PI-102 - PROCESO SINTÉTICO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICOS

Proceso de Moldeo por Inyección.

El moldeo por inyección ha sido una de las herramientas de fabricación más importantes para la industria del plástico desde que se patentó la máquina de tornillo reciprocante en 1956. Se utilizan en interiores de automóviles, coberturas de dispositivos electrónicos, artículos para el hogar, equipos médicos, discos compactos, juguetes, cajones, baldes, contenedores para alimentos, tapas de botellas, etc.

En el proceso de moldeo por inyección se funde el plástico en un sector de la máquina inyectora llamado unidad de plastificación y se utiliza el tornillo o husillo de la misma para inyectar el plástico en un molde donde se enfría. La velocidad de movimiento del fluido y su consistencia vinculada a la fluidéz del material a altas temperaturas (200 a 250°C), son elementos claves para que la operación de moldeo por inyección sea exitosa, ya que los márgenes de ganancia generalmente están por debajo del 10 por ciento de las ventas (utilidad neta).

Velocidad.

Un taller moldeador maximizará la producción al minimizar el tiempo del ciclo, que es la cantidad de tiempo necesario para fundir el plástico, inyectarlo en el molde, enfriarlo y extraer una pieza terminada.

Utilizar moldes más grandes para producir más de una pieza cada vez que la máquina realiza un ciclo también puede aumentar la producción. Estos moldes se conocen como moldes de cavidades múltiples.

Consistencia.

El procesamiento más consistente es el resultado de un control cuidadoso de la temperatura del plástico, presión del plástico a medida que llena el molde, la velocidad a la que el plástico llena el molde y las condiciones de enfriado. Estas cuatro variables primarias de moldeo son independientes y con frecuencia pueden utilizarse para comprender los cambios en el proceso y solucionar problemas. Si bien las variables se aplican a prácticamente todos los procesos de moldeo por inyección, el proceso será levemente distinto en cada negocio, según la aplicación, el plástico utilizado y las preferencias del moldeador.

Velocidad de llenado.

En las aplicaciones de paredes delgadas (menor a 2 mm de espesor), el material debe inyectarse en el molde tan rápido como sea posible para evitar que el plástico se endurezca antes de que la cavidad del molde se llene por completo. Por lo general, las más recientes tecnologías de resinas y maquinarias en el área se concentran en rellenos más rápidos y sencillos, en el órden de los 3 segundos de tiempo de llenado del molde para piezas entre 200 y 1000 gramos. En piezas más pequeñas, este tiempo puede llegar a menos de 1 segundo.

El moldeo de paredes delgadas se logra utilizando máquinas que pueden inyectar material en menos de 3 segundos y son lo suficientemente grandes como para soportar moldes de gran tamaño y múltiples cavidades.

Los moldes de cavidades múltiples, pueden tener por ejemplo una cadencia de 100 piezas por cada ciclo; un ciclo típico en el órden de los 45 segundos daría como resultado promedio una pieza cada 2,22 segundos; muy difícil de obtener por otros procesos industriales distintos al del moldeado por inyección.

Prensas inyectoras.

Los objetivos de las prensas inyectoras son:

Realizar el cierre del molde, y mantenerlo cerrado durante el proceso de inyección propiamente dicho, mediante cierres de accionamiento mecánico, hidráulico, eléctricos o mixtos. Además, plastificar el material e ingresarlo al molde a una presión de alrededor de 500 bar (kg/cm2).

La forma final de la pieza, y su estabilidad dimensional, se logra mediante la evacuación de calor a través de la circulación de agua en el molde durante un tiempo de molde cerrado llamado de mantenimiento de la presión.


Autor: Tec. Liliana Schabehorn
Fuente: Consultorìa Industrial en base a datos de P.Dow.

PI-101 - FLUJO DEL MATERIAL PLASTICO DENTRO DE LA CAVIDAD DEL MOLDE.

La viscosidad del polímero aumenta al enfriarse en contacto con las paredes del molde.

Los polímeros son materiales cuyas viscosidades son muy altas, por lo que su flujo es lento y complicado. La razón de esto es que son cadenas muy largas de unidades más simples (monómeros), a causa de lo cual los polímeros presentan una orientación con respecto al esfuerzo cortante al que han sido sometidos. En general, es conveniente eliminar lo más posible la orientación de las moléculas, propiedad que se contrapone a la rapidez de moldeo (y por tanto al costo). Sin embargo, si el estrés (estado de tensión interna) debido a una orientación extremadamente alta no se libera, la pieza se deformará al enfriarse o al calentar el material en su aplicación.

El polímero entra en el molde y se va acumulando desde el punto de entrada, arrastrándose por las paredes y empujando el polímero en el centro. Cuando este toca las paredes del molde, comienza a enfriarse y solidificarse. Esto ocurre con cierta baja orientación, pero cuando se va llenando la cavidad en capas posteriores lejanas a la pared del molde, la orientación se incrementa y un inadecuado enfriamiento congela los estreses generados, siguiendo un perfil de velocidades semejante al del flujo parabólico en un tubo.

El flujo de un polímero a través de una cavidad rectangular se puede estudiar utilizando condiciones isotérmicas, o con el molde a temperaturas menores que la Tg (temperatura de transición vítrea) del polímero a estudiar. Para los experimentos en condiciones isotérmicas, se observa que el tipo de polímero no modifica el flujo, que mantiene un perfil de velocidades constante, con un flujo radial después de la compuerta (punto de inyección) hasta llenar las esquinas. Después, el flujo se aproxima a un flujo tapón, perdiendo movilidad en las zonas de contacto con la pared fría.

El flujo de cada polímero es estudiado por la reología, y hoy existen paquetes interesantes de software informático para simular todos los aspectos reológicos de la inyección de plásticos.

Una aproximación al estudio del flujo de polímeros en el llenado de un molde es la ecuación de Hagen y Poiseuille, la cual considera parámetros en el régimen laminar. Esta ecuación, despejada para la viscosidad del material es:

(ver fòrmula en la parte superior / imágen)


Donde: η = Viscosidad
r = Radio del tubo o canal
ΔP = Caída de presión
L = Longitud del tubo
Q = Flujo volumétrico
τ = Esfuerzo cortante
Gama-punto= Velocidad de corte


Para el diseño de los canales en el molde, se observa de la ecuación anterior que la velocidad de corte y la viscosidad se ven afectadas por el diseño del radio del canal. Si el flujo volumétrico y la caída de presión se mantienen constantes, en condiciones isotérmicas entre los ciclos de moldeo, la viscosidad permanece constante y por lo tanto se espera que la calidad de la pieza moldeada sea constante.

En la práctica, los ingenieros toman en cuenta que los polímeros son fluidos no newtonianos (particularmente. son materiales viscoelásticos). Por lo tanto, se deberán hacer correcciones a la fórmula anterior dependiendo de para qué plástico se realizará el molde. También se utilizan "curvas de viscosidad", que grafican η frente a gama-punto (velocidad de corte).

Un parámetro importante en el flujo incluye la temperatura; otra buena aproximación a polímeros obedece a la ecuación de Arrhenius.


Autor: Ing. Elvio González
Fuente: Consultoría Industrial en base a datos de Morton Jones.

DP-101 - EL DISEÑO PLURIDISCIPLINARIO DEL PRODUCTO TERMOPLÁSTICO INYECTADO

He visitado algunos paises latinoamericanos y europeos, y al igual que en Argentina, es común observar la presencia de empresas altamente especializadas y equipadas para abordar el diseño computacional de un producto termoplástico inyectado.

Básicamente es lo que conocemos como arquitectura de producto bajo algún software tipo C.A.D. (Diseño Asistido por Computadora).

Obtenido el modelo bajo C.A.D., ¿está todo dicho respecto al diseño de producto? ¿Transfiero la definición numérica o matemática del producto al constructor de la matríz (molde)? ¿Contacto en este momento a la empresa que realizará la inyección del termoplástico en el futuro molde, o espero para un tiempo más adelante?. Parecen preguntas ingenuas desde el punto de vista de un profesional idóneo que se dedica a la inyección de polímeros temoplásticos; pero no tanto si consideramos que "diseñar" una pieza que será moldeada por el proceso de inyección no deberá generarse solamente desde una oficina cerrada con las mejores condiciones ambientales. Será necesario vincularnos en forma anticipada a todos los proveedores que trabajaran sobre el diseño de producto concebido.

Esto no quiere decir que el diseñador de producto no vaya a tener en cuenta "muchos" factores que interactuarán directamente en el proceso y por lo tanto sobre la "buena salud" del producto, es decir su correcto nivel de calidad, sino más bien que el diseñador de producto no tendrá en cuenta "la mayoría" de los factores críticos que interactuarán durante la etapa de diseño. Será necesario crear un equipo de trabajo pluridisciplinario para llegar a buen puerto en la calidad final de producto inyectado.

Este equipo pluridiciplinario, normalmente está constituído por los siguientes actores:

- Diseñador industrial de producto.
- Representante del vendedor del polímero termoplástico.
- Diseñador de molde o matríz.
- Constructor de molde o matríz.
- Representante de la empresa inyectora.

Por ejemplo, existen piezas tipo cobertores o tapas, inyectadas con materiales de mediana estabilidad dimensional como los polipropilenos con 20 a 40% de talco (carga), de bajo costo, donde las características principales de calidad son evidentemente sus cotas dimensionales, tales como agujeros de ciertos diámetros, donde es fundamental mantener perfectamente las distancias de los "entrecentros". El diseñador de producto puede desconocer o mal fijar las tolerancias del producto vinculadas no solo a la funcionalidad del mismo (tolerancias de ajuste), sino a las tolerancias necesarias para obtener las cotas finales después del moldeo por inyección.

En este punto es fundamental dominar la contracción volumétrica del producto, y más aún la influencia de la contracción vinculadas a la cantidad de puntos de inyección en el molde y el sentido del flujo dentro de la cavidad del mismo. Esto sería sumamente crítico y quizás lamentable si no se tomaron todas las previsiones del caso.

Si estuviera mal conceptualizado el producto desde el punto de vista de la fijación de las tolerancias constructivas (recordemos que estamos hablando de polímeros termoplásticos conformados), el producto arrastraría defectos contructivos al molde, y quien sufriría todas las consecuencias de un mal diseño de producto sería realmente el inyector en la planta procesadora.

Desde el punto de vista de estabilidad dimensional, si el inyector posee los conocimientos técnicos y la experiencia necesaria, puede dominarse la contracción volumétrica alterando estratégicamente parámetros del proceso de inyección tales como temperatura de inyección, temperatura de molde, presión de inyección, presión y tiempo de mantenimiento, tiempo de molde cerrado, etc. Pero todo tiene un límite. El inyector podrá corregir desde el proceso errores provenientes del diseño del producto, pero algo que no podrá corregir será la "inestabilidad del proceso", es decir lograr piezas de características "repetitivas" para diferentes lotes productivos del mismo diseño. Estos son los casos típicos de pérdida del dominio del proceso por inestabilidad dimensional de la pieza.

Por lo tanto, es clave conceptualizar el diseño de producto interactuando con los distintos actores cada uno dentro de su especialidad (diseñador, herramentista, inyector, etc.). En este sentido, recomendamos a nuestros clientes que disponga de un líder o "coordinador piloto" del proyecto que pueda hacer "pivotear" todos los temas vinculados al diseño de producto alrededor de las especialidades que hemos mencionado. Este coordinador piloto tendrá conocimientos firmes sobre selección de polímeros temoplásticos según la aplicación industrial, diseño de producto, construcción de moldes e inyección.

No debemos confundir entonces que la etapa de diseño está finalizada con la arquitectura C.A.D. Menos aún, creer que dicha etapa se mejora solamente con sumarle al diseño C.A.D. la simulación reológica de las condiciones de molde con algún software específico con nombres comerciales tipo xxxxx-flow, etc.

Los simuladores de flujo reológico, los cuales nos permiten simular parámetros y condiciones de moldeo, dependen de un software al cual hay que "cargarle (load)" información técnica confiable. No podríamos decidir que el diseño de un producto es el correcto si se dán las siguientes condiciones: la arquitectura C.A.D. nos satisface desde el punto de vista de la estética del producto, el simulador reológico de flujo nos indica un molde balanceado desde el punto de vista del llenado de material, distribución de presiones y temperaturas, líneas de soldadura, etc. Queda un punto importante: aplicar cien por ciento la experiencia sobre productos similares que ocasionaron problemas de calidad durante su inyección en la planta productora.

Concluyo diciendo que el diseño de producto termoplástico inyectado no es tarea fácil.

Orientamos esta etapa de gestión de proyecto a que la misma sea pluridisciplinaria y participativa. En este modelo el diseñador industrial deja su oficina técnica para interactuar con cada uno de los especialistas y lograr un diseño coherente con el proceso de inyección. Es por esto que actualmente los diseñadores están capacitándose sobre temas vinculados al diseño de moldes y el proceso de inyección (incluso parametría) a los efectos de completar su formación académica y poder así evitar los problemas planteados vinculados a un diseño erróneo.


Autor: Ing. Elvio González
Fuente: Consultoría Industrial en base a datos propios.

PI-100 - ¿POR QUÉ ELEGIR EL PROCESO DE INYECCIÓN PARA TRANSFORMAR UN POLÍMERO TERMOPLÁSTICO?

Es notable la sorpresa que nos causa observar la gran cantidad de artículos de material plástico, técnicamente llamados polímeros, que coexisten en el ámbito diario donde vivimos (nuestro hogar), donde trabajamos, etc.

Dentro de esa inmensa gama de productos de material "plástico", ¿cuáles son los procesos industriales que fueron seleccionados para su fabricación?. Observaremos que la gran mayoría fueron obtenidos por el proceso denominado "inyección en sistema molde-prensa".

Efectivamente, el proceso de inyección de termoplásticos en sistema molde-prensa, tiene los siguientes beneficios:

- Cubre la inmensa gama de piezas de amplia superficie expuesta o "vista" por el usuario.
- Cubre la amplia gama de productos con espesores constantes en el órden de los 0,5 a 6 mm. difíciles de obtener por otros procesos industriales.
- Apto perfectamente para altas cadencias de producción (altos volúmenes de venta anuales).
- Bajo costo de producción por unidad de producto.

Tomando como base lo anterior, ¿cuál será el costo-costo (sin márgen de utilidad) llamado también "costo de venta" por unidad de producto para algunas de las piezas que podemos observar en nuestra vida diaria? También nos sorprende decir que dicho costo puede oscilar entre U$S 0,2 y U$S 15 por pieza (recordemos sin el márgen de utilidad aplicado). Raramente tendremos costos de fabricación totales en el órden de los U$S 30 por pieza, ya que en este caso siempre existirá un proceso alternativo al de inyección a un costo mucho menor (por ejemplo el moldeo por compresión).

De acuerdo, si esos son los costos típicos y de amplio espectro de un proceso de inyección de polímeros, entonces ¿dónde está el principal impacto de ese costo a los efectos de optar por este proceso si estuviera en la situación de un diseñador de producto? pues bien, la respuesta es que aproximadamente el 40 al 60% del costo total de producción corresponde al impacto de la materia prima (polímero) utilizado. Esto quiere decir que el resto del costo total de producción (40 al 60% del resto del costo analizado) corresponde a la mano de obra directa (MOD), costo de operación de máquina / prensa inyectora, costo de estructura de empresa y el prorrateo de embalaje, transporte e investigación y desarrollo.

Evidentemente, el producto termoplástico inyectado es altamente competitivo dentro del mercado de otros procesos tecnológicos equivalentes para procesar polímeros. Además muy coherente con la tendencia actual de sustitución de piezas metálicas por termoplásticas en el campo de los cobertores (tapas, etc.).

Básicamente el proceso de inyección de polímeros, consta de las siguientes etapas:
- Precalentar o secar el polímero (materia prima) en su estado sólido pelletizado (en forma de granza) por ejemplo a 80 grados centígrados.
- Plastificar el polímero en una prensa inyectora, por ejemplo a 250 grados centígrados.
- Inyectar, mediante la prensa, al polímero fundido en un molde, normalmente de acero o aluminio. Esta etapa se realiza a muy alta presión sobre el material, en el órden de los 500 a 1200 bar (50 a 120 Megapascales). El molde en esta fase se encuentra cerrado, soportando la aplicación de la "fuerza de cierre" de la prensa inyectora.
- Abrir el molde y expulsar la pieza conformada.

Luego de seleccionar el proceso de inyección para su producto, el diseñador comenzará a planificar la gestión del proyecto en su totalidad. Típicamente un modelo de gestión de proyecto abarca las siguientes especialidades:
- Creación de la "Definición numérica" de la pieza bajo sistemas CAD, especialmente en 3 dimensiones para piezas "alabeadas" con curvas en el espacio.
- Generación de planos.
- Análisis de riesgo producto-proceso, mediante uso de AMFE (Análisis de Método de Falla y sus Efectos).
- Diseño y construcción de molde (matríz).
- Selección y compra o alquiler de prensa inyectora.
- Capacitación del personal sobre producto y proceso.
- Primera puesta a punto o try out.
- Generación de documentación para el cliente.
- Producción de primeras muestras para ser aprobadas por el cliente.
- Producción de primeras series.
- Producción de series definitivas.
- Implementación del control estadístico de proceso.
- Seguimiento de vida serie de producto.
- Con la experiencia obtenida, lograr transversalización de conocimientos a aplicar en productos futuros similares.


Autora: Tec. Liliana Schabehorn Segura
Fuente: Consultoría Industrial en base a datos propios.

DP-100- TENDENCIAS DE DISEÑO EN PRODUCTOS TERMOPLÁSTICOS INYECTADOS

Los diseñadores industriales juegan un gran papel dentro de la selección de materiales plásticos.

En particular pueden existir tendencias a generar "sensaciones" en los productos para los consumidores, alejando al plástico de su apariencia original.

Será interesante observar las tendencias de los próximos años con respecto a la utilización de materiales plásticos en los productos de consumo.

Los industriales del plástico, no estamos acostumbrados, y en ciertos casos nos parece extraño, escuchar a los diseñadores definir tendencias de su medio vinculadas a la necesidad de cambio de las prácticas actuales.

Detrás de la decisión de un diseñador, existen muchos factores que determinan las tendencias que se utilizan, por ejemplo los desarrollos tecnológicos y el aumento de la cultura del consumo. Estas tendencias, según el rubro, han descendido de 10 años en promedio a 2 años en la actualidad, lo que llamamos el ciclo de vida de la tendencia.

El diseñador, en su descripción de la tendencia, puede apelar a las emociones de las personas que conviven con los productos que compra, los cuales observa en su hogar, oficina, etc. Se pretendería crear una cultura de innovación como tendencia industrial y social, dejando atrás a los fuertes conceptos tradicionales de ventas y finanzas puras.

Si se busca el efecto estético sobre el producto plástico, y la economía de producción, los diseñadores han tomado el buen camino de los polímeros termoplásticos obtenidos por el proceso de inyección.

Si el diseñador industrial interactúa hoy con el ingeniero especialista en materias primas plásticas y con el ingeniero inyector, se generarán escenarios de encuentro donde se optimicen criterios de diseño y de fabricación, incluso de herramentales (moldes).

Es conocido el efecto clásico de un polímero termoplástico inyectado, cual es obtener el producto liso o texturizado, brillante u opaco, por ejemplo. Actualmente los diseñadores industriales tratan de hacernos incursionar en el campo de polímeros que "imiten" efectos que otros productos poseen a un costo de obtención muchísimo mayor, por ejemplo generar elementos con aspecto de joyas, brillo y lúz de color, y polímeros sensibles al calor que cambien de tonalidad.

En esta situación nos estaríamos alejando de la apariencia tradicional de un plástico, buscando la imitación de otros materiales (vidrio, madera, caucho, etc.).

Esto que proponen los diseñadores, ¿es tán importante?. Por supuesto que si, si observamos ciertos estudios donde nos indican que el 70% de las decisiones de compra se toman en el punto de venta, es decir, las personas se guían en gran manera por lo que ven, en el momento en que lo ven.

¿Cómo reflexionamos si un diseñador experimentado nos indica que el próximo año la tendencia que aumentaría nuestras ventas, serán los productos que imiten lo "metalizado", con efectos de brillo y "perlado", a su vez con patrones de textura y color diferentes a los conocidos actualmente?.

Esto exige una industria de inyección muy bien equipada no solo en materias primas termoplásticas, sino en capacidades de máquina, tales como procesos de co-inyección, cromado (metalizado), pintura especial, etc. y con equipos de muy alta cadencia a los efectos de disminuír los costos operativos.

Es necesario, por lo tanto, que los diseñadores hoy interactúen laboralmente con los ingenieros en materiales y en procesos (incluso herramentales), a los efectos de captar esta nueva tendencia que observamos. A su vez que los diseñadores obtengan la formación necesaria para poder gestionar proyectos tan importantes e impactantes como lo demandan las nuevas tendencias mencionadas.

Autor: Ing. Elvio González
Fuente: Consultoría Industrial en base a datos propios.