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Ciclo inyeccion de los plasticos
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El proceso de inyección
Ramón Cabós
SALVADOR PLANA
El proceso de inyección
BIBLIOGRAFÍA• Donald and Dominick V. Rosato. Injection Molding Handbook. Chapman & Hall. New
York, 1995
• Friedrich Johannaber. Injection Molding Machines. A User’s Guide. Hanser, Münich, 1994
• Gerd Pötsch, Walter Michaeli. Injection Molding. An Introduction. Hanser, Münich, 1995
• Douglas M. Bryce. Plastics Injection Molding... Manufacturing process fundamentals. SME. Dearborn, 1996
• José Luis Arazo. Inyección de termoplásticos. Plastic Comunication. Barcelona, 1999
• http://islnotes.cps.msu.edu/trp/inj (Intelligent Systems Laboratory. Michigan StateUniversity).
Salvador Plana
El proceso de inyección consiste en introducir en un molde bajo elevada presión un material plástico en estado fundido. En dicho molde que le dará la forma, se enfriará y posteriormente se extraerá la pieza conformada.
El proceso de inyección
Salvador Plana
Microinyección
Inyección de piezas de grandes dimensiones
Salvador Plana
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• Tamaño
• Longitud
• Espesor
• Complejidad
• Parámetros de inyección
GEOMETRÍA
• Molde
• Máquina de inyección (inyectora)
PROCESO
• Reología• Curvas pvT• Cristalinidad
MATERIAL
HERRAMIENTAS
Relación proceso -
estructura -propiedades
Plano de partición
Sistema de atemperación
Sistema de alimentación
Cavidad
Sistema de expulsión
Punto de inyección o entrada
HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESOH
ER
RA
MIE
NT
AS
EL M
OLD
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Salvador Plana
HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Unidad de cierre Molde
Unidad de inyección
Unidad de control
• Calentar
• Homogeneizar
• Inyectar
HE
RR
AM
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SLA
MÁ
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Salvador Plana
FUER
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RE
CÁLCULO DE LA FUERZA DE CIERRE
El plástico se inyecta dentro del molde a alta presión (que puede ser incluso superior a los 2.000 bar). El molde debe realizar una fuerza opuesta a la presión de inyección para mantener el molde cerrado y obtener así piezas de buena calidad. La unidad de cierre proporciona la fuerza de cierre.Las máquinas de inyección se clasifican por su fuerza de cierre
Dirección de cierre
Área proyectada
Salvador Plana
FUER
ZA D
E C
IER
RE
Cálculo de la Fuerza de cierre
- Coeficiente corrector KM en función del material a inyectar.
para PC, PMMA, PPO, PVCKM = 2
para SAN, ABS, CA, POM SBKM = 1.5
para PA, PE, PSKM = 1Coeficiente corrector KM
La fuerza de ciere podrá estimarse como el producto de la presión media en el molde -obtenida en el gráfico-, por el área proyectada y por el coeficiente corrector KM. Además, como mínimo sumar un 10% a un 15% de margen de seguridad.
Una forma de evaluarla es:- Calcular el recorrido de flujo (LF)- Calculo de la relación de flujo: relación entre la longitud de flujo y el espesor medio de las paredes a inyectar.
Cálculo de la presión media en el molde utilizando el siguiente diagrama
Salvador Plana
FUER
ZA D
E C
IER
RE
Cálculo de la Fuerza de cierre
Salvador Plana
Selección de la máquina
1. Fuerza de cierre necesaria2. Dimensiones físicas del molde (distancia entre columnas)3. Recorrido del plato móvil (para poder extraer la pieza)4. Volumen de material a inyectar5. Tiempo de residencia del plástico en el interior del husillo6. Precio
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PRO
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
a) Cierre del molde
b) Inyección y c) Mantenimiento
d) Plastificación y e) Refrigeración
f) Apertura del molde y expulsión de la pieza
• Calentar
• Homogeneizar
• Contrapresión
• Husillo• Punto de
inyección
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AN
ILLO
DE
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Previene el reflujo de material durante las etapas de inyección y de mantenimiento.
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
e) Refrigeración
b) Inyección
c) Mantenimiento
d) Plastificación
f) Apertura y expulsión
InicioFinal
a) Cierre
Tiempo
El tiempo de refrigeración es el que ocupa la mayor parte del ciclo de inyección
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Modelo de viscosidad
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Factores que afectan a la inyección
1. Temperatura de inyección2. Velocidad de giro del husillo3. Contrapresión4. Temperatura de molde (tiempo de ciclo)5. Presión de inyección6. Presión de mantenimiento
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TE
MPE
RA
TU
RA
DE
INY
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CIÓ
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Una de las misiones de la unidad de inyección es la plastificación del material.Por tanto ha de calentar el material para “fundirlo” y homogeneizarlo. Si es demasiado baja el plástico será demasiado viscoso y si es muy alta se puede degradar y aumenta el tiempo de ciclo. Materiales más viscosos requerirán de una temperatura de transformación mayor pues costará más de plastificarlos
La temperatura del plástico es diferente a la temperatura que marca la sonda de temperatura. Lo ideal es medir la temperatura del plástico fundido a la salida de la unidad de inyección con un pirómetro. Asegurarse que los sensoresde temperatura midan correctamente (cuidado con las acumulaciones de aire, suciedad o quemados entre las sondas y el cilindro).
Una temperatura de inyección más baja proporciona:
•Ahorro de energía
•Menor tiempo de ciclo
Tiempo de residencia.
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VE
LO
CID
AD
DE
GIR
O
La plastificación no debe prolongar el ciclo: la velocidad de giro ideal es aquella que produce la plastificación en el último punto posible sin necesidad de alargar el tiempo de ciclo.
Una velocidad de giro excesiva empeora la calidad de la plastificación:
• generando la presencia de infundidos
• mala homogeneidad del material
• puede provocar excesiva cizalla y degradar parte del material
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CO
NT
RA
PRE
SIÓ
N
Un aumento de la contrapresión implica:
-Un incremento del tiempo de plastificación y del tiempo bajo cizalla
-Un incremento de la temperatura del plástico
-Un aumento de la compresión del material y, por tanto, de la cantidad de material a inyectar
Una contrapresión baja implica:
-Poca homogenización del material y piezas inconsistentes
Utilizar una contrapresión más alta si se utiliza un porcentaje elevado de la capacidad de inyección de la máquina o en el caso de ciclos cortos.
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TE
MPE
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RA
DE
L M
OL
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El suministrador de la granza sugiere una temperatura de molde óptima.
La temperatura media de la cavidad será mayor que la temperatura del refrigerante durante la producción, en general 10 a 20ºC. Si supera los 40ºC puede ser necesaria la utilización de placas aislantes en el molde para ahorrar energía y estabilizar el proceso.
Curvas de temperatura-tiempo en diferentes lugares del molde:a) superficie de la cavidad
b) Pared del canal del refrigerante
c) Temperatura del refrigerante
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TE
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Una temperatura de molde más fría da lugar a una velocidad de enfriamiento mayor y, por tanto, un mayor porcentaje de capa fría.
Una diferencia de temperaturas entre caras opuestas superior a 10-15º para obtener buenas tolerancias.
Una capa de aire puede impedir una buena transferencia de calor. Cuidado con las separaciones entre insertos y placas de los moldes.
Un largo tiempo de uso del molde puede dar lugar a que los canales se ensucien por óxidos o incrustaciones disminuyendo la pérdida de carga y la capacidad de atemperación del molde.
Una temperatura de molde más baja disminuye el tiempo de ciclo
Una temperatura de molde mayor aumenta el brillo y el acabado superficial
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TIE
MPO
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CIC
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Evolución de la temperatura durante el ciclo de inyecciónT
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C)
Tiempo (s)0 5 15 33 35
200
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0
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Refrigeración
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Interior de la cavidadEntrada
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Evolución de la presión durante el ciclo de inyección
Refrigeración
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Solid
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a Tiempo de molde cerrado
Tiempo de ciclo
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Pres
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ca
vida
d (M
Pa)
Tiempo (s)0 5 15 33 35
Tem
pera
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(ºC
)
1
1 Cierre del molde y llenado de la colada
Interior de la cavidadEntrada
2 Llenado
2 3
3 Mantenimiento de la presión.Solidificación de la entrada
4 Expulsión
4 5
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Factores que afectan a la presión de llenado
Viscosidad del material:
Geometría del molde y de la piezaTipo de material: fluidez, cargas, etc...
Temperatura de inyección
Temperatura del molde
Geometría de la colada. Colada caliente/fría
Geometría del punto de inyección
Geometría de la pieza: espesor, longitud. Complejidad
Velocidad de inyección. Perfil de velocidades.
Poliamida sin carga inyectada a 290ºC
Poliamida sin carga inyectada a 270ºC
Pres
ión
de ll
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Pa)
Tiempo (s)0 5 10 15
10
30
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Poliamida con carga de vidrio inyectada a 290ºC
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Factores que afectan a la presión de llenado
Poliamida sin carga inyectada a 290ºC
Poliamida sin carga inyectada a 270ºC
Pres
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Pa)
Tiempo (s)0 5 10 15
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Poliamida con carga de vidrio inyectada a 290ºC
http://islnotes.cps.msu.edu/trp/inj
La fase de llenado se ha de considerar claramente como no isoterma. Existe una capa fría cerca de la pared del molde que se va desarrollando en función del tiempo. Así, la sección transversal al flujo cambia con el tiempo. Existe un calentamiento viscoso y enfriamiento en la pared del molde. Frente de avance en forma de Flujo Fuente
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Capa solidificada
Pared molde
Pared molde
Estirado y orientado
del material
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Flujo Fuente
El flujo que existe durante el moldeo por inyección es complicado porque el plástico se enfría y solidifica durante el proceso de llenado. El perfil de llenado no es una típica parábola porque el polímero cercano de la pared fría del molde solidifica formando una piel entre el molde y el núcleo.
P
Frente de avance del
fluido
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Capa Fría y Estructura Piel-Núcleo
Otro aspecto a considerar es el efecto de la superficie de enfriamiento sobre la microestructura. La capa cercana a la pared del molde se enfría rápidamente (capa fría). Este rápido enfriamiento de la piel inducirá características amorfas, mientras que el núcleo, que se enfría mucho más lentamente dando lugar a un núcleo más cristalino. Este enfriamiento anisotrópico puede presentar un problema cuando se desean propiedades isotrópicas.
Estructura piel-núcleo
Flujo en el núcleo
Piel fría
Entrada
Tesis doctoral de Hans Ziudema. Univ. Tech. Eindhoven. 2000
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
Efecto del flujo sobre la orientación de las fibras
El gran impacto del flujo fuente en la inyección está en la forma en que se induce la orientación de las fibras en la pared.
Hay dos consideraciones básicas para la orientación inducida por el flujo:El flujo de cizalla que alinea las fibras en dirección del flujo.El flujo estira y alinea las fibra en dirección del estiramiento
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MA
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DA
D
HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
τ = FS
Tensión de cizalla
vy δv
δyγ =. Velocidad de
deformación
τγη = .Viscosidad
τ
γ
η
Newtoniano
Pseudoplástico
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ISC
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D
HERRAMIENTAS
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PROCESO
τγη = .Viscosidad
τ
γ
η
Newtoniano
Pseudoplástico
↑T
↑p
Mod
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scos
idad η
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γ.
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
v
T
Material amorfo
↑p
Tg
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T
Material semicristalino
Tg Tf
↑p
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GE
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
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Temperatura T
Vol
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Enfriamiento rápidoEnfriamiento lento
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HERRAMIENTAS
GEOMETRÍA MATERIAL
PROCESO
T
v
Enfriamiento rápidoEnfriamiento lento
Rechupes
Vacuolas
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HERRAMIENTASGEOMETRÍA
MATERIAL PROCESO
2
1-2 Mantenimiento
TEXPULSIÓN
3
4
2-4 Refrigeración
0
1
0-1 Inyección
5
4-5 Enfriamiento fuera del molde
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HERRAMIENTASGEOMETRÍA
MATERIAL PROCESO
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• Tipo de material v
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C
Amorfo Semicristalino Con carga mineral
• Amorfo
• Semicristalino
• Cargas y refuerzos
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TEXPULSIÓN
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1-2 Mantenimiento
2-4 Refrigeración
0-1 Inyección
4-5 Enfriamiento fuera del molde
TAMBIENTE
• Tipo de material• Amorfo
• Semicristalino
• Cargas y refuerzos
• Proceso• Presión
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HERRAMIENTASGEOMETRÍA
MATERIAL PROCESO
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PIE
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S
• Tipo de material• Amorfo
• Semicristalino
• Cargas y refuerzos
• Proceso• Presión• Temperaturas de inyección y del molde
Tv
Enfriamiento rápidoEnfriamiento lento
• Geometría de la pieza• Espesor, complejidad
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• Tipo de material• Amorfo
• Semicristalino
• Cargas y refuerzos
• Proceso• Presión• Temperaturas de inyección y del molde
• Geometría de la pieza• Espesor, complejidad
• Longitud de flujo
Estructura piel-núcleo
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S
Presión
Tem
pera
tura
Degradación térmica
Piezas faltadas
Rebabas
Problemas de fusión y plastificación
Ventana de proceso