCTFE
Fluoro etileno-propileno. Tetrafluoroetileno-etileno. Trifluoroetileno-policloro.
Poliacetalicas Poliamidas.
Existe un tercer grupo el grupo de los elastómeros (es decir polímeros elásticos), que comprenden los hules naturales y los hules sintéticos, se caracterizan por una elevada elongación del orden entre el 200% y el 1000%, con relación a su dimensión inicial.
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2.2 Tecnología de moldeo de materiales plásticos. La diferencia en la tecnología de moldeo [7] para los materiales termofijos y los termoplásticos, está dada principalmente por la temperatura de procesamiento es decir, los materiales termoplásticos deben ser calentados (a la temperatura de fusión) para ser inyectados después en moldes fríos para que se solidifiquen y los materiales termofijos (reticulables) al contrario, deben ser comprimidos, plastificados e inyectados a bajas temperaturas en moldes calientes para completar la reacción de reticulación y endurecimiento.
2.3 Moldeo por inyección de plástico. 2.3.1 El ciclo de inyección. Los ciclos de operación para las dos clasificaciones de plásticos más comunes, por sus características, son distintos, entendiendo como ciclo de inyección, la secuencia de operaciones para la producción de una pieza. Un ciclo de inyección para los materiales termoplásticos, sigue las siguientes etapas [5]: 1. Se cierra el molde vació, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido que se va a inyectar dentro del barril de la máquina. 2. Se realiza la inyección al introducir material mediante un tornillo, el cual actúa como pistón (sin girar), forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde, con una determinada velocidad y presión de inyección, figura 2.1
Figura 2.1 Inyección del material.
3. Una vez terminada la inyección, se mantiene la presión sobre el material inyectado en el molde antes de que solidifique, esto es para contrarrestar la contracción de la pieza durante su enfriamiento y se conoce como presión de sostenimiento o pospresión (también conocida como presión de compactación o de recalque) y normalmente se aplican valores menores a los de inyección. Una vez que comienza a solidificar la pieza puede liberarse la aplicación de está presión, figura 2.2.
Figura 2.2 Aplicación de la presión de sostenimiento.
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4. El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificárlos. 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 [5]. 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, figura 2.3.
Figura 2.3 Enfriamiento y extracción de la pieza.
6. El molde cierra y se reinicia el ciclo.
2.3.2 Factores que influyen en el proceso de moldeo. Las variables de moldeo para los materiales termoplásticos (que son los materiales más comunes de inyectar), se dividen en tres grandes grupos que consisten en: 1. Materiales de moldeo (fluidez, comportamiento térmico, propiedades físicas.) La viscosidad y la fluidez de los polímeros en los estados fundidos tienen grandes variables que dependen tanto de las propiedades intrínsecas de las resinas como de las condiciones en que se realiza el moldeo, las variaciones de la temperatura, presiones y tiempos de inyección pueden facilitar el llenado de un molde complejo o al contrario puede dar como resultado piezas moldeadas frágiles, aunque aparentemente bien hechas. 2. Condiciones de moldeo (temperatura de la masa fluyendo, temperatura del molde, presiones y tiempos de inyección, tiempo de enfriamiento.) Dentro de las condiciones de moldeo los factores que mayoritariamente influyen en el proceso son 3 principalmente: La temperatura, la presión y el tiempo. 3. Máquinas y moldes (sistema de plastificación, capacidad y volumen de inyección, fuerza de cierre del molde, dimensiones de las platinas en la máquina y en los moldes aplicables, sistema de regulación y de control de todos los parámetros de moldeo, tipo de molde y sistema de alimentación y termorregulación.) La variación de estos factores y la interacción son de gran importancia cuando se tiene que probar un molde o iniciar la producción de piezas moldeadas, de la misma manera es imposible determinar cual factor es el más importante sí la temperatura, la presión, las velocidades ó el tiempo [8].
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2.3.2.1 Temperatura. Dentro del proceso de plastificación las variaciones de la temperatura de fusión o de plastificación juegan un papel diferente, según sea el caso de un material termoplástico o un material termofijo. En los materiales termoplásticos, la viscosidad es constante cuando la temperatura es constante, por consiguiente, las variaciones de temperatura de un material termoplástico se traducen en variaciones de viscosidad. Por esa razón es posible llenar más rápido un molde simple o complejo con un aumento de temperatura que disminuya la viscosidad [8]. El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyección de un material termoplástico es como indica la figura 2.4.
Ciclo de operación para los termoplásticos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a alta temperatura del orden de 220°C a 130°C en el cilindro de plastificación con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presión dentro del molde, el cual está dispuesto a enfriar el plástico de 60°C y 70 °C Figura 2.4 Ciclo de operación de termoplásticos.
En el caso de los materiales termofijos la relación temperatura - viscosidad depende también del tiempo. La temperatura de la masa fundida del material de moldeo es controlada por las temperaturas del tambor. Las camisas de agua alrededor del tambor, ayuda a regular el punto en que el material empezará a convertirse en plástico. La velocidad del tornillo, velocidad de inyección y contrapresión crean calor por fricción. Para mantener una temperatura de fusión consistente y trabajable, todas las variables tienen que ser coordinadas y ajustadas. La temperatura de la masa fundida no puede estar tan caliente que el material cure antes de que pueda llenar las piezas, ni tan fría que los tiempos del ciclo tengan que ser extendidos para producir piezas aceptables del molde [6]. El comportamiento de la temperatura durante el ciclo de inyección de un material termofijo es como indica la figura 2.5, donde se observa un incremento de temperatura en la zona del molde.
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Ciclo de operación para los termofijos, se puede observar que la curva de la temperatura trazada a lo largo del recorrido del material indica que el material viene precalentado y plastificado a baja temperatura del orden de 70°C a 90°C en el cilindro de plastificación con husillo giratorio. Enseguida, el material plastificado se inyecta a presión dentro del molde, el cual está calentado a alta temperatura . Figura 2.5 Ciclo de operación de termofij os.
El control de la temperatura para ambos casos, es un factor de gran importancia, ya que garantiza la calidad requerida en un proceso de moldeo por inyección. Es importante señalar, que además existe transmisión de calor por factores externos como lo es el cilindro de plastificación, que suma el calor generado por el tornillo el cual gira y mezcla el material. Los factores que influyen en dicha transmisión son: 1. La forma del husillo (tornillo). 2. La variación de su velocidad de rotación. 3. Los valores de contrapresión. Para llevar el control de la temperatura se insertan una serie de termopares en las diferentes zonas del recorrido del material desde la tolva hasta la boquilla, los termopares están conectados a sistemas de control que mantienen la temperatura en un rango ya determinado por el operador.
2.3.2.1.1 Viscosidad del material. Es una característica intrínseca del material plástico inyectado y simboliza la "dificultad o facilidad" con la que el material fluye dentro de un determinado conducto [8]. Puesto que los materiales poliméricos no son newtonianos, su viscosidad no es constante y depende de dos parámetros: la temperatura a la que se encuentra el material y el gradiente de velocidad (shear rate) al que se somete el material al fluir dentro de la cavidad [7].
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2.3.2.2 Presión. La presión de inyección es una presión requerida para vencer la resistencia que el material fundido produce a lo largo de su trayectoria, la resistencia es originada por: • La brusca reducción de sección correspondiente a la boquilla, los canales de alimentación y de las entradas al molde. • La longitud de la trayectoria y la geometría más ó menos complicada de la cavidad que debe de producir la pieza moldeada. • El material que progresivamente se endurece a lo largo de su trayectoria.
En la generación de la presión de inyección se ven involucrados los siguientes elementos de la máquina: 1. 2. 3. 4.
Cilindro de inyección. Motor hidráulico para la rotación del husillo. Cilindro para el movimiento de la unidad de inyección. Cilindro para el accionamiento del grupo de cierre de moldes.
El ciclo de inyección esta dividido en dos etapas: la presión primaria y secundaria, donde intervienen diversos valores de presión en tiempos sucesivos. La intensidad y duración de cada periodo se ve influida en diferente medida sobre las características físico-mecánicas y de contracción de las piezas moldeadas [7],[8]. La presión en el material está controlada por la presión primaria que mueve el tornillo hacia adelante a una velocidad rápida para llenar las cavidades. La presión secundaria completa el llenado de las cavidades y mantiene la presión en el material hasta que sea curado suficientemente para permitir al tornillo regresar [6]. En la figura 2.6 se observa la presión de inyección en función con tiempo en una máquina con dos presiones regulables independientes: p1 primera presión, P2 segunda presión (presión de sostenimientos o pospresión). Las presiones se han medido en el cilindro hidráulico.
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Figura 2.6 Diagrama de presión de i nyección vs. Tiempo [8].
2.3.2.3 Velocidades y tiempo. Cuando se habla de velocidad de inyección se hace referencia al avance o carrera axial del husillo en la fase de inyección. La velocidad y el tiempo de inyección están obviamente ligadas porque varían en razón inversa: Este parámetro depende, del sistema hidráulico y de inyección [8]
2.3.2.3.1 Velocidad de rotación del husillo. Determina la capacidad de plastificación de la máquina (Kg/h), pero influye también la homogeneidad y la uniformidad de la temperatura del material fundido en el cilindro. El aumento de las R.P.M del husillo (y por lo tanto de su velocidad periférica) hace incrementar la cantidad de calor generado por la fricción. Los valores de rotación del husillo están dados por R.P.M sin referencia al diámetro del husillo, es más importante considerar la velocidad periférica del tornillo en metros por segundo, por que está en función del diámetro y de las revoluciones por minuto [8]. Algunos valores de velocidades comunes de rotación para diferentes materiales según la viscosidad son los siguientes [6]: 1. Materiales muy fluidos 0.6 a 1.2 m/s. 2. Materiales con fluidez media 0.3 a 0.6 m/s. 3. Materiales termofijos elastómeros 0.6 a 1.2 m/s.
2.3.2.3.2 Tiempo de enfriamiento para piezas termoplásticas. El tiempo de enfriamiento para termoplásticos, condiciona la duración del ciclo de moldeo y por lo tanto la productividad de la máquina.
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Pero el cálculo exacto del tiempo de enfriamiento es más ó menos complejo, debido a que se trata de un intercambio de calor que depende de muchas variables, como son: 1. 2. 3. 4. 5.
La temperatura del material fundido. La temperatura de solidificación del material. El coeficiente de conductividad térmica del material. Temperatura del molde. Espesor de la pieza moldeada.
2.3.2.3.3 Tiempo de enfriamiento para piezas termofijas. El tiempo de enfriamiento para piezas termofijas depende de la propiedad intrínseca de la resina básica que constituye el “aglutinante” del compuesto de moldeo. La duración de enfriamiento está limitado por dos variables que son: 1. Plastificación del material que será inyectado en el próximo ciclo. 2. Endurecimiento de la cantidad de material inyectado en el molde.
2.4 Moldeo por inyección de plástico. 2.4.1 La función del molde de inyección. Un molde de inyección de plásticos tiene la función de recibir el plástico caliente de una máquina de inyección con una alta presión para llenar las cavidades, una vez frío el plástico, se expulsa. Un molde contiene la forma inversa del producto deseado [5].
2.4.2 Clasificación de los moldes. La clasificación de los moldes está dada por las características físicas y de trabajo [9]: 1. Por su tamaño: a).- Grandes. b).- Pequeños. 2. Por número de cavidades: a).- De una sola cavidad. b).- De múltiples cavidades. 3. Por la forma de trabajar: a).- Manuales. b).- Semiautomáticos. c).- Automáticos. 4. Por el tipo de construcción: a).- De dos mitades o platos. b).- De tres placas. c).- Sin sobrantes.
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2.4.3 Descripción de los moldes. Para una descripción más sencilla de un molde de inyección, se toma la representación más común que consiste en un molde de dos placas o mitades [9]. Las partes del molde se pueden dividir por sus funciones en los siguientes sistemas: 1. 2. 3. 4.
Sistema de alimentación. Sistema de expulsión de la pieza. Sistema de refrigeración. Guiado del molde.
En la figura 2.7 se observan los componentes de un molde de inyección de plástico.
Figura 2.7 Partes de un molde de inyección.
2.5 Situación actual de la fabricación de moldes en México. El comienzo de la producción de grandes volúmenes de plástico, comienza con la sustitución de piezas de materiales metálicos, madera, y demás, por plástico. Lo cual abrió grandes oportunidades en el mercado para productos manufacturados por inyección, extrusión, termoformado y rotomoldeo, entre otros. Pero crecimiento de los recursos que ayudaron a producir estos grandes volúmenes de producción no se efectuaron paralelamente en los países industrializados y en los en vías de desarrollo. En estos últimos se continuó con una producción mayoritariamente de piezas simples y con una importación de tecnologías de producción de los países industrializados, causando un gran rezago tecnológico, aunado a la influencia de los siguientes factores que condicionan el campo de la industria del plástico [3]:
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1. 2. 3. 4.
El precio del petróleo. Materia prima para elaboración de productos plásticos. Influencia de la materia prima reciclada. Avance tecnológico en el área de producción.
México como país en vias de desarrollo se encuentra con un rezago tecnológico fuerte para los procesos de inyección, extrusión, termoformado y rotomoldeo estos son en su mayora son simplemente insuficientes. A pesar de ser un país productor de petróleo (el quinto mayor productor de crudo en el mundo) y contar con otros grandes factores a su favor para desarrollarse como industrializador de material plástico [10].
2.5.1 Situación económica en la fabricación de moldes en México. Durante la década de los noventa, la industria plástica en América Latina mostró un crecimiento sólido. Hoy, en conjunto, es un importante mercado mundial. América Latina importa US $1.200 millones en maquinaria para procesamiento del plástico y US $8.000 millones en resinas y películas. México, Brasil y Argentina son los mercados domésticos que dan cuenta de las más grandes porciones de estos totales [11]. En México, la manufactura de moldes para inyección de plástico reportó en el año 2002 importaciones superiores a los 628 millones USD, mientras que las exportaciones fueron tan solo de 140 millones USD. Además se estima que en México existen alrededor de 87,000 moldes que requieren rediseño ó mantenimiento. Aún cuando la inversión en mantenimiento ha crecido en un 20% anual desde 1996 al 2000, aunado a la incorporación de nuevos fabricantes y la consolidación de los ya existentes, este sector sigue presentando importantes áreas de oportunidad [11].
2.5.2 Situación tecnológica en la fabricación de moldes en México. La realidad de las empresas Mexicanas que producen moldes de inyección es que poseen medios incompletos de producción, el personal que actúa en estas labores no posee ni la capacidad ni la competencia requerida, consecuentemente, el desarrollo de productos y su posterior producción mediante el uso de moldes y matrices son poco eficientes y poco competitivas. Por estos motivos, gran parte de los clientes que procesan plástico por medio de moldes obtienen sus matrices y moldes en países de mayor desarrollo tecnológico. Por lo anterior es notorio que la situación de la industria nacional del plástico revela la urgente necesidad del desarrollo de capacidades tecnológicas propias para los fabricantes de moldes, maquiladores, transformadores para el mercado interno y usuarios integrados, que les permita competir con ventaja en un mundo globalizado. La formación de profesionales especializados en el diseño, fabricación y mantenimiento de moldes para inyección de plásticos, es una necesidad para el desarrollo de tecnologías en México y para la generación de diseños propios [11] Las necesidades de un mercado globalizado obligan a que el sector de la fabricación de moldes se encuentre en un continuo proceso de incremento de la productividad, de reducción de costos y de elevación del nivel tecnológico en el diseño y construcción, así como el implemento de procesos más eficientes, el desarrollo novedoso de moldes a un costo justo a la vez de
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incrementar la eficacia del trabajo conjunto que realizan todas las empresas y/o departamentos que intervienen simultáneamente en el diseño y la producción de un producto plástico. En las relaciones normales entre estas empresas en las que los tiempos de respuesta y los costes deben ser reducidos, el correcto intercambio de información entre ellas y en el interior de las mismas es un aspecto crucial para un mejor crecimiento.
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Capítulo III La ingeniería concurrente en el diseño de piezas de plástico.
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Con el objetivo de contar con una metodología que considere las necesidades más importantes presentes en la fabricación de piezas de plástico por el método de inyección de plástico en un ambiente globalizado, se adopta la llamada ingeniería concurrente (CE por sus siglas en inglés), [12] para poder así contar con un enfoque sistemático para el diseño paralelo e integrado de moldes de inyección de plásticos donde se involucren los procesos relacionados, incluyendo la manufactura y servicios de apoyo, todo con el objetivo de que los desarrolladores consideren, desde el inicio del proyecto todos los elementos del ciclo de vida del molde, desde su concepción hasta su eliminación y reciclaje, incluyendo calidad, costo, planeación y requerimientos del usuario. Se ha demostrado que cuando se aplica exitosamente la ingeniería concurrente, los productos que se desarrollan con está filosofía se fabrican de forma eficiente, entran al mercado rápidamente y son de calidad satisfactoria para los clientes. Los elementos básicos para lograr la aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de moldes son [13]: • Una arquitectura computacional distribuida que permita la sincronización, la programación óptima de tareas y el manejo adecuado de flujos de información. • Un conjunto de herramientas computacionales que permiten desarrollar prototipos a bajo costo, de forma óptima e inteligente útil para la toma decisiones, responsabilidades y cierta libertad para manejar recursos propios a cada parte involucrada en el proceso de diseño. Además puede suceder que físicamente el personal se encuentre localizado en diferentes ciudades o países. • Producto definido en términos del cliente, retraducidos a términos de ingeniería con considerable detalle. • Una representación unificada de toda la información de diseño y manufactura, de forma que pueda visualizarse é interpretarse desde diversas perspectivas.
Otro concepto que distingue a la ingeniería concurrente del enfoque tradicional es la necesidad de cambio de cultura organizacional, los equipos de trabajo multidisciplinarios y el énfasis en el manejo de rutas de información más que de jerarquías organizacionales.
3.1 Concepto de ingeniería concurrente. En general la aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño, requiere conceptualizar un enfoque no lineal en el desarrollo del diseño por parte del personal de una empresa, lo que trae como consecuencia la integración de los elementos de entrada, de proceso y de salida necesarias para elaborar un producto. Las personas y los procesos se conjuntan desde el inicio del diseño (algo que normalmente no se hace en el enfoque lineal). El equipo está formado por ingenieros de diseño, de producción, técnicos, personal de mercadotecnia, finanzas, planificadores y gerentes, todos ellos trabajan de manera conjunta para resolver un problema y generar un producto. En la actualidad existe un amplio consenso en afirmar que la ingeniería concurrente (paralela o simultánea) es la forma más eficiente de hacer ingeniería en un entorno cada vez más competitivo [14].
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Este enfoque exige que se gaste más tiempo en la definición del producto que de una manera habitual; también la planificación es mucho más profunda, de tal manera las modificaciones se realizan en las primeras fases de diseño, mucho antes de que se realicen los primeros prototipos, donde la realización de cambios resulta rentable, figura 3.1 [15].
Figura 3.1 Etapas de realización de cambios.
La idea básica sobre la que se sustenta la ingeniería concurrente responde en cierto modo al sentido común, y consiste en iniciar todas las actividades del proyecto cuanto antes, haciendo participar desde el principio a todos los departamentos implicados, así como a los proveedores. Sin embargo ello con lleva en la práctica a una serie de nuevos problemas organizativos que, si no son debidamente resueltos, pueden disminuir substancialmente su efectividad. Por ejemplo el enfoque concurrente obliga a avanzar a la toma de decisiones en etapas cada vez más tempranas dentro del proceso de diseño y desarrollo, por tanto es importante decidir a partir de información más incompleta e inmadura, y al mismo tiempo asegurar el éxito al primer intento. Por otra parte el flujo de información es también más complejo y exige una gran agilidad, especialmente cuando dicho flujo se produce entre distintas empresas que colaboran en el desarrollo de un mismo proyecto.
3.2 Objetivos de la ingeniería concurrente. El objetivo básico de la ingeniería concurrente es la disminución del tiempo total transcurrido desde la detección de una necesidad hasta la comercialización de un producto. La importancia en la aceleración de este proceso radica, en la ventaja competitiva que supone se va alcanzar en el mercado antes que los competidores. Este objetivo principal viene acompañado de otros parciales, como son [12]: • La reducción de los costos totales. • El aumento de la calidad y fiabilidad global del producto. • El incremento del valor añadido.
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El último aspecto implica un cambio de enfoque radical por parte de los técnicos, que deben anteponer a su criterio la visión del producto por parte del cliente. Ello conlleva a elaborar un conjunto de requerimientos y condicionantes mucho más completos, y en definitiva un mejor conocimiento del problema desde las etapas iniciales.
3.3 Mecanismos de la ingeniería concurrente. La ingeniería concurrente se sustenta sobre tres pilares, o mecanismos, básicos que le confieren sus especiales características. Es importante señalar que cada uno de estos tres mecanismos [15] debe estar presente e integrado de forma adecuada con los otros dos para asegurar el éxito. 1. Paralelismo. 2. Integración. 3. Acierto.
3.4 Las comunicaciones en un entorno de ingeniería concurrente. Uno de los factores clave para el éxito en la implantación de la ingeniería concurrente es la comunicación y coordinación entre las personas, que forman los equipos multidisciplinarios de proyecto, tanto a nivel interno como externo, y especialmente con los proveedores. El tamaño de un equipo de trabajo es otro factor clave para su eficacia. Es mejor subdividir el grupo en grupos menores de 2 a 3 miembros. Esto obliga a una importante segmentación de tareas durante la planificación del proyecto [13]. La base para la ingeniería concurrente es la comunicación, una medida importante en este aspecto consiste en disponer de un sistema informático para el manejo de la información que sea compartido, no solo por todos los departamentos de la empresa, sino también por los proveedores. En este caso es importante concretar cual es la información esencial que es preciso controlar [16].
3.6 Ingeniería concurrente y los sistemas CAD/CAM/CAE. Tomando en cuenta que en un sistema de producción tradicional el proceso de productivo ejecuta los resultados finales del proceso de diseño para producir un sistema o producto, donde resalta la separación del proceso creativo con el proceso de producción lo cual trae como consecuencia un mayor tiempo de obtención de un producto o sistema. En la actualidad con la utilización de la ingeniería concurrente y con el advenimiento del diseño por computadora, está separación ya no es necesaria y dentro de un enfoque moderno de diseño es inevitable reunir estos dos procesos. El proceso de diseño de ingeniería concurrente tiene un enfoque moderno y está conformado por tres bases de aplicación que se traslapan entre sí [14],[16]: • Ideación. • Refinamiento. • Implantación.
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Los integrantes de los equipos multidisciplinarios llevan a cabo estas tres bases de aplicación con el fin de desarrollar su trabajo de una manera moderna. Por tal motivo comparten la misma base de datos CAD en 3D para que cualquier integrante del equipo pueda tener acceso al diseño en curso a través de una terminal de computadora. El compartir datos es muy importante en el éxito del proceso de diseño. A través de este proceso de compartir información, hace posible que todas las áreas de una empresa trabajen de manera simultánea en las necesidades particulares de un diseño a medida que se desarrolla el producto. Por ejemplo, los ingenieros de diseño pueden crear un modelo preliminar en 3D al inicio de la fase de ideación. Un ingeniero mecánico puede utilizar el mismo modelo 3D para analizar sus propiedades térmicas. La información obtenida con este análisis preliminar puede proporcionarse a los ingenieros de diseño, quienes harán los cambios necesarios al inicio de la fase de ideación, logrando minimizar los costosos cambios en el proceso de diseño. Para diseñar está arquitectura será necesario saber en líneas generales las exigencias que tendrá el sistema. Lo primero a tener en cuenta es que el diseño de moldes es una tarea altamente especializada realizada por moldistas expertos que implica una terminología y metodología de trabajo muy específica. Es por esto que estos expertos serán tanto aportadores como usuarios finales de la aplicación, siendo esto un factor clave para desarrollar el sistema, determinando la estrategia de resolución y aportando todo su conocimiento que habrá de ser absorbido por el sistema.
3.6 Aplicación de la ingeniería concurrente en el diseño de moldes. El diseño de un molde de inyección de plástico, comienza como consecuencia de la identificación de la necesidad de producir cierta pieza de plástico. La aplicación del concepto de ingeniería concurrente en el diseño de un molde, comienza con la integración de todas las actividades que se realizan en el desarrollo del diseño, así como de los recursos y aplicaciones utilizadas en el mismo, asegurando que se realiza un mejor producto. Todo lo anterior, es posible logrando una integración de la información, para poder ser intercambiada y compartida entre las distintas áreas involucradas en el desarrollo del molde, siendo esto viable gracias a los avances tecnológicos presentes en redes y equipos de cómputo indispensables en la ingeniería concurrente [17]. El intercambio correcto de la información dentro del ciclo productivo, origina que el personal involucrado en el diseño del molde de inyección, este informado de cualquier cambio pequeño que se realice durante la fase de concepto del producto de plástico pudiéndose incorporar inmediatamente a la fase de diseño, logrando con ello realizar la mayor cantidad de cambios en el diseño, cuando este está todavía en una fase temprana, evitando las molestas y repetidas vueltas hacia atrás como sucede en la ingeniería lineal. Para llevar a cabo una integración real de la información, se debe detectar primero los diferentes sectores que se ven involucrados en el diseño y fabricación de un producto plástico nuevo que trae como consecuencia el diseño. La gama de empresas que integran la cadena productiva, para la obtención de una pieza de plástico [16], desde la detección de la necesidad hasta la obtención del producto se ve representada en la figura 3.2.
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Figura 3.2 Cadena productiva.
Para cada empresa existen diferentes funciones y responsabilidades, dentro de cada una de las etapas del proceso de diseño y producción de piezas de plástico, las relaciones normales entre estas empresas por consecuencia de la ingeniería concurrente se ve mejorada, ya que los tiempos de respuesta y los costos deben son reducidos, esto involucra el correcto intercambio de información entre ellas y en el interior de las mismas. Los objetivos de las empresas dentro de la cadena productiva [18] son los siguientes:
La empresa cliente: Tiene como objetivo principal: la definición producto, geometría, material, análisis estructural. La industria de la transformación: Tiene como objetivo principal: el diseño CAD de la pieza , subcontrata diseño y fabricación del molde, probar el molde, la selección de los parámetros de procesado del material, fabrica la pieza. El proveedor del material plástico: Tiene como objetivo principal: la definición y selección del material más adecuado de acuerdo a las características de la pieza, análisis reológico, suministro de material. El moldista: Diseño y fabricación del molde y el análisis reológico. La ingeniería externa: Apoya al diseño de la pieza y el molde. Siendo indispensable para las empresas fabricantes de moldes, ingeniería externa y de la transformación tomar en cuenta la “ voz del cliente ”, con el objetivo de cuidar cumplir con las expectativas de la empresa cliente. A continuación se presenta el intercambio de información consecuencia de la interacción de las empresas que intervienen en el proceso de desarrollo de una pieza de plástico [17]. Figura 3.3
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Figura 3.3 Información fundamental general.
En base al diagrama de información anterior y aplicando la ingeniería concurrente se desarrollan los sudmodelos de información para la fabricación de moldes de inyección de plásticos [18].
1.- Modelo funcional general: Representa las funciones o actividades principales que tienen lugar en el diseño y fabricación de piezas de plástico inyectado, así como el flujo de información entre ellas desde un punto de vista general. Este modelo es presentado en la figura 3.4. 2.- Sub modelos funcionales: 2.1) Sub modelo funcional para el cliente (fabricante del producto donde se insertará la pieza de plástico). 2.2) Sub modelo funcional para el transformador (empresa encargada de inyectar). 2.3) Sub modelo funcional para el moldista (empresa encargada de realizar el molde) modelo es presentado en la figura 3.5.
Este
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Figura 3.4 Información general.
Figura 3.5 Actividad diseñar el molde.
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3.- Modelo de información de ingeniería concurrente: A partir de los submodelos funcionales anteriores, se identifican las actividades que pueden realizarse de forma simultánea, cuáles se pueden adelantar en el proceso productivo, qué unidades de información son necesarias, cuál es la interacción entre los diversos agentes para lograr esto y demás. Para las empresas encuadradas en el sector de la fabricación de piezas de plástico está información está relacionada con cuatro áreas fundamentales [17]: 1. 2. 3. 4.
Diseño de producto. Materiales. Diseño y fabricación de moldes. Fabricación e inspección de piezas.
Hay que destacar el flujo de información que existe entre la actividad de diseñar la pieza y diseñar el molde. La interacción que se tiene entre estas cuatro áreas fundamentales, involucra la aplicación de métodos basados en la ingeniería concurrente, que se basan en cinco acciones fundamentales [17] : 1. Trabajo en equipos multidisciplinarios con participación de proveedores. 2. Especificación de detalle del producto, desde el punto de vista de ingeniería, a partir de los términos definidos por el cliente. 3. Especificación de los parámetros que permiten asegurar la optimización de la calidad del producto. 4. Optimización del diseño del producto, teniendo presente todos los aspectos que afectan a su ciclo de vida: funcionalidad, fabricación, montaje, mantenimiento, servicio, reciclaje, retirada, etc. 5. Desarrollo simultáneo del producto, equipo de fabricación, procesos, control de calidad y marketing. Se puede observar, como en el entorno de ingeniería concurrente, los diversos agentes que aparecen a lo largo del ciclo de vida del producto, interaccionan entre sí de forma continua, ya sea intercambiando información o trabajando en equipos multidisciplinarios. Esto permite tener en consideración, de forma simultánea, los diferentes puntos de vista que tienen dichos agentes sobre el producto y, por lo tanto, adelantar información correspondiente a etapas posteriores del ciclo de vida para prever posibles consecuencias de las decisiones tomadas en etapas anteriores.
3.7 El intercambio de información durante la etapa de diseño. Durante la etapa de diseño de un molde, el intercambio de información dentro de la empresa encargada de desarrollar el molde sigue el esquema desarrollado en la cadena productiva.
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En la figura 3.4 se observa que para llevar la tarea de diseñar el molde, comienza con la siguiente información: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Petición de oferta de diseño y fabricación de molde. Petición de diseño y fabricación de molde. Requerimientos del cliente. Información de pieza. Requerimientos del transformador. Información de transformación.
La información es proveniente de las empresas que están involucradas en el proceso productivo, y está ordenada de la siguiente manera:
La empresa cliente: Proporciona los requerimientos del cliente, realiza la petición de diseño y fabricación de molde, así como la petición de oferta de diseño y fabricación de molde. La industria de la transformación: Proporciona los requerimientos del transformador y la información de la transformación. La ingeniería externa: Proporciona la información de la pieza. Dentro de la ingeniería concurrente es importante saber a que se refiere cada uno de los datos de información, para conformar una base de datos en base a la diversidad de información que fluye.
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Capítulo IV Aplicación de la ingeniería concurrente en el proceso de diseño de un molde de inyección de plástico.
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4.1 Información de la pieza. Para el diseño de un molde es indispensable conocer las características de las pieza que se piensa procesar, las más importantes son: 1. 2. 3. 4.
Geometría. Material. Peso. Volumen.
La geometría de una pieza de plástico se proporciona generalmente a través de un plano. El uso de la tecnología CAD para el diseño de la pieza en el entorno de la ingeniería concurrente, es indispensable. El diseño lo lleva a cabo generalmente la empresa cliente o el servicio de ingeniería externa, en el archivo CAD es necesario que aparezcan las características a detalle de la pieza a inyectar, tomando en cuenta las recomendaciones de diseño para el proceso de moldeo por inyección. En la selección del material de fabricación de la pieza plástica se deben considerar algunos factores que involucran: la funcionalidad, la calidad, la economía de la pieza, pero principalmente se debe considerar si se debe cumplir alguna norma por cuestiones de uso del producto, si esto es así, se debe emplear el material que indique la norma. Conociendo el material de la pieza a fabricar y la geometría, se puede determinar el volumen y el peso de la pieza a inyectar.
4.2 Requerimientos del transformador. El transformador, tiene algunos requerimientos que debe proporcionar al diseñador del molde, la información básica que debe entregar es en torno al modelo de la máquina que llevará a cabo la tarea de inyección de la pieza, las características principales de una máquina de inyección están dadas por la unidad de inyección y por la unidad de cierre. En el caso de la unidad de cierre las principales características son [8]: 1. 2. 3. 4.
Fuerza de cierre. Altura máxima del molde. Carrera de apertura. Espacio entre barras.
En el caso de la unidad de inyección las principales características son 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Diámetro del husillo. Volumen a inyectar. Presión de inyección. Relación L/D. Velocidad máxima del husillo. Velocidad de inyección. Capacidad de plastificación.
Estas características, son esenciales para comenzar el diseño de un molde de inyección.
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4.2.1 Información de transformación. La información de la transformación está comprendida principalmente por, el número deseado de piezas a producir en un ciclo de operación por la máquina de inyección, este estudio debe estar basado en un estudio económico previo a la fabricación del molde.
4.3 Diseño del molde. Está actividad está dentro del ciclo productivo de una pieza de plástico, implica el diseño, fabricación y evaluación del molde que se va a emplear en la fabricación de la pieza. Como entrada a está actividad (figura 3.4), resaltan la petición de oferta de diseño y fabricación del molde así como, la petición de diseño y fabricación del molde. Hay que establecer está distinción ya que el fabricante del producto ó el transformador de la pieza de plástico, puede encargar el estudio del molde (con la correspondiente oferta) a un moldista en particular y subcontratar posteriormente el diseño y fabricación a otro moldista diferente. Desde el punto de vista de la información básica para diseñar un molde hace falta fundamentalmente la geometría y las características de la pieza a obtener bajo las condiciones de transformación de la misma. En la actividad de diseñar el molde se incluye el diseño completo del molde teniendo en cuenta la descripción de la pieza (material a fabricar, geometría, peso y volumen). Está actividad se divide a su vez en tres actividades principales [17]: 1. Estudio previo del molde. 2. Anteproyecto del molde. 3. Proyecto del molde. Estas tres actividades deben estar en constante comunicación con la actividad de fabricar el molde, está información contiene las características suficientes que permitan fabricar el molde y son generadas a partir de la información recibida.
4.3.1 Estudio previo del molde Está información contiene [16]: 1. La verificación de la geometría de la pieza. 2. La realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde. 3. La generación de una oferta para su diseño y construcción. Se analiza la posible configuración del molde, pero desde un punto de vista conceptual, sin entrar en detalle. El objetivo es iniciar está actividad una vez que la definición de la pieza sea suficiente, para lo cual se define un estatus de nivel de definición geométrica de forma que automáticamente se lanza dicha información hasta alcanzar el estado de diseño Previo. Esto permite por tanto iniciar de forma paralela el diseño del molde, obteniéndose su configuración general y estimando el coste de fabricación y el plazo de entrega.
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4.3.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. La verificación de la geometría de la pieza tiene como objetivo evaluar la posibilidad de desmoldeo de la pieza, en base a sus características geométricas, el área de proyección, la complejidad de fabricación del molde. Existen diferentes recomendaciones para verificar si la geometría de una pieza diseñada es correcta, las cuales son: • Uso de radios y redondeos, para evitar concentración de esfuerzos. • Espesor de la pieza uniforme, para evitar concentración de esfuerzos y contracciones indeseadas. • Mantener las distancias adecuadas si cuenta con orificios.
Algunas valores de estas características se representan en la tabla 4.1 y figura 4.1. Tabla 4.1
Figura 4.1 Concentración de esfuerzos.
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En el estudio de las líneas de partición y de los negativos, es importante encontrar el sentido y el ángulo de desmolde que contenga el menor número de negativos y que estos sean lo más fácil posible de desmoldar de una manera mecánica. Así se puede determinar que superficies quedarán en el lado de expulsión y cuales quedarán en el lado de inyección para evitar marcas no deseadas en algunas superficies, por lo regular el lado de la cavidad queda del lado de la platina fija de la máquina.
4.3.1.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde. El estudio de viabilidad del molde consiste en tomar en consideración las características de la pieza para una posible configuración del molde ya sea simple o múltiple.
4.3.1.3 Generación de una oferta para su diseño y construcción. El precio de una pieza de plástico obtenida por el proceso de inyección de plástico, depende en primer lugar, del número de piezas fabricadas y de la producción por hora. Así, el precio resulta directamente proporcional al número de cavidades y al coste del molde para una máquina determinada. La figura 4.2 relaciona el costo de fabricación de un molde con un numero determinado de cavidades, contra con el costo de producción de las piezas obtenidas [9], (los valores fueron determinados empíricamente).
Figura 4.2 Curvas de costos para cavidades.
La variación en la economía de producción de piezas de plástico es determinada de la siguiente manera: Cuando el molde tiene pocas cavidades de inyección, los costos de fabricación del molde son bajos, pero como consecuencia se tienen unos costos de producción altos (izquierda de la figura), sucede lo contrario, con un molde de cavidades numeroso (derecha de la figura).
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La decisión sobre el número de cavidades adecuado (económicamente) se sustenta directamente en los volúmenes de producción y la toma de decisiones de fabricar un molde con un determinado número de piezas
4.3.2 Anteproyecto del molde. Está información contiene [16]: 1. 2. 3. 4.
Configuración que va a tener el molde. Tipo de molde. Número de cavidades. Sistema de alimentación. • Posición de la línea de partición. Tipo de sistema de inyección. • 5. Extracción. 6. Refrigeración o enfriamiento. Como es de suponer las acciones que se realizan son muy variadas y complejas durante la ejecución y posterior a esta etapa, sé en listan realmente la cantidad de factores que intervienen en ella. 1. Análisis de la geometría de la pieza. Para realizar un proyecto de un molde se ha de empezar estudiando su modelo y las líneas que lo definen. 2. Estudio de las líneas de partición y de los negativos. Será importante encontrar el sentido y el ángulo de desmolde que contenga el menor número de negativos y que estos sean lo más fácil posible de desmoldar de una manera mecánica. 3. Determinar que superficies quedarán en el lado de expulsión y cuales quedarán en el lado de inyección para evitar marcas no deseadas en algunas superficies. 4. Determinar los mecanismos de expulsión. Calcular el ancho y la profundidad máxima que tienen los negativos y poder así determinar las dimensiones de los mecanismos móviles que contendrá el molde para extraerlos. 5. Definir el sistema de inyección. Es uno de los puntos más importantes debido a que puede determinar el tipo de molde estándar a escoger. 6. Definir el sistema de expulsión que influye principalmente en el hecho de alojar la pieza en el lado de expulsión del molde para poder ser extraída mediante expulsores. 7. Determinar el número de cavidades del molde (número de piezas que ha de realizar el molde en cada inyectada), que es muy importante para determinar la producción estimada. 8. Definir el circuito de refrigeración. Que en la mayoría de casos consiste en la incorporación de un circuito de taladros en los postizos de la figura, en las correderas y en aquellas placas que necesitan evacuación de calor.
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Todas estas acciones implican una intensa colaboración entre todos los elementos del sistema. Durante esta etapa no se llegan a determinar completamente las dimensiones geométricas, tolerancias y materiales del molde, todos ellos se realizarán posteriormente en la actividad de proyecto de molde. El anteproyecto depende directamente de las características geométricas y tecnológicas de la pieza, de la cuales se determinan las siguientes características: Si el tipo de canal es frío o caliente; el tipo de entrada (anillo, punto o laminar); si el molde será de dos placas, de mordazas, de extracción por segmentos o de tres placas, la línea de partición del molde y las características de los insertos a emplear en la cavidad (material, número, geometría aproximada, etc.). Se determinarán también las características generales del sistema de inyección: del bebedero, de los canales de alimentación y distribución, de las entradas y de los respiraderos; así como del resto de los sistemas que conforman el molde. Además, en función de criterios económicos se determinarán las siguientes características relativas a las cavidades: número de cavidades a usar, según la oferta emitida en la actividad (estudio previo del molde),
4.3.2.2
Selección del tipo de molde.
La complejidad en la selección del diseño de un molde depende directamente del análisis de la geometría de la pieza, del número de cavidades, del sistema de expulsión de la pieza, del circuito de refrigeración, del sistema de inyección, del estudio de las líneas de partición. En la tabla 4.2 y 4.3, se pueden observar las diferentes versiones de diseño de un molde, se muestra la designación de los moldes de acuerdo a sus funciones y de acuerdo al sistema de expulsión. Es tarea del diseñador, elegir el tipo de molde que mejor cumpla con los requerimientos que la pieza a moldear requiere. Tabla. 4.2 Tipos de moldes.
Tabla 4.3 Tipos de moldes de acuerdo a su configuración.
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4.3.2.2
Determinación de la cantidad de cavidades del molde.
La determinación de la cantidad de cavidades del molde depende directamente de las características siguientes: el material y la geometría, así como del modelo de la máquina a utilizar, con ello se puede realizar una primera aproximación del número de cavidades que se puede disponer en un molde. Para iniciar el cálculo de una primera aproximación de la cantidad teórica de cavidades del molde, se relaciona el volumen máximo que puede inyectar la máquina y volumen del artículo a producir, con lo anterior se tiene [19]: F1
Sv Av …………………………………(4.1)
Donde:
Volumen máximo de inyección de la máquina = Sv (cm3) Volumen de la pieza + Mazarota = Av (cm3) Donde F 1 representa la cantidad máxima de cavidades que el molde puede contener. En una segunda aproximación se relaciona la capacidad de plastificación del cilindro inyector con el número de inyecciones y el volumen del artículo:
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Según ello, la cantidad máxima teórica de cavidades será: F2
L ( Z ) ( Vc) ……………………………(4.2)
Donde: Capacidad de plastificación = L (cm 3/min.) Número de inyecciones por minuto = Z (z/min.) Volumen de la pieza + mazarota = A c (cm3) Cuando se utiliza F 1 para dimensionar las cavidades de un molde, se consume cada vez el volumen total de inyección de la máquina, así que F 2 solo puede ser igual o menor a F 1. F2 ≤ F1 Donde F1 siempre es el valor teórico máximo, ya que se supone que sé esta inyectando el 100% del volumen del plástico. Lo anterior no puede utilizarse en la práctica ya que no satisface ninguna exigencia de calidad. Las máquinas de inyección de construcción moderna, en la practica tienen un grado de aprovechamiento de 0.2 a 0.8 de ello se deduce, para F 2, F2 ≤ 0.8 F1 Sin embargo no conviene llegar a un valor inferior a F 1 =0.4 F 2, ya que de otro modo los tiempos de permanencia se hacen muy largos y se puede contar con inexactitudes de dosificación. Además para la determinación de F 1 y F 2 resulta conveniente en lugar de considerar el volumen de la mazarota, se deba considerar el volumen total del sistema de plastificación.
4.3.2.2.1 Área proyectada y fuerza de cierre. Las cantidades arrojadas en el inciso anterior, son cantidades que no demuestran físicamente nada, es decir son estimaciones que consideran las características operativas de la máquina sin considerar las dimensiones de la placa que alojara las cavidades. Para poder estimar físicamente la cantidad de cavidades, originalmente se tiene que contar con la distancia entre columnas de la platina fija de la máquina, que es dónde será montado el molde, con lo anterior se tiene que estimar, si el número de cavidades estimado anteriormente es posible ó no, en base al área proyectada. El primer criterio para determinar el área proyectada se basa en la presión de inyección recomendable para el material (figura 4.3), que nunca debe sobrepasar a la presión de inyección de la máquina, como se ve en la figura 4.4, donde se puede observar que la fuerza de cierre se opone a la presión de inyección y evita que se abra el molde, está fuerza no deber ser sobrepasada, en el cálculo del área proyectada.
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Figura 4.3 Distribución de áreas para el diseño de cavidades
Figura 4.4 Fuerzas que actúan en el proceso de inyección a presión.
El área máxima utilizable (área proyectada) es el área, de la cual se dispone para alojar las cavidades y el sistema de alimentación, es una manera de estimar físicamente cuantas cavidades caben en el molde y esta establecida por: AREA_MAXIMA_UTILIZABLE
FUERZA_DE_CIERRE PRESION_MAXIMA_DE_INYECCIO …………. (4.3)
Una vez que se ha establecido el área máxima utilizable, se determina el número de cavidades relacionando el área de la sección transversal de la pieza y la sección transversal del sistema de alimentación. El cálculo del número de cavidades se calcula multiplicando el número de piezas deseado por el área calculada de la pieza, la formula es la siguiente [19]: Número de piezas x área de la pieza = área total de las piezas.
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Por último falta considerar el área que ocupa el sistema de alimentación, para tener un cálculo completo del área máxima requerida. Para determinar una aproximación del área de sistema de alimentación (Mazarota, sección de ataque y el canal de alimentación) se debe considera un 30% del área total de las piezas [19]. Área total de las piezas + área del sistema de alimentación < área máxima utilizable. Con esta verificación se garantiza que la fuerza de cierre no será sobrepasada Finalmente se debe considerar una distribución adecuada del número de cavidades calculadas y del sistema de alimentación, procurando que la distribución este dentro del área efectiva de la platina, y si esto no sucede se debe procurar diseñar de manera de no chocar con la barra guía. En el proceso de diseño se recomienda usar la siguiente regla empírica para las presiones de inyección dentro de la cavidad: 2
- Asumir una presión de 7.75kg/mm para productos de plástico de pared delgada (tubos, láminas, artículos del hogar, etc.) 2 - Asumir una presión de 3.1 a 4.6 kg/mm para productos de plástico técnicos (engranes, piezas automotrices, etc.) Para garantizar la funcionalidad del número de cavidades se verifica lo anterior con cálculos que involucren al peso y el rendimiento de plastificación de la máquina. Los cálculos desarrollados para la determinación del número de cavidades del molde son solo de aproximación, es decir en la realidad parte fundamental en la determinación del número total de cavidades depende directamente de la cantidad estimada de producción, de los costos de fabricación, de los costos de la materia prima, y por último de los costos de fabricación del molde, ya que cuando el número de cavidades aumenta, aumenta los costos de fabricación.
4.3.2.2.2 Cálculo del peso del producto. El cálculo del peso del producto es una manera de garantizar que el número de cavidades calculado es el correcto, esto se logra comparando el peso total de las piezas a inyectar con la capacidad de plastificación. Si se cuenta con una pieza física de muestra, la determinación del peso se puede hacer directamente, llevando a cabo el peso de la pieza en una báscula, si no se cuenta con una pieza física se procede a calcularlo con el volumen que ocupa y la densidad del material a utilizar, finalmente se suman los pesos de todas las cavidades calculadas. Las características que se ven en la figura 4.5, demuestran los datos con los cuales es posible calcular el peso total de las piezas a inyectar. El cálculo del sistema de alimentación se estima sobre el 30% del peso total de las piezas a inyectar, la suma del peso de las piezas y del sistema de alimentación no deben de ninguna manera sobrepasar la capacidad de inyección de la máquina.
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Figura 4.5 Características de la pieza a fabricar.
4.3.2.2.3 Cálculo de la capacidad de plastificación. El cálculo de la capacidad de plastificación [9] del material que será inyectado, ya sea en términos de peso ó volumen, se lleva a cabo para poder compararla con la capacidad de plastificación de la máquina seleccionada. La capacidad de plastificación, indica la cantidad de material por inyección multiplicada por el número de inyecciones por hora. El tiempo estimado del ciclo son datos técnicos que se proporcionan según el tipo de material y el espesor de la pieza a inyectar. Al final de las operaciones se debe comparar la capacidad de plastificación calculada, con la capacidad de plastificación de la máquina, siempre debe ser mayor la de la máquina. Capacidad de plastificación = (Volumen o peso de inyección) (Nc x hora)............(4.4) El tiempo estimado del ciclo de operación = Nc Número de ciclos por hora = Nc x hora
4.3.2.2.4 Cálculo de la capacidad de inyección. Dentro de las características técnicas de la máquina, está incluida la capacidad de inyección en unidades de gramos ú onzas, y está representa la cantidad de materia que se puede inyectar por cada ciclo de operación, el cálculo de la capacidad de inyección de la máquina está determinado por la suma de los pesos. En está parte se debe verificar que la capacidad de inyección de la máquina sea mayor a la calculada para el molde [19]. El tiempo de inyección es calculado en base a la capacidad de inyección de la máquina y al peso y es como se indica: Ti= (P/CI)……………………………….. (4.5)
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Donde: Ti = Tiempo de inyección en segundos P = Peso Total. CI = Capacidad de inyección
4.3.2.3 Sistema de alimentación (llenado). 4.3.2.3.1 Funciones y componentes. El sistema de alimentación tiene por objeto recibir la masa de moldeo fundida, procedente del cilindro de plastificación y dirigirla a la cavidad del molde [20]. Como se ve en la figura 4.6, el sistema de alimentación esta constituido por: 1) Cono del bebedero (mazarota, canal de entrada). 2) Canal de alimentación (araña, repartidor, distribución). 3) Sección de ataque.
Figura 4.6 Sistema de llenado.
1) El cono de bebedero tiene la función de recoger la masa plástica directamente del cilindro de plastificación y dirigirla hacia el plano de partición del molde. Si bien este canal de entrada varía según las normas de trabajo, generalmente tiene forma cónica para facilitar el desmoldeo [6]. 2) El canal de alimentación es la parte del sistema de llenado que en los moldes múltiples, une las cavidades con el bebedero. Este conjunto del sistema se llama muchas veces araña ó repartidor de colada.
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3) La sección de ataque constituye un elemento de transición desde el canal de alimentación a la cavidad del molde (pieza); para poder separar de forma fácil y limpia la pieza de la mazarota, por eso este canal debe ser muy fino. También son llamados canales de estrangulamiento, nervios de colada o trabazones, su función es la de unir el canal de alimentación con la cavidad, reteniendo al mismo tiempo, la película enfriada en las paredes de los repartidores de colada. Para moldes simples el sistema de alimentación está constituido muchas veces únicamente por el canal cónico de entrada, presidiéndose así de canales de distribución y la sección ataque, este canal único se llama bebedero cónico ó mazarota cónica para su configuración se aplican las mismas condiciones que para el canal de entrada [20].
4.3.2.3.2 Diseño de la sección de la boquilla. La boquilla de inyección por las características de funcionamiento se apoya directamente sobre el bebedero al cerrar la máquina de moldeo, estableciendo una junta de presión entre el inyector y el molde (manguito de bebedero). Las superficies de contacto entre la boquilla y el manguito del bebedero pueden ser de diversos tipos, distinguiéndose las superficies de contacto planas y las curvadas (figura 4.7).
Figura 4.7 Tipos de boquilla.
Las superficies planas se emplean relativamente poco en la práctica por que exige una mayor presión para el cierre, existe la excepción en los moldes de canal caliente, para los que prefieren este tipo debido al desplazamiento que ocasiona la dilatación térmica. Las boquillas curvas son útiles para acomodar la punta esférica de la boquilla [6]. Por cuestiones operativas, la boquilla y el manguito del bebedero deben tener el mismo radio. Cuando se tiene una superficie de contacto curva (cazoleta), las dimensiones de la curva de la boquilla son iguales a las del manguito del bebedero, y para el dimensionado de esta cazoleta se aplican, de manera similar a las mostradas la figura 4.8.
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Como está ilustrado en la figura el manguito del bebedero y la boquilla tienen los radios esféricos iguales de 12.7 mm ( 1 / 2 "). Pero el orificio del manguito de bebedero siempre tiene que ser más grande que la boquilla de la prensa. Normalmente el manguito de bebedero debería tener un orificio que sea mínimo de unos 0.8 a 1 mm ( 1/ 32 ") más grande que el orificio de la boquilla de inyección. La diferencia en diámetro ayuda al bebedero a desprenderse de la boquilla y la mitad estacionada del molde [6].
Figura 4.8 Configuración del bebedero y la boquilla.
Para una primera aproximación del diámetro de entrada de bebederos cónicos (para materiales termoplásticos), en relación con el peso de la pieza, el diámetro de entrada se calcula con el nomograma 4.1 [9]. El diagrama 4.1 es útil para los materiales termoplásticos, pero se puede realizar un segundo cálculo utilizando un modelo matemático en el cual depende directamente de la geometría de la pieza (espesor, tamaño). El diámetro del orificio de entrada (diámetro menor del cono) puede determinarse aproximadamente a partir del volumen a inyectar en un tiempo determinado, y a una velocidad dada, según la ecuación 4.6 (es valida para piezas de hasta 100 cm 3 donde se recomienda una velocidad del frente de la masa de unos 1000 mm/s para un buen llenado). D= √ v/(0.8 * v * t) =√ v/2 Con v * t = 2 a 2.5 *10 2 (cm)……………..(4.6) v = la velocidad t = tiempo
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Nomograma 4.1 Calculo del diámetro de entrada.
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Para el cálculo del diámetro mayor (df) de la figura 4.9, se debe considerar de 1 a 1.5 mm mas el espesor máximo de la pieza S max (tabla 4.1);
Figura 4.9 Mazarota cónica o de barra.
df = s max + 1.5 mm………………(4.7) S máx. = espesor máximo. Para el cálculo del ángulo del bebedero se considera un máximo de 4°. Se recomienda se realice un radio de 1 a 2 mm entre el bebedero y la pieza.
4.3.2.3.3 Configuración de los canales de alimentación. La función principal de los canales de alimentación es lograr que el material penetre en todas las cavidades simultáneamente a igual presión y temperatura. La masa que fluye en el molde a gran velocidad, se ve afectada por el cambio de temperatura originado por el sistema de refrigeración, este fenómeno causa que el plástico que está en contacto con el molde solidifique rápidamente originando un centro plástico, por el que puede fluir la masa plástica para el llenado del molde. Este núcleo plástico debe conservarse hasta el llenado total del molde y para aprovechar la presión residual con el fin de compensar la contracción de su volumen durante el proceso de solidificación [9], [7]. La selección de una sección transversal correcta para los canales de alimentación es importante en la figura 4.10 se muestran algunas secciones recomendadas.
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Figura 4.10 Perfiles de los canales de alimentación.
Se pueden dimensionar de acuerdo al siguiente modelo y a la figura 4.11. d 2 =S máx. +1.5= 0.7d 1 ………………(4.8) a = 1.25 b h = 2/3 d 2
Figura 4.11 Dimensiones principales del canal parabólico y trapezoidal.
De la exigencia de refrigeración se deriva la geometría de los canales de alimentación. Primero teniendo en cuenta que se deben evitar los desperdicios de material, y la segunda por las cuestiones de refrigeración, por tal motivo la relación superficie/volumen debe ser lo menor posible. Lógicamente las dimensiones del canal dependen del tamaño de la pieza, del tipo de molde y de la masa a elaborar, por lo general ha de considerarse que la sección del canal es mayor cuanto mayor es la pieza, o bien para piezas semejantes, cuanto mayor sea su espesor de pared. En los moldes múltiples, los canales distribuidores tienen también la misión de que todas las cavidades se llenen simultáneas y uniformes. El modo más sencillo, para lograr lo anterior es hacer que los canales de distribución equilibrados, parte b y c de la figura 4.12. [8]
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Figura 4.12 Configuración de las entradas o canales de estrangulamiento .
4.3.2.3.3.1 Análisis reológico. Como consecuencia de la viscosidad y del gradiente de velocidad al que se somete al fluir dentro de las cavidades del molde, el material plástico, aparece una tensión de cizalla en el interior del material. Los efectos de la aparición de esta tensión interna en el material provocan un esfuerzo de oposición al flujo (que se equilibra con la presión); y generan una disipación interna de energía por el efecto de fricción que éste produce (que tiende a incrementar la temperatura del material). Cuando el material fundido entra en la cavidad se ve sometido a un efecto simultáneo de flujo entre las paredes del molde y de enfriamiento por pérdida de calor a través de estas. Como resultado de estos dos efectos combinados, el perfil de velocidades que el material presenta se asemeja al mostrado en la figura 4.136, en la que se distinguen los perfiles de velocidades en tres puntos dados tomando como referencia el frente de llenado [7]. Cuando el frente de llenado supera un determinado punto, aparece casi de forma inmediata una capa de material solidificado sobre las paredes del molde. Esta capa recibe el nombre de capa fría (frozen layer ). En ella, no puede producirse la circulación del material debido a que, por una parte la temperatura del material es muy baja y no puede fluir, y por otra la viscosidad crece de forma acusada con respecto a la del material fundido. En la figura 4.14 se muestran cualitativamente los valores de temperatura, velocidad y gradiente de velocidad en la sección del molde, por efecto de la capa fría.
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Figura 4.13 Perfil de velocidades en la sección del molde.
Figura 4.14 Curvas de velocidad de fluj o, temperatura y gradiente de velocidad.
Como consecuencia de la aparición de la capa fría, la velocidad del flujo se ve modificada en las cercanías de la misma, de forma que el flujo genera lo que se denomina efecto fuente . Debido a este efecto, el flujo del material (cuya velocidad decrece y cuya viscosidad es más alta) toma la tendencia a formar una pequeña capa superficial que fluye y es presionada contra la pared. Al tomar contacto con la pared, esta capa superficial solidifica de forma casi instantánea y provoca un efecto de orientación de moléculas y fibras (en el caso de materiales reforzados) en dicha zona según la dirección del flujo. Como efecto colateral, en las cercanías de esta capa fría (aunque no en su límite) el material se ve sometido a elevados valores de gradiente de velocidad. Esto genera un esfuerzo de cizalla elevado en la zona que supone, por una parte un incremento local de la temperatura, y por otro un fuerte efecto sobre la orientación de las moléculas y fibras en la dirección del flujo. El incremento de temperatura que surge cerca de los límites de la capa fría está influenciado por el caudal del flujo, ya que un caudal muy elevado provocará un mayor gradiente de velocidad y por ello una mayor cantidad de calor de disipación; mientras que caudales muy bajos, favorecen el aumento de espesor de la capa fría y una disminución de la sección útil del
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flujo, que puede traducirse igualmente en un incremento del gradiente de velocidad y del calor disipado. Una de las consecuencias de dicho incremento de temperaturas es la superación de la temperatura máxima admisible por el material, que provoca su degradación y pérdida de cualidades mecánicas, lo que supone la obtención de una pieza defectuosa. La evolución del crecimiento de la capa fría se observa en la figura 4.15, donde se representa, en función del tiempo, para una determinada temperatura de inyección y para una determinada temperatura del molde, dicho crecimiento en diversos puntos de la cavidad del molde. En dicha evolución debe tenerse en cuenta que el frente de llenado va alcanzando sucesivos puntos en distintos tiempos, siendo la secuencia de llenado la mostrada en la leyenda.
Figura 4.15 Porcentaje de capa fría en función de la longitud de flujo recorrido.
Para un instante determinado, la capa fría no es uniforme en toda la cavidad del recipiente . Dado que el espesor de la pared del recipiente es homogéneo, los datos mostrados revelan como se alcanza el valor máximo de espesor de capa fría en torno al punto medio del recorrido del flujo. Ello se debe a que: •
• •
En el inicio del recorrido el material se encuentra a una temperatura todavía elevada y no permite el crecimiento de la capa, al fluir de forma más o menos uniforme con dicha temperatura. Conforme nos alejamos de la entrada, el espesor crece debido a que el material tiende a enfriarse con mayor facilidad, permitiendo que la capa crezca. Hacia el final del recorrido, el frente de llenado llega cada vez con más retardo, y, aunque el material tiene una temperatura inferior, no ha tenido tiempo de hacer crecer la capa fría
La conclusión más inmediata del estudio del espesor de la capa fría consiste en evitar un diseño inadecuado de pieza (espesor demasiado pequeño) o bien por condiciones del proceso de inyección mal seleccionadas (tiempos de llenado demasiado bajos, temperatura de inyección demasiado baja y/o temperatura del molde demasiado baja), la capa fría crezca hasta el punto de obturar completamente la sección de la cavidad y evite el llenado completo de la misma.
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4.3.2.3.4 Configuración de las entradas o canales de estrangulamiento. El canal de estrangulamiento es la parte del sistema de llenado que une la cavidad que se va a llenar, con el canal distribuidor, (es la parte más estrecha de todo el sistema de llenado), su tamaño y longitud viene determinado por diversas exigencias. La disposición de las entradas que unen los canales de alimentación y la cavidad de la pieza debe ser bien determinada, ya que de esta depende el correcto llenado de la pieza a inyectar. Para la realización del cálculo de las entradas de alimentación se debe considerar que estas deben ser de un tamaño lo más pequeño posible, logrando con esto un fácil desmoldeo, pero no sobre cayendo en los limites, porque representaría un cuello de botella en el sistema de distribución, ya que opondría resistencia al fluido, consumiéndose una gran parte de la presión de inyección (esta resistencia es más alta cuanto más alta sea la viscosidad de la masa de inyección), también es posible que se produzca un sobre calentamiento por la acción de obstaculización, produciéndose una degradación térmica [9]. Cuando el tamaño del canal es demasiado grande se produce un llenado rápido, que origina un llenado prematuro, con una solidificación del plástico prematura, la temperatura de colada desciende originando una rápida caída de presión residual. Existen dos principales tipos de entradas la circular y la rectangular para pero no existe ninguna regla que determine la geometría de los puntos de inyección pero se recomienda [6]: • Comenzar con una profundidad de 0.635mm y hacer pruebas variando las condiciones del proceso. • Es recomendable el uso de puntos de inyección redondos. • Generalmente el grosor del punto de inyección es de 40% a 60% el grosor de la pieza.
En el caso de secciones rectangulares se aplica: f = a * b ….……(4.9) F= л d2/4. a= 3 b. l= 0.25 a 2.5. f= 0.07 a 0.1 F. d= diámetro del canal Las variables están descritas esquemáticamente según la figura 4.18 y 4.19
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Figura 4.16 Canal de estrangulamiento rectangular con canal de llenado.
Figura 4.17 Dimensionado del canal de estrangulamiento.
En el caso de secciones circulares se aplica: −2
2
18⋅ 10 mm ⋅ peso ………………(4.10) SECCION_DE_ATAQUE_DE_COLADA:= gm diametro :=
( 4⋅ SECCION_DE_ATAQUE_DE_COLADA) ……………………(4.11) π
Donde: Peso = peso de la pieza. 0.18 mm2/gr = constante de Davok hasta piezas de 150 gr.
4.3.2.3.5 Disposición de las entradas en la pieza. El esfuerzo al que se va someter una pieza obtenida por inyección de plástico debe ser considerado para determinar la posición del canal de estrangulamiento, ya que las propiedades de resistencia de una pieza inyectada está dada por la dirección de inyección del plástico. Se deben considerar los siguientes puntos para determinar la posición de entrada en la cavidad del molde [6], [9].:
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1. Se debe tener previsto que tipo de esfuerzo máximo debe soportar la pieza y en que dirección (esto es de mayor importancia en aquellas piezas de plástico reforzadas con fibra de vidrio.) 2. Los valores máximos de resistencia a la tracción y al choque se alcanzan en la dirección del flujo 3. El flujo perpendicular a la dirección de inyección cuenta con menor resistencia al agrietado en virtud de la tensión y la tenacidad reducida. 4. La entrada debe ubicarse en la parte con mayor espesor de la pieza (excepto en la elaboración de espumas estructurales), ya que por esto es común que se presenten porosidades, rechupes y deformaciones. La consideración de las contracciones y deformaciones producidas por la diferencia de la temperatura y el tiempo de permanencia de carga de la máquina de inyección, se incrementa aun más en piezas que contienen considerables variaciones de espesores, ya que en estas piezas este fenómeno se presenta hasta días después.
4.3.2.3.6 Cantidad de entradas. La determinación de la cantidad de entradas que debe considerarse para la inyección de una pieza está dada por el material y la forma de la pieza a inyectar, la decisión de colocar más de una entrada a la pieza puede solucionar problemas de contracción. Por ejemplo en piezas largas se recomienda que la relación entre el recorrido de la masa que fluye y el espesor de la pieza no sea superior a 80 veces (sino alcanza este valor se utiliza una configuración de entrada puntiforme múltiple). Cuando se trata de piezas que están sometidas a esfuerzos considerables se recomienda solo considerar una entrada de inyección, ya que cuando se colocan dos o más estradas se forman zonas de unión que disminuyen la resistencia.
4.3.2.3.7 Salida de aire. Cuando se realiza el llenado de un molde la masa del plástico inyectado tiene que desplazar el aire que se encuentra en el mismo, si este no tiene posibilidad de escapar se atrapa en la parte más alta de la cavidad o en las líneas de unión del flujo procediendo a realizar quemaduras en la superficie. Por lo general las salidas de aire, no tienen dimensión determinada, ya que tienen suficientes probabilidades de salida por el plano de partición o por los expulsores, especialmente cuando el plano de partición tiene determinada aspereza (procurar un acabado con grano de esmeril 240). [6], [19]. Si la configuración del molde no permite lo anterior se recomienda a elaborar la matriz en varias piezas, para que las uniones de las partes sirvan de salidas de aire.
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4.3.3 Sistema de expulsión. 4.3.3.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyección. Después de realizar la tarea de inyección de material en el molde, y alcanzado la temperatura de desmoldeo, se prosigue a expulsar la pieza; por lo regular son utilizados medios mecánicos como varillas expulsoras, aunque también existen medios hidráulicos y neumáticos. En esta operación de expulsión (varillas expulsoras) se debe garantizar que la pieza a expulsar, quede del lado de la platina móvil, esto se logra mediante resaltes o implementando una diferencia de temperaturas. El sistema de expulsión más conocido es el que opera con varillas expulsoras que separan la pieza del núcleo. La tabla 4.4 [9] muestra los sistemas de expulsión más utilizados, según las características de trabajo: Tabla 4.4 tipos de sistema de expulsión.
Tipo. Sistema de expulsión anular. Sistema de placa expulsora. Sistema de desmoldeo simultáneo en varios planos. Sistema de eyectores de plato.
Uso. Piezas pequeñas. Piezas con simetría de rotación. Piezas grandes y profundas. Piezas profundas.
Es importante cuidar que los eyectores estén situados en partes donde no se vea deteriorada, ni modificada la geometría de la pieza, así mismo si se trata de una pieza que contiene rincones difíciles o nervaduras se debe buscar colocar en estos lugares las varillas de expulsión, ya que en estos se dificulta la expulsión (requieren mayor fuerza de expulsión). La calidad superficial de los núcleos y matrices de un molde también condicionan la labor de expulsión de la pieza, ya que existe una adherencia de la pieza al molde, (incluso tratándose de superficies muy pulidas, las mínimas grietas pueden dificultar la operación de desmoldeo). [6]. Es recomendable realizar un pulido a los núcleos y matrices a fin de eliminar todo tipo de desigualdades de estas piezas, incluso salientes microscópicas (una buena calidad solo se consigue en aceros no porosos de estructura uniforme). La creencia de que una capa de cromo ayuda a mejorar la labor de expulsión de la pieza, en muchas ocasiones es falsa ya que la superficie de cromo difícilmente se puede aplicar de una manera uniforme. Los ángulos de desmoldeo de una piezas plástica son importantes, para conseguir un buen desmoldeo.
4.3.3.2 Configuración de las varillas expulsoras. Se utilizan varillas expulsoras (pernos de empuje) nitruradas o templadas, según sea el tipo de utilización.
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Se fabrican con una tolerancia g6 para la varilla y H6 para el agujero, se recomienda una relación de 2.5 a 8 veces de longitud en relación con el diámetro. La mayoría de pernos están hechos con acero para trabajo en caliente AISI H13 y tratados para obtener una dureza superficial de 70Rc [6], [21]. Para realizar un buen diseño del sistema de expulsión existen varios puntos que deben de ser tomados en cuenta y estos son:
Carrera de apertura y de expulsión. Fuerza de expulsión de la máquina. Colocación de puntos de expulsión de la pieza. Tipo de expulsores, diseño, dimensiones y acabados. Diseño de las placas de expulsión y retención Retorno de la placa de expulsión.
El diseño de las varillas varía según la aplicación y se tiene la siguiente clasificación según la figura 4.18:
Figura 4.18 Representación esquemática de varias varillas de expulsión.
a) Varilla de cabeza cónica y vástago cilíndrico. Se utilizan cuando no hay especiales exigencias en cuanto a la transmisión de fuerza, se emplean con diámetros de 3 a 16 mm y una longitud de hasta 400 mm. b) Varilla de cabeza cilíndrica y vástago cilíndrico. Se utilizan cuando hay especiales exigencias en cuanto a grandes fuerzas de eyección, se emplean con diámetros de 3 a 16 mm y una longitud de hasta 400 mm. c) Varilla de cabeza cilíndrica y espiga en el extremo. Se utilizan cuando la superficie de ataque sobre la pieza es muy pequeña y la fuerza necesaria reducida. El vástago con espiga aumenta la resistencia al pandeo. Se emplean con diámetros de 1.5 a 3 mm y una longitud de hasta 200 mm. Se debe prestar atención en el diámetro de perno expulsor, ya que si éste es demasiado delgado pueden existir problemas de inestabilidad. Para determinar un diámetro adecuado se puede utilizar la siguiente formula: ……………………(4.12)
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Donde: d = diámetro del perno. L = longitud no guiada del perno. p = presión de inyección (presión dentro de la cavidad). Para una aproximación rápida se puede recurrir a la tabla 4.5. Tabla 4.5 Valores comunes de diámetros de varillas en relación con la longitud.
4.3.3.3 Contracción de la pieza. Las masas plásticas se contraen al solidificarse en el molde por causa del enfriamiento, la consecuencia es que las dimensiones son menores a las del molde, la contracción para cada plástico es distinta, dato importante si la geometría de la pieza final es funcional. En la realidad esto se resuelve tomando en cuenta el porcentaje de contracción para la pieza a moldear, es decir se debe sumar dicho porcentaje a las dimensiones del molde con el fin de que la pieza cuando se contraiga contenga las dimensiones deseadas. [19]. Algunos valores de porcentaje de contracción se muestran en la tabla 4.6 Tabla 4.6 Contracción en % de plásticos. Material Poliamida 6. Poliamida 6 + fibra de vidrio 0.5 Poliamida 6.6 Poliamida 6.6 + fibra de vidrio 0.5 Polietileno baja densidad. Polietileno alta densidad. Poliestileno. Estireno – acrilonitrilo. Polimetacrilato.
% de contracción 1 - 1.5 0.5 1–2 0.5 1.5 – 3 2–3 0.5 – 0.6 0.4 - 0.6 0.3 – 0.6
Material Policarbonato Copolimero de acetato. Cloruro de polivinilo duro. Cloruro de polivinilo blando. Acrinitrilo-butadieno-estireno. Polipropileno. Acetato de celulosa. Acetobutirato de celulosa. Propionato de celulosa.
% de contracción 0.8 2 0.5 – 0.7 1–3 0.4 – 0.6 1.2 – 2 0.5 0.5 0.5
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Además para no empeorar el problema de la contracción se deben tomar en cuenta las siguientes recomendaciones con el fin de mantener espesores uniformen en toda la pieza. • • • •
Espesores de pared uniformes en la geometría de la pieza. Uso de radios y redondeos en esquinas y cavidades de la pieza. Que no existan grandes diferencias termales entre la cavidad y el corazón del molde. Tiempos y métodos de expulsión adecuados.
4.3.4 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. 4.3.4.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. Al efectuar el llenado, se inyecta la masa fundida a elevada presión y gran velocidad en el molde debiendo entonces disiparse su calor hasta que se solidifique. La pieza solo puede ser desmoldada hasta que este solidificada. (En los plásticos que tienen tendencias al reticulado, el endurecimiento se efectúa por aportación de calor, es decir los moldes se calientan a la temperatura de reticulación de 160 a 200 ºC) [23]. En el diseño de moldes es indispensable considerar las temperaturas del molde y del material. Para el enfriamiento correcto del molde es necesario tomar en cuenta el llamado principio del cono, que consiste en enfriar desde el borde exterior hasta la punta de colada. La mazarota no ha de enfriarse demasiado pronto para que actué la presión residual durante un tiempo determinado. El utilizar temperaturas altas de inyección provocan características buenas en la pieza, pero se requiere un periodo largo de enfriamiento [9]. El caso contrario provoca una disminución en la calidad, pero un pronto desmoldeo aumentado consecuentemente la producción. La tabla 4.7 muestra algunos modelos matemáticos para la determinación del tiempo de enfriamiento. Tabla 4.7 Para la determinación del tiempo de enfriamiento t según la pieza.
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El tiempo de enfriamiento depende de la temperatura de la masa , de la temperatura de moldeo, de la temperatura de desmoldeo, de la conductividad térmica del material inyectado y del espesor de la pared. Para un cálculo más rápido se puede utilizar el nomograma del 4.2, basado en el desarrollo de un equilibrio de energía con la ecuación de furrier entrando con la conductividad térmica del material tabla 4.8 y el espesor del material [9]. Nomograma 4.2 Para el cálculo del tiempo de enfriamiento.
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Tabla 4.8 Conductividad térmica de algunos materiales de inyección.
4.3.4.2 Determinación del calor que debe disiparse por unidad de tiempo. El calor que debe desprender depende de la temperatura en masa de moldeo , de la temperatura de elaboración y de la temperatura media de desmoldeo [9]. Para el cálculo de la cantidad de calor que debe disiparse del plástico, por unidad de tiempo se aplica:
…………………………………(4.13) Donde. • Ts= Tiempo mínimo de enfriamiento en segundos. • S= Espesor máximo de la pieza en centímetros (tabla 4.1). 2 -1 • α =Difusividad térmica de material (cm s / °C). • Tx = Temperatura de extracción de la pieza en °C. • Tm = Temperatura del molde en °C. • Tc = Temperatura del material fundido en °C.
El calor que debe disiparse puede calcularse deacuerdo a la ecuación siguiente: σ :=
( Δh⋅ m) ( "Tiempo estimado de inyeccion" ) ………………………(4.14)
Дh= diferencia de entalpía especifica.
m = masa de la pieza. El valor de la entalpía de obtiene de la figura 4.19 donde Φ E y Φ M significan temperatura de desmoldeo y temperatura de inyección respectivamente.
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Figura 4.19 Entalpías de las masas termo plásticas.
4.3.4.3 Disposición del sistema de enfriamiento en el molde. El agente moderador que fluye por los canales de enfriamiento del molde tiene la misión de aportar o disipar calor hasta que se obtenga la temperatura adecuada en la pared para el desmoldeo. También tiene que disipar el calor entre la superficie exterior del molde y el ambiente. La temperatura del agente de acondicionamiento (tabla 4.9). es muchas veces distinta de la pared del molde (hasta 30 ºC de diferencia). El gradiente de temperatura depende de las resistencias a la transmisión y la conducción térmica del molde y el calor a disipar Tabla 4.9 Tipos de líquidos intercambiadores de calor.
Medios de acondicionamiento. Agua Mezcla agua/alcohol Salmuera Aceite
Temperatura. 5 a 90 ºC < 5 ºC < 5 ºC > 90 a 300 ºC
Condiciones. Bajo presión, hasta 120 ºC.
Algunos fluidos utilizados muestran temperaturas de operación (tabla 4.10). Distintas para diversas temperaturas de solidificación de plásticos
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Tabla 4.10 Temperaturas de operación.
Las configuraciones que en la práctica han funcionado de una manera más eficaz son las mostradas en las figuras 4.20 y 4.21.
m
Figura 4.20 Disposición en espiral de los canales de refrigeración en piezas circulares.
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Figura 4.21 Disposición rectilínea de los canales de refrigeración en piezas rectangulares.
4.3.4.4 Cálculo del tiempo total de un ciclo de inyección. Si llamamos Tv al tiempo de apertura del molde más el tiempo de cierre del mismo, entonces el tiempo total de un ciclo es igual a: T total = Tv + Ti Tv= Tiempo de enfriamiento. Ti= Tiempo de apertura. Ts= Tiempo de expulsión.
4.3.5 Proyecto del molde. El proyecto del molde tiene como objetivo principal [16]: 1. El diseño de detalle de las distintas partes que componen el molde. 2. Identificar las herramientas necesarias para fabricarlo. Para llevar a cabo el proyecto del molde se cuenta con la salida del anteproyecto y del estudio previo del molde, conteniendo la siguiente información: 1. La información sobre la geometría definitiva de la pieza. 2. La oferta económica y los plazos de entrega estimados en la actividad de estudio previo. 3. Toda la información del anteproyecto del molde. Al final se obtiene: La información geométrica y tecnológica completa de las cavidades e insertos del molde (dimensiones exactas, forma, posición, tolerancias, acabado superficial, método de fabricación, etc.), incluidos en los planos a detalle de todos los sistemas del molde.
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Capítulo V Resultados y discusiones.
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El resultado de la investigación sobre el diseño de moldes con ingeniería concurrente, es aplicable cualquier industria a cualquier escala desde la pequeña hasta la gran empresa, ya que el desarrollo de la ingeniería concurrente en la actividad de diseñar moldes presenta intercambios de información rápidos y eficaces, necesarios para agilizar el diseño de un molde. Garantizando la satisfacción del cliente ya que el diseño, se desarrolla a partir de las especificaciones definidas por el cliente (pudiendo utilizarse los sistemas QFD y TRIZ.) La metodología y resultados arrojados en el presente trabajo están previstos para aplicarlos de una manera muy generalizada desde el reconocimiento de la necesidad de una pieza hasta el diseño del molde de la siguiente manera:
5.1 Información básica de entrada. 5.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de plástico”. Reconocimiento por parte de una empresa de cualquier sector productivo o por un cliente definido, de la necesidad de una pieza de plástico.
5.1.2 Segunda etapa “Solicitud de diseño de la pieza”. Solicitud del diseño de la pieza de plástico a un consultor externo o a su departamento de desarrollo del producto en base a la información funcional de la pieza. El diseño de la pieza es recomendable se realice en el programa RHINOCEROS v3.
5.1.3 Tercera etapa “Información de producción”. Envió de la información generada de la pieza diseñada a la empresa que se va a encargar de producir las piezas de plástico (industria transformadora), donde se analiza y genera información de transformación que consiste en el número de cavidades en base al ciclo de producción, el archivo CAD de la pieza, los materiales plásticos plásticos recomendados, y la la máquina propuesta para la producción. Donde la información del material es proporcionada por la empresa suministradora de materiales plásticos. Es importante señalar la gran importancia de formar equipos multidisciplinarios con la participación de los proveedores.
5.2 Diseño de molde. 5.2.1 Estudio previo del molde. 5.2.1.1 Cuarta etapa “Solicitud de estudio previo y oferta de diseño”. La información generada en el paso anterior es proporcionada a la empresa moldista (encargada de diseñar el molde), a la cual se le solicita que genere un estudio previo del molde con todo lo que contiene (verificación de la geometría y ante proyecto del molde), y una oferta de diseño y fabricación, la cual es facilitada a la empresa cliente y a la empresa transformadora, junto con el anteproyecto del molde, cuando el proyecto es autorizado la empresa moldista esta genera un proyecto final del molde, en esta etapa se aplican programas como RHINOCEROS v3 [21] que es un programa utilizado para modelar cualquier pieza y RHINOMOLD v3 que es un programa que permite el análisis exacto de piezas de plástico y una construcción profesional de moldes.
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5.2.2 Anteproyecto del molde 5.2.2.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo y oferta del de l molde”. La aplicación del software es con la finalidad de dar una mayor velocidad de respuesta a la industria transformadora y la industria cliente, el programa contiene información para la realización del estudio previo y el anteproyecto, se utilizaron modelos matemáticos seleccionados de las diversas bibliografías, los cuales sirven para determinar los diferentes componentes y características de un molde. molde. Para agilizar lo referente a esta etapa de la ingeniería concurrente, se realizó un programa llamado “ Cálculos de diseño para moldes.” En el software MATHCAD versión 11, en el cual, al contar con datos de la empresa cliente, empresa transformadora y empresa suministradora del material plástico se logra resolver los modelos matemáticos del anteproyecto del molde, con todas las características que esta etapa requiere. La información del material plástico y de la máquina de inyección a utilizar en el programa MATHCAD, es proporcionada al programa por medio de archivos del programa EXCEL. La información del material propuesto para la pieza de plástico, contiene lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Densidad del materia Presión de inyección. Conductividad térmica. Temperatura de elaboración. Temperatura del molde. Temperatura de desmoldeo.
La información de la máquina propuesta para la producción, contiene lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Capacidad de plastificación. Temperatura de inyección. Capacidad de plastificación. Volumen máximo de inyección. Fuerza de cierre. Presión máxima de inyección. Dimensiones de la placa.
Y finalmente de la empresa cliente ó transformadora se requiere la siguiente información: 1. Peso de la pieza. 2. Cantidad de piezas a fabricar. 3. Espesor máximo de la pieza.
5.2.2.2 Sexta etapa “Interpretación y aplicación de los resultados del programa “Cálculos de diseño en moldes”. Los resultados obtenidos en la etapa anterior contienen información de diseño que debe ser interpretada y aplicada a los siguientes sistemas y componentes:
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1. Las características geométricas de la pieza, como son el volumen de la pieza, el volumen del sistema de alimentación, y el volumen total. 2. La capacidad de inyección. 3. Comparación de la capacidad de inyección. inyección. 4. El tiempo de inyección. 5. El tiempo de enfriamiento. 6. El tiempo total del ciclo. 7. La capacidad de plastificación plastificación requerida en volumen. 8. La capacidad de plastificación plastificación en peso requerida. 9. Comparación de la la capacidad de plastificación de la máquina. 10. Determinación de la cantidad de cavidades del molde. 11. Área proyectada y fuerza de cierre. 12. La fuerza de cierre estimada. 13. La sección de ataque. 14. La sección del canal de alimentación. 15. La sección de la boquilla. El anteproyecto del molde se completa con las recomendaciones contenidas en el anexo, del presente trabajo.
5.3 Proyecto del molde. 5.3.1 Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE ”. En esta etapa se genera la información geométrica y tecnológica completa de todos los sistemas y componentes del molde incluyendo el de las cavidades e insertos del molde (dimensiones exactas, forma, posición, tolerancias, acabado superficial, método de fabricación, etc.), incluida en planos normalizados a detalle, a partir de los datos obtenidos en el anteproyecto del molde como son: 1. La información sobre la geometría definitiva de la pieza, 2. La oferta económica y los plazos de entrega estimados en la actividad de estudio previo. 3. Toda la información del anteproyecto del molde. La investigación realizada consiste en solo una parte de la cadena productiva, concretamente en la acción de diseñar el molde.
5.4 Ejemplo de aplicación. 5.4.1 Información básica de entrada. 5.4.1.1 Primera etapa “Identificación de la necesidad de la pieza de plástico”. Una empresa comercializadora de platos de plástico requiere introducir al mercado un modelo nuevo con tiempo de respuesta mínimo.
5.4.1.2 Segunda Etapa “Solicitud de diseño de la pieza.” La misma empresa comercializadora diseña el plato acorde a las necesidades del mercado (figura 5.1 y 5.2) y determina que requiere un promedio de 2000 piezas diarias.
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Figura 5.1 Pieza requerida.
Figura 5.2 Dimensiones de la pieza.
5.4.1.3 Tercera etapa “información de producción”. La información sobre la pieza es enviada en archivo CAD a la empresa productora de piezas de plástico (empresa transformadora), la cual debe generar los siguientes datos de diseño y operación: 1. 2. 3. 4. 5.
Número de cavidades deseada en base al ciclo de producción. Peso de la pieza. Geometrías de la pieza. Las propiedades de los materiales plásticos recomendados. La máquina propuesta para la producción.
Para generar la información primeramente la empresa envía la información de la pieza a su proveedor de materia prima y a la vez solicita los materiales de inyección recomendados para la pieza. Obteniendo por parte del proveedor el material óptimo para la inyección de la pieza es el polietileno de alta densidad (PEAD) con las características como lo muestra la tabla 5.1.
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Tabla 5.1 Propiedades del polietileno de alta densidad (PEAD).
Con los datos anteriores la empresa productora calcula el peso de la pieza, introduciendo el material (PEAD) y el archivo CAD con la geometría en el programa Rhinomold V3., Obteniendo un peso de 18.80 gramos como lo muestra la figura 5.3.
Figura 5.3 Determinación del peso de la pieza en Rhinomold V3.
Esta misma empresa (productora) bajo una previa revisión de los equipos con los que cuenta determina en base a la producción requerida (2000 piezas diarias), y el peso de la pieza (18.24 gr), que la maquina mas apropiada para llevar a cabo esta producción, es la de la marca Tat Ming modelo MA18-A, por sus características tabla 5.2.
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Tabla 5.2. Características de la maquina marca Tat Ming modelo MA18-A.
Con los datos de la máquina determina que el molde de inyección constará de una solo cavidad, ya que la capacidad de inyección es de 27 gr. y la capacidad de plastificación es de 14 kg/hr.
5.4.2 Diseño de molde. 5.4.2.1 Estudio previo del molde. 5.4.2.1.1 Cuarta etapa “Estudio previo del molde y oferta de diseño”. Por lo tanto la empresa transformadora envía la siguiente información a la empresa fabricante de moldes: 1. 2. 3. 4.
Número de cavidades deseada: 1. Peso de la pieza: 18.8 gr. Material plástico recomendado: Polietileno de alta densidad (PEAD). La máquina propuesta para la producción es: La Tat Ming modelo MA18-A.
5.4.2.1.1.1 Verificación de la geometría de la pieza. La empresa fabricante de moldes de inyección recibe la información de la geometría de la pieza y analiza la factibilidad de la fabricación del molde en base a las dimensiones. Figura 5.4
70
Figura 5.4 Detalle de las dimensiones de la pieza.
Primeramente se observa que la pieza de acuerdo al tipo de material, está dentro de los parámetros sugeridos según tabla 5.3, donde para el PEAD el espesor de la pared es de 0.889 hasta 6.35 mm, y además la pieza cuenta con un espesor constante en toda su superficie y por tratarse de una pieza de revolución la concentración de esfuerzos en la pieza son mínimos y los ángulos de desmoldeo son buenos, figura 5.5 Tabla 5.3 Espesores de pared sugeridos.
71
Figura 5.5 Verificación del ángulo de desmoldeo.
La generación de los negativos de la pieza, el análisis de la línea de partición y el ángulo de desmoldeo se realiza por medio del programa Rhinomold v3. Donde se verifica el punzón, la matriz y el plano de partición que va tener el molde, donde están representados en la figura 5.6, por la por los colores rojo, verde y gris (rojo la matriz, verde el punzón y color gris el plano de partición).
Figura 5.6 Punzón y matriz del molde.
72
Por cuestiones de desmoldeo del lado del punzón quedará la boquilla de alimentación, ò sea la platina móvil y del lado de la platina fija se colocara la matriz.
5.4.2.2 Realización del estudio de viabilidad de fabricación del molde. La viabilidad de la fabricación del molde es favorable, considerando la verificación de la geometría de la pieza y por las características del molde detalladas en los incisos anteriores a fabricar, se puede determinar que se trata de la fabricación de un molde simple.
5.4.2.2.1 Selección del tipo de molde. Según las características geométricas de la pieza se determina en base a la tabla 5.4, que se diseñará y fabricará un molde estándar (simple) con las siguientes características: 1. Diseño sencillo. 2. Una sola línea de partición. 3. Una sola dirección de apertura y desmolde con pernos expulsores o manguitos. Tabla 5.4 Configuración de moldes según su clasificación.
73
5.4.3 Anteproyecto del molde. 5.4.3.1 Quinta etapa “Aplicación de Software para el estudio previo y oferta del molde”Como se menciona al inicio del capitulo, para agilizar lo que se refiere a esta etapa, se realizó un programa en el software MATHCAD versión 11, en el cual al contar con datos suficientes se logran resolver los modelos matemáticos del anteproyecto del molde. El programa de aplicación para el diseño de moldes de inyección de plástico en el formato Mathcad requiere para su utilización una base de datos en formato EXCEL, correspondientes a las características de la maquina y del material a emplear, esos archivos son introducidos al programa a través del vinculo EXCEL – MATHCAD, los empleadores de este software debe contar con una base de datos que incluya a toda su maquinaria disponible y otra que contenga las características de los materiales a inyectar en los mismos formatos (EXCEL) en el mismo orden como los que muestra la tabla 5.5 y 5.6. Tabla 5.5 Formatos de información acerca de la máquina MA 18-A para la aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL.
74
Tabla 5.6 Formatos de información acerca del material PEAD para la aplicación del ejemplo en el programa MATHCAD, base de datos en archivos del programa EXCEL.
La importancia del orden de los datos radica en la vinculación de los programas EXCEL y MATHCAD ya que en el programa MATHCAD se declaran las variables de acuerdo a la posición de las celdas del archivo EXCEL y son empleadas en los modelos matemáticos que contienen, las propiedades de la maquina y del material con sus respectivos símbolos son en listados tabla 5.7 y 5.8. Tabla 5.7 Lista de símbolos del programa Mathcad para las características de la máquina de inyección para el archivo Excel. Unidad de inyección: 1,-Diámetro de tornillo. 2,-Capacidad de inyección. 3,-Volumen de inyección. 4,-Presión de inyección. 5,-Velocidad de inyección. 6,-Capacidad de plastificación. 7,-Relación del tornillo L/D. 8,-Carrera del tornillo. 9,-Velocidad de rotación del tornillo. 10,-Carrera pico inyector. 11,-Capacidad del depósito de material. Unidad de cierre: 12,-Presión de cierre. 13,-Altura del molde. 14,-Máxima apertura. 15,-Carrera de apertura. 16,-Distancia entre columnas. 17,-Medidas de la placa. 18,-Recorrido del extractor. 19,-Fuerza del extractor. General: 20,-Potencia del motor de la bomba hidráulica. 21,-Presión de trabajo. 22,-Capacidad del tanque. 23,-Capacidad de calentamiento en seco. 24,-Zonas de calentamiento. 25,-Tiempo de ciclo en vacío.
Magnitud. 22 27 30 2531 29 14 20 80 336 140 45
Unidades. Mm Gr kg/cm2 kg/cm2 cm3/seg kg/hr mm RPM mm ltr
Símbolo. Maquina 6,2 Maquina 7,2 Maquina 8,2 Maquina 9,2 Maquina 10,2 Maquina 11,2 Maquina 12,2 Maquina 13,2 Maquina 14,2 Maquina 15,2 Maquina 16,2
18.7 150 420 280 270 2006,4
ton mm mm mm mm cm2 mm kgf
Maquina 17,2 Maquina 18,2 Maquina 19,2 Maquina 20,2 Maquina 21,2 Maquina 22,2 Maquina 23,2 Maquina 24,2
10 140 100 3.23 2 1,4
hp kg/cm2 ltr kw +n seg
Maquina 25,2 Maquina 26,2 Maquina 27,2 Maquina 28,2 Maquina 29,2 Maquina 30,2
75
Tabla 5.8 Lista de símbolos del programa Mathcad para las características del material de inyección para el archivo Excel. Propiedad: 1. Densidad del material 2. Tiempo de inyección 3. Presión de inyección 4. Conducvidad térmica 5. Temperatura de elaboración 6. Temperatura del molde 7. Temperatura de desmoldeo
Magnitud. 9,60E-01 7 10 7,70E-04 488 308 3,43E+02
Unidades. Símbolo. Material 5,2 Material 6,2 Seg Material 7,2 Psi 2 Material 8,2 cm /s Material 9,2 ºk Material 10,2 ºk ºk Material 11,2
Las base de datos anterior se introduce al programa MATHCAD en la parte selección del modelo de la máquina para la maquina y selección del material a emplear en el caso de los materiales. Cabe señalar que el siguiente programa, toma datos de sus bases de datos pero hay otros que el usuario debe introducirlos eso corresponden a los obtenidos en los incisos 5.4.1 y 5.4.2, existe un código de colores para diferenciar en que caso nos encontramos.
76
fecha
Cálculos de diseño para moldes. Información necesaria de la máquina para iniciar cualquier diseño de un molde.
Nombre de la pieza Material a inyectar Modelo de la máquina Elaboro Reviso
Plato.
polietileno de alta densidad.
MA - 16
Enrique Maya ortega
lla Kabaskaia Ivanotva
Selección del modelo de la máquina. Seleccionar archivo Excel
Selección de tipo de material. Seleccionar archivo Excel.
NOTA: los códigos de colores son Datos de Excel = color rojo. Ingresar datos = color azul. Resultados = color fucsia
77
Preproyecto del molde. Estudio previo del molde. 1. - Verificación de las características de fabricación de la pieza. Peso de la pieza.
PESO := 188 ⋅ 10− 1 ⋅ gm gm kg = 960 Material 5 , 2 ⋅ 3 cm3 m
Densidad del material a inyectar. Cantidad de piezas a fabricar por ciclo.
NUM_PIEZAS:= 1 AREA_DE_LA_PIEZA:=
⋅ (42 ⋅ mm) 2
Área proyectada de la pieza a inyectar.
AREA_DE_LA_PIEZA = 5.542 × 10 3 mm 2
Material 6 , 2 ⋅ s = 7 s
Tiempo estimado de inyección.
S := 3 ⋅ mm
Espesor máximo de la pieza.
2. - Cálculo de las características geométricas de la pieza. PESO
VOLUMEN_DE_LA_PIEZA:=
Material 5 , 2 ⋅
gm cm3
VOLUMEN_DE_LA_PIEZA = 19.583 cm 3
Volumen de una pieza.
VOLUMEN_TOTAL:= NUM_PIEZAS⋅ (VOLUMEN_DE_LA_PIEZ) VOLUMEN_TOTAL = 19.583 cm 3
Volumen total de las piezas.
VOLUMEN_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION := 3 ⋅ 10− 1 ⋅ VOLUMEN_TOTA VOLUMEN_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION = 5.875 cm 3
Volumen del sistema de alimentación.
VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION := VOLUMEN_TOTAL+ VOLUMEN_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACI VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION = 25.458 cm 3
VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION_UNITARIA :=
Volumen total por inyección. VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION NUM_PIEZAS
VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION_UNITARIA= 25.458 cm3
Volumen total por inyección unitario.
78
3. -Cálculo de la capacidad de inyección. PESO_TOTAL:= NUM_PIEZASPESO ⋅ PESO_TOTAL = 18.8 gm PESO_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION:= 3 ⋅ 10− 1 ⋅ PESO_TOTA = 5.64 gm PESO_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION
PESO_TOTAL_POR_INYECCION:= PESO_TOTAL+ PESO_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACI PESO_TOTAL_POR_INYECCION= 24.44 gm
Determinación de la capacidad de inyección requerida .
4. -Comparación de la capacidad de inyección. PESO_TOTAL_POR_INYECCION= 24.44 gm
Capacidad de inyección requerida .
Maquinaria 7 , 2 ⋅ gm = 27 gm
Capacidad de inyección de la máquina .
Condición: Capacidad de inyección requerida < Capacidad de inyección de la máquina.
5. - Cálculo del tiempo de inyección. Maquinaria 11 , 2 ⋅
kg kg = 14 hr hr
PESO_TOTAL_POR_INYECCION= 0.024kg
TI :=
Capacidad de plastificación de la máquina. Capacidad de inyección requerida
PESO_TOTAL_POR_INYECCION kg ⎞ ⎛ Maquinaria 11 , 2 ⋅ hr ⎠ ⎝
TI = 6.285s
Tiempo de inyección en segundos
79
6. - Cálculo del tiempo de enfriamiento. 2 cm2 − 8m = 7.7 × 10 Material 8 , 2 ⋅ s s Material 9 , 2 ⋅ K = 488K
Conductividad térmica del molde.
Material 10 , 2 ⋅ K = 308K
Temperatura del molde.
Material 11 , 2 ⋅ K = 343K
Temperatura de desmoldeo. Espesor máximo de la pieza.
Temperatura de inyección.
S := 3 ⋅ mm tiempo_de_enfriamiento1 :=
−S ⋅ mm ⎡⎡ ⎤ ⋅ ln ⎡ ⋅ ( Material 11 , 2 − Material 10 , 2) ⋅ K 2 ⎞ 4( Material 9 , 2 − Material 10 , 2) ⋅ K ⎢ ⎛ ⎢ 2 ⋅ Material 8 , 2 ⋅ cm ⎥ ⎣ s ⎠ ⎦ ⎣ ⎣ ⎝
⎤⎤ ⎦⎥ ⎦
Tiempo de enfriamiento
tiempo_de_enfriamiento1 = 11.652s
7. - Cálculo del tiempo de enfriamiento con tablas. 2 cm2 8m − Material 8 , 2 ⋅ = 7.7 × 10 s s Material 9 , 2 ⋅ K = 488K
Conductividad térmica del molde.
Material 10 , 2 ⋅ K = 308K
Temperatura del molde.
Material 11 , 2 ⋅ K = 343K
Temperatura de desmoldeo.
Tº :=
Temperatura de inyección.
( Material 9 , 2 − Material 10 , 2) ⋅ K ( Material 11 , 2 − Material 10 , 2) ⋅ K
Tº = 5.143
Valor para la figura 4.31
Tiempo_de_enfriamiento := 6.5
Tiempo de enfriamiento.
Tiempo_de_enfriamiento_neto :=
Tiempo_de_enfriamiento 2
Valor obtenido del Nomograma tiempo_de_enfriamiento1 De la "Figura 4.31" + 2
Tiempo_de_enfriamiento_neto = 8.826 s
8. - Cálculo de tiempo total del ciclo. Tiempo_total_de_ciclo:= Tiempo_de_enfriamiento_neto + TI Tiempo_total_de_ciclo = 15.111 s
Tiempo por ciclo.
80
9. -Cálculo de número de ciclos por hora. CICLOS_HORA :=
3600 ⋅ s⋅ hr
−1
Tiempo_total_de_ciclo
CICLOS_HORA= 238.24 hr− 1
Determinación del número de ciclos por hora.
10. - Cálculo de la capacidad de plastificación requerida en volumen. CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION ) := VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCIONCICLOS_HORA ⋅( cm3 CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION = 6.96 × 10 hr 3
Determinación de la capacidad de plastificación requerida en volumen.
11. - Cálculo de la capacidad de plastificación en peso requerida en peso. ⎛ ⎝
CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_EN_PESO := CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION⋅ Material 5 , 2 ⋅
CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_EN_PESO= 1.856 × 10− 3
kg s
gm ⎞ cm3 ⎠
Determinación de la capacidad de Plastificación requerida en peso.
12. - Comparación de la capacidad de plastificación de la máquina y cálculo. CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_EN_PESO = 6.681
Maquinaria 11 , 2 ⋅
kg kg = 14 hr hr
kg hr
Capacidad de plastificación requerida. Capacidad de plastificación de la máquina.
Condición: Capacidad de inyección requerida < Capacidad de inyección de la máquina kg ⎞ ⎛ Maquinaria 11 , 2 ⋅ hr ⎠ ⎝ CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_DE_LA_MAQUINA:= ⎛ Material ⋅ gm ⎞ 5, 2 cm3 ⎠ ⎝ CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_DE_LA_MAQUINA = 1.458 × 104
cm3 hr
81
13. - Determinación de la cantidad de cavidades del molde. Primera aproximación teórica de la cantidad de cavidades del molde. Donde F1 representa la cantidad máxima de cavidades que el molde puede contener.
F1 :=
Sv Av
Volumen máximo de inyección de la máquina = Sv (cm3) Volumen de la pieza + Mazarota = Av (cm3)
F1 :=
(Maquinaria 8 , 2 ⋅ cm3) VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION_UNITARI
F1 representa la cantidad máxima de cavidades que el molde puede contener.
F1 = 1.178
Segunda aproximación de la cantidad teórica de cavidades del molde.
F2 :=
L ( Z) ⋅ ( Ac)
F2 :=
CAPACIDAD_DE_PLASTIFICACION_DE_LA_MAQUINA ( CICLOS_HORA) ⋅ ( VOLUMEN_TOTAL_POR_INYECCION_UNITARIA)
F2 = 2.095
Donde:
F2 representa el número de cavidades según la capacidad de la máquina.
Capacidad de Plastificación = L (cm3/min.) Número de inyecciones por minuto = Z (z/min.) Volumen de la pieza + Mazarota = Ac (cm3) F := (8 ⋅ 10− 1) ⋅ F1
F = 0.943
Valor optimo de cavidades con las relaciones de eficiencia en la máquina.
82
14. - Área proyectada y fuerza de cierre. Tercera aproximación teórica de la cantidad de cavidades del molde. Maquinaria 18 , 2 ⋅ kgf = 18700 kgf
Fuerza de cierre.
Material 7 , 2 ⋅ psi = 6.895 × 104 Pa
Presión máxima de inyección.
AREA_MAXIMA_UTILIZABLE:=
FUERZA_DE_CIERRE PRESION_MAXIMA_DE_INYECCION
AREA_MAXIMA_UTILIZABLE:=
Maquinaria 18 , 2 ⋅ kgf Material 7 , 2 ⋅
kgf cm2
AREA_MAXIMA_UTILIZABLE = 1.87 × 103 cm 2
AREA_MAXIMA_UTILIZABLE= 0.187m2 AREA_DE_LA_PIEZA= 5.542 × 10− 3 m2
NUM_PIEZAS:= 1 := NUM_PIEZAS⋅ (AREA_DE_LA_PIEZ ) AREA_TOTAL_DE_LAS_PIEZAS AREA_TOTAL_DE_LAS_PIEZAS
= 55.418 cm 2
AREA_TOTAL_DE_LAS_PIEZAS
= 8.59 in 2
:= 3 ⋅ 10− 1 ⋅ AREA_TOTAL_DE_LAS_PIEZA AREA_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION
AREA_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION
= 16.625 cm 2
AREA_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACION = 2.577 in 2
AREA_TOTAL:= AREA_TOTAL_DE_LAS_PIEZAS + AREA_DEL_SISTEMA_DE_ALIMENTACI AREA_TOTAL
= 72.043 cm 2
Área requerida para el molde.
AREA_TOTAL = 11.167 in 2 AREA_MAXIMA_UTILIZABLE = 1870 cm 2
Maquinaria
2 2 23 , 2 ⋅ cm = 2006.4 cm
Área Máxima utilizable en la placa de la máquina. Dimensiones de la placa de la máquina
Condición: Área requerida para el molde > Área máxima utilizable de la máquina. 83
15. - Cálculo de la fuerza de cierre estimada. FUERZA_ESTIMADA:= AREA_TOTALPRESION_MAXIMA_DE_INYECCIO ⋅ FUERZA_ESTIMADA:= AREA_TOTAL⋅ ( Material7 , 2 ⋅ psi)
FUERZA_ESTIMADA= 50.651 kgf
Fuerza de cierre requerida.
Maquinaria 18 , 2 ⋅ kgf = 18700 kgf
Fuerza de cierre de la máquina.
kg 16. -Cálculo x := 11 ⋅ 10− 4 ⋅ de la sección de la boquilla. cm3
Material 5 , 2 ⋅
gm cm3
= 9.6 × 10− 4
Material 5 , 2 ⋅ Valor :=
kg cm3
Densidad del material a inyectar
gm cm3
x
Valor = 0.873 entrada := Valor ⋅ PESO_TOTAL_POR_INYECCIO entrada = 21.329 gm diametro_de_la_boquilla := 3.45⋅ mm
Valor para el diagrama 4.1 Diámetro de la boquilla. Valor obtenido del diagrama 4.1
84
5.4.3.2 Sexta etapa Interpretación y aplicación de los resultados del programa “Cálculos de diseño en moldes”. 5.4.3.2.1 Determinación de la cantidad de cavidades del molde. El número de cavidades determinado por la empresa transformadora debe ser verificado para ver si es viable su fabricación, en este caso se propuso una cavidad para el molde y de acuerdo a los resultados arrojados en el inciso13 anterior del programa en MATHCAD tenemos que: • La primera aproximación arroja un resultado de F 1 =1.178, que representa la cantidad máxima de cavidades que el molde puede contener en base a las características de la máquina considerando únicamente los volúmenes de inyección y de la pieza • La segunda aproximación arroja un resultado de F= 2.095, que representa la cantidad máxima de cavidades en relación a los ciclos de inyección, a la capacidad de plastificación del equipo de inyección y al volumen de inyección de la pieza. Como cualquier equipo las maquinas de inyección también dependen del nivel de eficiencia que por lo regular se toma el 80% de eficiencia de F 1 , lo que arrojan un resultado de F= 0.093, siendo el anterior el valor optimo de cavidades tomando en cuenta solamente las características de funcionamiento del equipo de inyección. Con lo anterior se verifica la posibilidad de la fabricación del molde en relación con las características de la máquina, pero no es suficiente, ya que falta la verificación de estos resultados en base a las dimensiones físicas de la platina que la va soportar.
5.4.3.2.2 Área proyectada y fuerza de cierre. En una tercera aproximación en el mismo inciso 14 del programa, se toman en cuenta las características geométricas en función a la pieza y las platinas de la maquina como se explico en el inciso 4.3.2.2.1. Tomando en cuenta que el área proyectada de la pieza corresponde a un valor de 1153 cm2 y el área máxima utilizable en el equipo de inyección de 1870 cm 2, se verifica que efectivamente la pieza a producir cumple con las dimensiones de alojamiento en las platinas de la máquina de inyección que tienen una dimensión de 2000.4 cm2, como se observa en la figura 5.7 y 5.8
85
Figura 5.7 Superficies analizadas.
Plano de partición.
Figura 5.8 Verificación del área proyectada en la p laca.
86
5.4.3.2.3 Cálculo de la capacidad de inyección. El peso total de inyección requerido, incluyendo el sistema de alimentación calculado en el inciso 3 del programa MATHCAD es de 24.44 gr y considerando la capacidad de la máquina que es de 27 gr se verifica que la máquina tiene una capacidad de inyección superior a la necesaria, dejando una tolerancia del 10%.
5.4.3.2.4 Cálculo de la capacidad de plastificación. La capacidad de plastificación requerida en función al peso y volumen están calculados en los incisos 10 y 11 del programa MATHCAD y corresponden a un valor de 6.39 kg/hr en función al peso y 6960 cm3/hr en función al volumen. Comparativamente se tiene en el equipo de inyección una capacidad de plastificación de 14 kg/hr en función al peso y 14580 cm3/hr en función al volumen. Donde se verifica que la máquina tiene una capacidad de inyección en función al peso y al volumen superior a la necesaria, dejando una tolerancia de más del 100%. Para garantizar la funcionalidad de la máquina propuesta se verifico en el inciso 16 del programa MATHCAD, la fuerza de cierre requerida para la pieza que corresponde a un valor de 810.42 kgf y se compara con la fuerza de cierre con la que dispone la máquina, que tiene un valor de 18700 kgf. , Con lo cual se verifica que la fuerza de cierre de la máquina esta sobrepasada por 23 veces a la requerida por el molde.
5.4.3.2.5 Sistema de alimentación (llenado). 5.4.3.2.5.1 Diseño de la sección de la boquilla. El inciso 16 del programa MATHCAD genera un valor de 21.329, en función a la densidad del material y al peso total por inyectar, con este valor generado axial como a las características mencionadas en el se determina usando el nomograma 4.1 un diámetro de boquilla de 3.45 mm. La boquilla recomendada para este molde es de forma curva ya que es útil para acomodar la punta esférica del bebedero y facilitar el centrado, figura 5.9.
Figura 5.9 Selección de la boquilla.
87
El manguito del bebedero y la boquilla deben tener los radios esféricos iguales, cómo se trata de una boquilla normalizada con un diámetro estándar de 12.7 mm, la misma dimensión le corresponde al bebedero. El orificio del manguito de bebedero siempre tiene que ser más grande que la boquilla de la prensa. Normalmente el manguito de bebedero debería tener un orificio que sea mínimo de unos 0.8 a 1 mm ( 1/ 32 ") más grande que el orificio de la boquilla de inyección, ya que la diferencia en diámetro ayuda al bebedero a desprenderse de la boquilla y la mitad estacionada del molde [6]. Las figuras 5.10 y 5.11 muestran la configuración de la boquilla de alimentación y del bebedero tomando en cuenta las recomendaciones del inciso 4.3.2.3.2.
Figura 5.10 Dimensiones propuestas para la boquilla y bebedero.
Figura 5.11 Dimensiones del bebedero.
Si se desea una producción donde se realice la separación de la mazarota, de una manera automática se recomienda se utilicen el orificio de colada con precamara, ya que la pieza a inyectar se considera delgadas, la utilización de este tipo de entrada no requiere un trabajo posterior para retirar la mazarota (regularmente se recomienda un largo de 0.6 a 1.2 mm), y se dispone de una precamara para mejorar la distribución. El patrón de llenado previsto es como se muestra en la figura 5.12, las líneas de flujo se visualizan paralelas unas con otras.
88
Figura 5.12 Patrón de llenado, por el tipo de configuración.
5.4.3.2.5.2 Salida de aire. Se prevé que el aire salga por los claros que se tienen en el sistema de expulsión y por la línea de partición, se recomienda que las placas en su plano de partición sean rectificadas por piedra de grano 240.
5.4.3.4.6 Sistema de expulsión. 5.4.3.4.6.1 Desmoldeo de piezas obtenidas por inyección. El sistema a emplear es del tipo mecánico con varilla de expulsión, se garantiza que la pieza queda del lado del punzón, por la configuración mencionada en el inciso 5.1.2 para la inyección de la pieza.
5.4.3.4.6.2 Configuración de las varillas expulsoras. La configuración utilizada en piezas simétricas o de revolución según la tabla 4.2, es el de placa de retorno, en este caso se utilizará 2 varillas de cabeza cónica y vástago cilíndrico a 180°, con un diámetro de 10 mm según recomendaciones del inciso 4.3.3.2. Las características generales de los pernos de retorno por regla general son las siguientes:
3 pernos de retorno, igualmente espaciados para asegurar que la placa de expulsión no se ladee. El diámetro mínimo de los pernos de retorno debe de ser de 12mm. . Por regla, la longitud del perno de retorno debe de ser menor que la longitud teórica requerida para empujar a la placa a su lugar. Una práctica común es que la longitud del perno sea menor a la longitud teórica por 0.25mm±0.05mm
5.4.3.4.6.3 Contracción de la pieza. Por tratarse de PEAD y de acuerdo a la tabla 4.6, se deben incrementar los valores de las cavidades en un 2.5 % a las dimensiones en los planos a detalle, ya que el material a emplear requiere este valor.
5.4.3.4.7 Enfriamiento y tipo de enfriamiento. El sistema de enfriamiento para piezas de revolución es el de tipo espiral como se muestra en la figura 5.13.
89
Figura 5.13 Sistema de enfriamiento recomendado.
5.4.3.4.7.1 Cálculo del tiempo de enfriamiento. El cálculo del tiempo de enfriamiento depende de las características de los materiales a inyectar señaladas en el inciso 4.3.4.2 e incluidas en las tablas de materiales en el formato EXCEL e ingresadas en el programa MATHCAD inciso 6, dando como resultado con estos datos un tiempo de enfriamiento de 11.652 segundos. En un segundo cálculo en el cual se utiliza el resultado de un modelo resuelto en MATHCAD inciso 7, al cual le corresponde un valor de 5.143, mismo que es ingresado al nomograma 4.2 obteniendo como resultado 6.5 segundos de enfriamiento. Por cuestiones recomendables se va a tomar un tiempo de 8.8 segundos, calculo también realizado en el programa MATHCAD y representa el valor promedio de las dos operaciones efectuadas anteriormente.
5.4.3.4.8 Cálculo del tiempo de inyección. El tiempo de inyección total calculado en el inciso 5, del programa Mathcad realizó el cálculo del tiempo de inyección. Primero con los datos del material indicados en él capitulo 4.3.4.4 en las tablas de Excel, obteniendo como resultado 6.285 segundos.
5.4.3.4.9 Cálculo del tiempo del ciclo de inyección. El cálculo del tiempo del ciclo de inyección total se realizo en el inciso 8 del programa Mathcad con la suma del tiempo de inyección y el tiempo de enfriamiento, obteniendo el siguiente resultado 15.111 segundos.
5.5 Proyecto del molde. 5.5.1 Séptima etapa “Realización del proyecto del molde con ayuda de sistemas CAD/CAM/CAE ”. En esta etapa se realiza el diseño a detalle de las distintas partes que componen el molde se realizaron los planos normalizados, con los datos obtenidos anteriormente: en el anteproyecto del molde, con los siguientes datos de entrada: 1. La información sobre la geometría definitiva de la pieza,
90
2. La oferta económica y los plazos de entrega estimados en la actividad de estudio previo. 3. Toda la información del anteproyecto del molde. Al final se obtiene: La información geométrica y tecnológica completa de las cavidades e insertos del molde (dimensiones exactas, forma, posición, tolerancias, acabado superficial, método de fabricación, etc.), incluidos en los planos a detalle de todos los sistemas del molde.
Figura 5.14 Archivo CAD de las cavidades
Con la información obtenida del anteproyecto del molde se pueden generar los planos a detalle del molde, así mismo en esta parte se puede programar los archivos CAM para la manufactura y con ello identificar las herramientas necesarias para fabricarlo. El resultado de esta actividad es el proyecto final del molde.
91
Figura 5.15 Archivo CAD tipo malla.
92
Conclusiones y recomendaciones.
93
Conclusiones.Toda vez que se dio cumplimiento al objetivo de esta investigación presentando la metodología de diseño de moldes de inyección con ingeniería concurrente, se concluye lo siguiente: a)
Se presentaron las interacciones de las empresas presentes en la cadena productiva para la fabricación de una pieza de plástico.
b)
Se presentaron los modelos de información a lo largo de la cadena productiva y de la acción de diseñar un molde.
c)
Se desarrolló la información necesaria para llevar a cabo el diseño de un molde con la metodología de la ingeniería concurrente.
d)
La aplicación de esta investigación puede ser aplicada en cualquier empresa dedicada a la fabricación de moldes de inyección, sin importar el tamaño y nivel de producción.
e)
La presente investigación presenta la ingeniería concurrente que permite a la industria de la transformación del plástico adecuarse a un mercado más competitivo y globalizado.
f)
Se realizó un programa en MATHCAD v11 que auxilia en el desarrollo del anteproyecto de diseño de un molde de inyección de plástico, así mismo este programa ayuda a dar respuesta más rápida al mercado y obtener los datos más fácil y rápidamente, con solo ingresar los datos en formato Excel del material y de la máquina que serán utilizados.
g)
Se utilizaron software especializados como lo es el RHINOMOLD v3 en el diseño de moldes de inyección de plástico, que permitieron comprobar y simular los cálculos realizados en MATHCAD v 11.
h)
La utilización de herramientas informáticas como son los software´s permiten realizar una mejor planeación y previsión de la tarea de diseño de moldes, además de que son necesarias como herramientas básicas en la ingeniería concurrente.
i)
Se presentaron las características que se deben de cumplir para trabajar en un ambiente de ingeniería concurrente.
j)
Se realizo el diseño de un molde aplicando las herramientas desarrolladas y la información recopilada a lo largo de la investigación.
k)
Se presentaron los planos a detalle del molde desarrollado.
94
Recomendaciones.Se recomienda proseguir con esta investigación en las áreas de diseño de piezas de plástico y manufactura de moldes con ingeniería concurrente, con el fin de contar con una herramienta más completa que ofrezca a la industria más ventajas competitivas, así como la realización de una base de datos que contenga las experiencias del diseño de moldes Así mismo se recomienda utilizar más software especializados en la tarea de diseño de un molde, con la finalidad de realizar más simulaciones que permitan al diseñador contar con más datos acerca del diseño, específicamente en lo referente al análisis reológico.
95
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