MOLDEO POR INYECCIÓN MOLDEO POR INYECCIÓN

MOLDEO POR INYECCIÓN
MOLDEO POR INYECCIÓN
Actualmente una tercera parte de las piezas de plástico se fabrican mediante
esta técnica
VENTAJAS
Altos volúmenes de producción
Costes de operario bajos
Automatización total del proceso
Las piezas requieren poco o
ningún acabado
Elaboración de piezas complejas,
imposibles de fabricar por otros
métodos de manera rentable
Posibilidad de obtención de
diferentes tipos de superficies,
acabados y colores
Buena tolerancia dimensional
DESVENTAJAS
Costes altos de la propia
máquina, de los moldes y de los
equipos auxiliares. Requiere altas
capacidades de producción
En algunos casos, la calidad de
la pieza es difícil de determinar
de forma inmediata
Requiere temperaturas y
presiones más elevadas que
cualquier otra técnica de
transformación
Técnica discontinua
UNIDAD DE INYECCIÓN: Comprende las partes
necesarias de la máquina para la carga,
plastificación (fusión) e inyección del plástico
UNIDAD DE CIERRE: Consta de los dispositivos
necesarios para la colocación, accionamiento y
funcionamiento de las dos mitades del molde
UNIDAD DE POTENCIA:
Comprende el conjunto de
dispositivos necesarios de la
máquina para transformar y
suministrar la fuerza motriz a las
unidades de inyección y de cierre
UNIDAD DE CONTROL: Es la parte necesaria de la máquina para que se realice el
proceso de una forma predeterminada y pueda variarse a voluntad, si fuera preciso. El
sistema de control está íntimamente ligado al de potencia, a través del cual las distintas
señales se convierten en movimientos de las unidades de inyección y cierre
COMPONENTES
DE UNA
MÁQUINA
INYECTORA
MOLDEO POR INYECCIÓN
UNIDAD DE INYECCIÓN
EL CICLO DE PRODUCCIÓN CONSTA DE OCHO FASES:
1) Cierre del molde
2) Avance del grupo de inyección
3) Inyección del material en el molde, cerrado y frío
4) Mantenimiento de la presión
5) Refrigeración y solidificación del objeto, que comienza al
terminar la inyección y dura hasta que empieza la apertura del
molde
6) Retroceso del grupo de inyección
7) Plastificación del material para el ciclo siguiente
8) Apertura del molde y expulsión de la pieza
MÁQUINA DE TORNILLO RECÍPROCO
SECUENCIA DE OPERACIÓN:
El molde se cierra, y el tornillo (sin girar) se mueve hacia delante a lo
largo del cilindro actuando como un émbolo o pistón e inyecta el
polímero fundido en el molde. El tornillo permanece adelantado,
manteniendo la presión mientras el material se enfría para evitar la
contracción. Esta etapa se denomina de “retención”
En un determinado momento (idealmente cuando el material del orificio
para inyección se ha solidificado) puede eliminarse la presión y el tornillo
comienza nuevamente a girar, con la válvula cerrada, cogiendo nuevo
material de la tolva de alimentación, que se calienta a lo largo de la
máquina hasta fundir cuando alcanza la parte de adelante del tornillo
MÁQUINA DE TORNILLO RECÍPROCO
SECUENCIA DE OPERACIÓN:
Cuando que se alcanza el volumen necesario de polímero fundido para
llenar el molde y todas las cavidades de entrada, el tornillo deja de girar.
Durante el período de retroceso del tornillo el polímero que estaba en el
molde ha tenido tiempo de solidificar convenientemente, por lo que el
molde se abre y el plástico solidificado expulsado.
MÁQUINA DE TORNILLO RECÍPROCO
SECUENCIA DE OPERACIÓN:
El molde se cierra nuevamente y el tornillo hace de émbolo volviendo a
inyectar el polímero fundido en el molde
VÁLVULA CERRADA
VÁLVULA ABIERTA
Una diferencia importante es la presencia de una válvula de retención, de un
solo sentido de paso, colocada en la cabeza del tornillo, que es necesaria para
evitar que haya pérdidas de material por las juntas de los hilos del tornillo cuando
éste actúa como émbolo. La válvula está cerrada mientras se inyecta material
para evitar el flujo de retroceso del mismo después de pasar el hilo del tornillo, y
está abierta cuando gira el tornillo para permitir la acumulación de la nueva carga
MÁQUINA DE TORNILLO RECÍPROCO
SECUENCIA DE OPERACIÓN:
Una gran parte del tiempo del ciclo total se debe al enfriamiento, en que
se incluye el tiempo de retención. Como consecuencia, la rapidez de
enfriamiento es un aspecto importante en la economía del moldeo por
inyección
El tornillo permanece adelantado, manteniendo la presión hasta que
material del orificio para inyección se ha solidificado y el tornillo
comienza a girar y a retroceder, volviendo a repetirse el ciclo
CICLO DE INYECCIÓN
MOLDE DE INYECCIÓN
Vent channel
S
b
The simplest is an open nozzle as shown in Figure (a). This is used whenever
possible because pressure drops can be minimised and there are no hold up
points where the melt can stagnate and decompose.
However, if the melt viscosity is low then leakage will occur from this type of
nozzle particularly if the barrel/nozzle assembly retracts from the mould each
cycle. The solution is to use a shut-off nozzle of which there are many types.
Figure (b) shows a nozzle which is shut off by external means
Figure (c) shows a nozzle with
a spring loaded needle valve
which opens when the melt
pressure exceeds a certain
value or alternatively when the
nozzle is pressed up against
the mould
Most of the shut-off nozzles
have the disadvantage that
they restrict the flow of the
material and provide
undersirable stagnation sites
For this reason they should not
be used with heat sensitive
materials such as PVC
TYPES OF NOZZLE
(a) Open nozzle
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
Mazarota y canales (sprue and runners)
Unen las cavidades del molde con la boquilla de la máquina de inyección. El
canal de la mazarota está en la parte fija del molde
El plástico que solidifica en su interior ha de salir cuando se desmoldea. Para que
esto se lleve a cabo esta cavidad incorpora una clavija de sujección en su parte
final que “corta” el plástico para que deslice más fácilmente
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
MOLDE CON TRES PLACAS
MOLDE CON CANALES CALORIFUGADOS
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
MOLDES DE IMPRESIÓN MÚLTIPLE. Utilizan “bebederos balanceados”
para tener distribución uniforme a través del sistema. Los bebederos no
balanceados pueden dar lugar a piezas moldeadas de calidad desigual
debido a que la presión y, en consecuencia, el flujo, no son iguales en
sitios cercanos al canal de alimentación y en los que se hallan alejados.
Bebederos: (a) balanceados, (b) no balanceados
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
Orificio para la inyección del material o compuerta (gate)
Es un orificio estrecho por el cual el plástico fundido entra en la cavidad
del molde y que permite una fácil separación de la zona de impresión y
los canales de colada. Como suele ser lo que primero enfría, actúa como
una válvula que evita que el material del interior de la zona de impresión
sea succionado hacia afuera durante el movimiento de retorno del tornillo
en la máquina.
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
El estrechamiento en la compuerta tiene tres
funciones:
¾ Efecto de tapón anti-retroceso: adelantan la
consolidación del material en ese punto por
enfriamiento más rápido al ser la sección
pequeña. Permite separar la pìquera de la
boquilla de inyección antes de que haya
consolidado todo el material de la cavidad
¾ La sección sólida, estrecha y delgada
permite separar fácilmente la espiga de la
pieza moldeada después de sacarla del
molde, eliminando en la mayoría de los
casos la necesidad de desbastar en el
acabado
¾ Incrementa la velocidad de corte conforme
fluye el material fundido y, en consecuencia,
disminuye la viscosidad para llenar mejor y
más rápido moldes con formas complejas
TIPOS DE COMPUERTA
NO DEBEN producir chorros que produzcan salpicaduras (que después no
sueldan con la masa), para ello:
• Bien la sección de la estrangulación no debe ser demasiado pequeña (si se
quiere reducir el caudal, debe aumentarse la longitud de la estricción)
• Bien se hace que el flujo entre directamente en contacto con la pared, p.ej.
entrada tangencial
PROCESO DE INYECCIÓN (elementos del molde)
La compuerta debe posicionarse de tal modo que se genere un flujo de fundido
uniforme en la impresión, lo que causa un llenado del molde también uniforme de
forma que los frentes de fundido que avanzan alcanzan los extremos de la
impresión al mismo tiempo.
La compuerta correcta para este producto en forma de copa es la compuerta de
espiga, con la que la sección cilíndrica se rellena de una manera balanceada sin
dar lugar a la formación de una línea de soldadura.
La compuerta lateral es incorrecta ya que se forma una línea de soldadura, que
puede ser fuente de un mal funcionamiento desde el punto de vista mecánico y
además es un defecto visual.
(
a) Compuerta correcta, (b) incorrecta (lateral) para un producto en forma de copa
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (presiones de llenado)
Se trata de calcular la mínima presión a la entrada (gate) para llenar
una determinada cavidad
CAVIDAD RECTANGULAR DE PROFUNDIDAD h:
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (presiones de llenado)
CAVIDAD CIRCULAR:
Ésta es una situación de flujo desde el centro de radio nominal R1 hasta la pared
exterior de radio R2. Para un elemento situado en el radio r, el flujo puede
considerarse como el correspondiente al paso a través de un canal rectangular
con las siguientes dimensiones:
Anchura T=2πr
Altura = h
Longitud L=dr
La caída de presión a través del
elemento anterior viene dada por:
dP = −
12η a Qdr
2πrh 3
y la caída total desde R1 hasta R2:
R2
12η a Qdr
R1
2πrh 3
ΔP = ∫ −
12η a Q
dr
=−
−
2πh 3 ∫R 1 r
R2
Pmin = ΔP =
6ηQ ⎛ R 2
Ln⎜⎜
πh 3
⎝ R1
⎞
⎟⎟
⎠
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (fuerzas de apriete)
Para prevenir la abertura del molde durante la inyección y mantenerlo
cerrado debe aplicarse la suficiente fuerza de apriete, la cual puede
calcularse si se conoce la distribución de presión dentro de la cavidad.
Se previene el escape del molde de una película de plástico a través de
la superficie de unión de las placas del molde.
La experiencia práctica sugiere que la presión de apriete sobre el área
proyectada del molde debe estar comprendida entre 10 y 50 MN/m2,
dependiendo de factores tales como forma, espesor y tipo de material.
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (fuerzas de apriete)
CAVIDAD RECTANGULAR:
La fuerza requerida para apretar el
elemento del molde de longitud dx es el
producto de la presión por el área del
elemento:
δF = Px δA = Px Tdx
L
F = ∫ Px Tdx
0
Y la fuerza total:
Para una presión a la entrada PG y asumiendo
una distribución de presión lineal:
x
P = P − ΔP
x
G L
⎡
⎡
L ΔP ⎤
ΔP ⎤
L⎡
x
⎤
F = T ∫ ⎢ PG − Δ P ⎥ dx = T ⎢ PGL −
= TL ⎢ PG −
⎥
⎥
0
L
2
2
⎣
⎦
⎣⎢
⎦⎥
⎣⎢
⎦⎥
Por tanto,
FUERZA DE APRIETE = Área proyectada x Presión media
Para la mínima presión en el orificio de inyección del material
(gate) PG = Pmin y, por tanto, ΔP = Pmin, y la fuerza de apriete es:
F = TL
Pmin
2
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (fuerzas de apriete)
CAVIDAD CIRCULAR:
La fuerza en la corona circular sombreada
viene dada por: dF = Pr2πrdr, e integrando
a todo el disco:
R
F = 2π ∫ Pr rdr
0
m
⎡
⎛ r ⎞
P r = P0 ⎢1 − ⎜ ⎟
⎝R ⎠
⎢⎣
⎤
⎥
⎥⎦
P0 = Presión en el orificio de inyección del material en el molde
m = Constante cuyo valor, usualmente, está comprendido entre 0.3 y 0.75
Se puede mostrar que m = 1 – n donde n es el índice de la ley potencial
F = 2π ∫
R
0
⎡ ⎛ r ⎞m ⎤
P0 ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥rdr
⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦
F = πR 2 P0
m
m+2
Para un determinado material la relación m/(m+2) puede estimarse a partir de las
curvas de flujo del material, siendo dependiente de la temperatura y, en menor
medida, de la presión.
Esta simple expresión puede usarse para formas más complejas pero
cuya área proyectada puede ser aproximada por un círculo.
MOLDEO POR INYECCIÓN
CÁLCULOS DE LLENADO (tiempo de llenado)
El tiempo de llenado del molde
puede calcularse mediante:
tf =
Volumen total
Caudal volumétrico
CAVIDAD RECTANGULAR:
tf =
TLh
Q
CAVIDAD CIRCULAR:
πh(R 22 − R 12 )
tf =
Q
TIEMPO TOTAL CICLO DE INYECCIÓN
Variación de presión y temperatura durante un ciclo del proceso de
moldeo por inyección:
El tiempo de duración de un ciclo, que suele estar comprendido
entre 10 y 30 segundos, es igual a:
tciclo = tcierre-apertura + tllenado(inyección) + tenfriamiento
El tiempo de enfriamiento es el que domina el tiempo del ciclo, en
general más de los 2/3.
EL TIEMPO QUE TARDA UN CICLO, PERMITE ESTABLECER EL TIEMPO
NECESARIO PARA PRODUCIR UN:
NÚMERO DETERMINADO DE PIEZAS,
EL COSTO Y LA RENTABILIDAD DE LA PRODUCCIÓN.
DENTRO DE LAS ETAPAS DEL CICLO DE INYECCIÓN, LAS ETAPAS DE
CIERRE Y APERTURA DEL MOLDE SE EFECTUAN CONSUMIENDO
SIEMPRE EL MISMO TIEMPO. LA SUMA DE ESTAS ETAPAS DAN EL
TIEMPO DEL CICLO EN VACIO
QUE ES UNA CONSTANTE DE LA
MÁQUINA Y ES INDICADA POR EL FABRICANTE.
TIEMPO MÁXIMO PARA LLENAR EL MOLDE
EXPRESIÓN EMPÍRICA REFERENCIADA POR J. BOWN
ti ( s ) =
⎛ Fm ⎞
⎜⎜ S
⎟⎟
F
l ⎠
⎝
3
⎛ T −T ⎞
8⎜ x m ⎟
⎝ Tc − Tm ⎠
3
S = Espesor de pared mínimo de la pieza (cm).
Fm = Recorrido máximo del fundido desde la entrada (cm).
Fl = Relación entre (Recorrido de flujo/Espesor de pared)
para el material a inyectar.
Tx = Temperatura del fundido (ºC)
Tm = Temperatura del molde (ºC)
Tc = Temperatura de distorsión bajo carga (HDT) del material
(ºC)
TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN O DE ENFRIAMIENTO (ts)
ES EL TIEMPO COMPRENDIDO ENTRE EL FINAL DE LA APLICACIÓN
DE LA PRESIÓN DE SOSTENIMIENTO Y EL COMIENZO DE LA
APERTURA DEL MOLDE ES EL LAPSO DE TIEMPO REQUERIDO PARA
ASEGURAR QUE EL MATERIAL FUNDIDO HA SOLIDIFICADO Y PODRÁ
SER EXTRAÍDO SIN SER DISTORSIONADO.
ESTE TIEMPO ES EL MÁS LARGO DEL CICLO, LLEGANDO A
ALCANZAR DESDE 50 A 85 % DEL CICLO TOTAL
DEPENDE DE VARIOS FACTORES:
- DISPOSITIVO DE REFRIGERACIÓN DEL MOLDE
- LÍQUIDO DE REFRIGERACIÓN
- FORMA Y ESPESOR DE LA PIEZA
- TIPO DE MATERIAL A INYECTAR
EL TIEMPO MÍNIMO DE ENFRIAMIENTO EN EL MOLDE
FÓRMULA PROPUESTA POR BALLMAN Y SHUSMAN:
h2
4 ⎛ TM − TW ⎞
t enfriamiento mínimo ( s ) = 2 Ln ⎜
⎟
απ
π ⎝ TE − TW ⎠
h ≡ La mitad del espesor máximo (m)
α ≡ Difusividad térmica (m2/s)
TW ≡ Temperatura de la pared del molde (ºC)
TM ≡ Temperatura del plástico fundido (ºC)
TE ≡ Temperatura de eyección (ºC)
EL TIEMPO DE ENFRIAMIENTO, PARA UNA DETERMINADA CONDICIÓN
DE TEMPERATURA, SE INCREMENTA CON EL CUADRADO DEL
ESPESOR DE LA PIEZA.
PARA UN ESPESOR DETERMINADO, UNA TEMPERATURA DE MOLDE
BAJA Y UNA TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN DE LA PIEZA ALTA,
REDUCEN CONSIDERABLEMENTE EL TIEMPO DE ENFRIAMIENTO.
Datos requeridos para determinar el tiempo de enfriamiento de
algunos polímeros
LA DIFUSIVIDAD TÉRMICA (α) MIDE LA RAPIDEZ CON LA QUE EL
CALOR SE TRANSMITE DE UN PUNTO A OTRO EN UN CUERPO.
ES DECIR, MATERIALES CON VALORES MAYORES DE α TENDRÁN UN
ENFRIAMIENTO MÁS RÁPIDO Y UN TIEMPO MENOR DE
SOLIDIFICACIÓN. LA DIFUSIVIDAD TÉRMICA (α) VIENE DADA POR:
k
α=
ρ ce
k= Conductividad térmica
ρ = Densidad
ce = Calor específico
h2
4 ⎛ TM − TW ⎞
t enfriamiento mínimo ( s ) = 2 Ln ⎜
⎟
π ⎝ TE − TW ⎠
απ
CONTRACCIÓN
Reduction in linear size during
cooling to room temperature
• Polymers have high thermal
expansion coefficients, so
significant shrinkage occurs
during cooling in mold
Dimensions of mold cavity
must be larger than part
dimensions:
Dc = Dp + DpS + DpS2
Dc = dimension of cavity
Dp = molded part dimension
S = shrinkage value
TRANSFER
MOLDING