moldes inyeccion de plastico

8/18/2019 moldes inyeccion de plastico

http://slidepdf.com/reader/full/moldes-inyeccion-de-plastico 1/112

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVARDECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

FACTIBILIDAD DE DISEÑO DE MOLDES DE COLADA FRÍA, CALIENTE OAPILABLE EMPLEANDO HERRAMIENTAS CAD/CAE

Realizado por:Daniel Alejandro Plaza Rojas

PROYECTO DE GRADO



UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVARDECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

FACTIBILIDAD DE DISEÑO DE MOLDES DE COLADA FRÍA, CALIENTE OAPILABLE EMPLEANDO HERRAMIENTAS CAD/CAE

Realizado por:Daniel Alejandro Plaza Rojas

Bajo la tutoría de:

Prof. María Virginia Candal Pazos

Prof. Mireya Matos Ruiz

Aprobado por:

Prof. Rosa Amalia Morales

Prof Miren Ichazo





FACTIBILIDAD DE DISEÑO DE MOLDES DE COLADA FRÍA, CALIENTE O

APILABLE EMPLEANDO HERRAMIENTAS CAD/CAERealizado Por:Daniel Alejandro Plaza Rojas

RESUMEN

El objetivo principal del presente trabajo es analizar las ventajas de diseñar un molde tipoapilable en comparación con un molde de colada fría y colada caliente. Se diseñó,específicamente, un molde de inyección para fabricar un envase contenedor de alimentos de 250gramos y su respectiva tapa. Para ello se aplicó la teoría de la ingeniería concurrente para facilitarel diseño de ambos moldes (tapa y envase), usando además las herramientas computacionales deDiseño e Ingeniería asistidas por Computadora (CAD/CAE), específicamente, los programasPro/ENGINEER ® y C-MOLD®. Luego del proceso de simulación de los tres tipos de moldemencionados se determinó que el molde apilable poseía mayores ventajas que los otros dosmoldes evaluados por evitar las pérdidas de material que conlleva el uso de un molde de coladafría y por representar una disminución en el consumo energético al poder moldear el doble de piezas que los otros moldes empleando aproximadamente la misma fuerza de cierre.

Adicionalmente, el molde apilable posee un tiempo de ciclo de aproximadamente la mismamagnitud que los otros moldes, por lo cual, la producción, al emplear este tipo de moldes, seduplica. Una vez obtenidos los resultados finales del proceso de inyección se diseñaron losmoldes apilables para ambas piezas usando el programa Pro/ENGINEER ®. Durante el planteamiento del sistema para la simulación se seleccionaron componentes estándar para

sistemas convencionales de colada caliente, proporcionados por D-M-E, para facilitar el diseño,debido a que se comprobó su funcionamiento mediante las simulaciones y a que su disponibilidades mayor que la de sistemas para moldes apilables. Esto ayudó al diseño ya que las piezas estándisponibles en línea, en formato CAD, con lo que se pudo realizar el diseño sin contratiempos. Se



DEDICATORIA

A mi madre,quien por seguro hubiese sido de inmensa ayuda

e inspiración durante la realización de mis estudios.Y quien estaría orgullosa de mis logros

…por más pequeños que estos sean.



AGRADECIMIENTOS¿Por dónde empezar? Vamos con lo tradicional… (Discúlpenme por no nombrarlos

individualmente).

A Dios, por no permitir que me auto-destruyera (por cosas buenas y no tan buenas).

A mi familia, quienes han sido el “puñal” amenazador para que alcance metas quenormalmente no me preocuparían. Por ser quienes han estado siempre allí para lo que necesite, a pesar de mi testarudez. Por ser en quienes he encontrado amor y palabras de afecto cuando menoshan sido esperadas, pero sí mas necesitadas. Por todos los sacrificios, atenciones, preocupacionesy molestias que han hecho y tenido por mí. Y por todo lo que han invertido de ustedes mismos en

soportarme… Sólo espero no decepcionarlos.

A mis profesoras y profesores con quienes he tenido un trato especial y he encontrado enellos apoyo, ejemplo, inspiración y cariño. En especial quien es uno de los mejores ejemplos quehe tenido en mi vida, por su forma de pensar, vivir y por su profesionalismo, espero seguir siendoel “estrella”. Y muy en especial a quien es mi mentora, amiga y confidente. No te imaginas el

efecto que tienes sobre mí, ni lo mucho que te quiero.

A todo el personal que labora en el Laboratorio “E”, por soportarme las infinitas horasque allí pasé fastidiándolos con este trabajo y con lo qué no, y por haber sido en algún momentocomo mi familia, pues los veía todos los días… ¿Cómo me soportaron?

A mis hermanos y hermanas de la vida, que aunque no todos estuvieron conmigo en elaula de clases compartimos muchas cosas más, que sí son vida. ¿Qué les puedo decir aparte de loque intento transmitirles de vez en cuando? …No se me ocurre nada: “NEVER GROW UP! NEVER STOP LEARNING! NEVER LET ANYBODY STEP ON YOU!”



particular, me mantuvo andando los últimos años de la carrera, por eso estas palabras. Un

mensaje para ustedes: AMBICIÓN.

Y por último, pero no menos importante, a quienes de alguna u otra manera me hanapoyado e impulsado a culminar mis estudios, y en particular a realizar el trabajo que aquí presento.

No tienes idea de lo que significas para mí, ni en que formas me has ayudado.



ÍNDICE GENERAL

RESUMEN.................................................................................................................................. iiiDEDICATORIA......................................................................................................................... ivAGRADECIMIENTOS............................................................................................................. vÍNDICE GENERAL................................................................................................................. viiÍNDICE DE TABLAS................................................................................................................ xÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................................. xiCAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.......................................................................................... 1CAPÍTULO II. OBJETIVOS E HIPÓTESIS...................................................................... 3

2.1. HIPÓTESIS............................................................................................................. 32.2. OBJETIVOS........................................................................................................... 3

2.2.1. Objetivo General.............................................................................................. 32.2.2. Objetivos Específicos....................................................................................... 4

CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO.................................................................................... 53.1. MOLDEO POR INYECCIÓN.............................................................................. 5

3.1.1. Parámetros de la Máquina de Inyección....................................................... 6

3.2. MOLDES DE INYECCIÓN.................................................................................. 83.2.1. Sistemas que Conforman un Molde de Inyección....................................... 10

a) Sistema de Alimentación .............................................................................. 10b) Sistema de Refrigeración .............................................................................. 13c) Sistema de Expulsión .................................................................................... 14

3.2.2. Tipos de Moldes............................................................................................. 15a) Moldes de Canales Fríos .............................................................................. 15b) Moldes de Canales Calientes ........................................................................ 16c) Moldes Apilables ........................................................................................... 17

3.3. INGENIERÍA CONCURRENTE....................................................................... 20



4.1.1. Materiales....................................................................................................... 25

4.1.2. Equipos........................................................................................................... 264.2. PROCEDIMIENTOS........................................................................................... 26

CAPÍTULO V. RESULTADOS Y DISCUSIONES.......................................................... 405.1. ESCOGENCIA Y DISEÑO DE LAS PIEZAS.................................................. 41

5.1.1. Consideraciones para la Tapa...................................................................... 42

5.1.2. Consideraciones para el Envase................................................................... 445.2. DISEÑO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOLDES PROPUESTOS..... 455.3. CONDICIONES DE OPERACIÓN.................................................................... 47

5.3.1. Condiciones de Procesamiento de los Moldes de la Tapa.......................... 485.3.2. Condiciones de Procesamiento de los Moldes del Envase.......................... 50

5.4. ESTUDIO DE LOS MOLDES DE INYECCIÓN DISEÑADOS PARAAMBAS PIEZAS..................................................................................................................... 52

5.4.1. Estudio de los Moldes para la Tapa............................................................. 52a) Fase de Llenado ............................................................................................ 52b) Fase de Enfriamiento ................................................................................... 55c) Fase de Contracción ..................................................................................... 60

5.4.2. Estudio de Moldes para el Envase................................................................ 63a) Fase de Llenado ............................................................................................ 64b) Fase de Enfriamiento ................................................................................... 65c) Fase de Contracción ..................................................................................... 68

5.4.3. Comparaciones entre los Diferentes Tipos de Molde Diseñados............... 695.5. DISEÑO DE MOLDES APILABLES PARA LAS PIEZAS ESTUDIADAS. 71

5.5.1. Metodología para el Diseño de un Molde Apilable..................................... 715.5.2. Análisis del Diseño de los Moldes Apilables................................................ 73

a) Sistema de Alimentación .............................................................................. 77b) Sistema de Enfriamiento .............................................................................. 81



APÉNDICE................................................................................................................................. 93

A. PLANOS DE LAS PIEZAS QUE COMPONEN LOS MOLDES DISEÑADOS................................................................................................................................................... 93



ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1: Geometrías y descripción de los principales tipos de entrada a cavidades ................. 12Tabla 4.1: Especificaciones técnicas del PEBD PETROTHENE NA 860 .................................. 25Tabla 4.2: Especificaciones técnicas del PP MARLEX HLN 120-01. ........................................ 25Tabla 4.3: Especificaciones técnicas de los materiales del molde ............................................... 26Tabla 4.4: Diámetros de los canales recomendados para los materiales empleados.................... 34Tabla 5.1: Dimensiones de los canales de alimentación de los tres tipos de molde, empleadas enlas simulaciones............................................................................................................................. 45Tabla 5.2: Condiciones de procesamiento para la tapa luego de modificar los resultados de laoptimización .................................................................................................................................. 49Tabla 5.3: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde decanales fríos ................................................................................................................................... 49

Tabla 5.4: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde decanales calientes ............................................................................................................................ 50Tabla 5.5: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en moldeapilable .......................................................................................................................................... 50Tabla 5.6: Resultados de la optimización de las condiciones de procesamiento para el envase.. 51Tabla 5.7: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde de

canales fríos ................................................................................................................................... 51Tabla 5.8: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde decanales calientes ............................................................................................................................ 51Tabla 5.9: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en moldeapilable .......................................................................................................................................... 51Tabla 5.10: Fuerzas de cierre para cada tipo de molde (la fuerza de cierre presentada para elmolde apilable está dividida entre el número de apilamientos) .................................................... 55Tabla 5.11: Resultados de las simulaciones de los diferentes moldes para el envase.................. 63



ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 3.1: Esquema de una máquina de inyección ....................................................................... 5Figura 3.2: Componentes de un molde de inyección ..................................................................... 9Figura 3.3: Diferentes geometrías comúnmente empleadas para canales de alimentación ......... 11Figura 3.4: Patrón de flujo en cavidad con una entrada (a) y con tres entradas (b) ..................... 12Figura 3.5: Dimensiones de los canales y de los parámetros de diseño....................................... 13

Figura 3.6: Sistema de expulsión para molde de 3 placas............................................................ 14Figura 3.7: Moldes de inyección de canales fríos de 2 placas (a) y de de 3 placas (b)................ 15Figura 3.8: Entrada a cavidad para molde de canales calientes ................................................... 17Figura 3.9: Molde de inyección apilable...................................................................................... 18Figura 3.10: Diagrama del sistema de barra dentada con engranajes .......................................... 18Figura 3.11: Diagrama del sistema portador de molde apilable................................................... 19Figura 3.12: Ciclo secuencial de desarrollo de productos............................................................ 21Figura 4.1: Modelo tridimensional de la tapa diseñada: Parte superior (a) y parte inferior (b)... 27Figura 4.2: Modelo tridimensional del envase diseñado: Parte superior (a) y parte inferior (b). 28Figura 4.3: Ventana de propiedades de canales de alimentación de diámetro constante............. 30Figura 4.4: Ventana de propiedades de la entrada de inyección del programa C-MOLD®. ....... 31

Figura 4.5: Ventana “Launch Simulations” del programa C-MOLD®. ....................................... 31Figura 4.6: Ventana “Simulation Status/Control” del programa C-MOLD®............................... 32Figura 4.7: Ventana de selección para actualizar el modelo con los resultados de la optimizacióndel programa C-MOLD®. .............................................................................................................. 32Figura 4.8: Sistema de enfriamiento para el molde de colada fría de de la tapa.......................... 35Figura 4.9: Sistema de enfriamiento para los moldes de colada caliente y apilable de la tapa.... 35Figura 4.10: Sistema de enfriamiento para el molde de colada fría del envase. .......................... 35Figura 4.11: Sistema de enfriamiento para los moldes de colada caliente y apilable del envase. 35Figura 4.12: Sistema de enfriamiento de canales circulares para el envase................................. 35Figura 4 13:Ventana “Launch Simulations” del programa C-MOLD® 36



Figura 5.4: Modelo tridimensional de la tapa en el que se muestran: los filetes de la parte

superior (a) y el nervio de la parte inferior (b). ............................................................................. 43Figura 5.5: Detalle de la sección transversal del borde de la tapa. .............................................. 44Figura 5.6: Detalles de la sección transversal del envase (a): borde, (b): fondo.......................... 44Figura 5.7: Placa central fija con barra de bebedero(4)................................................................ 46Figura 5.8: Avance de frente de flujo en la cavidad para el molde de colada fría de la tapa....... 52Figura 5.9: Orientación del material en la cavidad de la tapa...................................................... 53Figura 5.10: Esfuerzos de corte máximos en la pared de la cavidad de la tapa para los sistemasde canales fríos (a) y canales calientes (b). ................................................................................... 54Figura 5.11: Fracción de capa sólida de las tapas a un tiempo de 9 [s]: para todos los sistemas(a); y para el sistema de canales fríos (b). ..................................................................................... 55Figura 5.12: Diferencias de temperatura entre las placas portacavidades del molde apilable parala tapa............................................................................................................................................. 56

Figura 5.13: Sistema de colada caliente aislado térmicamente por aire(23)

. ................................ 57Figura 5.14: Distribución de temperaturas en las paredes de los moldes de la tapa al final deltiempo de ciclo (Canales fríos: (a) y molde apilable: (b)). ............................................................ 58Figura 5.15: Presiones en la entrada a la cavidad en función del tiempo para los moldes de latapa evaluados, se muestran hasta 20 [s] pues la presión se mantiene en cero durante el resto deltiempo de ciclo (canales fríos: (a), canales calientes: (b), y apilable (c))...................................... 59Figura 5.16: Contracción volumétrica de las tapas obtenidas por los diferentes procesos deinyección: Canales fríos (a) y canales calientes (b)....................................................................... 60Figura 5.17: Desplazamiento obtenido de la tapa luego del procesamiento, por efecto del sistemade refrigeración (a) y del proceso total (b). ................................................................................... 61Figura 5.18: Porcentaje de rechupes en las tapas producto del proceso de inyección (Canalesfríos: (a) y canales calientes: (b)). ................................................................................................. 62Figura 5.19: Localización de aire atrapado (rojo) en la tapa durante el proceso de inyección.... 62Figura 5.20: Sistema de colada fría para la tapa con las características de diseño del sistema dealimentación para este tipo de moldeo por inyección.................................................................... 63Figura 5.21: Avance de frente de flujo en la cavidad para el molde de colada fría del envase. .. 64Figura 5.22: Esfuerzos de corte máximos en la pared de la cavidad del envase para (a) lossistemas de canales fríos (b) canales calientes 65



Figura 5.27: Ensamblaje de las placas centrales del molde de inyección diseñado para el envase.

....................................................................................................................................................... 75Figura 5.28: Sistema portador de molde apilable en máquina de inyección(21). ......................... 76Figura 5.29: Ensamblaje de las placas móviles del molde de inyección diseñado para el envase........................................................................................................................................................ 77Figura 5.30: Ensamblaje de la placa central con la barra de bebedero y el anillo de centrado paralos molde de ambas piezas............................................................................................................. 78

Figura 5.31: Ensamblaje de la barra de bebedero con el distribuidor para ambos moldes. ......... 78Figura 5.32: Distribuidor MEM0400K de la línea METEOR ® de la casa comercial D-M-E ..... 78Figura 5.33: Ensamblaje del distribuidor en las placas centrales, para ambos moldes................ 79Figura 5.34: Ensamblaje de las boquillas y las entradas.............................................................. 79Figura 5.35: Ensamblaje de las boquillas en las placas centrales, para ambos moldes. .............. 80Figura 5.36: Ensamblaje de las entradas en las placas centrales ((a) envase y (b) tapa). ............ 80Figura 5.37: Canales de ventilación (color rojo) de cada molde (envase: (a), tapa: (b)). ............ 81Figura 5.38: Canales de enfriamiento (color rojo) de uno de los apilamientos del molde de latapa. ............................................................................................................................................... 82Figura 5.39: Canales de enfriamiento (color rojo) de uno de los apilamientos del molde delenvase (placa central: (a), placa móvil: (b)). ................................................................................. 83Figura 5.40: Interiores de Cobre-Berilio de uno de los apilamientos del molde del envase........ 84

Figura 5.41: Sistema de expulsión mecánico para molde apilable propuesto por Shah y Ambekar(5). ................................................................................................................................................... 84Figura 5.42: Canales de aire (color rojo) para la expulsión de las piezas ((a) envase y (b) tapa).85Figura 5.43: Canales de aire (color rojo) para la expulsión de las piezas (izquierda: envase,derecha: tapa)................................................................................................................................. 85Figura 5.44: Sistema de placas móviles para sistema de expulsión mecánico, la placa adicional

se muestra en rojo y una de las piezas en gris: (a) envase, (b) tapa. ............................................. 86Figura 5.45: Sistema de inyección para un proceso de “Family Stack” en el que se inyectan una bandeja y su tapa en un molde apilable ......................................................................................... 87



CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

El diseño de moldes de inyección es una de las áreas más importantes en el campo del procesamiento de polímeros. De su buen desarrollo depende la eficiencia del proceso deinyección, en términos de tiempo de ciclo y calidad de las piezas obtenidas. Existen en elmercado tres tipos de moldes, colada fría, colada caliente y apilable, pero usualmente, los moldesque mas se emplean en la industria son los de colada fría pues los costos para su fabricación sonmenores que para los otros tipos de molde.

Hoy en día, el uso de moldes de canales calientes ha aumentado por implicar un ahorro enla energía para inyectar las piezas (por disminución en la fuerza de cierre requerida) y delmaterial empleado para ello, pues la colada no se extrae ya que el material permanece fundido enlos canales. Los moldes apilables, por su parte, poco a poco están siendo más empleados. Su principal desventaja, al igual que para los moldes de colada caliente, es el costo de fabricación; loque no es tomado en cuenta es: su capacidad de ahorrar material al igual que los moldes comunesde colada caliente, pues para estos moldes también se emplean sistemas de calentamiento; y sucapacidad de duplicar la producción (en vista de que el tiempo de ciclo es prácticamente elmismo) empleando la misma fuerza de cierre. Lo que se traduce en menores costos de las piezas.

Los moldes de colada fría son menos costosos en lo que a su fabricación se refiere per poseen mayor cantidad de pérdidas de material por los sistemas de alimentación. También serequiere que las piezas sean separadas de la colada manualmente, lo que aumenta costos ytiempo, por no permitir la automatización.



Para diseñar cualquiera de estos moldes se puede emplear la teoría de la ingeniería

concurrente, la cual sugiere la evaluación y reestructuración del diseño durante la creación delmismo, ya que, en la medida en que todas las fases de la creación de un producto coincidan en laetapa de diseño, se logrará que el tiempo empleado en el desarrollo del producto disminuya y quela efectividad del mismo sea mayor. Aumentándose la eficiencia y la calidad del producto final.

El empleo de programas CAD/CAE permite la realización de los mismos en corto tiempo,en vista de que pueden hacerse modificaciones a los diseños y además, obtener resultados delcomportamiento del sistema durante el proceso de simulación. El empleo de software CAE hasido criticado por no dar resultados reales, pero su uso da una idea inicial de cómo debe ser el proceso, lo que a final de cuentas se traduce en ahorro del tiempo de diseño, y de conocer lasdeficiencias del programa empleado, se puede llegar al diseño final del molde con las primeras

modificaciones.

Aunque existen numerosas publicaciones acerca de moldes de inyección de colada fría,existen muy pocas acerca de diseño y estudio de las variables de proceso de moldes de coladacaliente y no existen trabajos previos que describan en detalle los resultados experimentales o desimulación del proceso de inyección empleando moldes apilables y la comparación de estosresultados con los obtenidos con otros tipos de moldes. Lo que hace a este estudio innovador ensu campo.



CAPÍTULO II

OBJETIVOS E HIPÓTESIS

2.1. HIPÓTESIS

• Se conoce por la literatura que los moldes que emplean sistemas de alimentación decolada caliente son más beneficiosos, porque se logra ahorro de resina polimérica ydisminución de los tiempos de ciclo y presiones de inyección, en comparación con moldes

de colada fría. Se busca con este estudio evidenciar que los moldes apilables tambiéncumplen con esta hipótesis, pues no existen publicaciones, a nivel de libros, congresos yrevistas especializadas, que muestren evidencia de esto.

• Las piezas seleccionadas fueron un envase contenedor de alimentos y su tapa, los cualesson de consumo masivo y al producirlos con moldes de colada fría se producen pérdidas

de material que representa más dinero para una empresa, lo cual no ocurriría con moldesde sistemas de canales calientes.

2.2. OBJETIVOS

2.2.1. Objetivo General

• Diseñar un molde apilable (stack) para inyectar envases contenedores de alimentos y susrespectivas tapas usando herramientas CAD/CAE.



2.2.2. Objetivos Específicos

• Diseñar un molde de colada fría para inyectar envases contenedores de alimentos y susrespectivas tapas usando herramientas CAD/CAE.

• Diseñar un molde de colada caliente para inyectar envases contenedores de alimentos ysus respectivas tapas usando herramientas CAD/CAE.

• Diseñar un molde apilable para inyectar envases contenedores de alimentos y susrespectivas tapas usando herramientas CAD/CAE.

• Comparar las propiedades finales de los envases contenedores de alimentos y susrespectivas tapas fabricados con moldes de colada fría, caliente y apilables.

• Comparar la eficacia de un molde de canales fríos, canales calientes y apilables parafabricar envases contenedores de alimentos con sus respectivas tapas usando herramientasCAD/CAE.

• Diseñar una metodología usando ingeniería concurrente para fabricar moldes apilables (encaso de ser el que muestre mejores ventajas), para piezas plásticas inyectadas.

• Diseñar un modelo tridimensional y sus respectivos planos de los componentes de unmolde apilable para fabricar envases contenedores de alimentos con sus respectivas tapasusando herramientas CAD.



CAPÍTULO III

MARCO TEÓRICO

3.1. MOLDEO POR INYECCIÓN

El moldeo por inyección es un proceso de fabricación de piezas plásticas. En éste, elmaterial a moldear (cera, polímero, metal, cerámica, etc.) se agrega a una tolva, de ésta pasa alsistema barril-tornillo en el que el material es calentado, homogeneizado y es llevado a la

boquilla para posteriormente ser inyectado en las cavidades del molde, donde obtiene la formafinal. Para efectos de este trabajo se hablará solamente del moldeo por inyección de polímeros.

Las máquinas para llevar a cabo este proceso son muy diversas y poseen distintascaracterísticas, pero por lo general, están compuestas por una tolva, que es una especie deembudo en el cual el material es colocado para alimentar un barril. Éste posee bandas de

calentamiento (resistencias eléctricas), que se encargan de calentar el material, al mismo tiempoque lo hace la fricción generada por el tornillo ubicado dentro del barril, sobre el material alhomogeneizarlo. El tornillo es girado por un motor eléctrico y a su vez es controlado por unsistema que permite programar la velocidad de giro y los tiempos que emplea la máquina en cada paso del proceso (Fig. 3.1)(1, 2).



6

Algunas máquinas poseen un sistema de avance y retroceso del tornillo que permite que el

mecanismo, por el que pasa el material a las cavidades, sea similar al de una jeringa (tornilloreciprocante). El tornillo es movilizado por un cilindro hidráulico, al cual se le puede determinarel avance tal que sea lo suficiente como para llenar completamente las cavidades. El material, alentrar al molde, está pasando a la unidad de cierre. Ésta está compuesta principalmente por unsistema hidráulico que permite el avance y retroceso de un plato móvil, al cual está sujeta una de

las placas del molde que conforman las cavidades que dan forma a las piezas. La placa móvil esdesplazada por una palanca que, al alcanzar la presión sobre las placas requerida, es mantenida por un sistema hidráulico, de tal manera que se complete la solidificación del material y las piezas puedan ser expulsadas posteriormente al enfriamiento (Fig. 3.1)(1, 2).

3.1.1. Parámetros de la Máquina de Inyección

Dentro del proceso de inyección existen diversas variables que afectan el comportamientodel material, y por tanto, deben ser determinadas para lograr un ciclo de inyección correcto. Entreestas variables se encuentran(1, 2, 3):

• Velocidad de inyección: es aquella que determina el tiempo en que las cavidades del

molde serán llenadas y viene dada por la presión con la que el tornillo empuja al polímerohacia el molde. Depende de la capacidad de la máquina de mantener constante lavelocidad de empuje del tornillo, variando (de acuerdo con los valores registrados portransductores) la presión hidráulica ejercida. Es muy importante pues de ser muy alta podría provocarse degradación del material o excesivos esfuerzos residuales en la pieza; y

de ser muy baja el material podría enfriarse en los canales dificultando el llenado, asícomo también el material podría no tener la orientación deseada y lo más importante: seaumentarían los tiempos de ciclo y se reduciría la producción.



7

• Temperatura de fundido: es una de las variables más difíciles de controlar pues el

polímero es calentado mediante dos vías diferentes: bandas de calentamiento, colocadasen las paredes del barril y la fricción generada por los esfuerzos de corte a medida que elmaterial avanza dentro del barril por acción del tornillo. Los transductores empleadosmiden, principalmente, la temperatura del barril y no la del material, lo que deja un erroren la medición que debe disminuirse al calibrar los controladores. Las temperaturas

empleadas dependen de muchos factores, como lo son: la naturaleza del material, eltiempo que vaya a permanecer el mismo en la máquina, la velocidad de plastificación deltornillo, las conductividades térmicas de los elementos de la máquina en contacto con elmaterial y el área de contacto de los mismos, entre otros.

• Temperatura del molde: aunque no es un parámetro que pueda fijarse en los controles

de la máquina, de éste depende en gran medida el aspecto final de la pieza, ya que, de serésta muy baja, el material puede solidificarse en la superficie del flujo, formando una“piel”, la cual causa inestabilidades de flujo y dificulta el llenado de las cavidades. Porotra parte, si ésta no lo es, el tiempo de enfriamiento requerido es mayor, lo que aumentalos tiempos de ciclo y reduce la producción. Por lo general, viene dada por el agente

refrigerante empleado y por la temperatura y tasa de flujo del mismo.

• Presión sostenida o de compactación: se usa en procesos de inyección de dos etapas. Enla primera etapa de estos, se llena aproximadamente el 99% de la cavidad, mientras queen la segunda se completa el llenado al mantener una presión sostenida, siendo este tipode procesos el más común en la industria. La presión sostenida es sumamente importante, pues se aplica al mismo tiempo que se enfría el material y evita que las piezas puedandeformarse luego de ser desmoldeadas, si los valores escogidos son lo suficientementealtos (sin llegar a causar daño en el molde). Una presión sostenida excesiva es posible

d i di i i l é did d i l bl



8

Aún así, no es necesariamente el más importante, pues aunque de el depende en gran

medida el aspecto final de la pieza, las propiedades de la misma dependen más del tiempode inyección. En cuanto al tiempo de presión sostenida, es hasta cierto punto tanimportante como el tiempo de enfriamiento, pues durante este tiempo el material tambiénestá enfriándose, pero su función es independiente pues durante el tiempo deenfriamiento, específicamente, no se está ejerciendo presión sobre la cavidad para

compactar el material.

3.2. MOLDES DE INYECCIÓN

Los moldes son una parte sumamente importante en el proceso de obtención de piezas; yde la efectividad de su diseño depende, en gran medida, la productividad y tiempo de vida que deéste se obtenga durante su uso. Básicamente, los moldes de inyección poseen dos funciones: eldar al material la forma de la pieza deseada y la de enfriar el mismo para que se solidifique. Estáncompuestos básicamente por las placas portacavidades, la placa fija del bebedero, la placa soportey el sistema de expulsión. La placa del bebedero está ubicada del lado de la máquina donde seinyecta el material; y la placa soporte y el sistema de expulsión que son móviles, se encuentrandel lado del sistema de cierre y expulsión. La superficie que divide a ambas placas (fija y móvil)se denomina: plano de partición(1).

La cantidad de piezas a moldear están limitadas por el tamaño y el peso de las mismas, pues se requiere que además de ocupar un espacio menor a la dimensión máxima permitida por la

máquina (distancia entre columnas guía) (Fig. 3.1), que su volumen pueda ser llenado por menosde la cantidad de material que es capaz de plastificar la unidad de inyección y que además,requiera presiones de cierre también menores a la máxima que pueda ejercer el equipo. Estasmagnitudes deben ser menores debido a factores de seguridad los cuales dan garantía de que el



9

sistema de enfriamiento que pueda uniformemente solidificar las piezas antes de ser expulsadas.

Un molde posee muchos más componentes que las placas portacavidades. La boquilla de lamáquina de inyección se centra en el molde mediante un anillo de centrado, que evita que elmaterial se dirija hacia fuera del molde; luego pasa al bebedero, el cual permite la entrada dematerial a los canales de alimentación que posteriormente, lo conducen hacia la cavidad. El anillode centrado y el bebedero están colocados en el plato fijo del molde, y en el caso del bebedero,

éste continúa hacia la placa portacavidades, que está sujeta al plato fijo (Fig. 3.2). En el diagramade la Figura 3.2 se muestra un molde de una sola cavidad, por lo que no se tienen canales dealimentación y el final del bebedero es la entrada a la cavidad(1).

Figura 3.2: Componentes de un molde de inyección(2).

La otra placa portacavidades (sujeta, junto con otras placas, al plato móvil) es presionadaa la primera por el sistema hidráulico durante la etapa de inyección, éstas son ubicadas en la posición correcta mediante el uso de pines guía con sus respectivos topes. Cada placa poseecanales de refrigeración por los que circula un fluido refrigerante que se encarga de extraer calorde las piezas y de las placas para su expulsión (Fig. 3.2)(1).

El sistema de expulsión, cuando es mecánico, está conformado por dos placas que



10

movimiento independiente de las placas portacavidades, con la excepción de la posición cerrada

del molde (Fig. 3.2)(2)

.

3.2.1. Sistemas que Conforman un Molde de Inyección

Un molde de inyección está compuesto por tres sistemas(1):

a) Sistema de Alimentación

• Bebedero: conduce el material al interior del molde. De tener diámetros muy altos, serequieren de mayores tiempos de ciclo para que el material en esta zona pueda enfriarse y serextraído junto con la pieza, en moldes de canales fríos. En moldes de una sola cavidad, el bebedero lleva el material directamente a la cavidad por lo que, justo a la entrada, sudimensión no debe exceder el doble del espesor de la pieza en ese punto(1).

• Canales de Alimentación:son los que distribuyen el material desde el bebedero hacia lasdistintas cavidades que posea el molde, deben ser lo más cortos posibles para que entre otrascosas no aumenten la diferencia de presión requerida para el paso del material y no aumenten

la cantidad de material perdido (colada); y con un área de sección transversal losuficientemente baja para que puedan enfriarse rápidamente. Esto, en el caso de canales fríos(1).

En la medida de lo posible debe evitarse los cambios de dirección en el flujo de polímero a través de los canales para disminuir la presión requerida, de tener que colocarse,debe tratarse de que sean lo más suave posible. Buscando siempre, en la medida de lo posible,que exista simetría en la distribución del circuito diseñada para que el flujo esté balanceado,de tal forma que cualquier modificación en las condiciones afecte por igual a todas lascavidades También es necesario que el acabado que se le dé a los canales sea el mismo que el



11

circulación de material dentro del molde. La preferida entre éstas es la circular pues es la que

produce menos inestabilidades de flujo por no tener esquinas y es la que tiene la menorrelación superficie:volumen, por lo que menor cantidad de material está en contacto con elmolde frío y se evita que éste se solidifique durante su flujo y lo restrinja. En este sentido, lesiguen las secciones: trapezoidal modificada y trapezoidal, dejando por último a la mediacircular y al cuarto de círculo. Pero la dificultad de mecanizado de la circular y la media

circular hace que la trapezoidal modificada sea la más utilizada(1)

.

Figura 3.3: Diferentes geometrías comúnmente empleadas para canales de alimentación(1).

En cuanto a las dimensiones que deben tener los canales, éstas dependen principalmente del material que se desee moldear, ya que dadas las propiedades reológicas decada compuesto, su flujo se dificulta para secciones transversales distintas a las circulares. Se pueden calcular las dimensiones de los canales mediante el cálculo de la presión que se

genera por el paso de material a través de estos. Partiendo de una dimensión propuesta, se puede calcular la caída de presión que se genera a lo largo de los canales, teniendo en cuentael máximo que se puede permitir por la presión que es capaz de producir la máquina, por elvolumen de desperdicios que se quiera y por las dimensiones de los canales permitidas por las propiedades del material(1).

• Entradas a la Cavidad: se les dan dimensiones menores a las de los canales para que las piezas puedan ser fácilmente separadas de los canales. De sus dimensiones y ubicacióndependen, en muchos casos, la calidad de las piezas y la uniformidad del llenado en lasdiferentes cavidades de un molde si no se tienen las mismas distancias entre cada una de



12

construcción del molde sea lo más simple posible, sin afectar la apariencia de las piezas, por

lo que se sugieren puntos en los que la marca de la entrada no sea notada en la pieza(1)

.

También es necesario considerar que la ubicación de la entrada puede causar líneas desoldadura, dependiendo de la forma de la pieza a inyectar. En muchos casos, se requiere lainyección de piezas en las que la formación de líneas de soldaduras es inevitable, por lo quese recomienda que la entrada sea ubicada en puntos tales que las líneas de soldadura quegeneren estén ubicadas en las zonas menos riesgosas y que sean del menor tamaño posible.En otros casos, se les coloca más de una entrada a las cavidades para disminuir el tiempo dellenado, pero a la vez se está aumentando la cantidad de líneas de soldadura, por choque delos diferentes frentes de flujo (Figs. 3.4 (a) y (b))(1).

Figura 3.4: Patrón de flujo en cavidad con una entrada (a) y con tres entradas (b)(1).

En la Tabla 3.1 se presentan las geometrías de las entradas más comúnmenteempleadas y una breve descripción de sus características principales.

Tabla 3.1: Geometrías y descripción de los principales tipos de entrada a cavidades(1). Nombre Geometría Descripción

EntradaEstándar

Es simplemente una reducción del área de la sección transversal del canal dealimentación y está ubicada lateralmente a la pieza.

Entrada deAbanico

Tiene como función ampliar el flujo de material en la entrada para reducir laconcentración de esfuerzos en esta zona.

(a) (b)

13



13

b) Sistema de Refrigeración

Los sistemas de refrigeración son parte esencial y de suma importancia en el proceso deinyección de materiales termoplásticos. Del correcto diseño de este sistema dependen en granmedida las propiedades finales de las piezas. Se requiere que el flujo que circule por los canalessea turbulento para garantizar alta transferencia de calor del molde al fluido, pues con un flujolaminar no ocurre mezclado en el fluido y la transferencia de calor no es tan alta, pues no todo elfluido está en contacto con las paredes. Por lo general, se emplea agua como fluido refrigerante porque su eficiencia es muy buena y su costo es bajo, pero pueden utilizarse otro tipo de fluidos ygases(1).

De la uniformidad y rapidez del enfriamiento depende la eficiencia del sistema. La

rapidez afecta directamente los costos, pues se reducen los tiempos de ciclo y aumenta la producción; mientras que de la uniformidad depende la calidad de las piezas fabricadas. Estas propiedades se alcanzan con la colocación de suficientes canales, ubicados correctamente. Loscanales se ubican en el interior del molde y existen diversas consideraciones de diseño que debentomarse en cuenta para la ubicación de los canales de refrigeración, principalmente debido al proceso de mecanizado de los moldes(1).

Entre las consideraciones más comunes están la distancia entre el canal y la cara delmolde (D) y, la separación entre canales (P), mostradas en la Fig. 3.5. La distancia entre canalesdebe ser de 3 a 5 veces el diámetro del canal. La separación entre la cara del molde y el canaldebe ser de 1 a 2 veces el diámetro del mismo. Se recomienda que el diámetro de los canales esté

entre 1 (cm) y 1,5 (cm)(1)

.

14



14

c) Sistema de Expulsión

El sistema más simple está compuesto por las placas de expulsión y de retención, entre lascuales se colocan pines que atraviesan la placa sujeta al plato móvil y expulsan las piezascontenidas en esa placa (Fig. 3.2). El sistema es accionado por una palanca movilizada por elsistema hidráulico de la máquina. Entre las placas también se coloca un pin de retorno que alcerrar el molde para un nuevo ciclo de inyección, devuelve el sistema de expulsión a su posición

original(1).

Los pines deben moverse libremente a través de las cavidades por lo que se permite suavance de 2,5 a 3 veces el diámetro del pin. La cantidad de pines es determinada por la cantidadde piezas, su posición, por lo general, no es uniforme, pues se deja un pin fuera de la posición

regular, tal que el sistema de eyección encaje de una sola forma en el molde. En casos como eluso de moldes de 3 placas, se emplean pines de halado del bebedero, los cuales interactúan con elflujo del bebedero, para que al enfriarse este último, quede retenido de tal forma que cuando elmolde abra completamente, se separe del pin; conjuntamente deben colocarse esquinassobresalientes a los canales para que puedan separarse de la pieza, de esta forma no se requierende pines de halado para la colada (Fig. 3.6)(1).

Figura 3.6: Sistema de expulsión para molde de 3 placas(1).

15



15

sistemas para cada pieza, ya que si esta es muy voluminosa y pesada, la presión aplicada puede

no ser lo suficiente y se requiera de un sistema de pines(1)

.

3.2.2. Tipos de Moldes

Los sistemas descritos anteriormente se aplican a moldes de canales de colada fría, paraotros tipos de moldes existen variaciones y otros tipos de sistemas. A continuación se realizaráuna explicación de los distintos tipos de moldes y de las diferencias entre ellos(1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).

a) Moldes de Canales Fríos

Los moldes de canales fríos son aquellos en los que los canales de alimentación y el bebedero son enfriados junto con la pieza para posteriormente ser separados de ésta. Sudesventaja radica en los desperdicios generados por los canales de alimentación y el tiempo deenfriamiento que requiere pues secciones como el bebedero tienden a tardar más en enfriar que elresto del sistema.

Por lo general, son moldes de dos placas en los que los canales y las piezas pueden ser

extraídos al separar las placas que componen el molde (Fig. 3.7, izquierda). Por otra parte, en losmoldes de 3 placas, los canales y las piezas se expulsan de diferentes secciones del molde.Comúnmente se emplean para producirr piezas en las que es necesario inyectar por un puntoespecífico de la misma y la apertura en un molde de 2 placas no es posible o es muy complicada(Fig. 3.7).

16



16

b) Moldes de Canales Calientes

Este tipo de moldes presenta las grandes diferencias con los moldes convencionales decanales fríos, ya que el material contenido en los canales no es desperdiciado sino que semantiene dentro del molde fundido para ser inyectado posteriormente en un próximo ciclo. Estosmoldes se asemejan a un molde de 3 placas de canales fríos, con la excepción de que la secciónque contiene los canales no se abre durante la etapa de eyección.

Estos moldes poseen considerables ventajas frente a los moldes de canales fríos pues nosólo se ahorra costos por el material que no es desechado, sino también por la energía consumidaya que las presiones requeridas por el proceso disminuyen porque no se requiere presión paracompactar los canales y el bebedero. Adicionalmente, los tiempos de ciclo se reducen pues no serequiere que se enfríen los canales y el bebedero, por ende, la producción aumenta.

Básicamente, los sistemas de eyección y enfriamiento son los mismos que se emplean para moldes de canales fríos, pero no se colocan canales de refrigeración para el sistema dealimentación. Por el contrario, el sistema de alimentación cambia, teniendo calefactores paramantener el polímero en estado fundido, los cuales varían en formas, pero generalmente se

emplean resistencias eléctricas pues son más eficientes en la transferencia de calor que lacirculación de un fluido a alta temperatura. Aunque se deben colocar canales de enfriamiento para la que la placa que contiene el sistema de alimentación no se deforme en menor o mayor proporción que las demás y las piezas no salgan defectuosas.

Para el bebedero y las entradas a las cavidades se emplean bujes con sistemas decalefacción eléctrico integrados, que en algunas de sus variaciones son capaces de calentar yenfriar, en la muchos de los casos, registran la temperatura del material por transductores detemperatura integrados y pueden disminuir su suministro de calor para dejar que el material se

f í l fi i d l ió d l i bié

17



17

(1) Entrada para canales calientes.(2) Elemento calefactor.(3) Sello de la entrada.(4) Canal de flujo de material.(5) Aislamiento térmico con aire.(6) Canal de enfriamiento.(7) Cavidad.(8) Entrada.(9) Acero del molde.(10) Termocoupla.(T1) Temperatura de procesamiento.(T2) Temperatura del área de la entrada.(T3) Temperatura del molde.

Figura 3.8: Entrada a cavidad para molde de canales calientes(1).

En lo referente a los canales, se tienen sistemas que mantienen el material a temperaturaconstante durante su paso a través de estos, bien sea por resistencias instaladas a lo largo de loscanales o por el empleo de distribuidores (manifolds) que son placas con resistencias eléctricasinstaladas, predefinidas para la cantidad de salidas que se tendrá y la separación entre ellas, en

base a la cantidad de cavidades y de las dimensiones de las mismas. En algunos casos los canalesson mecanizados en estas por el usuario acorde con sus requerimientos.

Los moldes de canales calientes son preferidos para la fabricación de piezas de alta producción para que el costo de su fabricación pueda ser recuperado. Ya que para series cortas,aumentan mucho los costos de las piezas.

c) Moldes Apilables

Los moldes apilables se asemejan a moldes de 2 placas dobles, es decir que poseen una placa portacavidades intermedia que moldea piezas por ambas caras. Hoy en día, este tipo demoldes emplea sistemas de canales calientes, el bebedero empleado es una barra de longitudextensa que se conecta a la boquilla de la máquina de inyección y la placa intermedia quecontiene el distribuidor con los canales de flujo de material. Esta placa se encuentra fija en launidad de cierre mientras las otras placas son móviles y se separan hacia ambos lados de la

18



18

Figura 3.9:Molde de inyección apilable(1).

Estos soportes se instalan externamente, y se colocan luego de que el molde está en posición cerrada en la máquina. Los tornillos de ajuste son colocados cuando el molde estácerrado y a la temperatura de proceso para evitar que se desplace al comenzar el procesamiento.Entre los sistemas de sujeción y apertura empleados para moldes apilables se encuentran:

• Barra dentada con engranajes: en cada placa móvil se ubica un soporte lateral que lasune a barras dentadas de ambos lados del molde. La placa central contiene engranajes aambos lados mediante los cuales se mueven las barras dentadas. En cada placa móvil las barras dentadas van horizontalmente opuestas de tal forma que se conecten con unengranaje ubicado en la placa central. Así, cuando la unidad de cierre, abra o cierre elmolde, ambas placas móviles se desplazarán al mismo tiempo (Fig. 3.10).

Figura 3.10:Diagrama del sistema de barra dentada con engranajes(8).

19



del molde. De los soportes, se enlazan, por medio del sistema de palancas, los sistemas de

sujeción de las placas móviles, los cuales permiten que la apertura de ambas placas estésincronizada (Fig. 3.11). La diferencia principal de este sistema es que viene implantadoen la máquina de inyección, pero un sistema similar puede colocarse en máquinas deinyección que no posean estos rieles, sujetando el sistema de palancas en la placa central,la cual debe ser sujetada en la máquina, mediante otro sistema.

Figura 3.11:Diagrama del sistema portador de molde apilable(9).

En cuanto a los sistemas de expulsión, se recomienda que el molde posea sistemas igualesa ambos lados de la placa central, y además, que posean algún mecanismo de actuación fijado enla placa central para facilitar su funcionamiento y asegurar que actúen al mismo tiempo.

Se requiere que la placa central del molde esté correctamente suplida de aire, agua yelectricidad. En vista de que la placa central contiene el distribuidor y las boquillas, se calienta enmayor proporción que las placas móviles, por tanto, debe colocársele un sistema de refrigeraciónque garantice la expansión uniforme de todas placas para evitar deformaciones en las piezasobtenidas; adicionalmente, debe tener suficiente espacio para que una capa de aire sirva comoaislante térmico entre el distribuidor y las placas y se facilite la extracción de calor del sistema deenfriamiento. Por otra parte, aunque no existen reglas generales, se sugiere que las conexiones delos sistemas eléctricos de calentamiento se ubiquen en la parte superior de la placa central.

20



convencional, por lo que, en la mayoría de los casos, se deben emplear máquinas con muy alta

capacidad de plastificación. Por otro lado, aunque se piensa que al emplear un molde apilable la producción se duplica, con respecto a un molde de un solo plano de partición, en realidad es un poco menos del doble debido a que la cantidad de material a plastificar es mayor, lo cual afecta eltiempo de plastificación del material y el de llenado del molde.

3.3. INGENIERÍA CONCURRENTE

La ingeniería concurrente (IC) crece como una necesidad del mercado de fabricar productos de alta calidad, bien diseñados, mediante la mejor utilización de los equipos, teniendoun eficiente control organizacional en el menor tiempo y al menor costo posible, para esto debeestructurarse y organizarse el diseño de productos. Como motivos para este desarrollo se resumenlos siguientes planteamientos hechos por diferentes autores en distintos tiempos(10).

Típicamente, la IC se define como la integración de ambos, el diseño del producto y su proceso de manufactura. De esta forma, se reduce el tiempo de desarrollo, el costo y se obtieneun producto que mejor satisface las expectativas del consumidor. Su propósito es principalmente

económico y el mejor momento para causar un efecto en este aspecto es en la fase de concepto ydiseño(11).

Generalmente, el proceso de desarrollo de un producto comienza con un estudio demercado del cual se tienen bases para el diseño del producto, éste es diseñado y enviado a la planificación de los procesos de manufactura de acuerdo a los componentes, materiales, etc. De

lo cual se obtiene una retroalimentación que puede llevar a cambios en el diseño. Una vezestablecido se lleva el diseño a la fase de manufactura, que a la vez sirve de evaluación y puede provocar cambios en el diseño. Cuando se está conforme con lo obtenido en estas etapas, elproducto es lanzado al mercado y al ser evaluado por los usuarios se obtienen las reacciones que

21



Figura 3.12: Ciclo secuencial de desarrollo de productos(10)

.

Este esquema no es el más eficiente pues se tienen considerables pérdidas de tiempo enrealizar el diseño para enviarlo a evaluación, para diseñar nuevamente con las modificacionessolicitadas. En cambio con el uso de la ingeniería concurrente todos los sectores envueltos en eldesarrollo del producto deben interactuar durante la etapa de diseño para evitar contratiempos enlas etapas posteriores del desarrollo(12).

3.3.1. Uso de Diseño e Ingeniería Asistida por Computadoras (CAD/CAE) en laAplicación de la Ingeniería Concurrente

El diseño Asistido por Computadoras (CAD, por sus siglas en inglés) se refiere al dibujo ymodelado de piezas mediante el uso de computadoras. Es la columna vertebral que permite laaplicación de la ingeniería concurrente y el de la ingeniería asistida por computadoras (CAE, porsus siglas en inglés) y la manufactura asistida por computadoras (CAM, por sus siglas en inglés)(13).

Entre las capacidades de los programas CAD se encuentran(14):• Realiza cálculos rutinarios y tediosos, permitiendo la creación de planos con alta exactitud

de cómputos numéricos.

P i l ió d b d d d á d di ñ d i l

Usuarios

Estudio deMercado

Diseño Planificaciónde Procesos

Manufactura

Series de órdenes decambio de ingeniería

22



• Manipula archivos de computadora (apertura, copiado, modificado y exportado) lo que

simplifica las tareas.

CAD puede ser empleado para el diseño de productos nuevos, modificación de productosexistentes; asimismo, se pueden crear o modificar piezas que forman parte de la manufactura deun producto: cabezales, moldes, postizos, etc. Su principal fortaleza radica en que permiterealizar modelados en corto tiempo, dependiendo del nivel de detalles requerido y de la cantidad

de entidades disponibles en la librería del programa empleado. Desde el punto de vista ingenieril,el tener estos diseños es una ventaja pues permite la revisión de los mismos, el probar diferentesalternativas y el intercambio de ideas entre ingenieros, aprovechándose la experticia de cada uno para solventar problemas de distinta índole(14).

Por su parte, CAE se entiende como el uso de computadoras para el análisis de un diseño.CAE envuelve el empleo de modelos matemáticos que simulan las condiciones y procesos bajolos que un diseño está expuesto. Los modelos, por lo general, envuelven sistemas de ecuacionescon derivadas parciales que requieren condiciones de borde. Para su resolución, se deben emplearmétodos numéricos, esto implica la discretización del sistema: división del sistema en puntos(nodos) en los cuales se calcularán las cantidades que se requieren. Uno de los métodos dediscretización mas populares es el de elementos finitos en los que el sistema se divide ensecciones definidas en sistemas bidimensionales por triángulos o cuadriláteros y entridimensionales por tetraedros o hexaedros en los que los vértices de estas formas son los nodos.En el caso de polímeros, se simulan procesos como extrusión, moldeo por inyección, soplado de películas, termoformado, etc(13).

La aplicación de la IC implica el uso de CAD para el desarrollo de productos, mejorandoel diseño de procesos al enlazar electrónicamente el diseño de productos y procesos. Al emplearCAD para mejorar el desarrollo, se aplica para compartir información o archivos entre

23



3.4. ANTECEDENTES

Hoy en día, el uso de programas CAD/CAE ha facilitado la tarea de diseñar un molde, Numerosos trabajos en el área de diseño de moldes de colada fría se han encontrado publicadosen revistas y en congresos especializados. León y colaboradores(15), en el que se realizó el diseñode un molde de inyección para una tapa, lo cual se hizo simultáneamente, empleando los

principios de la IC. Para esto se empleó un software CAD, con el que se realizó el nuevo diseñode la pieza, luego de haber estudiado diseños preexistentes de tapas. Seguidamente, se creó eldiseño del molde y se verificó, con planos y vistas tridimensionales, que no existiesen posiblesinterferencias en su funcionamiento. Finalmente, se validó el diseño del molde empleando un programa CAE que simulara el proceso de inyección para el molde diseñado, y empleando lasespecificaciones de la máquina que se deseaba emplear. Se concluyó que el empleo de programasCAD/CAE permitieron la realización de las fases de este proyecto de manera simultánea,obteniéndose el diseño del molde en menor tiempo que de haber empleado herramientasconvencionales(15).

González y colaboradores(16) establecieron una metodología para el diseño de moldes

empleando herramientas CAD/CAE/CAM. Para esto, se evaluó la metodología empleada parallevar a cabo trece proyectos en los que se aplicó la IC, de lo cual se obtuvo que los pasos aseguir para la realización de un molde son los siguientes: (a) concepción el diseño; (b) estudio demercado; (c) análisis de productos similares existentes en el mercado; (d) análisis de los moldesde piezas existentes (si es posible); (e) creación de modelos tridimensionales de las piezas nuevas

y existentes, empleando programas CAD; (f) creación de mallas del modelo para la simulaciónempleando programas CAD o CAE; (g) simulación de la pieza diseñada o mejorada utilizandouna herramienta CAE; (h) validación experimental de los resultados de simulación de la pieza enel mercado (en caso de haber sido una modificación); (i) creación de prototipos de la pieza;(j)

24



En otro estudio, León(17) evaluó la posibilidad de mejorar el proceso de inyección de un

envase contenedor de alimentos al sustituir un molde de colada fría por uno de colada caliente.Para ello se modeló la pieza a fabricar, y se plantearon los dos tipos sistemas de inyección paraser simulados en el software CAE C-MOLD®. De los resultados se obtuvo que con el molde decolada caliente se reducía el tiempo de ciclo en 5 [s] y la fuerza de cierre requerida en 2,7%, loque representa un ahorro en la energía consumida. Con esto se concluyó que el molde de coladacaliente es más beneficioso que el de colada fría, pues se tiene un ahorro de energía, material ytiempo de ciclo.

3.5. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

Este proyecto nace de la necesidad de poner en evidencia los beneficios de sistemas dealimentación de colada caliente en piezas de consumo masivo como envases contenedores dealimentos, los cuales, al ser procesados mediante estos métodos generan ahorro en los costos defabricación, y por ende, en el precio final del producto, lo que representa una ventaja para elconsumidor final.

En vista de no existir publicaciones que den fe de los beneficios de los moldes apilables,surgió el interés en evaluar el desempeño de este tipo de moldes frente a los ya existentes decoladas fría y caliente. Con esto se buscaba diseñar el molde que mayores beneficios representaraa nivel de producción y que en líneas generales, disminuyese los costos de producción de las piezas con respecto a los demás, estando beneficiado así, el consumidor final.

Con la expectativa de que el molde que resultase más beneficioso fuese el molde apilable,se pudo verificar que los fabricantes no poseen líneas de piezas estandarizadas para este tipo demolde comercializadas ampliamente, lo que hace su costo muy alto, de tal manera que parabuscarle una solución a este problema se decidió emplear piezas estándar diseñadas para moldes



CAPÍTULO IV

METODOLOGÍA

4.1. MATERIALES Y EQUIPOS

4.1.1. Materiales

• Material para la tapa: Polietileno de Baja Densidad PETROTHENE NA 860, de la casacomercial Millenium Petro (Tabla 4.1).

• Material para el envase: Polipropileno MARLEX HLN-120-01, de la casa comercialPhillips Sunika (Tabla 4.2).

• Refrigerante: Agua.• Material del molde: Acero genérico P-20 (Tabla 4.3) y aleación de Cobre/Berilio

MOLDMAX HH 40HRC, de la casa comercial Brush Wellman (Tabla 4.3).

Tabla 4.1: Especificaciones técnicas del PEBD PETROTHENE NA 860(18). Físicas Valor (Unidades)Densidad 0,921 (g/cm3)Índice de Fluidez (190ºC/2,16 Kg) 24 (g/10 min)

MecánicasEsfuerzo de Fluencia (Tensil) 12,2x106 (Pa)Esfuerzo de Ruptura (Tensil) 8,48x106 (Pa)Deformación de Fluencia (Tensil) 14 (%)

26



Tabla 4.3: Especificaciones técnicas de los materiales del molde(3). ACERO P-20 MOLDMAX HH 40HRC Be-Cu

Densidad (kg/m3) 7820 8359Calor Específico (J/kg.K) 460 360Conductividad Térmica (W/m.K) 36,5 103,8Coeficiente de Expansión Térmica (1/K) 0,000012 0,000017

4.1.2. Equipos

• Micrómetro Digital Mitutoyo, apreciación: 1E-05 [m].• Vernier Digital Mitutoyo, apreciación: 1E-05 [m]• Máquina de Inyección: Máquina genérica de 300 toneladas de fuerza de cierre.•

Software CAD Pro/ENGINEER ®

de Parametric Technologies Corporation.• Software CAE C-MOLD® de Advanced CAE Technology, Inc.

4.2. PROCEDIMIENTOS

Los pasos seguidos para la realización de este estudio se basaron en los planteamientoshechos por González y colaboradores(16), estos serán explicados seguidamente:

1- Revisión bibliográfica: Previamente a la realización del estudio, se realizó una revisión bibliográfica, consultando artículos de revistas internacionales, congresos (nacionales einternacionales), libros, proyectos de tesis y pasantías, páginas de Internet, etc., empleando

los recursos de la Biblioteca Central de la USB.

2- Estudio de mercado: Se realizó un estudio de algunas piezas existentes en el mercado paraevaluar posibles problemas que éstas pudiesen tener y establecer sus ventajas y desventajas.

27



piezas no mostraban problemas de diseño considerables, a excepción de la tapa, que se alabea

al salir del molde, en este sentido, se podían añadir características que las mejoraran: filetes eindentaciones. Luego de determinar cuales diseños cumplían con la mayor simplicidad y nomostraban fallas, se les midieron sus dimensiones y fueron tomadas como punto de partida para el diseño modificado. Asimismo, se evaluó de que materiales estaban fabricadas lasmismas: polietileno de baja densidad (PEBD), para la tapa, y polipropileno (PP), para elenvase(19).

3- Diseño de las piezas: Para el diseño de las piezas se empleó el programa Pro/ENGINEER ®,que es un software CAD que permite crear modelos tridimensionales con alta precisión. Eldiseño se basó en lo encontrado en el estudio de mercado: a la tapa se le colocaron nervios endirección radial en la sección superior y otro en dirección angular en la parte inferior, para

reforzarla de tal forma que no se alabease al ser expulsada, adicionalmente se le colocó unaindentación en la zona cercana al borde, pero esto será explicado en la sección 5.1.a) (Fig.4.1) (19).

Figura 4.1: Modelo tridimensional de la tapa diseñada: Parte superior (a) y parte inferior (b).

En cuanto al envase, se encontró en el estudio de mercado que los fondos no eran

planos, sino que sobresalían, algunos con sección transversal curva y otros con seccióntransversal con ángulos. Se decidió colocar el fondo con ángulos (Fig. 4.2) pues se apreciómejor estabilidad en los envases con esta característica, por tener mayor área de contacto conl fi i d d l l t P t t l l

(b)(a)

28



Figura 4.2: Modelo tridimensional del envase diseñado: Parte superior (a) y parte inferior (b).

4- Mallado de las piezas: Se mallaron las piezas en el programa C-MOLD®, el cual emplea elmétodo de diferencias finitas y emplea mallas de elementos triangulares de 2 dimensiones ymedia, que son mallas planas a cuyos elementos se les asigna un espesor. Se requiere que elradio de aspecto sea menor a 5, para garantizar que los elementos estén bien distribuidos yden buenos resultados para la pieza que representan. Para realizar el mallado se empleó el

software C-MOLD®

, en éste, se creó un modelo tridimensional de la pieza con paredes planas, sin características como filetes e indentaciones, pues hacen sumamente difícil el proceso de mallado, luego, se creó una malla con tamaño global de 1 [cm]. En la tapa esto setradujo en 841 nodos y 1602 elementos; y en el envase, en 1305 nodos y 2530 elementostriangulares. En este caso, el radio de aspecto promedio para la tapa fue de 1,23 y para elenvase de 1,40(20).

5- Determinación del material para la fabricación de las piezas: Para esto se consultó una base de datos disponible en Internet: IDES(19). La cual, a través de su aplicaciónPROSPECTOR ®, permite realizar una búsqueda de materiales por tipo de material yaplicación. Esto permitió seleccionar, en base a los materiales que se encontró en el estudio

de mercado, grados para las aplicaciones requeridas: contenedor de alimentos y tapas. De losmateriales encontrados se seleccionó aquellos que estuviesen contenidos en la base de datosdel programa C-MOLD®, para tener, de antemano, todos los datos del material requeridospara la simulación En caso de requerirse emplear otras resinas no especificadas deben

(a) (b)

29



6- Determinación de la máquina de inyección a utilizar:En este caso, dado que lo que se

buscó fue comparar las propiedades de cada uno de los sistemas, debía emplearse unamáquina capaz de soportar moldes apilables al igual que los otros tipos de moldes, pero lasespecificaciones de los equipos que cumplen con estos requerimientos no estaban disponibles(21). Por ello, se decidió partir de seleccionar el número de piezas a inyectar. Se seleccionó 2en cada caso por el hecho de que para un molde apilable (en el que se duplica la cantidad de piezas a fabricar, es más sencillo colocar una barra de bebedero por el centro de las placas,que en posición lateral; en caso de haber seleccionado 1 pieza, la ubicación de esta barra en elcentro no hubiese sido posible, pues hubiese atravesado la misma. Establecido el número de piezas deseado, se plantearon los sistemas requeridos para la simulación, como se explicaránmás adelante, y con los resultados de la simulación se verificó que la máquina empleada fuesecapaz de inyectar las piezas. Inicialmente, se colocó una máquina genérica de 100 [ton] defuerza de cierre, la cual era capaz de dosificar la cantidad de material requerida, pero sufuerza de cierre era insuficiente para moldear las piezas, eventualmente, se llegó a que lamáquina capaz de moldear los sistemas más complejos (los moldes de los envases) fue unamáquina genérica de 300 [ton] de fuerza de cierre. Y ésta fue la seleccionada para todos lossistemas estudiados, con el fin de que las características de la máquina permaneciesen

constantes.

7- Determinación del sistema de alimentación de los moldes a diseñar: Inicialmente, debemencionarse que el primer paso para determinar el sistema de alimentación es definir laubicación de la entrada en la pieza. Aunque pudo emplearse una simulación para determinarla(22), se observó que las piezas evaluadas poseen su entrada en el centro de la parte inferior delenvase, lo que produce un llenado uniforme, por ende, se tomó este punto. El sistema dealimentación se planteó pensando en la presión de inyección máxima requerida por lamáquina, en este caso la presión de inyección máxima permitida fue de 180 [MPa]. La

30



A continuación, se proponen los pasos que se siguieron como metodología para

determinar las dimensiones de los canales(22)

:a. Se debe partir de colocar canales para las cavidades requeridas (añadidas previamente al

modelo), con longitudes de acuerdo con lo que se requiera, bien sea basado en el espesorde las placas, la separación entre cavidades, etc., que se busca, o colocando una longitudtentativa que luego podrá ser modificada.

b. A estos canales se le asignan, individualmente, propiedades de canales fríos o calientes(según se desee) con diámetro constante. En la pestaña “Detailed” de la ventana deasignación de propiedades de canales (Fig. 4.3), se coloca el material del molde en el quese encuentran los canales y los diámetros mínimo y máximo permisibles para esematerial, los cuales se encuentran en la literatura. Se deben asignar las propiedades para laentrada a la cavidad, pero no debe ser optimizada pues el programa no tomaconsideraciones para entradas. En este caso se marca la casilla “Fix runner size inoptimization”.

Figura 4.3: Ventana de propiedades de canales de alimentación de diámetro constante.

c. Se malla y se asignan todas las propiedades al sistema (materiales, máquina(s) deinyección etc ) y sus condiciones de borde No hace falta definir los parámetros del

31



colada que se desea, en la sección “Runner size optimization” (Fig. 4.4). Este volumen puede basarse en el volumen de las piezas, para ello el programa tiene una aplicación que permite observar los valores de los volúmenes de colada y piezas que el sistema posee, para acceder a ella, se debe presionar sobre el botón “Show Part and Runner Volumes” enesta misma pestaña.

Figura 4.4: Ventana de propiedades de la entrada de inyección del programa C-MOLD®.

e. Se abre la ventana de simulaciones (“Launch Simulations”), seleccionando “Launch…”del menú “Simulations” del programa y se selecciona, en la sección “Simulation”,“Runner Size and Process Conditions Optimization” del menú desplegable “Name”.

Luego se inicia la simulación presionando el botón “Launch” (Fig. 4.5).

32



f. Una vez que el programa haya realizado la optimización, los resultados de la mismadeben ser recuperados presionando el botón “Get Results” de la ventana “SimulationStatus/Control” (Fig. 4.6), a la cual se puede acceder presionando el botón “Status…” dela ventana “Launch Simulations” o seleccionando “Status/Control…” del menú“Simulations”.

Figura 4.6: Ventana “Simulation Status/Control” del programa C-MOLD®.

g. Una vez hecho esto, el programa preguntará si el modelo debe ser reemplazado con losresultados de la simulación (botón “Replace”), si debe guardarse una copia y luegoreemplazarlo (botón “Save, Then Replace”), si desea ignorar momentáneamente losresultados (botón “Ignore”) o si desea eliminarlos (botón “Discard”). Allí se elige la

opción de preferencia (Fig. 4.7). Una vez que se tiene el modelo reemplazado con estosresultados, se pueden modificar los parámetros y los diámetros, a gusto, para simular el proceso de inyección.

33



El programa se enfoca en la obtención del volumen de colada deseado, con lo cual elusuario debe realizar una suerte de tanteo variando el volumen de colada hasta obtener la presión de cierre que se precisa. Se debe tener en cuenta que el programa no optimiza canalesde diámetro variable por lo cual se debe colocar, en principio, todos los canales con diámetroconstante y a raíz de los resultados de la simulación final se toman los diámetros obtenidoscomo promedio para establecer, tomando en consideración el ángulo de desmoldeo requerido para el canal, los diámetros inicial y final del canal, si se trata de canales fríos.

Los sistemas de canales calientes emplean canales circulares con diámetro constante, porque no se requiere un ángulo para su desmoldeo, en este sentido, se tomaron los diámetrosde los canales obtenidos de la optimización y se seleccionaron las piezas estandarizadas quemás se acercaban a estos valores. Se planteó el sistema nuevamente, con las dimensiones de

las piezas seleccionadas, con esto también se tuvo que modificar las longitudes de los canales planteadas inicialmente, lo que aumentó el volumen de colada, pero como se trata de canalescalientes, esto es irrelevante.

Con el fin de comparar los sistemas de coladas fría y caliente se decidió colocar lamisma geometría del sistema de colada caliente para el de colada fría tal que se pudiesen

apreciar las diferencias en los resultados de la simulación fijando estas variables, aunque, sinduda, al diseñar un molde de colada fría, el volumen de colada debe disminuir y asimismo,deben considerarse los ángulos de desmoldeo y la facilidad de mecanizado, por lo que no seemplearían canales circulares. En la Tabla 4.4 se muestran los diámetros de canalesrecomendados para las resinas empleadas. Estos rangos fueron los suministrados al programa

para la optimización; para el envase, se inició con un volumen de colada del 20% delvolumen de la pieza y una presión máxima de 100 [MPa], en vista de que se encontró en la bibliografía que usualmente las máquinas soportan esta magnitud de presión de inyección(1);se obtuvo que la presión de inyección máxima fue menor al valor prefijado Pero al colocar

34



Tabla 4.4: Diámetros de los canales recomendados para los materiales empleados(1). Polímero Diámetro sugerido [mm]

Polietileno 1,5 – 9,5Polipropileno 4,7 – 9,5

Para el molde apilable se probó emplear un sistema análogo al del molde de coladacaliente, pero adaptándole dos boquillas adicionales en sentido opuesto a las existentes,manteniéndose las dimensiones de los canales. Se obtuvo, al realizar las simulaciones, que elsistema funcionó correctamente, por lo que estas dimensiones se emplearon también para estesistema. En cuanto al bebedero, se debió colocar una barra de bebedero de longitud muchomayor a la del sistema de canales calientes pues, en este caso el bebedero debe permanecerfijo entre la máquina de inyección y el distribuidor, mientras una de las placas portacavidadesse mueve sobre ésta para la expulsión de las piezas.

8- Determinación del sistema de refrigeración de los moldes a diseñar:En cuanto a loscanales de refrigeración, se debe plantear un sistema que garantice el enfriamiento uniformede la pieza y, al mismo tiempo, la facilidad de mecanizado en el molde. En geometrías en lasque el acceso es complicado deben colocarse sistemas especiales que permitan el correctoenfriamiento de la pieza y un equilibrio entre las temperaturas de las placas, buscando lasimplificación de los mismos al máximo. A la tapa, bastó con colocarle canales rectos pasantes de ambos lados para lograr un enfriamiento uniforme (Figs. 4.8-4.9), en cambio enel envase fue mas complicado lograr el enfriamiento pues es difícil enfriar la parte interna delmismo, se probaron sistemas de canales circulares, pero su mecanizado es muy complicado,lo que llevó al uso de deflectores: se colocaron 4 distribuidos en el interior de la pieza,alrededor y por debajo se colocaron canales pasantes (Figs. 4.10-4.12). A los sistemas decolada fría, se les colocaron canales de refrigeración al sistema de alimentación, pues serequiere que éste solidifique para su expulsión (Figs. 4.8 y 4.10). De acuerdo con los

35



Figura 4.8: Sistema de enfriamiento para el molde de colada fría de de la tapa.

Figura 4.9: Sistema de enfriamiento para los moldes de colada caliente y apilable de la tapa.

Figura 4.10: Sistema de enfriamiento para el molde de colada fría del envase.

Figura 4 11:Sistema de enfriamiento para los moldes de colada caliente y apilable del envase

36



9- Optimización de los parámetros del proceso de inyección: El programa C-MOLD® también posee un proceso de simulación que optimiza las variables del proceso de inyecciónúnicamente. A continuación, se plantea una metodología para su aplicación(22):

a. Como punto de partida, se debe haber planteado el sistema de inyección análogamente alo expresado en la metodología para optimizar las dimensiones de los canales. No esnecesario que se editen las propiedades de los canales, asignando valores mínimo y

máximo para el canal, ni las propiedades de la máquina de inyección de la pestaña“Design Optimization”.

b. Seguidamente, se abre la ventana de simulaciones (“Launch Simulations”), seleccionando“Launch…” del menú “Simulations” del programa y se selecciona en la sección“Simulation”, “Process Conditions Optimization” del menú desplegable “Name”. Luegose inicia la simulación presionando el botón “Launch” (Fig. 4.13).

Figura 4.13: Ventana “Launch Simulations” del programa C-MOLD®.

c. El resto de los pasos se siguen de la misma forma.

Para cada uno de los sistemas planteados se optimizaron los parámetros empleando estametodología, se ejecutaron simulaciones del proceso de inyección y en base a los resultadosobtenidos, se modificaron aquellos que era necesario modificar, en este caso: perfil de

velocidades de inyección, presión sostenida, tiempos de presión sostenida y enfriamiento,temperatura de fundido, temperatura y caudal del fluido refrigerante, y, cómo se mencionóanteriormente, las dimensiones de los canales de alimentación y refrigeración.

37



• distribución de temperaturas en las paredes del molde,•

temperatura de desmoldeo,• presión en la cavidad,• contracción volumétrica,• alabeo de la pieza por efecto del sistema de enfriamiento, del proceso de inyección y del

conjunto de estos,• índice de rechupes y• esfuerzo de corte en las paredes.

Para determinar el tiempo de enfriamiento requerido se observó el tiempo mínimo enque la totalidad de la pieza alcanzó una fracción de capa sólida igual a 1, es decir, que yaestaba solidificada completamente, en el caso de los moldes de colada fría también debió

considerarse que el sistema de alimentación también solidificase para su expulsión.Adicionalmente, se requiere que el efecto del enfriamiento en el alabeo de la pieza fuese elmenor posible ya que por el proceso (independientemente del enfriamiento de la pieza) éstetiende a ser mayor. Además, es necesario que la diferencia de temperaturas entre las placasque conforman la cavidad no sea mayor a 10 [°C] para que no se encuentren problemas de

desmoldeo de las piezas(3)

. Por lo que en algunos casos se debe aumentar el tiempo más alláde ése en que se consigue la solidificación total de la pieza, para cumplir con los otrosrequerimientos.

Por otra parte, se requiere que la presión en la cavidad sea cero y que la temperaturade desmoldeo del material sea menor a la sugerida por el fabricante, al final del tiempo de

ciclo, para evitar problemas y posibles deformaciones de la pieza al momento de serexpulsada.

El esfuerzo de corte en las paredes calculado por el programa debe mostrar valores

38



depende de las temperaturas de fundido y refrigerante. Por lo cual fue necesario realizarmodificaciones de estos parámetros, para obtener valores por debajo del máximo. En vista deque la temperatura de fundido está directamente relacionada con la velocidad de inyección, yque la fricción del material con los canales genera calor, debieron variarse los parámetros(uno a la vez) para determinar que combinación de los mismos generaba los resultadosrequeridos.

En lo que se refiere a la modificación de los niveles de presión sostenida y a lostiempos en que ésta es aplicada, la modificación se basó en los resultados de contracciónvolumétrica, alabeo e índice de rechupes. Los resultados de esfuerzos residuales no fuerontomados en cuenta porque no se evaluó el comportamiento de la pieza en uso. Al aumentarvalores de presión sostenida o el tiempo de aplicación de la misma, el alabeo que se obtuvo

fue mayor; por otra parte, esta presión compensa el llenado de la cavidad por los cambios dedensidad que sufre el material durante el procesamiento, en este sentido al aumentar el tiempoo la magnitud de la presión se redujo la contracción volumétrica, lo que resultó en mejorcalidad de las piezas obtenidas. Esto lleva a que por la modificación de estos parámetros sellegue a un compromiso entre los resultados obtenidos: disminuir la contracción volumétrica,el porcentaje de rechupes y el alabeo de la pieza generado por el proceso.

10- Diseño del molde de inyección: Para el diseño del molde se compararon los resultadosobtenidos de las simulaciones y se seleccionó el molde que mostró mejores resultados y fue elmás productivo. En orden de aplicar la filosofía de la ingeniería concurrente, los modelos planteados para la simulación se hicieron pensando simultáneamente en la facilidad de

obtención de la pieza, la posibilidad y facilidad de mecanizado del molde y en el montaje delmismo en una máquina de inyección. Por lo que, una vez hechas las simulaciones, el molde pudo ser modelado sin contratiempos, pues se tuvieron los requisitos finales para lograr sudiseño: la contracción lineal de la pieza y las dimensiones y geometría de los canales de

39



los resultados de la contracción del material en las diferentes direcciones, estos fueronempleados para modificar las dimensiones de la pieza y generar el molde con las dimensionesajustadas, en orden de obtener productos con las dimensiones planteadas originalmente.

Luego de obtener las placas portacavidades, se modeló e ingresó al ensamblajecomponentes como pines guía, topes, placa soporte y tornillos de sujeción. Los cuales deben,en la medida de lo posible, modelarse en base a piezas estandarizadas. La observación e

inspección del ensamblaje tridimensional se revisaron posibles fallas en la apertura oconfiguración del molde, lo que permitió corroborar la funcionalidad del diseño final.



CAPÍTULO V

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La IC permite que un equipo de trabajo pueda realizar el desarrollo de un producto, desde

el diseño del mismo hasta su colocación en el mercado, pasando por su manufactura, en el menortiempo posible. Esto se logra con el uso de un programa que permita modelar el producto (CAD)y un software que permita simular su proceso de manufactura (CAE), ya que con estasherramientas el equipo de trabajo puede reunirse e involucrarse en todas las fases del desarrolloconjuntamente y solventar rápidamente posibles problemas que puedan suscitarse en cada una de

las etapas. En este caso, se buscó asumir todos los roles y empleando la metodología propuesta por González et al(16), aplicarlos al diseño de moldes de inyección de un envase contenedor dealimentos y su respectiva tapa. Estas piezas se seleccionaron porque, aunque son muy sencillas yeconómicas, al consultar con un fabricante se pudo conocer que las tapas poseen un grave problema: se alabean al salir del molde.

Adicionalmente, son piezas de producción masiva, que en nuestro país se fabrican,usualmente, empleando moldes de colada fría, y en vista de que los moldes de colada calienteestán siendo más utilizados cada día, por eliminar los desperdicios de material, se decidióexplorar la opción de emplear un molde de este tipo para su fabricación. Y más allá, lafactibilidad de emplear un molde “stack” o apilable, los cuales aún no son empleados en

Venezuela, pero que son más ventajosos que los moldes de colada caliente, pues no sólo ahorranmaterial, sino que son capaces de duplicar la producción bajo condiciones de procesamientosimilares. Lo que indica que emplear alguno los dos últimos moldes significaría una disminuciónen los costos de las piezas a pesar de que los costos iniciales para la fabricación de los mismos

41



5.1. ESCOGENCIA Y DISEÑO DE LAS PIEZAS

Como se dijo anteriormente, el diseño de las piezas partió de la revisión de variosmodelos de piezas existentes, los cuales fueron medidos para determinar sus dimensiones. Seencontró que los espesores no sobrepasaron 1 [mm] y su variación a lo largo de la pieza eraradial, siendo mayores en el centro de la pieza, lo que pudo deberse principalmente a la

contracción de la misma durante el proceso de inyección, por un llenado muy rápido(19)

. Por esto,se tomó tanto para el envase como para la tapa, un espesor de 1 [mm], para tener uniformidad deespesores y buscar: llenado y contracción de la pieza uniformes, y el menor riesgo de esfuerzosresiduales, que se producen al existir variaciones en los espesores y generan deformaciones en las piezas al desmoldearlas(1).

En los envases se observó un aspecto en común, que fue: indentaciones en el bordesuperior del envase, lo cual le da resistencia mecánica a la pieza en lo que se refiere aapilamiento, y que los fondos de los distintos envases encontrados no eran planos, ya que poseíanen su sección transversal una disminución en la altura por cierta curvatura o por ángulos menoresa 90º (Fig. 5.1).

Figura 5.1: Características de diseño de los envases evaluados.

En cuanto a la tapa, se apreció que éstas o bien poseían un borde que caía de la superficiede la misma, teniendo filetes radiales justo en el borde, o que variaba en su altura (Fig. 5.2), esta

42



Figura 5.2: Características de diseño de las tapas evaluadas.

Inicialmente, se pensó en emplear materiales de producción nacional para la simulación, pero no se contaba con sus datos reológicos ni mecánicos como: sus curvas pvT, módulos detensión y corte, variación de la viscosidad con la velocidad de deformación, entre otros. Aunquealgunos de los ensayos requeridos podían ser realizados, la obtención de otros de estos datos eramuy complicada por la disponibilidad de equipos, lo que llevó a que se seleccionaran materialescontenidos en la base de datos de C-MOLD®. Los materiales seleccionados para la tapa y elenvase fueron los que se encontraron en estas piezas en el estudio de mercado: Polipropileno parael envase y polietileno de baja densidad para la tapa. Los grados empleados fueron: MARLEXHLN-120-01 (Polipropileno) y PETROTHENE NA 860 (Polietileno), los cuales presentan propiedades aptas para estos tipos de proceso y piezas(18).

5.1.1. Consideraciones para la Tapa

En lo que se refiere a las especificaciones de diseño de la tapa, se tomaron variasconsideraciones, ya que son las piezas que por su geometría plana tienden a dar problemas dealabeo, esto se comprobó al verificar las simulaciones con bajos tiempos de enfriamiento (Fig.5.3). A esta pieza se le colocaron filetes, en dirección radial, en la parte superior (Fig. 5.4 (a)), yun nervio en sentido circunferencial, en la parte inferior (Fig. 5.4 (b)), que reforzaran elcomportamiento mecánico de las mismas, contrarrestando el efecto del procesamiento en estas

43

(19)



(19), ya que, acorde con lo informado por el fabricante, el problema de alabeo es resuelto apilandolas tapas con una prensa, lo que implica mayor tiempo de fabricación y malgasto de recursoshumanos, para realizar esta labor.

Figura 5.3: Deformación de la tapa obtenida por simulación para bajos tiempos de enfriamiento: 5[s] (la geometríatransparente descrita por las líneas sólidas de color negro indica la forma original de la pieza).

Figura 5.4: Modelo tridimensional de la tapa en el que se muestran: los filetes de la parte superior (a) y el nervio dela parte inferior (b).

Al borde de la tapa, en su parte interior, se le colocó un ángulo de desmoldeo de 5º, deacuerdo con lo encontrado en el estudio de mercado. En la pared externa del mismo, no se

encontró que hubiese ángulo, por lo que se supuso que lo que se busca es garantizar el ajuste conel envase (Fig. 5.5). En el interior del borde de cierre de la tapa se colocó un nervio necesario para que ésta pueda ajustarse bien al envase en su posición de cierre cumpliendo a la vez, lafunción de darle resistencia mecánica al borde (Fig. 5.5). El inconveniente de este nervio es eldesmoldeo de la pieza que amerita un molde de doble apertura, pero como es fabricada de un

material flexible, no hace falta, un molde de apertura simple es requerido(1)

. Adicionalmente, seencontró que la mayoría de estas piezas poseen una indentación en las cercanías del borde, paradarle mayor soporte al mismo, esta característica también fue tomada en cuenta y se le colocó aldiseño (Fig 5 5)

(a) (b)

44



Figura 5.5: Detalle de la sección transversal del borde de la tapa.

5.1.2. Consideraciones para el Envase

Al envase se le colocó un ángulo de desmoldeo en las paredes de 10º, y se le colocaron bordes redondeados que facilitan el flujo del material(1) (Fig. 5.6 (a)). Se colocaron indentacionesen la pared para dar resistencia sobre todo en dirección perpendicular al borde superior de la pieza(1, 19), lo cual es útil al momento de apilarlos (Fig. 5.6 (b)). Asimismo, se le colocó un nervioen la parte interna del borde para aumentar la resistencia mecánica en esta zona (Fig. 5.6 (b)). Se buscó que los ángulos no fuesen agudos para evitar dificultades de flujo y concentraciones deesfuerzos(1, 19).

Figura 5.6:Detalles de la sección transversal del envase (a): borde, (b): fondo.

Debido a la simplicidad de las piezas y lo comercializadas que están, se supuso que susfallas deben estar bien estudiadas por los fabricantes lo que implica que no requieren

(a) (b)

45

5 2 DISEÑO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOLDES PROPUESTOS



5.2. DISEÑO DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOLDES PROPUESTOS

Los sistemas para moldes de canales calientes se seleccionaron en base a piezas estándarencontradas en el catálogo de D-M-E Company (compañía fabricante de componentes de moldesde inyección)(6). Acorde con los resultados de las optimizaciones, se seleccionaron las boquillasmás delgadas encontradas en este catálogo, pues sus dimensiones fueron lo suficientementecercanas a los valores obtenidos de la simulación.

El diseño del sistema de alimentación propuesto fue el mismo que se empleó para los trestipos de moldes, con la excepción del molde apilable que posee dos cavidades adicionales, endirección opuesta a las encontradas en los otros moldes, en este sentido, se agregaron dos boquillas adicionales a los sistemas usados para los otros moldes. Se emplearon también para

ambas piezas, debido a que, al ser probados con cada pieza, los resultados encontrados fueronsatisfactorios. Se emplearon para los tres tipos de moldes porque para establecer comparacionesentre los sistemas de colada fría y caliente se requiere que los volúmenes de los canales sean losmismos para que esta variable quede fija en ambos sistemas (Tabla 5.1). Aunque, un molde decolada fría requiere de consideraciones diferentes en su diseño y éste puede ser simplificado paraobtener mejores resultados, como se podrá observar en la sección 5.4, al analizar los resultadosde las simulaciones.

Tabla 5.1: Dimensiones de los canales de alimentación de los tres tipos de molde, empleadas en las simulaciones.Dimensiones (cm)Molde Bebedero Canal Primario Canal Secundario Entrada

Fría y Caliente L=13D=0,83

L=15D=0,62

L=10,9D=0,62

L=0,925D=0,2

Apilable L=50D=0,83 L=15D=0,62 L=10,9D=0,62 L=0,925D=0,2

En el caso del molde apilable en el que la cantidad de piezas a fabricar es el doble se

46

h h d é t d b d t l l git d d b j t t t l b ill l



hecho de que éste deba ser de tal longitud y que deba ajustarse tanto a la boquilla como aldistribuidor (contenido en la placa intermedia), se debe a que las placas portacavidades se separanhacia ambos lados de la placa intermedia mientras esta última permanece fija en su posición (Fig.5.7) (4).

Figura 5.7: Placa central fija con barra de bebedero(4).

Para el sistema de refrigeración, las consideraciones de diseño tomadas para estossistemas fueron las expresadas anteriormente: un mínimo de 3 veces el diámetro del canal deseparación entre estos, y un mínimo de una vez el diámetro para separarlo de las paredes del

molde (Fig. 3.3)(1). El diámetro de canal seleccionado fue de 1 [cm] de acuerdo con los rangosencontrados en la literatura y por el pequeño espesor de las piezas(1). En las Figuras 4.8 a 4.11 semuestran los diagramas de estos sistemas. Se dejaron iguales, por pieza, para los tres tipos demolde, para evaluar si existían diferencias de acuerdo con la naturaleza de cada proceso. Se tomóen consideración el paso de la barra del bebedero, por lo que en el centro de ambas piezas se dejó

una separación de 8 [cm] entre los canales más cercanos a esta zona. Para los sistemas de canalesfríos se decidió colocar canales con el fin de solidificar la colada para evaluar el efecto que tieneel enfriamiento de la colada en el tiempo de ciclo (Figs. 4.8 y 4.10).

47

En cuanto al envase se optó por colocar canales pasantes alrededor del envase y 4



En cuanto al envase, se optó por colocar canales pasantes alrededor del envase y 4deflectores en el interior del mismo (hecho de una aleación de Cobre-Berilio) para enfriar esta pieza internamente (Figs. 4.10 y 4.11) y bajar la diferencia de temperatura entre placas. A esto sellegó luego de probar con sistemas de canales circulares (Fig. 4.12), que mostraron unenfriamiento más uniforme, debido a que estos canales pasan paralelamente a los lados de las paredes de la pieza, lo que implica una extracción de calor simétrica. Con este sistema se logródisminuir el tiempo de enfriamiento necesario para alcanzar una baja diferencia de temperatura

entre placas, esto se traduce en un aumento de la producción, pero estos sistemas hacen máscomplicada la fabricación del molde, aumentando su costo y tiempo de fabricación, lo que loshace contraproducentes y por ello, no fueron empleados. Al probar con el sistema de deflectoresen un interior de acero P-20, la diferencia de temperaturas encontrada fue muy alta, por lo que sedecidió probar con un material de mayor coeficiente de transferencia de calor como la aleación de

Cobre-Berilio. Los resultados obtenidos fueron mucho más satisfactorios, por lo que se prefirióaumentar los costos en el material de los interiores de los envases que en la mecanización de unsistema de enfriamiento más complejo, debido a que ésta aleación es costosa.

5.3. CONDICIONES DE OPERACIÓN

Las condiciones de operación fueron determinadas por el proceso de optimización deC-MOLD®, siguiendo la metodología planteada en la sección 4.2, numeral 9. Como se podráobservar (Tablas 5.2 y 5.3), para cada tipo de molde empleado estos parámetros variaron, pues encada caso los requerimientos son diferentes, por ejemplo, en un molde de canales calientes no se

requiere el mismo avance de la máquina que para un sistema similar de canales fríos, pues elvolumen de material requerido es menor.

La máquina seleccionada fue una máquina genérica con fuerza de cierre de 300 toneladas,

48

adicional que aumente los costos Aunque al emplear como temperatura de refrigerante las



adicional que aumente los costos. Aunque, al emplear, como temperatura de refrigerante, lastemperaturas de desmoldeo sugeridas por el fabricante de la resina (40 [ºC] para el polietileno, y50 [ºC] para el polipropileno(3)), se logra igualar las temperaturas de las placas de los moldes másrápidamente, lo que reduce los tiempos de enfriamiento necesarios para la expulsión. En esteaspecto, se decidió sacrificar tiempo por disminución de costos en equipos y energético. Otraopción, es dejar enfriar el sistema (con el fluido a 25 [ºC]) el tiempo necesario para que elmaterial alcance las temperaturas sugeridas, reduciendo el tiempo de enfriamiento, puesto que la

diferencia de temperaturas es mayor y la transferencia de calor se acelera(24). El refrigeranteempleado fue agua, ya que su eficiencia es muy buena y su costo es bajo(1).

Las temperaturas de las resinas obtenidas por la optimización fueron las temperaturas defundido de las mismas, pero con el fin de disminuir los esfuerzos de corte en las paredes que se producen durante el llenado, se empleó el máximo del rango de temperaturas de procesamientosugerido para las mismas (PEBD: 280 [ºC], PP: 280 [ºC]).

El material seleccionado para el molde fue un acero genérico P-20 (Tabla 4.3) pues sus propiedades son muy buenas para este tipo de procesos, ya que tienen bajo nivel de defectos ensu estructura cristalina y vienen pre-endurecidos(1). Además, por la geometría de las piezas y los

materiales empleados, no se requiere que la resistencia mecánica del material sea mayor. Estematerial posee una desventaja y es su tendencia a oxidarse al estar en contacto con el agua, paralo cual se requiere un tratamiento de cromado para los canales de enfriamiento. Este tratamiento,aunque puede ser costoso, es más barato que emplear un acero con resistencia a la oxidación poragua, como, por ejemplo, el acero WKW4. Este material se empleó para todos los sistemas, con

la excepción del interior del molde del envase que se seleccionó de una aleación de Cobre-Berilio, que facilita la extracción de calor de esta pieza, debido a su alto coeficiente detransferencia de calor (Tabla 4.3), como medida para compensar por el sistema de enfriamientocolocado a esta pieza

49

las optimizaciones y con base en los resultados obtenidos de las simulaciones se modificó: perfil



las optimizaciones, y con base en los resultados obtenidos de las simulaciones, se modificó: perfilde velocidades de inyección, los tiempos de enfriamiento, presión sostenida, la presión sosteniday las temperaturas de refrigerante y fundido, de acuerdo con lo expresado en la sección 4.2,numeral 9.

Tabla 5.2: Condiciones de procesamiento para la tapa luego de modificar los resultados de la optimización. Molde de Colada Fría Molde de Colada Caliente Molde Apilable

Tiempo de Inyección [s] 1,67 1,30 1,75Presión Sostenida [Pa] 4,5x106 4,5x106 4,5x106

Tiempo de Presión Sostenida [s] 5 5 5Tiempo de Enfriamiento [s](A) 90 90 90Tiempo de Apertura del Molde [s] 5 5 5

Tiempo de Ciclo [s] 101,67 101,30 101,75(A) El tiempo de enfriamiento empleado para los tres sistemas fue el necesario para enfriar las piezas del sistema de colada fría.

En los perfiles de velocidad obtenidos de la optimización hecha con C-MOLD® se pudo

apreciar como los sistemas de canales calientes y apilable poseen curvas de llenado decrecimiento paulatino en comparación con el sistema de canales fríos, esto puede deberse principalmente a que este último requiere el llenado sea más lento, para no aumentar el esfuerzode corte en las paredes a un punto en el que el material pueda degradarse. En cambio, lossistemas de canales calientes y apilable, como ya poseen material fundido en el sistema de

alimentación pueden inyectar el material a mayor velocidad desde el comienzo. Estos perfiles semodificaron de acuerdo a los valores encontrados de esfuerzo de corte del material en las paredes, disminuyéndose hasta los mostrados en las Tablas 5.3 a 5.5. Los tiempos de inyecciónobtenidos (Tabla 5.2) muestran resultados satisfactorios, ya que incluso el molde apilable, que produce el doble de piezas que los otros sistemas, requiere de un tiempo de inyección apenas

ligeramente mayor que el sistema de canales fríos.Tabla 5.3: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde de canales fríos.

Avance (cm) Velocidad de Avance de Tornillo (cm/s)0,00 2,08

50

Tabla 5.4: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde de canales calientes.



p y pAvance (cm) Velocidad de Avance de Tornillo (cm/s)

0,00 2,030,62 2,031,15 2,541,67 2,542,19 2,542,72 1,543,24 1,02

Tabla 5.5: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde apilable. Avance (cm) Velocidad de Avance de Tornillo (cm/s)0,00 3,531,13 3,532,21 4,543,28 4,544,35 4,545,42 2,056,50 1,04

Los tiempos de enfriamiento, presión sostenida y de apertura del molde, al igual que la presión sostenida, permanecen iguales para todos los tipos de molde. Debe considerarse que lostiempos de ciclo son similares, pero es importante resaltar que con el molde apilable se está

produciendo el doble de piezas en un tiempo ciclo muy cercano.

5.3.2. Condiciones de Procesamiento de los Moldes del Envase

Los resultados de la optimización de los moldes del envase produjeron las mismastendencias que para los moldes de la tapa, lo que llevó a que las modificaciones hechas fuesen

análogas. Las condiciones del proceso empleadas para la simulación se muestran en la Tabla 5.6.Los perfiles de velocidad de inyección empleados en las simulaciones se muestran en las Tablas5.7 a 5.9.

51

Tabla 5.6: Resultados de la optimización de las condiciones de procesamiento para el envase.



Molde de Colada Fría Molde de Colada Caliente Molde ApilableTiempo de Inyección [s] 1,94 1,52 1,71Presión Sostenida [Pa] 9x107 9x107 9x107

Tiempo de Presión Sostenida [s] 5 5 5Tiempo de Enfriamiento [s] 120 120 120

Tiempo de Apertura del Molde [s] 5 5 5Tiempo de Ciclo [s] 131,94 131,52 131,71

Tabla 5.7: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde de canales fríos.

Avance (cm) Velocidad de Tornillo (m/s)0,00 2,549,29 2,542,01 3,533,09 3,534,17 3,535,25 2,546,33 1,53

Tabla 5.8: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde de canales calientes. Avance (cm) Velocidad de Tornillo (cm/s)

0,00 3,026,72 3,021,47 3,022,26 3,023,06 3,023,85 2,544,65 1,53

Tabla 5.9: Perfil de velocidades de avance del tornillo para la inyección de la tapa en molde apilable. Avance (cm) Velocidad de Tornillo (cm/s)

0,00 5,03

1,11 5,032,74 5,044,37 5,046,00 5,047,63 5,049 26 4 05

52

5.4. ESTUDIO DE LOS MOLDES DE INYECCIÓN DISEÑADOS PARA AMBAS



PIEZAS

A continuación se analizan los resultados obtenidos de los moldes de inyección propuestos para cada pieza independientemente.

5.4.1. Estudio de los Moldes para la Tapa

A continuación se exponen los resultados más significativos de los procesos de inyecciónsimulados, los cuales permiten definir que sistema es más ventajoso:

a) Fase de Llenado

• Avance de frente de flujo: al analizar el patrón de llenado que sigue el material en lascavidades de los 3 moldes, se determinó que es el mismo para todos (radial). La ubicaciónde la entrada a la cavidad en el centro de la pieza permite, que al ser ésta de geometríacircular, se llene uniformemente y que el material alcance todos los bordes de la pieza almismo tiempo. Adicionalmente, su geometría permite que no se generen líneas de

soldadura(1, 19)

. En la Figura 5.8 se muestra sólo el avance del frente de flujo para elllenado de las piezas del sistema de colada fría, aunque los tiempos de llenado o inyecciónvarían ligeramente para cada tipo de molde (Tabla 5.2).

53

resultados de la orientación obtenidos son consistentes con esta premisa para los 3 tipos



de molde (Fig. 5.9)(19).

Figura 5.9: Orientación del material en la cavidad de la tapa.

• Esfuerzo de corte en las paredes: de las simulaciones se obtuvo el esfuerzo de corte enlas paredes del molde en cada punto de la pieza y del sistema de alimentación. Los valoresobtenidos no deben superar el máximo que soporte la resina pues es posible que ésta sedegrade o cause inestabilidades de flujo que provoquen defectos en las piezas producidas(1). El punto donde se encontró el máximo fue la entrada a la cavidad en la cual se presentaun cambio brusco en la dirección de flujo pues el material viene en dirección perpendicular a la dirección de llenado (radial)(19). En el caso del sistema de canales fríosno se pudo disminuir el máximo encontrado del valor máximo permitido (Fig. 5.10, (a)),incluso aumentando el diámetro de la entrada, pero se consideró pertinente permitir queesto ocurriera pues el máximo está localizado y la resina permanece por muy poco tiempo bajo esta magnitud de esfuerzo. Cabe destacar que las diferencias entre los valoresencontrados para los sistemas de canales fríos, calientes y apilable (Fig. 5.10, (b)) sedeben probablemente a que en los sistemas de canales fríos el material tiene que fluir porlos canales de alimentación mientras se enfría, lo que aumenta su viscosidad y por tanto,

aumenta el esfuerzo de corte del mismo.

54



Figura 5.10: Esfuerzos de corte máximos en la pared de la cavidad de la tapa para los sistemas de canales fríos (a) ycanales calientes (b).

• Fuerza de cierre: el factor más importante de los evaluados en este trabajo es la fuerzade cierre, porque con los valores de esta magnitud se puede observar el ahorro energéticoque se puede lograr con un tipo de molde u otro. Ante todo, debe aclararse que la fuerzade cierre que C-MOLD® da como resultado para un molde apilable debe dividirse entre el

número de apilamientos(3)

(esto es: placas paralelas entre las que se moldean piezas), eneste caso el valor es de dos, por lo que la fuerza de cierre obtenida para el molde apilablees en realidad la mitad de esa magnitud. Entre los moldes de colada fría y colada calienteno se observa gran diferencia (Tabla 5.10), sólo una ligera disminución para el molde decolada caliente, se esperaría que para un molde de colada caliente, en el que los canales

están llenos con material fundido, la fuerza de cierre requerida sea mucho menor encomparación con uno de colada fría, lo cual genera dudas acerca de la capacidad del programa de calcular estos valores.

En cuanto al molde apilable, se muestra el valor dividido por el número deapilamientos y se tiene que para una fuerza de cierre menor se puede obtener el doble de

piezas. Este valor no es del todo ajustado pues se conoce que el programa no estima conexactitud este resultado(26), además se encontró en la literatura que en la realidad la fuerzade cierre del molde apilable es ligeramente mayor que la del molde análogo de 2 placas

(a) (b)

55

Tabla 5.10: Fuerzas de cierre para cada tipo de molde (la fuerza de cierre presentada para el molde apilable estádividida entre el número de apilamientos)



dividida entre el número de apilamientos). Tipo de Molde Fuerza de Cierre (MN)

Colada Fría 1,23Colada Caliente 1,21Apilable 1,14

b) Fase de Enfriamiento

• Fracción de capa sólida: con la fracción de capa sólida se puede conocer en quemomento la pieza ya está totalmente en estado sólido y puede ser expulsada(3). En estecaso se encontró que para todos los sistemas, a 9 [s] del tiempo de ciclo, se alcanzó lasolidificación total de las piezas (Fig. 5.11, (a)), pero para el molde de canales fríos,aunque se obtuvo que las piezas estaban en estado sólido, los canales de alimentación(30% sólidos a 9 [s]) no lo están completamente hasta un tiempo de 48 [s] (Fig 5.11, (b)),lo que implica que el tiempo de ciclo debía ser mayor para asegurar la solidificación delsistema de alimentación para su extracción; sin embargo, se requirió disminuir ladistribución de temperatura de las placas, por lo que hubo que aumentar el tiempo deenfriamiento aún más para que no se produjese alabeo en la pieza al desmoldearla. Paraemplear este tiempo en los moldes de colada caliente y apilable es necesario considerarotros resultados, como la distribución de temperaturas en las placas y las diferencias detemperatura entre placas.

(a) (b)

56

otros sistemas, el valor máximo no se alejó de éste por más de 0,3 [ºC]. Se debe tomar en



consideración que: los sistemas de enfriamiento para moldes de colada caliente poseenmenor cantidad de canales que los que se emplean para moldes de colada fría (por lanecesidad de enfriar el sistema de alimentación) y que, aunque los sistemas decalentamiento empleados para los canales, en los moldes de colada caliente, están aisladoscon aire (Fig. 5.13), es necesario enfriar las placas donde se encuentran para que todas las placas se expandan uniformemente(5). Pero, como el software (C-MOLD®) no considera

el aislamiento térmico, ni la geometría de las placas, y el tiempo de enfriamientoempleado fue el mismo para todos los sistemas, obteniéndose valores de diferencia muycercanos, se deduce que los resultados se deben al diseño del sistema de refrigeración.

En este caso la diferencia de temperatura encontrada (para todos los moldes) nofue del todo uniforme en la pieza, pero los valores son tan cercanos a cero (alrededor de1,5 [ºC]) que se puede concluir que el diseño propuesto cumple con la meta, pero esteresultado depende también del tiempo de enfriamiento. El valor máximo de diferencia detemperatura entre placas es de 10 [ºC], para asegurar que no haya problemas aldesmoldear la pieza(1), lo que indica que este resultado es muy bueno, pero a pesar deesto, por las razones expresadas anteriormente, debe probarse este resultado al llevar elsistema a la realidad, por ser fuente probable de errores, al no tomar en cuenta todas lascaracterísticas del proceso.

57



Figura 5.13: Sistema de colada caliente aislado térmicamente por aire(23).

• Distribución de temperaturas en el molde: de este resultado se encontró un hecho muyinteresante: los moldes con sistemas de colada caliente y apilable mostraron unadistribución de temperaturas en las paredes del molde uniforme, con excepción de laentrada a la cavidad, lo que es lógico, conociendo que se mantiene material fundido enesta zona. Los valores máximos encontrados para los moldes de este tipo estuvieron muycercanos, difiriendo en 0,2 [ºC], por lo que sólo se muestra la imagen correspondiente almolde apilable que mostró el mayor valor máximo (Fig. 5.14, (b)). Por su parte, el moldede colada fría mostró una distribución similar, teniendo una diferencia entre sus valoresmáximo y mínimo de 6 [ºC] (Fig 5.14, (a)), esto por no tener la entrada a la cavidadconstantemente a la temperatura de procesamiento del material.

Este problema intentó solventarse aumentando los diámetros de los canales derefrigeración, pero este intento fue infructuoso. Colocar un canal que pasase por el centrode la pieza no fue posible, pues implicaría una obstrucción en la posición del bebedero ydel canal de expulsión (de aire); de construirse de una forma que evadiese a éste, se

complicaría el mecanizado de las placas en gran medida; y adicionalmente, aumentaría ladiferencia de temperaturas en esta zona, lo que produciría dificultades al momento deeyectar la pieza. Con respecto a las placas de los sistemas de canales calientes, al tener la

d l l i l l l i í f i i

58

que el tiempo de enfriamiento se mantuvo en el necesario para que el sistema de canalesf í l di ib ió d l l d b id i



fríos lograse esta distribución, y poder comparar los resultados obtenidos con un tiempode ciclo similar.

Debe tenerse en cuenta que al colocar este sistema con las mismas dimensiones ygeometría que el de canales calientes, se están planteando dimensiones mayores a las que pueden emplearse, lo que aumenta el tiempo de enfriamiento. Además, teniendo en cuenta

las consideraciones que toma el programa para calcular el enfriamiento, es muy posibleque en la práctica los tiempos requeridos para que el molde esté a una temperaturauniforme sean menores. Aún así este resultado puede ser tomado como un factor deseguridad, que de acuerdo con las pruebas en planta podría ser menor: disminuyéndoselos tiempos de ciclo.

Figura 5.14: Distribución de temperaturas en las paredes de los moldes de la tapa al final del tiempo de ciclo(Canales fríos: (a) y molde apilable: (b)).

• Presión en la entrada a la cavidad en función del tiempo: con este resultado se puedecorroborar como cambia la presión con el tiempo de acuerdo con las condiciones de proceso establecidas. En este caso, se obtuvo que los valores de presión estuvieron enconcordancia con los perfiles de velocidades y las magnitudes de presión sostenidadefinidas. Adicionalmente, se corroboró que al final del tiempo de ciclo las presiones sereducen a cero, evitando que la pieza sufra deformaciones durante el desmoldeo(27) (Fig.

(a) (b)

59



Figura 5 15:Presiones en la entrada a la cavidad en función del tiempo para los moldes de la tapa evaluados se

(a)

(b)

(c)

60

c) Fase de Contracción



• Contracción volumétrica: la contracción volumétrica obtenida de los diferentes procesos(Fig. 5.16) fue muy similar en cada uno de estos. Existen dos aspectos que destacar deestos resultados: primero, que la zona de la pieza, en todos los casos, en la que seencontró mayor contracción fue la entrada a la cavidad, lo que puede deberse a los altosde esfuerzos de corte que se producen cuando el material cambia su dirección de flujo en

90° (como ocurrió para todos los sistemas, principalmente los de canales calientes yapilable, que se encuentran en estado fundido); segundo, que las piezas moldeadas conmoldes de canales calientes (incluye al molde apilable) muestran un mayor valor decontracción en esta zona, lo que puede deberse a que la entrada se encuentra a altatemperatura y el cambio en la densidad del material en la cavidad es mayor. Como lacontracción volumétrica máxima encontrada para los moldes apilable y de colada calientefue sumamente cercana, se deduce que esta última causa es la mas probable del resultadoobservado.

Figura 5.16: Contracción volumétrica de las tapas obtenidas por los diferentes procesos de inyección: Canales fríos(a) y canales calientes (b).

• Alabeo por efecto del sistema de enfriamiento y del proceso en total: losdesplazamientos indican que forma toma el material luego de ser procesado. En general,se encontró que el efecto del sistema de refrigeración es muy bajo, para todos los

(a) (b)

61

primera instancia, los aumentos hechos al tiempo y la presión sostenida que redujesen avalores deseables la contracción volumétrica influenciaron a la vez estos resultados por lo



valores deseables la contracción volumétrica influenciaron a la vez estos resultados, por lo

que se hizo inevitable, y en segundo lugar, que en la pieza diseñada se consideró esteefecto y se colocaron filetes para contrarrestarlo, los cuales no pudieron ser agregados almodelo para la simulación por ser muy difícil su mallado. Se pudo apreciar como losvalores fueron sumamente cercanos entre los diferentes tipos de moldes, lo que indica quela temperatura del material en la entrada no afectó el alabeo de la pieza.

Figura 5.17: Desplazamiento obtenido de la tapa luego del procesamiento, por efecto del sistema de refrigeración (a)y del proceso total (b).

• Porcentaje de rechupes: Se encontró que el porcentaje de rechupes en las piezas fue bastante bajo, alcanzando un valor máximo en el centro de las piezas simuladas para el

molde de canales calientes (donde se ubica la entrada a la cavidad) cercano al 3,5% (Fig.5.18, (b)). Esto se debe a que las piezas simuladas no presentan geometrías que permitanaltos porcentajes de este indicador como es el caso de filetes(19). Las piezas diseñadas sí poseen este tipo de atributos por lo que deben poseer un espesor bajo (se les colocó 0,35[mm] de espesor) para evitar que se produzcan rechupes que afecten la calidad y

apariencia de la pieza(19)

. Aunque no se observan grandes diferencias entre las piezasobtenidas por moldes de colada caliente y apilable, se puede apreciar que las obtenidascon el molde de canales fríos presentan valores muy cercanos a 0% (Fig. 5.18, (a)), esto

(a) (b)

62



Figura 5.18: Porcentaje de rechupes en las tapas producto del proceso de inyección (Canales fríos: (a) y canalescalientes: (b)).

• Aire atrapado: los resultados muestran (Fig. 5.19) que permanece aire atrapado en lascavidades justo en la zona del borde de la tapa, lo cual es lógico de acuerdo con el patrónde flujo y la geometría. Este resultado es indicativo de que en esa zona deben colocarseconductos de ventilación para que no se acumule aire en la cavidad durante el llenado(1). No se encontró diferencias entre los 3 tipos de molde con respecto a este resultado.

Figura 5.19: Localización de aire atrapado (rojo) en la tapa durante el proceso de inyección.

• Consideraciones para moldes de colada fría: aunque se empleó un sistema dealimentación para el molde de colada fría igual al del molde de colada caliente para finescomparativos de la simulación, debe aclararse que este sistema no es apto para un moldede este tipo, pues se requiere de ciertas consideraciones para la expulsión de la colada,que en este caso no se tienen, pero aún más importante es el hecho de que las dimensionesde los canales pueden ser reducidas (Fig. 5.20), lográndose diferencias de presión

(a) (b)

63

fríos analizado. Con lo dicho no se quiere descalificar el desempeño del molde de coladacaliente, pues aún en estas condiciones se ahorra una gran cantidad de material, lo que sin



caliente, pues aún en estas condiciones se ahorra una gran cantidad de material, lo que sin

duda representa una gran ventaja desde el punto de vista ingenieril y económico.

Figura 5.20: Sistema de colada fría para la tapa con las características de diseño del sistema de alimentación paraeste tipo de moldeo por inyección.

5.4.2. Estudio de Moldes para el Envase

En vista de la similitud de los resultados obtenidos, estos serán presentados en la Tabla

5.11 para su análisis.

Tabla 5.11: Resultados de las simulaciones de los diferentes moldes para el envase. ValorResultado Colada Fría Colada Caliente Apilable

Avance de frente de flujo Patrón de llenado radial, el material alcanza los bordes de la pieza al mismo tiempo.Esfuerzo de corte en las paredes[Pa] (A) 2,64x105 2,27x105 2,18x105

Orientación Dado el patrón de llenado radial, la orientación del material se da en esta dirección.Aire atrapado Se encontró aire atrapado en los bordes de la pieza a los que el material tarda más en

llegar.Tiempo de fracción de capasólida=1 [s]

Pieza: 10Canales: 52 10 10

Diferencia de temperatura [K] 4,51 33,58 33,53Distribución de temperaturasen el molde [K] (A) 7,50 61 61

Contracción volumétricamáxima [%] (A, B) 6,98 11,72 9,76

Desplazamiento máximo porefecto del sistema deenfriamiento y del proceso en

Enfriamiento: 0,44Total: 2 29



64

A continuación se analizan los resultados más importantes obtenidos de estassimulaciones:



a) Fase de Llenado

• Avance del frente de flujo: análogamente a lo ocurrido en la tapa, la geometría cilíndrica permite que, por la ubicación central de la entrada a la cavidad, el flujo sea uniforme yllegue a todos los bordes de la pieza al mismo tiempo (Fig. 5.21). No se encontró

diferencias para los distintos tipos de molde en este aspecto.

Figura 5.21: Avance de frente de flujo en la cavidad para el molde de colada fría del envase.

• Orientación: la orientación de la superficie del material es en dirección radial, debido a laubicación central de la entrada a la cavidad, lo que le conferirá a la pieza mayorresistencia en esta dirección. En vista de la configuración de los diferentes moldes, elresultado fue el mismo para los tres.

• Esfuerzo de corte en la pared: en este caso, se encontró resultados satisfactorios: el

valor máximo permitido para la resina (2,6x105 [Pa]) sólo fue alcanzado por el sistema decanales fríos antes de completarse el llenado, mientras que los moldes de colada caliente yapilable mostraron valores menores (Fig. 5.22). Aunque también debió modificarse el

65



Figura 5.22: Esfuerzos de corte máximos en la pared de la cavidad del envase para (a) los sistemas de canales fríos y(b) canales calientes.

• Fuerza de cierre: para este valor se puede observar la misma tendencia que se encontrócon las tapas: la fuerza obtenida para el molde de canales fríos es ligeramente mayor quela obtenida para el molde de canales calientes, y la del molde apilable esaproximadamente la misma que para estos dos. Esto confirma que con una misma fuerzade cierre se puede producir el doble de la cantidad de piezas.

b) Fase de Enfriamiento

• Fracción de Capa Sólida: se encontró que el sistema de canales fríos logró solidificar ensu totalidad a 52 [s] del tiempo de ciclo, pero las piezas podían expulsarse a partir de los10 [s] aproximadamente del tiempo de enfriamiento (al igual que en todos sistemas), conlo cual se conoce que es posible una gran reducción del tiempo de ciclo, pero, como semencionó anteriormente, deben tomarse en cuenta otras variables para determinar si es posible expulsar las piezas a ese tiempo.

• Diferencia de Temperatura: en este caso se puede apreciar el efecto de la geometría dela pieza a producir. La colocación de un sistema de canales circulares (Fig. 4.12) produceun enfriamiento más uniforme que el sistema de deflectores planteado, pero el empleo del

i d bid l difi l d l i d d l i

(a) (b)

66

material en los canales, esto, probablemente, se deba al empleo de la sección interna dealeación de cobre-berilio que es capaz de transmitir calor a mayor velocidad que el acero



(28). De igual forma, se intentó solventar este problema aumentando el diámetro de loscanales, aumentando el tiempo de enfriamiento, disminuyendo la temperatura derefrigerante y aumentando el caudal del mismo, pero incluso a 60 [s] después de que las piezas solidificaran totalmente, se siguió obteniendo una alta diferencia de temperaturaentre placas, por lo cual se optó por dejar el sistema propuesto inicialmente.

• Distribución de temperaturas en el molde: para reducir la distribución de temperaturasen el molde fue necesario aumentar el tiempo de enfriamiento a valores muy altos (Tabla5.11). Por lo complicado de la geometría, para ubicar el sistema de refrigeración, serequiere de mayor tiempo para que las placas nivelen sus temperaturas. Como se expresó para la tapa, las consideraciones del programa pueden no ser suficientes para determinarlos valores de temperatura en que se encontraría el sistema, en la realidad, por lo que es probable que los valores de tiempo de enfriamiento puedan ser reducidos. En lo querespecta a los distintos tipos de moldes, se puede apreciar como para el molde de coladafría aunque fue necesario dejar un alto tiempo de enfriamiento para la solidificación de loscanales, se debió aumentar para reducir la diferencia de temperaturas al punto en que 10

[s] adicionales se tradujeron en 1 [°C] de disminución de la distribución.

Para los sistemas de colada caliente y apilable, se encontró que a partir deaproximadamente 30 [s] de tiempo de enfriamiento no hubo variaciones en ladistribución, encontrándose valores altos de temperatura en la entrada a la cavidad porencontrarse allí material a la temperatura de procesamiento, lo cual es inevitable por lanaturaleza de estos sistemas, esto implica que los tiempos de ciclo también puedenreducirse a aproximadamente 42 [s], lo que representa una ventaja considerable frente alos 52 [s] a los que se pueden extraer las piezas del molde de colada fría (considerando

67

sostenida propuesta, además de hacerse cero al final, lo que confirma que el sistemamuestra un comportamiento acorde con los parámetros seleccionados (Fig. 5.23).



(a)

(b)



69

• Consideraciones para moldes de colada fría: al igual que para la tapa, para el envasetambién se planteó un sistema de canales fríos con los requerimientos de diseño



necesarios (Fig. 5.24) y se obtuvo que también para este sistema, la fuerza de cierre fuemenor a la del sistema planteado para la comparación: 2,17 [MN]. Esto indica que cabe la posibilidad, de acuerdo con los resultados de las simulaciones, de diseñar un molde decolada fría que posea un gasto energético menor que un molde de colada caliente parafabricar las mismas piezas.

Figura 5.24: Sistema de alimentación de colada fría para el envase.

5.4.3. Comparaciones entre los Diferentes Tipos de Molde Diseñados

Cabe destacar que los resultados de la simulación son valores teóricos que son un buen punto de partida para realizar el diseño del molde. Si se conocen los puntos en los que el softwareempleado es deficiente, se puede crear el diseño del molde sin estos posibles errores. Se conoceque el software puede estimar bien las temperaturas de las piezas(29), por lo que el tiempoenfriamiento de las mismas es en cierta medida confiable, pero no se conoce hasta que punto ladistribución de temperaturas del molde es confiable si no se conoce la geometría del mismo. Porotra parte, se ha reportado que C-MOLD® no estima correctamente los valores de fuerza de cierre

y contracción(25), por lo cual se debe ser muy cuidadoso al analizar estos resultados y tomarlos enconsideración para el diseño de un molde o pieza.

70

La ventaja principal de los sistemas de colada caliente y apilable es la posibilidad deinyectar piezas sin tener que generar desperdicios por colada. En muchos casos la colada



representa un porcentaje elevado de la inyección, involucrando casi tanto material como la pieza.

Una de las ventajas más importantes encontrada en los sistemas apilable y de coladacaliente fue el menor tiempo de llenado requerido, en comparación con sistemas de colada fría,cuyos canales requieren ser llenados durante la fase de inyección y adicionalmente deben llenarsemás lentamente, con respecto a un sistema de colada caliente, porque al no mantenerse a latemperatura de fundido, la viscosidad del material disminuye a medida que fluye por los mismosy aumenta el esfuerzo de corte con las paredes(1).

Además de esto, se debe tomar en cuenta el hecho de que, en todos los casos evaluados, seencontró que en ambas piezas, la fracción de capa sólida igual a 1 se alcanzó a tiempos mucho

menores que en la colada de los sistemas de canales fríos. En vista de que los canales dealimentación, en colada caliente, siempre permanecen a alta temperatura, sólo se requierealcanzar la temperatura de desmoldeo necesaria para su expulsión y no que los canalessolidifiquen.

Los moldes con sistemas de calentamiento, poseen una gran desventaja al tener a altatemperatura el fundido, pues calientan las placas de un lado del plano de partición, lo que provoca una alta diferencia de temperaturas entre placas y, por ende, problemas de desmoldeo, ola posibilidad de expansión de una de las placas en mayor proporción que la otra, generandodeformaciones en la cavidad que produzcan piezas defectuosas. Por esto, es necesario que secoloquen canales de enfriamiento en esta placa que garanticen la expansión uniforme de ambas

placas durante el moldeo(1).

Otra desventaja de los sistemas de colada caliente, es la necesidad de colocar canales def i ió l j d d l d i ió d bid l b ill l d

71

era la entrada a la cavidad, y su efecto era mucho mayor en los moldes de colada caliente yapilable, que en el de colada fría.



El molde apilable permitió moldear el doble de piezas que los moldes de colada fría ycaliente en aproximadamente el mismo tiempo, esto se debe a que el tiempo de ciclo dependió,casi en su totalidad, del tiempo de enfriamiento. Asumiendo que, independientemente del númerode piezas, éstas se enfrían simultáneamente, el agregar dos piezas más a cada uno de los sistemasde un solo apilamiento, probablemente, no hubiese afectado significativamente el tiempo deciclo. Pero sin duda, la fuerza de cierre requerida para moldear estas piezas hubiese aumentado, por causa del aumento del área proyectada de las piezas(1). En algunos casos, esto implicaríacambiar la máquina de inyección utilizada. Cuestión que no es necesaria de emplearse un moldeapilable.

El tipo de molde con mayores ventajas es el molde apilable, ya que no sólo permiteobtener mayor cantidad de piezas en el mismo tiempo, sino que también permite un ahorro deenergía y material, lo que se traduce en disminución de gastos y aumento de la producción. Eneste sentido, éste fue el molde diseñado y de ello se hablará a continuación.

5.5. DISEÑO DE MOLDES APILABLES PARA LAS PIEZAS ESTUDIADAS

5.5.1. Metodología para el Diseño de un Molde Apilable

A raíz de los resultados presentados en las secciones 5.4.1 y 5.4.2 se concluyó diseñar losmoldes apilables para cada una de las piezas estudiadas (envase y tapa). Aunque existe lacreencia de que estos moldes son sumamente costosos y los fabricantes se rehúsan a emplearlos, por el fenómeno de “Rechazo al cambio” se encontró, como fue demostrado en la sección 5.4,que estos moldes poseen ventajas que conducen a un ahorro en los costos de fabricación En vista

72

2- Seleccionar el material a emplear para cada pieza empleando bases de datos en línea oconsultando a fabricantes de resinas.



3- Una vez seleccionado el material debe realizarse la caracterización del mismo debido a quelos resultados de la simulación dependen en gran medida de los datos del material con quese alimente a un programa de simulación.

4- Definir la máquina con la que se piensa inyectar las piezas y colocar sus datos en el

software de simulación para posteriormente ver si es factible su uso.

5- Definir sistemas de alimentación y de enfriamiento tentativos, pensando en la factibilidaddel diseño en términos de mecanizado del molde y de su mecanismo de apertura (seguirmetodología propuesta en la sección 4.2, numerales 7 y 8).

6- Optimizar, empleando un software CAE, las dimensiones de los canales de alimentación ylas condiciones del proceso, con el fin de realizar una simulación del proceso y obtenerresultados preliminares. De emplear el programa C-MOLD® para esto, se recomiendaseguir la metodología planteada en la sección 4.2, numerales 7 y 9.

7- En base a los resultados obtenidos, deben seleccionarse piezas estandarizadas para lossistemas de alimentación y enfriamiento, si la complejidad de la pieza lo permite, paraabaratar costos en la fabricación del molde. Debe tenerse en consideración la existencia desistemas estandarizados para moldes apilables, de no tenerse, se pueden emplear piezasutilizadas para moldes de colada caliente que sean adaptables a este sistema.

8- Con los resultados iniciales y las dimensiones de los componentes seleccionados, se debenmodificar los parámetros del proceso y la geometría, tanto de la pieza (si requiere demodificaciones en su diseño) como de los distintos sistemas que componen el molde.

73

10- Una vez obtenidos los resultados definitivos, se emplea la contracción volumétricaobtenida para modificar las dimensiones iniciales de la pieza diseñada y en base a las



dimensiones modificadas, obtener el molde con las medidas requeridas para fabricar piezascon las dimensiones originales.

11- Llevar los sistemas definidos con anterioridad a un modelo tridimensional computarizadoempleando un programa CAD. En este punto pueden corregirse aspectos menores que nohayan sido considerados al plantear las simulaciones por no provocar un cambio en lasmismas de ser modificados (ver sección 5.5.2).

12- Diseñar sistemas de expulsión, ventilación, apertura y alineación de las placas. El sistemade expulsión debe realizarse acorde con los cálculos propuestos por Shah y Ambekar(5) para moldes apilables. Asimismo, de ser necesario emplear un sistema de expulsión

mecánico, se recomienda seguir la metodología empleada por estos mismos autores encuanto a este aspecto(5) por considerar los requerimientos necesarios para un sistema deapertura para este tipo de moldes.

13- Realizarse simulaciones del mecanismo de apertura del molde para validar sufuncionamiento empleando un software CAE.

Una vez descritos estos pasos, se explicarán las características del diseño del molde deinyección apilable para cada pieza.

5.5.2. Análisis del Diseño de los Moldes Apilables

Los moldes diseñados se muestran en las Figuras 5.25 y 5.26. Las piezas con las que estáncompuestos están hechas de acero P-20, con la excepción del interior de los moldes de losenvases que está hecho de una aleación de Cobre-Berilio En las Figuras 5 25 y 5 26 se puede

74



Figura 5.25: Ensamblaje del molde de inyección diseñado para el envase.



76

los propios sitios web de fabricantes que líneas para estos sistemas están disponibles(23) y quecada vez se lanzan al mercado mayor cantidad de piezas estándar para moldes apilables por

demanda de los consumidores éstas no están publicadas con detalle en línea a diferencia de los



demanda de los consumidores, éstas no están publicadas con detalle en línea, a diferencia de lossistemas más comunes(7).

Por otra parte, se evaluaron dos sistemas de apertura de moldes apilables (“Stack moldcarrier” y la barra dentada con engranajes)(8, 9), pero en vista de que el diseñar un sistema deapertura se saldría de los alcances de este proyecto, el molde se diseñó sin incluir el sistema dedoble apertura. Hoy en día las máquinas de inyección pueden ser compradas con sistemas de estetipo incluidos ( stack mold ready , Fig. 5.28)(21). Para este tipo de sistema de apertura, las placascentrales van soportadas por sus lados, por lo que los sistemas de refrigeración, deben tener susconexiones en las caras superiores de las placas, al igual que el sistema de expulsiónseleccionado: aire a alta presión (Fig. 5.27).

Figura 5.28: Sistema portador de molde apilable en máquina de inyección(21).

Por otra parte se les colocaron 4 pines guía de 5 08 [cm] de diámetro para garantizar un

Punto de ajustede las placascentrales (fijas)

Brazos decierre de las placasmóviles

77



Figura 5.29: Ensamblaje de las placas móviles del molde de inyección diseñado para el envase.

a) Sistema de Alimentación

Se partió de la colocación de una barra de bebedero que condujese el material de lamáquina de inyección al distribuidor sostenido en la placa central (Fig 5.30). El bebedero se planteó como diseño personalizado por la falta de información disponible. Ésta va adaptada a unanillo de centrado diseñado para las dimensiones de este dispositivo. Asimismo, aunque se dejóespacio libre para que no hubiese contacto entre la placa móvil y el bebedero, se colocó otroanillo que funcionase como buje para centrar la barra al llegar a la placa central (Fig. 5.30).Igualmente, para establecer el ajuste con el distribuidor se colocó otro anillo de centrado condimensiones ajustadas a la barra de bebedero (Fig. 5.31). El distribuidor empleado fue el modeloMEM0400K de la línea METEOR ® de D-M-E Corporation (Fig. 5.32), que permite unaseparación máxima entre boquillas de 40 [cm]. Se seleccionó esta pieza por permitir suficienteseparación entre las piezas para que no se concentrara mucho calor en las secciones de las placasque las separaban.

PinesGuía

78

Anillo decentrado

Anillo decentradointermedio



Figura 5.30: Ensamblaje de la placa central con la barra de bebedero y el anillo de centrado para los molde de ambas piezas.

Figura 5.31: Ensamblaje de la barra de bebedero con el distribuidor para ambos moldes.

Figura 5.32: Distribuidor MEM0400K de la línea METEOR ® de la casa comercial D-M-E(23).

El distribuidor fue ajustado por medio de dos tornillos que se fijan a una de las placas portacavidades. Para asegurar su posición central y generar aislamiento térmico por aire(23), seemplearon anillos separadores de cada lado del mismo que mantuviesen su distancia de cada

placa (Fig. 5.33). En cuanto a las boquillas, se empleó el modelo CIA0001 de la línea THE HOTONE® de D-M-E Corporation, conjunto con las entradas modelo EHT0010 de la misma empresa.Las boquillas se ajustan al distribuidor por presión, lo que implica que se debe ser muy cuidadoso

Bebedero

intermedio

BebederoDistribuidor

Anillo de centrado para ajuste con eldistribuidor

Salidas de materiala las boquillas

Entrada de materialdel bebedero

79

Distribuidor

Anillos deseparación



Figura 5.33: Ensamblaje del distribuidor en las placas centrales, para ambos moldes.

Figura 5.34: Ensamblaje de las boquillas y las entradas.

Las placas portacavidades que contienen los sistemas de alimentación se diseñaron con unespacio libre entre las boquillas para crear cierto aislamiento térmico y reducir el calentamiento

Distribuidor

Boquilla

Entrada

Tornillos deajuste deldistribuidor

80

Espacio libre entre boquillas y placas

Espacio para ajustedel sistema eléctrico



Figura 5.35: Ensamblaje de las boquillas en las placas centrales, para ambos moldes.

(a)

(b)Figura 5.36: Ensamblaje de las entradas en las placas centrales ((a) envase y (b) tapa).

Para asegurar que no se obtuviese aire atrapado en las piezas se colocó un sistema deventilación justo en las zonas donde se obtuvo aire atrapado en las simulaciones (los bordesexternos de las piezas). Los sistemas de ventilación consistieron en espacios circulares de 0,2

[mm] de espesor con canales de salida hacia el exterior del molde del mismo espesor, de talmanera que el material no pudiese fluir por esas zonas y no se obtuviesen marcas en la pieza (Fig.5.37).

Entradas

Placas portacavidades

81



(a)

(b)Figura 5.37: Canales de ventilación (color rojo) de cada molde (envase: (a), tapa: (b)).

En líneas generales, fue simple plantear el sistema de alimentación debido a ladisponibilidad de piezas estandarizadas en formato CAD(23), con el propósito de facilitar a losdiseñadores el ensamblaje virtual del molde. Pero, lo que hace especial a este sistema es laadaptación del sistema de colada caliente para utilizarlas en moldes apilables, lo que implica que, por su disponibilidad, pueden reducir de forma significativa los costos de fabricación

b) Sistema de Enfriamiento

••• • Tapa: el sistema planteado fue simple: 4 canales pasantes en cada placa portacavidad, pero al momento de diseñar el molde las dimensiones de la placa se aumentaron, en este

sentido, para aumentar la extracción de calor de las placas, se colocaron 6 por placa (Fig.5.38). El diseño se definió teniendo estos canales interconectados entre sí con manguerasalternando la dirección del flujo de refrigerante entre las placas, de tal forma que hay sólo

82



Figura 5.38: Canales de enfriamiento (color rojo) de uno de los apilamientos del molde de la tapa.

• Envase: en cuanto al sistema propuesto para el envase, se empleó, como se dijoanteriormente, un sistema de canales pasantes alrededor de las paredes del envase (sin pasar por las paredes ubicadas entre las piezas, pues al colocar un pozo, la extracción decalor no aumentó en gran medida, y de hacer circular el fluido, la fabricación del molde sehubiese hecho mucho más compleja). Se colocaron 2 canales pasantes en la parte inferiordel envase y para la sección interna, 2 canales pasantes en la parte superior que alimentan4 deflectores de 0,25 [cm] de espesor por 1 [cm] de ancho y aproximadamente 12 [cm] delongitud, que extraen de calor del interior de cada envase (Fig. 5.39).

83



(a)

(b)Figura 5.39: Canales de enfriamiento (color rojo) de uno de los apilamientos del molde del envase (placa central:(a), placa móvil: (b)).

Adicionalmente, como no fue posible colocar un sistema de enfriamiento másuniforme en el interior del envase debido al bajo diámetro del mismo, se colocó el interiorde una aleación de Cobre-Berilio que aumentara la velocidad de extracción de calor puessu constante de conductividad térmica es mucho mayor a la del acero (103,8 [W/m.K] vs.36,5 [W/m.K] del acero). Si bien es cierto que, colocar este material aumenta los costosde fabricación del molde, su uso asegura un enfriamiento más rápido de las piezas, lo querepresenta un aumento en la producción y disminución de los costos de fabricación de las piezas a largo plazo, sobre todo en el caso de moldes apilables, en los que el tiempo deapertura y empaquetamiento suele ser mayor(28).

Estas piezas se colocaron ajustadas en las placas portacavidades móviles, cuidando

84



Figura 5.40: Interiores de Cobre-Berilio de uno de los apilamientos del molde del envase.

c) Sistema de Expulsión

El sistema de expulsión propuesto consiste en la aplicación de aire a alta presión paraexpulsar las piezas, las cuales deben quedar retenidas en las placas móviles, para esto se deben

mecanizar estas secciones con un acabado menos fino que el de las placas fijas(1)

. Este sistemafue elegido por su simplicidad y el ahorro que genera en lo que a espacio se refiere, pues de haberaplicado un sistema de eyección como pines, hubiese sido necesario que la carrera de la unidadde cierre de la máquina fuese sumamente grande, pues los pines deberían atravesar la placa móvilque se orienta hacia el mecanismo de cierre y la placa central (en la cual deberían retenerse las

piezas del otro apilamiento). Otra opción hubiese sido colocar sistemas de expulsión en cada placa móvil que actúen simultáneamente, los cuales hubiesen ahorrado el espacio requerido, peroel sistema mecánico a diseñar, como proponen Shah y Ambekar(5), hubiese sido mucho máscomplejo (Fig. 5.41), por lo que de nuevo, el sistema de expulsión por aire se emplea por susimplicidad.

85

Para este sistema de expulsión se colocaron canales de 0,2 [mm] de diámetro en direcciónde las boquillas, seleccionándose este diámetro por la misma razón que las dimensiones de los

canales de ventilación: para que el material no fluya hacia esta zona. Adicionalmente, se lel l h d l i di ió l fi i d d l ld



colocaron canales con un ancho de la misma dimensión en la superficie de contacto del moldecon la pieza para facilitar el flujo de aire y que la expulsión fuese más uniforme y rápida (Fig.5.42).

(a) (b)Figura 5.42: Canales de aire (color rojo) para la expulsión de las piezas ((a) envase y (b) tapa).

Algo que pudiese ser contraproducente es el mecanizado de estos canales en el molde, pues el bebedero obstaculiza el paso del canal de aire en la placa móvil orientada hacia lamáquina de inyección, por lo que es necesario hacer que este canal evada toparse al bebedero ensu recorrido. Esto implicó la creación de dos canales adicionales que luego de realizarse implicanla colocación de tapones para sellar el circuito (Fig. 5.43).

Canales adicionales para evadirel paso del bebedero

86

debe coordinarse con el de la sección de cierre para actuar, lo que implica configuraciónadicional en el sistema, que puede ser engorrosa.

Debe hacerse la salvedad de que es posible que el sistema no sea capaz de expulsar las



q p q p p piezas solamente con el sistema de expulsión de aire, esto podrá evidenciarse en la puesta a prueba del molde. De ser este el caso, habría de recurrirse a un sistema mecánico como el de lafigura 5.41 que, en conjunto con el sistema de aire, garantice la expulsión de las piezas. Para ellohabría que mecanizar las placas móviles hechas previamente y colocar placas adicionales quevayan conectadas a un sistema análogo al mencionado. Finalmente, las placas móviles de ambosmoldes quedarían como se muestra en la figura 4.44.

(a) (b)

Figura 5.44: Sistema de placas móviles para sistema de expulsión mecánico, la placa adicional se muestra en rojo yuna de las piezas en gris: (a) envase, (b) tapa.

87

(considerando la cantidad de piezas y la distribución, escogidas) de envases con sus tapassimultáneamente, ya que las áreas proyectadas de ambas partes son muy similares, lo que implica

que la fuerza de cierre que requieren es aproximadamente la misma(4)

.y las tapas pueden serinyectadas en un apilamiento mientras que los envases son en el otro Este tipo de procesos es



inyectadas en un apilamiento, mientras que los envases son en el otro. Este tipo de procesos esllamado family stack , por su denominación en inglés, lo que se traduce en apilamientos defamilia, ya que se producen piezas que componen a un mismo sistema en un molde apilable almismo tiempo(4). En la Figura 5.45 se muestra un ejemplo de este sistema en el que se inyectan

una bandeja y su respectiva tapa.

Figura 5.45: Sistema de inyección para un proceso de “Family Stack” en el que se inyectan una bandeja y su tapa enun molde apilable(4).

Sistema dealimentación

Tapa

Bandeja

CAPÍTULO VI



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. CONCLUSIONES

• El molde apilable es el que representa mayores ventajas para la fabricación de piezas de producción continua, pues con respecto a los otros tipos de moldes, es capaz de aumentarla producción al doble, ahorrar material (en el caso del molde de colada fría) y energía envista de que la fuerza de cierre requerida para fabricar el doble de piezas es tan sololigeramente mayor.

• Los moldes de colada caliente muestran ventajas frente a los de colada fría principalmenteen ahorro de material, pero los resultados de la simulación no pudieron poner en evidenciael ahorro energético que viene representado por fuerzas de cierre menores.

• El alabeo por efecto del sistema de enfriamiento obtenido en las piezas, fue muy bajo, loque habla de la efectividad del sistema. El alabeo por efecto del procesamiento fue mayory aunque logró disminuirse al reducir el perfil de velocidades de inyección, sus valores yaeran permisibles en ambas piezas, sobre todo para la tapa, en la que cuyo efecto secompensó con la colocación de filetes.

• La elección de colocar las placas central y la portacavidades fija en una misma simplificóel diseño, pero esto puede ser contraproducente si se quiere inyectar otras piezas bajo lamisma configuración del sistema de alimentación

89

• Un factor importante de este diseño fue la aplicación de sistemas de alimentación paramoldes de colada caliente convencionales en moldes apilables, pues no se encontró

sistemas prediseñados para moldes apilables, y teóricamente se validó su funcionamientocon las simulaciones



con las simulaciones.

• Los sistemas de expulsión por aire representan una gran ventaja desde el punto de vista dediseño y funcional, pues la mecanización del molde, aunque puede ser complicada, es mássencilla que plantear un sistema mecánico. Su desventaja radica en el sistema de controlque debe tenerse para sincronizar el proceso.

6.2. RECOMENDACIONES

• Validar de forma práctica el funcionamiento de sistemas de colada caliente empleados en

moldes apilables.

• Crear un nuevo sistema de apertura para los moldes apilables diseñados.

• Diseñar un molde para el sistema “Family Stack”.

• Verificar las ventajas de sistemas de alimentación de calentamiento interno con otrosoftware capaz de simular estos sistemas.

90

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) D. Rosato, D. Rosato y M. Rosato, “Injection Molding Handbook”, Kluwer Academic



Publishers, USA, 3ra ed., (2000).

(2) J. Bozzelli, “Injection Molding” en Encyclopedia of Polymer Science Technology , Vol. 3,John Wiley & Sons, Inc., USA, (1999).

(3) “C-MOLD”, Advanced CAE Technology, Inc. (1986-2000)

(4) M. Baumann, “Advanced Technologies”, Society of Plastics Engineers. Disponible en:http://www.4spe.org/training/products/0192sampbk5.pdf. Consulta: [Agosto, 09 de 2007].

(5) N. Shah y A. Ambekar, “A review on: stack mold”, SPE’s ANTEC Proceedings (2006).

(6) “Digital Catalog”, D-M-E Company, Disponible en:http://216.91.69.172/DCatalog/default.htm, Consulta: [Junio, 30 de 2007].

(7) D. Hugo, “Hot Runner Molding: Products, Systems and Applications”, SPE’s ANTECProceedings (2000).

(8) P. Looije, P. Sabapathy, Simone J. y W. Keir, “Stack Mold Carrier Mounted on LinearBearings”, US Patent 6155811 (2000).

(9) J. Sheffield, “Rack and Pinion Gear Stack Mold Control”, US Patent 4718845 (1988).

(10) H. Jo, H. Parsaei y W. Sullivan, “Principles of concurrent engineering” enConcurrent

Engineering , Chapman & Hall, Gran Bretaña (1993).

91

(13) P. Kennedy, “CAD, CAM, and CAE” en Modern Plastics Handbook , McGraw-Hill,USA, (2000), pp. 7.99-7.100.

(14) Tan, C., J. Oper. Manag., 24 (1), 494 (2006).



(15) H. León, R. Morales, y O. González., “Design of an Injection Mold Using C-MOLDSoftware”, SPE’s ANTEC Proceedings (2000).

(16) O. González, M. Candal, S. Villarroel y R. Morales, “A mold design methodology byusing CAD/CAM/CAE tools. Experiences and current trends in Venezuela”, 7th International Research/Expert Conference, Barcelona, España, (2003).

(17) S. León, “Diseño de un molde de inyección de colada caliente utilizando herramientasde computación CAD/CAE”, Proyecto de Grado, Coordinación de la Carrera de

Ingeniería de Materiales, U.S.B., Venezuela (2001).

(18) “IDES Prospector Resin Selector”, IDES The Plastic Web, Disponible en:http://www.ides.com/prospector/default.asp. Consulta: [Junio, 25 de 2007].

(19) R. Malloy, “Plastic Part Design for Injection Molding: An Introduction”, Hanser

Publishers, USA, (1994).

(20) R. Morales, M. Candal y O. González, “Effect of the Finite Element Meshing forDesigning Plastic Pieces”, Pol.-Plastics Tech. and Eng., 44, 1573 (2005)

(21) Husky Injection Holding System Ltd., “Hylectric Machines”, Disponible en línea:

http://www.husky.ca/hylectric-0-16.html. Consulta: [Junio, 30 de 2007].

(22) K. Barton y B. Lin, “Automatic Design Optimization Molding Simulation for InjectionM ld d P t ” SPE’ ANTEC P di g (2000)

92

(24) F. Incropera y D. De Witt, “Fundamentos de Transferencia de Calor”, PearsonEducation S. A., México, 3ra ed. (1999).

(25) J. Campero, “Desarrollo de ecuaciones y efecto de los concentradores de esfuerzos



sobre las propiedades mecánicas”, Proyecto de Grado, Coordinación de la Carrera deIngeniería de Materiales, U.S.B., Venezuela (2007).

(26) M. Candal, R. Morales y R. Grimaud, “Model Design Optimization for Security Caps

Used in Pharmaceutical Industry”, SPE’s ANTEC Proceedings (2004).

(27) R. Morales, M. Candal y S. Villarroel, “Effect of the Process Variable on the CavityPressure in Injection Molding”, PPS Regional Meeting (2003), s/p.

(28) V. Barre, L. Lumus y L. Sun, “Comparative Performance of a H13 and Beryllium-

Copper Core Caps in a Thin-Wall Injection Molding Application”, SPE’s ANTECProceedings (2003).

(29) R. Morales, S. Villarroel, H. Andrade, H. Rojas y A. Sánchez, “ExperimentalValidation of a Mold Filling/Cooling Software”, SPE’s ANTEC Proceedings (2001).

93

APÉNDICE

A. PLANOS DE LAS PIEZAS QUE COMPONEN LOS MOLDES DISEÑADOS













Documents

moldes inyeccion de plastico