Moldeo de polímeros, Máquinas para la producción de polímeros y sus subproductos, Manufactura con materiales compuestos- ADOLFO ANGEL MONTES GUZMAN
En forma general los procesos de transformación de los polímeros son los que participan en la conversión de los gránulos o polvos a productos de uso práctico. Hay varios procesos de transformación, aquí en Todo en Polímeros hemos decidido dividirlos en proceso de moldeo para los procesos que requieren un molde o proceso de extrusión para los que requieren un dado y el proceso es continuo.
Existen diferentes procesos de transformación por moldeo, aquí hablaremos de los más utilizados o comunes:
Moldeo por Inyección
Co-Inyección y Bi-Inyección
Sobre moldeo
Moldeo por Compresión
Moldeo Rotacional o Roto moldeo
Moldeo por Inyección
El moldeo por inyección es un proceso de fabricación para la producción de piezas mediante la inyección de material en un molde.
La resina en forma de gránulos se alimenta por medio de una tolva a un cilindro (cañón) calentado con un tornillo (husillo) interno que funde y plastifica el plástico por medio de calor y fricción para luego inyectarlo a presión en las cavidades de un molde, donde se enfría y se solidifica a la configuración de las cavidades del molde.
El moldeo por inyección consiste en la inyección de alta presión de la materia prima en un molde que da forma el polímero en la forma deseada. Los moldes pueden ser de una sola cavidad o múltiples cavidades. En moldes de cavidades múltiples, cada cavidad de preferencia debe ser idéntica para que esté balanceado pero también los hay con múltiples geometrías para formar un set durante un solo ciclo. Los moldes se hacen generalmente de aceros para herramientas, pero los aceros inoxidables y moldes de aluminio son adecuados para ciertas aplicaciones.
Cuando se moldean termoplásticos, la materia prima en forma de gránulos se alimenta a través de una tolva a un cilindro o cañón calentado con un tornillo rotatorio interno. A la entrada al cañón la energía calorífica aumenta fundiendo la resina disminuyendo su viscosidad y permitiendo que el polímero fluya con la fuerza y movimiento de la unidad de inyección. El tornillo manda el material hacia adelante homogenizando tanto su viscosidad como su temperatura y reduce su tiempo de calentamiento con la fricción mecánica del tornillo sumando calentamiento por fricción al polímero.
Por rotación del tornillo el material fundido se mueve hacia adelante y se acumula en la parte delantera del tornillo por medio de una válvula check en un volumen conocido como un disparo. Un disparo es el volumen de material que se utiliza para llenar la cavidad del molde, compensar la contracción y proporcionar un colchón para transferir la presión desde el tornillo a la cavidad del molde. Cuando se ha reunido suficiente material, éste es forzado a alta presión y velocidad en la cavidad para formar una pieza.
El colchón es de aproximadamente 10% del volumen total de disparo y permanece en el cañón al término del disparo para evitar que el tornillo pegue con el frente del cañón.
Co-Inyección y Bi-Inyección
El moldeo por co-inyección es un proceso en el que dos o más polímeros diferentes se laminan juntos mediante moldeo por inyección. Estos polímeros pueden ser idénticos, excepto por el color o la dureza, o pueden ser de diferentes tipos de polímeros. Cuando se utilizan polímeros diferentes, estos deben ser compatibles (soldarse) y se fundir aproximadamente a la misma temperatura.
El término co-inyección puede denotar diferentes procesos, como la formación de un sándwich, la inyección de doble tiro, la inyección de multiples tiros o la formación de espuma estructural. Cualquiera que sea su nombre, una configuración en sándwich se ha hecho en la que dos o más materiales termoplásticos son laminados juntos para aprovechar que las diferentes propiedades de cada uno contribuyan a la estructura. Comúnmente, el material externo es sólido, mientras que el material interno es espumado. Sin embargo, cualquier combinación de material externo e interno espumado o no espumado es posible. Para piezas de pared gruesa, el tiempo de enfriamiento puede reducirse sustancialmente corriendo el material exterior a mayor temperatura para una superficie lisa y el material interno, que esencialmente determina el tiempo de ciclo, a una temperatura inferior.
El moldeo por co-inyección puede utilizar 1, 2 o 3 canales. En el sistema de un solo canal, los plásticos fundidos son inyectados secuencialmente en de molde cambiando la válvula. Debido a las características de flujo de la masa fundida y a la tendencia del material exterior de adherirse a una superficie más fría del molde, se forma una piel sólida densa. El espesor de la piel puede ser controlada variando la velocidad de inyección, temperatura de fusión y la compatibilidad del flujo de los materiales.
En el sistema de 2 canales, es posible la inyección secuencial o simultánea del material externo y los materiales internos. Esto permite el control del espesor del material exterior, especialmente en los puntos de inyección en ambos lados de la pieza. En este tipo de moldeo, es mejor si se perfila el llenado de la cavidad. El perfilar la velocidad de la inyección permite un mayor control del aspecto de la superficie.
El sistema de 3 canales permite la inyección simultánea con un punto de inyección directo en el bebedero . El espesor del material exterior puede ser influenciada en ambos lados de la pieza. Con este sistema, el material interno espumado avanza más hacia el final del canal del flujo que la de las técnicas de 1 y 2 canales. La pieza puede diseñada para ser más ligera en peso.
La bi-inyección es la variante más sencilla de moldeo por inyección de dos componentes desde el punto de vista de la máquina y el molde en la que la cavidad se llena simultáneamente con los dos componentes distintos que proceden de dos puntos diferentes de inyección. La problemática de esta técnica es que al inyectar dos componentes distintos la línea de soldadura, que se produce por el encuentro de dichos componentes, queda un poco descontrolada.
La posición de la línea entre los colores puede definirse ajustando las velocidades de inyección.
Es el moldeo por inyección donde un material que se inyecta sobre una pieza o inserto del mismo u otro material.
El moldeo en 2 pasos es un tipo de sobre-moldeo en donde el inserto está hecho del mismo material. La segunda inyección puede cubrir todo el inserto o sólo ir en un par de superficies seleccionadas.
El sobre-moldeo puede darse en la misma máquina con un carrusel giratorio o en una segunda máquina.
Dos procesos de moldeo por inyección dominan la fabricación de productos sobre-moldeados: sobre-moldeo de inserto y moldeo multi-disparo.
El proceso más ampliamente usado es el sobre-moldeo de inserto, en donde un inserto previamente moldeado se coloca en un molde y una resina es inyectada directamente sobre él. Para los moldeadores, la ventaja de sobre-moldeo de inserto es que las pueden utilizar las máquinas convencionales, y los costos de los herramentales asociados con el sobre-moldeo de inserto son menores que un moldeo multi-disparo. El moldeo multi-disparo o moldeo múltiple, también conocido como de moldeo de dos disparos, requiere de una máquina de moldeo especial o adaptada con dos o más cañones, permitiendo que dos o más materiales puedan ser inyectados en el mismo molde durante el mismo ciclo de moldeo. El moldeador puede seleccionar el moldeo multi-disparo para reducir tiempos de ciclo y lograr mayor calidad a la vez que reduce costos de producción.
En sobre-moldeo de inserto, el inserto o preforma deberá ser colocado en el molde de manera manual o por medio de un robot antes de cada tiro.
El sobre-moldeo permite producir una buena variedad de productos, incluyendo ensambles en el mismo molde. Muchas veces se utiliza para ofrecer acabado suave al tacto “soft-touch” sobre una carcasa rígida. Ejemplos de estas aplicaciones son herramentales, cepillos, electrodomésticos, plumas, etc.
Moldeo por Compresión
El moldeo por compresión es un proceso de formado de piezas en el que el polímero, en polvo o masilla, es introducido en un molde abierto y caliente al que luego se le aplica presión para que el material adopte la forma del molde y con el calor reticule.
El molde se cierra aplicando fuerza por la parte de arriba, se aplica presión para forzar el material a estar en contacto con todas las áreas del molde, mientras que el calor y la presión se mantienen hasta que la resina se ha curado (reticulado).
Aunque el moldeo por compresión se puede utilizar tanto para resinas termofijas como termoplásticas, hoy en día casi todas las aplicaciones son con resinas termofijas y para algunos compuestos avanzados con resinas termoplásticas. En este caso el material no reticula sino que adopta una forma fija gracias a la orientación de las cadenas moleculares durante la compresión.
En algunos casos la reticulación de los termofijos puede ser acelerada añadiendo un catalizador o agente reticulador.
El proceso emplea resinas termofijas en un estado parcialmente curado, ya sea en forma de gránulos, masillas o preformas.
La ventaja del moldeo por compresión es su capacidad para moldear piezas grandes con diseños complejos. También, es uno de los métodos de moldeo de más bajo costo en comparación con otros métodos tales como moldeo por transferencia y moldeo por inyección.
Adicionalmente desperdicia relativamente poco material, dándole una ventaja cuando se trabaja con compuestos costosos. Sin embargo, el moldeo por compresión a menudo proporciona pobre consistencia del producto y dificultad para controlar la rebaba (flash) y no es adecuado para cierto tipo de piezas.
El moldeo por compresión también es adecuado para producciones masivas de piezas básicas en tamaños mayores a los de extrusión. Los materiales más utilizados en moldeo por compresión son: sistemas de poliéster con fibra de vidrio, Torlon, Vespel, polifenilesulfona (PPS) y poliéter-ester cetonas (PEEK).
Moldeo Rotacional
El Moldeo Rotacional o Rotomoldeo es un proceso para resinas termoplásticas para producir partes huecas que consiste en un molde hueco y caliente que se llena con una carga o peso de material en polvo o líquido que posteriormente se le hace girar lentamente (por lo general en torno a dos ejes perpendiculares) en un horno haciendo que el material reblandecido se disperse y se adhiera a las paredes del molde. A fin de mantener un espesor uniforme en toda la parte, el molde continúa girando en todo momento durante la fase de calentamiento y para evitar que se hunda o deforme también gira durante la fase de enfriamiento. El proceso es lento y restringido a un pequeño número de los plásticos.
En resumen el moldeo rotacional consiste de 4 pasos:
- Llenado del Molde
- Calentamiento del molde durante su rotación
- Enfriamiento del molde durante su rotación (solidificación de resina)
- Remoción de la pieza del molde
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Plástico: material versátil
Ya sea blando, duro, rígido, elástico, resistente al calor o a los golpes: el plástico se encuentra entre los materiales más versátiles y transformables del mundo. Gracias a sus características técnicas, permite producir moldes, productos semiacabados, fibras o láminas. Estos se utilizan en distintos ámbitos, por ejemplo, en la industria del embalaje, la tecnología sanitaria, el sector textil, la construcción, la industria química, la fabricación de vehículos y muchos otros.
Las características
En función de sus características, el plástico se divide en tres grupos: Las botellas de PET, por ejemplo, se incluyen en los termoplásticos. Estas se pueden fundir varias veces y se pueden reutilizar. Por el contrario, los elastómeros son plásticos maleables por deformación elástica y se encuentran, por ejemplo, en las cintas elásticas, los neumáticos y las juntas tóricas. El tercer grupo son los plásticos termoestables. Este tipo es especialmente duradero, pero no reciclable; por ejemplo, piezas de carrocería, mangos de sartenes, etc.
Fabricación eficiente
Mecanizado de plásticos. Las máquinas para plásticos deben producir de manera energéticamente eficiente, con alta productividad y cuidando los recursos. Es importante una alta precisión del proceso, ya que cada pieza de plástico tiene que ser idéntica en forma y tamaño. Por ello, para resultados óptimos se requieren soluciones de accionamiento y automatización energéticamente eficientes y de bajo mantenimiento.
Manufactura con materiales compuestos
Los materiales compuestos de matriz polimérica son más ligeros que las materias primas tradicionales (aceros e incluso aluminios), pueden ofrecer propiedades mecánicas superiores y excelente resistencia al medio en el que debe realizar su función. El proceso de diseño y fabricación de productos con materiales compuestos consta de cinco etapas que requieren conocer con detalle las propiedades de las materias primas y las particularidades del proceso de fabricación seleccionado.
Considerar dónde está el valor añadido del nuevo producto: resistencia mecánica, química, peso, precio, diseño, etc. Es fundamental definir el valor añadido del nuevo producto antes de abordar la siguiente etapa.
Diseño conceptual: conociendo las propiedades de las diferentes materias primas disponibles y las formas que pueden lograrse con los procesos de transformación existentes, deberá realizarse un diseño conceptual basado en la posibilidad de fabricación del mismo.
Diseño de detalle: es el momento de considerar todas las especificaciones del producto y llegar a un diseño concreto, con tamaños y espesores determinados y con componentes perfectamente identificados.
Desarrollo de útiles de fabricación: en función del proceso de transformación seleccionado será necesario diseñar unos útiles concretos. En ciertos casos también es posible reproducir numéricamente el proceso de transformación, por ejemplo simulando cómo la resina va a fluir por la cavidad del molde impregnando el refuerzo, lo que permite el diseño óptimo de este último.
Validación: la última etapa consiste en la validación de las primeras piezas obtenidas, asegurando el cumplimiento de las especificaciones para las que fueron diseñadas.
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