Procesos de fabricación: moldeado de plástico

Arquitectura. Barriles de extrusión. Canales. Tornillos. Zonas acanaladas. Resinas. Transferencia. Inyección. Compresión

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MOLDEADO DE PLASTICO POR EXTRUSIÓN

Los barriles de extrusión con zona de alimentación acanalada ofrecen, con muchas resinas, productividades que son entre 20 y 40% más altas, por cada revolución, que las que se pueden obtener en un barril del mismo diámetro pero con superficie interior lisa. Una sección de alimentación acanalada mejora el transporte de los sólidos e incrementa la función de bomba de los extrusores, aumentando la productividad a una tasa de velocidad dada, en rpm, y reduciendo la cantidad de energía aplicada al polímero; en consecuencia, se reduce también la temperatura de procesamiento de la resina. Se ha visto que se puede neutralizar la acción de la sección acanalada calentando los canales para que actúen con la versatilidad de una pared lisa.

Procesos de fabricación: moldeado de plástico
La sección de alimentación de un extrusor de 3.5 pulgadas de diámetro puede contener desde ocho hasta 18 canales distribuidos uniformemente alrededor del barril en la zona de alimentación. En general, las resinas de mayor viscosidad, como el HMW-HDPE o polipropileno se benefician cuando el número de canales es mayor. Cuando la resina tiene una viscosidad baja, es preferible contar con un número reducido de canales. Si se emplean demasiados canales, la resina puede ser alimentada a una velocidad tan alta hacia la zona de compresión que se pueden presentar ineficiencias en el proceso de fundición de la resina y problemas de mezclado de la misma.

Típicamente, los canales tienen un ancho de 0,15 a 0,3 pulgadas y su profundidad aumenta hacia la parte de atrás de la zona de alimentación. En un comienzo la profundidad de los canales es de 0,12 a 0,37 pulgadas y se inclinan hasta llegar una profundidad de cero en una distancia de tres a cuatro diámetros después de haber pasado aguas abajo por la boca de alimentación de la extrusora. Los canales se fabrican paralelamente al eje de los tornillos.

Las secciones de alimentación están diseñadas con camisas de agua de enfriamiento para proporcionar un flujo intenso de agua alrededor de la abertura de alimentación y se extiende hacia la sección acanalada. Esto previene que la resina se funda en los canales. Por el contrario, para reducir la acción de alimentación forzada de los canales y disminuir la función de bombeo del extrusor para materiales como el nylon o policarbonato, se puede aplicar calor (de 90 a 150 C) en los canales. Esto inicia la fundición de la resina y evita un aumento peligroso de la presión hacia el final de los canales.

Selección de tornillos para operar con las zonas acanaladas.

Los canales largos siempre se endurecen mediante la nitruración del barril o, si se deben procesar resinas más abrasivas, recubriéndolos con carburo de tungsteno. Las secciones de canales más cortos normalmente no se endurecen. Los tornillos se endurecen frecuentemente con el mismo material usado en los canales para tener compatibilidad y desgaste homogéneo.

No es común el cambiar la manga acanalada para procesar diferentes tipos de resinas. La manga se reemplaza únicamente debido al desgaste, por ejemplo, cada cinco o diez años. Por supuesto, el tornillo se puede cambiar para manipular diferentes tipos de resinas con el mismo sistema acanalado en la zona de alimentación.

La escogencia del material de endurecimiento depende no solamente de la abrasividad del polímero que se procesa, sino también de la profundidad de los canales del tornillo al inicio de la zona de alimentación. Los tornillos para barriles con zonas de alimentación acanaladas de hoy tienen canales relativamente poco profundos en la zona de alimentación, para proporcionar más eficiencia en la alimentación. En un tornillo de 3.5 pulgadas, los canales con una sección de alimentación acanalada, tienen una profundidad que varía entre 0,25 y 0,4 pulgadas, la mitad de la profundidad de los canales de un tornillo para barriles de pared lisa (0,6 a 0,7 pulgadas). Los tornillos de canales menos profundos para barriles acanalados en la zona de alimentación mantienen una altura baja de cama de resina sólida y una fuerza de avance alta hacia adelante. Este efecto eleva la presión a un nivel suficiente para alcanzar la compresión necesaria en la zona de calentamiento del extrusor.

Los extrusores muy pequeños (de una pulgada y menores) frecuentemente requieren la ayuda de canales en la zona de transportes de sólidos debido a que el tamaño de los gránulos es grande comparado con la profundidad de los tornillos. La resistencia mecánica de la sección de alimentación acanalada debe ser lo suficientemente alta para manejar presiones altas en los arranques o con ciertos polímeros. Las presiones al final de las secciones acanaladas pueden llegar a ser del orden de 15.000 a 20.000 psi. De tal manera que el equipo debe ser diseñado para soportar presiones hasta de 30.000 psi, aunque los diseños actuales tienden a mantener la presión por debajo de 10.000 psi.

Los extrusores con zona de alimentación acanalada ofrecen una productividad mayor por rpm y, por lo tanto, requieren una caja de engranajes de reducción más grande que los extrusores de pared lisa, de diámetro similar. También consumen más torque en los arranques.

La presión al final de la sección de alimentación acanalada es con frecuencia mayor que la que se tiene en el dado; por lo tanto, el desempeño del tornillo no es sensible a las variaciones de presión en el dado, de la misma manera que lo es en extrusores con barril liso. Los extrusores de pared lisa operan con presiones en el dado de 3.000 a 4.000 psi y en ellos se debe elevar la velocidad de rotación de los tornillos para mantener la misma tasa de producción que tienen cuando la presión del dado es menor. La energía para presurizar la resina fundida, sumada a la energía debida a la mayor velocidad del tornillo en un barril de pared lisa, dificultan el proceso en la medida en que se elevan la temperatura y la presión de la resina fundida.

Resinas adecuadas para extrusores de zona de alimentación acanalada

Las poliolefinas son los polímeros que más éxito han tenido en los procesos de extrusión con zonas de alimentación acanaladas y enfriadas.

Los procesadores que tienen la mayor oportunidad de beneficiarse de los extrusores con zona de alimentación acanalada son aquellos que manejan una o dos resinas con altas tasas de productividad. Ejemplos de esto son las líneas operando con polietilenos y polipropilenos de alta viscosidad para la fabricación de tubería, láminas, película soplada y moldeo por soplado. Los materiales con puntos de fundición altos y de mayor cristalinidad no se procesan con tanta facilidad en los extrusores con zonas de alimentación acanaladas. Sus compresibilidades y sus características de fundición son diferentes a las encontradas en las poliolefinas tradicionales. Para procesarlos en condiciones de seguridad, se debe reducir la eficiencia de la zona de alimentación, para proteger el barril y la sección acanalada de los incrementos tan altos de la presión.

Los extrusores con zonas de alimentación acanaladas tienen un mejor desempeño si la resina se preenfría. Cuando se adicionan colores en forma de concentrados hay necesidad de lograr un mayor nivel de mezclado en el tornillo y por lo tanto se debe recurrir a temperaturas mayores de operación, lo cual va en contravía de los beneficios que se pueden lograr de las zonas de alimentación acanaladas.

Los tornillos de barril liso ofrecen un mejor desempeño con las resinas de alto punto de fusión como el nylon, PET, policarbonato y fluoropolímeros. Si estos materiales deben ser procesados en una máquina con canales en la zona de alimentación del barril, los canales deben ser calentados. Esto reduce la eficiencia en la alimentación porque permite un grado de fundición de la resina en los mismos. También, los tornillos con canales más profundos en la zona de alimentación pueden ser usados para reducir la tendencia a sobrealimentar el extrusor.

Los extrusores con venteo no son compatibles con las zonas de alimentación acanaladas en el barril debido a que la productividad en este caso depende usualmente de la capacidad de bombeo de la segunda etapa. Una primera etapa muy eficiente puede llevar a inundar el venteo o causar una fundición pobre de la resina, a la altura del venteo. La resina que llega a la altura del venteo debe estar completamente fundida para permitir la evacuación (usualmente por vacío) de aire, humedad y resinas volátiles.

A pesar de la ventajas potenciales de la extrusión con zona de alimentación acanalada en el barril, la mayoría de los procesadores en Norteamérica no la toman seriamente como una alternativa para la extrusión con barril de pared lisa, que ya han usado durante años. Sin embargo, una revisión cuidadosa de las resinas, sus condiciones de proceso, y de los procedimientos de operación, pueden revelar oportunidades para mejorar la productividad y la calidad de los productos, empleando los canales en la zona de alimentación de los barriles.

MOLDEADO DE PLASTICO POR TRANSFERENCIA

En este proceso, dos materias primas diferentes se inyectan consecutivamente en cavidades diferentes de moldes, a través de boquillas separadas, para producir una parte moldeada individual. En primer término, en una cavidad apropiada se inyecta la primera materia prima, luego ésta es transferida a otra cavidad, donde se inyecta la segunda materia prima. Cumplido este último paso, se evacua el producto terminado del molde.

En estos procesos especiales es necesario obtener una coordinación estrecha entre la máquina y el molde, a través del sistema de control. El molde y sus mecanismos determinan el tamaño de la máquina para el proceso. Si existe un mecanismo de transferencia debe especificarse si debe hacerse una rotación en el molde mismo o si con un mecanismo robotizado o un sistema móvil se hace la función de transferencia. Otra posibilidad es la de emplear una mesa rotatoria con varios moldes incorporados en ella. Si el molde debe rotar en la máquina, la diagonal del molde debe ser menor que la distancia entre las dos diagonales formadas entre las barras de unión de la máquina. Si se emplea una mesa rotacional se debe incrementar la altura del molde.

En cualquier caso se debe prestar atención especial al diseño del sistema de eyección de las parte moldeadas. Es absolutamente necesario que el eyector esté acoplado con el molde a usarse. Los extractores de los centros moldeados y el programa de la secuencia de accionamiento son puntos a considerarse. El arreglo de las unidades de inyección, por otro lado, está determinado por cada aplicación en concreto.

Figura 5

Proceso de sobremoldeo de Ferromatik Milacron y Gram Technology, con molde apilado y placa central giratoria

En el proceso, la unidad de inyección 1, ( figura 5 ), inyecta un primer material en la cavidad conformada por las placas central y la placa fija del lado de inyección. Acto seguido, el molde se abre y la placa central se desliza hacia el centro para girar, por ejemplo, 180°. La cara que recibió y todavía mantiene en su interior el primer material mira ahora la placa posterior y con ella conforma la segunda cavidad en la cual entra el segundo material proveniente de la segunda unidad de inyección. Simultáneamente, está ocurriendo el llenado del primer material en la cara opuesta de la placa central. Cuando se abre el molde para permitir el giro de la placa central, ocurre la eyección de la pieza terminada con el segundo material. En cada abertura del molde ocurre la eyección de una pieza terminada. Cada vez que se cierra el molde ocurre el llenado simultáneo de los dos materiales en las caras opuestas, respectivamente. Entre los beneficios más importantes de la tecnología está en primer lugar el hecho de que los moldes giratorios pueden ser instalados en las máquinas multicomponentes estándar. La máquina puede operar un proceso balanceado de inyección, comparable al que se tiene en la inyección tradicional de un componente. Otra ventaja adicional se deriva del tiempo más reducido de inyección, que lleva a la duplicación de la productividad de la máquina, con un mínimo de mantenimiento. La placa central giratoria del molde puede contener dos o más secciones, haciendo que la distancia de recorrido de las placas laterales siempre sea menor.

El material que se puede considerar central se inyecta con la extrusora principal de la máquina inyectora. El segundo material se plastifica en una segunda extrusora, que normalmente se adiciona a la primera. Debido a que el punto de entrada del segundo material a los moldes puede cambiar de ubicación de molde a molde, es necesario proveer de una holgura de movimientos para la ubicación de este segundo extrusor. Existen, por lo tanto, varias configuraciones de máquinas que aportan soluciones particulares para colocación de la segunda unidad de inyección: en posición vertical; en posición en "L"; arreglada en paralelo junto a la primera; y arreglada en un ángulo con respecto a la primera.

Figura 1 Figura 2

En la fig. 1 se muestra la Unidad de inyección vertical que se puede deslizar horizontalmente para ubicar la inyección sobre el segundo material, sobre el molde de inyección. En la fig. 2 se muestra la segunda unidad de inyección colocada en "L" horizontal con respecto a la primera unidad. Se puede observar el sistema de deslizamiento para ubicación en cualquier punto lateral del molde de inyección.

En la figura 1, aparece una unidad de inyección colocada en posición vertical, en la que se muestra el mecanismo de deslizamiento de la unidad. Debido a este mecanismo, la unidad puede ubicarse en cualquier punto sobre el molde para efectuar la inyección del segundo componente. Este es un diseño modular ya que la segunda unidad de inyección y su correspondiente sistema hidráulico pueden ser adicionados a una máquina de inyección estándar, particularmente en aquellas con fuerza en la prensa de hasta 2000 kN. La posición vertical de la segunda unidad de inyección permite tener un acceso más libre al molde en la máquina, por ejemplo, para efectos de cambios.

La figura 2, muestra que la segunda unidad de inyección se encuentra colocada en posición de "L" horizontal. En este caso, la segunda unidad se puede deslizar para ubicar el punto de inyección del segundo material en un punto lateral del molde. Este arreglo es preferido en las máquinas de más de 2000 kN puesto que no es conveniente colocar unidades muy pesadas en la posición vertical, por un lado, y porque los moldes de mayor tamaño ocupan una mayor altura.

MOLDEADO DE PLASTICO POR INYECCIÓN

La idea del moldeo de varios materiales para formar un producto único debe precisarse en detalle para que pueda recibir una denominación apropiada. Esto, porque existen varias posibilidades tecnológicas para hacer un producto moldeado por inyección con varios materiales, que hoy en día son consideradas excluyentes entres sí. En términos generales existen los procesos que emplean boquillas múltiples de inyección o estaciones diferentes de moldeo y los procesos que emplean una sola boquilla de inyección con una sola estación de moldeo. A la primera clase corresponden los procesos de moldeo con transferencia de molde o con sobreinyección. Al segundo tipo de proceso pertenecen la coinyección y la inyección tipo "sándwich".

Figura 3 Figura 4

La fig. 3 muestra la segunda unidad de inyección se ubica diagonalmente sobre la primera unidad.
La fig, 4 muestra el dibujo esquemático de un sistema de eyección para moldes con llenado en dos mitades. El molde en este caso rota dentro de la máquina.

En la figura 3, se ilustra la orientación de la segunda unidad de inyección en posición diagonal con respecto a la primera. Como se trata de la inyección de dos materiales en cavidades diferentes cada uno, los dos extrusores alimentan boquillas diferentes, separadas entre sí aproximadamente 55 mm. De esta manera, los dos materiales fundidos se controlan independientemente.

La figura 4 es un diagrama que muestra los mecanismos de eyección para las dos cavidades de un molde que rota dentro de la máquina de inyección. Los eyectores pueden controlarse independientemente uno de otro. Esta variante ofrece un máximo de flexibilidad para la implementación de una amplia variedad de diseños de moldes que constan de dos mitades, como los que se emplean para la combinación de materiales termoplásticos con elastómeros de curado, los cuales deben tener una separación térmica entre las dos cavidades.

Procesos de moldeado asociados a la coinyección

El proceso de coinyección, por definición, es la inyección de los materiales fundidos a través de una boquilla única para formar un producto en una cavidad, también única, ediante la cual la inyección, por ejemplo, de un material central y de un segundo material que hace las veces de piel se puede realizar a través de una boquilla. La construcción de esta boquilla permite la apertura y cerrado independientes de los componentes individuales. La boquilla coloca las fases individuales de los dos materiales a inyectar de acuerdo a la descripción presentada en la figura 6. En la fase 1, la aguja de la boquilla cierra el paso del material B, que es el central. La entrada del material A, que conforma la piel del producto, se mantiene abierta y fluye dentro del molde. En una fase subsiguiente, se abre la aguja para dejar pasar simultáneamente el material central a la cavidad del molde. Este arreglo elimina la formación de marcas de flujo sobre la superficie del producto, particularmente en productos de formas intrincadas. En la tercera fase se cierra el paso del material A y fluye únicamente el material central en el molde. Este tipo de boquilla permite asegurar la aplicación de una presión de sostenimiento en el final del ciclo de inyección ya sea con el material de la piel, A, o con el central, B. la máquina de menor tamaño en la cual se puede aplicar este proceso es una de 600 kN en la prensa.

Fase 1 Fase 2 Fase 3

Figura 6

Inyección de materiales múltiples a través de una boquilla única.

Fase 1: Inyección de la piel a través de la boquilla abierta para el material A. La boquilla para el material B se cierra por medio de una aguja.

Fase 2: Llenado simultáneo de la piel y el material central. Las boquillas A y B están abiertas.

Fase 3: Se suspende la inyección del material de la piel Injection. Boquilla A cerrada. Boquilla B abierta.

La coinyección ofrece pues la posibilidad de aportar combinaciones de propiedades en un mismo producto, desde el punto de vista funcional, estético, ergonómico, y para reducir las operaciones de ensamble y acabado en los productos finales. Por otro lado, cuando los materiales centrales son abrasivos porque contienen rellenos o refuerzos, se puede usar una piel externa que encapsule el material central y evite el contacto con la superficie del molde. Se han presentado reportes de ahorros sustanciales en el mantenimiento de moldes debido al uso de la coinyección con este propósito.

MOLDEADO DE PLASTICO POR COMPRESIÓN O SANDWICH

La inyección en sándwich es una variación del proceso de coinyección como se puede observar cuando se compara el proceso descrito en la figura 6, ya mencionada, con el bosquejo del proceso en sándwich de la figura 7.

Figura 7
Proceso de coinyección en sándwich. La piel se introduce en el acumulador del extrusor principal (material central), antes del moldeo por inyección del producto.

Los dos materiales fundidos se acumulan de una manera consecutiva en un cilindro común y luego se inyectan en un solo paso de inyección en el interior de la cavidad del molde. Debido a la acción de empuje del material central que empuja hacia adelante al material que conforma la piel de producto, se forman automáticamente las capas de piel externa y de material central de una manera intercalada en el molde. El material central es plastificado en el extrusor principal de la máquina inyectora y el material que conforma la piel se plastifica en un extrusor auxiliar que se agrega a la máquina. El material fundido de la piel se introduce en el barril del extrusor principal de la máquina haciendo uso de un sistema de dosificación volumétrica o con base en el control de la presión de la resina. Normalmente, la introducción de este material en el barril se hace con poca resistencia de la presión del material central. Esta es la única modificación que se hace con respecto al proceso de moldeo tradicional y por ello es tan simple de aplicar.