Unidad de cierre (Fuerza de cierre)

La unidad de cierre en la máquina de inyección tiene como principal objetivo mantener el molde cerrado mientras el material fundido es inyectado para llenar las cavidades. Las maquinas se clasifican generalmente por este parámetro, la fuerza de cierre y se reporta la máxima capacidad de la máquina. Para moldear una determinada pieza, no siempre es necesario utilizar la máxima fuerza de cierre de la máquina, debido a que esto puede representar un gasto innecesario de energía y por lo tanto, de dinero.

Como ya sabemos, no todos los polímeros son iguales. Una diferencia muy importante son las propiedades reologicas, existen polímeros termoplásticos que fluyen con mucha facilidad y por el contrario existen polímeros que se resisten a fluir. Para el caso de los polímeros que fluyen fácilmente, la presión de inyección es menor en comparación con los que fluyen menos, esto provoca que la unidad de cierre tenga que aplicar mayor fuerza para mantener el molde cerrado, durante la inyección del polímero.

Para calcular la fuerza de cierre necesaria, existe una formula general. La cual es:

El área proyectada se define como el área perpendicular al eje de inyección. Veámoslo más claro con una imagen.

Se trata de un vaso convencional el cual tiene dos formas circulares, uno superior (destapado) y uno inferior.

Si ponemos el punto de inyección en el centro de la base entonces el área proyectada será la correspondiente al diámetro superior.

El siguiente es un ejemplo de cómo realizar el cálculo de la fuerza de cierre.

Calcular la fuerza de cierrre necesaria para moldear una cubeta de HDPE, mediante una entrada central directa, con las siguientes dimensiones:

·         Diametro menor base: 25 cm

·         Diametro myor: 30cm

·         Largo: 65 cm

·         Espesor minimo: 3.5cm

·         Espesor maximo: 4.5 cm

Se tiene disponible una maquina con una fuerza de cierre nominal de 250 Ton. ¿sera adecuada para moldear las cubeta propuesta? Si o No y ¿Por qué?

Calculo del área proyectada.

A continuación veremos que existen por lo menos cuatro maneras de calcular la fuerza de cierre

  Fuerza de cierre suponiendo un valor de Pm para materiales de buena fluidez.

Pm se refiere a la presión media dentro del molde y es un valor empirico, para el caso de materiales con buena fluidez, como el caso de las poliolefinas se considera un valor de 250 Kg/cm²

Fuerza de cierre incluyendo en valor del factor de flujo

El factor de flujo se refiere a un valor empírico adimensional que describe la característica de fluidez para un polímero.

Fuerza de cierre considerando un valor empírico de Fc por pulgada cuadrada. 

1.      Determinación de la Pm a partir de la relación Recorrido de flujo y espesor.

El recorrido de flujo se refiere al trayecto que sigue el material desde el punto de inyección hasta el borde mas alejado de este.

La inyectora con una fuerza de cierre de 250 Ton parecería una buena elección cuando Fc es calculada con pocos parámetros, sin embargo al incluir mas factores y considerando que se debe exceder en un 20% la Fc calculada, no es la mejor opción.

*La siguiente imagen muestra como se desplaza el material dentro del molde hasta llenar completamente la cavidad, considerando que el punto de inyección fue colocado en la base.

Requerimientos en la unidad de inyeccion

Los principales requerimientos de inyección se desarrollan en seguida:

Velocidad de inyección: Es la velocidad con la que el husillo puede empujar el material fundido, para llenar las cavidades de molde.

     

   -Velocidad de corte: se define como la velocidad del plástico en la superficie del barril de calentamiento, dividido por la profundidad del canal en el husillo. Las unidades de esta se dan en longitud/tiempo. Como lo mencione en otro post, los polímeros pueden ser degradados por la velocidad de corte a la que se someten sin embargo una velocidad de corte común es de 45 metros/minutos.

Por mencionar algún ejemplo: El PVC es un material que se puede degradar fácilmente por efecto de la energía calorífica, que se genera durante la compresión, por lo tanto hay que procesarlo a bajas velocidades de corte: 30 m/min, mientras que materiales más resistentes pueden ser procesados a 53 m/min, lo cual es casi el doble.

Veamos el motivo y la relación que esto guarda con la estructura de cada polímero. Para esto, tomaremos como ejemplo el Policloruro de vinilo (PVC) y el Polietileno. Pero antes, les presento la siguiente tabla donde podemos ver la  energía de disociación (energía para separarlos) de algunos enlaces químicos.

Enlace	Energía de disociación (KJ/mol)
C - C	347
C - H	79
C - Cl	66

La siguiente estructura química es correspondiente al PVC, en base a la tabla anterior podemos ver que el enlace de Carbono-Cloro, es más facil de separar en comparación con C-C y C-H, debido a que se necesita menor energía de disocicacion. Esta es la razón por la que el PVC es muy sensible al calor (facil degradación), por lo que no puede ser procesado a elevadas temperaturas, altos esfuerzos de corte ni tampoco a elevadas velocidades de corte.

Estructura del PVC

Ahora veremos la estructura del Polietileno. Como se puede ver en la tabla anterior, los enlaces C-C y C-H, proporcionan a la estructura del PE mayor estabilidad, permitiendo mayores temperaturas y velocidad de corte en su procesamiento.

Estructura de PE

Presión de inyección: Es aquella presión que se encuentra en la boquilla, justo antes de que le material fundido entre en el molde. Las personas encargadas del ajuste de parámetros en la máquina, generalmente usan una elevada presión de inyección así como también una elevada velocidad de inyección con el fin de reducir el tiempo de ciclo, sin embargo, no siempre es la mejor opción.

Temperatura del fundido: Es la temperatura con la cual el material sale de la boquilla de inyección.

Plastificación: Con este nombre se conoce a la velocidad del giro del husillo, al que se somete el material para tener el material fundido para el siguiente ciclo.

Presión de retroceso: Mientras ocurre la plastificación, la cantidad de material para inyectar va aumentando gradualmente, al acumularse el material frente al tornillo ocurre un aumento en la presión, la cual obliga al husillo a echarse para atrás. Existe en la maquina un mecanismo que hace una contrapresión para evita que el husillo sea desplazado rápidamente hacia atrás, a la presión que regula el movimiento hacha atrás se le conoce como presión de retroceso.

Unidad de Inyección

Los principales componentes de una máquina de inyección son dos: la unidad de inyección y la unidad de cierre, las cuales  a pesar de desempeñar tareas muy diferentes, estas se complementan entre sí.  Generalmente existe una relación entre el tamaño de disparo o la capacidad de inyección con la fuerza de cierre, esto lo podemos ver en la siguiente tabla.

Unidad de cierre (Toneladas)	Capacidad de inyección (g)
10	15
100	226
250	567
450	1701
1000	3402
2000	12757

Unidad de inyección

La unidad de inyección tiene como tarea principal, tener listo el material para ser inyectado en el molde. La capacidad de inyección idealmente debe ser, tal que, contenga dos ciclos completos de size shot  (disparo en cada ciclo), es decir, en cada ciclo el 50% de la capacidad que se encuentra en el cilindro debe ser inyectada en el molde, y así quedaría el 50% en el cañón. Sin embargo también es correcto o aceptable dejar ya sea un 20% o un 80% de material en el cañón.

Por ejemplo:

Si vamos a inyectar una pieza de 50 gramos lo ideal sería utilizar un cañón con una capacidad de 100 gramos (es el doble de 50 gr). Esto quiere decir que, de la capacidad total del cilindro 50% quedo en el cañón y el otro 50% se inyecto en el molde. 

El peso de la pieza, representa la mitad de la capacidad de inyección.

Ahora si vamos a inyectar la misma pieza (50 gramos) podemos usar un cañón de 62.5 gramos de capacidad ya que al momento de inyectar el material, este representara un 80% de la capacidad total del cañón, es decir que quedará un 20% de material en el cañón. Esta regla aplica para materiales que son extremadamente sensibles al calor.

El peso de la pieza, representa el 80% de la capacidad de inyección.

Por otro lado,  si vamos a inyectar la misma pieza (50 gramos) podemos usar un cañón de 250 gramos de capacidad ya que al momento de inyectar el material, este representara un 20% de la capacidad total del cañón, es decir que quedará un 80% de material en el cañón. Esta regla aplica para materiales que presentan baja sensibilidad al calor.

El peso de la pieza representa el 20% de la capacidad de inyección.

La capacidad de inyección de las maquinas se da en gramos de Poliestireno, cuando necesitamos inyectar otro polímero es necesario conocer la gravedad especifica de este. Por ejemplo la gravedad específica del Poliestireno es de 1.04, entonces si tenemos una maquina capaz de inyectar 200 gramos de PS y queremos inyectar policarbonato con una gravedad específica de 1.20. ¿Cuánto PC podemos inyectar?

PARTES DE LA UNIDAD DE INYECCIÓN

Partes de la unidad de inyección

El cilindro de calentamiento.

Como su nombre lo indica efectivamente es un cilindro que está fabricado de un metal barato, sin embargo debido a que en la inyección se generan elevados esfuerzos de corte es necesario recubrir internamente el cañón con un metal resistente. A lo largo del cañón por la parte externa se usan bandas de calentamiento o resistencias a lo largo del barril, estas se encuentran acomodadas procurando que estén lo más cercanas entre sí. El control de temperatura se lleva a cabo por un termopar que se encuentra en la pared del barril, en el área que se necesite controlar.

Tolva

Es un dispositivo que se encarga de almacenar los pellets que serán alimentados en el cilindro de calentamiento, típicamente están diseñadas para mantener dos horas de trabajo, esto, basándose en la cantidad de ciclos y en el peso promedio de las partes producidas por una máquina. Estas tolvas de almacenamiento/alimentación poseen  dentro de ellas un imán el cual tiene por objetivo atrapar cualquier metal que se encuentre presente en los pellets. Estas partículas metálicas pueden tapar la boquilla, o dañar el recubrimiento interno del barril así como la superficie del husillo.

Husillo o tornillo de inyección

Es una especie de tornillo que se coloca dentro del barril de calentamiento, dentro de las funciones que desempeña están; alimentar, mezclar, fundir, etc. Este tornillo cuenta con filamentos los cuales van transportando el material por arrastre y a la vez se va generando fricción entre el husillo y el material así como también entre el material y el barril. La fricción es creada por compresión debido a que hay una ligera separación entre los filamentos del tornillo y la pared del barril, este valor oscila entre 0.008 a 0.013 cm. Esta fricción aunada con la energía de las bandas de calentamiento son las causantes de la transición del material.

A esta compresión que ejerce el husillo y el barril se lo conoce como esfuerzo de corte, si es muy excesivo el esfuerzo de corte las cadenas de polímero se pueden romper y degradar el material es por eso que se usan las bandas de calentamiento, para no ejercer tanto esfuerzo de corte.

El tonillo de inyección puede ser diseñado en base a los requerimientos de cada material, pero podemos describirlo de manera general. Cuenta con tres zonas principales; Alimentación (solo transfiere los pellets a la siguiente zona el esfuerzo ejercido es mínimo), Transición (ocurre una transición de pellets a polímero fundido por un aumento en el esfuerzo de corte aplicado) y Dosificación (se rectifica la correcta fusión del material).

Un componente importante del husillo es la punta la cual debe ser diseñada en función del material que se desee inyectar, otra parte importante es la válvula anti retorno o válvula check. Esta válvula durante la plastificación del material permite el paso del polímero pero al momento de inyectar el plástico fundido se bloquea para evitar que el plástico se escape, de esta manera todo el material es empujado hacia adelante.

Partes principales del husillo.

Boquilla

La boquilla es la parte final de la unidad de inyección, y esta se une al bebedero del molde, y debe llevar una banda de calentamiento, su diseño depende del material a inyectar, esto porque hay materiales poco viscosos como el nylon, si usamos una boquilla estándar para inyectar nylon entonces este va a escurrir por la boquilla.

El mañana del moldeo por inyección

El proceso de inyección de plásticos está en constante cambio, para la evolución de este proceso podemos enfocar cuatro grandes áreas que provocaran grandes cambios en el moldeo por inyección.

Aspectos involucrados en la evolución del moldeo por inyección.

PROCESOS

La impresión en 3D puede ser considerada como la revolución del proceso de inyección tradicional de polímeros termoplásticos, con las ventajas como; Elevada producción,  se elimina la necesidad de un molde, menor requerimiento energético, sin embargo la orientación estructural del material (isotropía) que se genera en la impresión en 3D puede generar menor resistencia mecánica. Por otro lado, una evolución de la inyección tradicional, puede ser la manufactura de escritorio, en la que se pretende usar moldes con pocas cavidades en un área que sea comparable a la de un escritorio, con lo cual se reduce el costo por energía y puede permitir mayor flexibilidad en los planes de producción.

La maquinas inyectoras convencionales requieren de elevada cantidad de energía para fundir el plástico, para activar las bombas y motores así como para controlar la temperatura del molde. En este sentido algunas innovaciones que se han considerado son: incluir husillos que ayuden a fundir el plástico utilizando energía eléctrica, usar moldes aislantes así como barriles o cañones también aislantes.

MOLDES

La tendencia en la fabricación de los moldes para la inyección, es la fabricación utilizando nuevas aleaciones, aceros suaves, aluminio o bien plásticos, lo cual permite la construcción más rápida y más ligera.

MATERIALES

Los materiales poliméricos siempre están en constante cambio y desarrollo, por ejemplo: en el año de 1995 se tiene el registro que existían aproximadamente 18,000 materiales poliméricos diferentes, lo cual es resultado de la investigación y/o la combinación de materiales poliméricos existentes. Otro aspecto importante para los materiales plásticos, es el uso de material reciclado ya que esto ayuda a preservar el ambiente, además de que el precio de los productos puede ser menor.

CONCEPTOS DE NEGOCIOS

Recientemente las empresas apuestan por la capacitación  del recurso humano, ya que esto les permite a los trabajadores ser más autónomos, y más versátiles dentro de las operaciones de la planta. Hoy en día, para el caso de los polímeros ha aumentado la cantidad de cursos y especialidades.

Un aspecto importante para el desarrollo de las empresas es la formación de alianzas con empresas de otro sector, lo cual va a generar un tráfico de información y tecnología, que permitirá el crecimiento de ambas partes.

Intoroducción al moldeo por Inyección de Plásticos

El moldeo por inyección comenzó en 1872, cuando Hyatt y su hermano Isaiah patentaron la primera máquina de inyección con la intensión de moldear el celuloide. La máquina que estos dos hermanos desarrollaron funcionaba como una simple jeringa, la cual inyectaba el plástico fundido en el barril mediante una especie de embolo, en un molde.

Principio básico en el diseño de la primera maquina de inyección de plástico.

James Hendry marco una pauta muy importante en el moldeo por inyección ya que el en 1946 patento la primera máquina de inyección que tenía un husillo. Con esto desplazo al modelo de Hyatt y provoco un cambio de 360° en el moldeo por inyección.

Beneficios obtenidos con la introducción de un husillo en la máquina de inyección.

 La maquina de inyección puede ser dividida en cuatro zonas o unidades principales, tal como se puede ver en la siguiente imagen.

Bienvenida

Hola mi nombre es Fernando y he creado este blogg para aboradar los procesos de transformacion de plásticos ya que es un tema que me apasiona y del cual tengo conocimientos, los cuales espero transmitir y claro, también obtener una retroalimentacion para crear una ruta de aprendizaje en ambos sentidos.