Procesos de conformación de plásticos

I
Capítulo I
ITRODUCCIÓ
Con el transcurso del tiempo se ha pasado del comentario despectivo " Eso no sirve
porque está hecho de plástico" a la utilización de dicho material en muchos casos como
elemento competitivo incluso de aquellos materiales que parecían insustituibles como
podía ser el acero . Todo ello es debido al enorme avance y desarrollo que en el campo
de los materiales ha sucedido en las últimas decadas, encontrando los mismos una gran
aplicación a nivel industrial. Por otro lado este desarrollo ha ido en paralelo con un
fuerte proceso de competitividad en la industria donde uno de los factores primordiales
ha sido la disminución de costos de producción; dichos costos de producción se han
visto favorecidos muy positivamente precisamente por la mayor utilización de los
plásticos como material de producto dado su bajo coste como materia prima y su fácil y
rápida transformación mediante diferentes procedimientos.
El auge de la industria de los plásticos en todo el mundo no comenzó hasta
después de la Segunda Guerra Mundial. En un principio se empleó carbón como
material de partida, hasta que a mediados de los años cincuenta se produjo el cambio
hacia el petroleo. La crisis del petroleo en 1973 frenó un poco el fuerte crecimiento de
la producción de plásticos. Posteriormente a esta fecha continuó creciendo su
I-1
Procesos de Conformación de Plásticos
producción a un ritmo muy dinámico. Se pasó en un principio a la utilización de los
materiales plásticos como elementos de recubrimiento o decorativo a un uso con mayor
aplicación estructural por la mejora de sus propiedades mecánicas (pensemos por
ejemplo en la utilización de plásticos reforzados en un sector tan exigente como la
aviación)
El uso de plásticos, no obstante, sólo se consigue de manera óptima cuando se
tienen en cuenta sus especiales características. Precisamente cuando se quiere sustituir
un material clásico como la madera o el metal es cuando más presentes hay que tener
las múltiples posibilidades de los plásticos, diseñando piezas de acuerdo con los
principios propios de estos materiales.
Fig.1.1.- Los artículos de plástico forman parte de nuestra vida diaria
I-2
Capítulo I. Introducción
Fig.1.2.- Los materiales plásticos se han extendido en las últimas décadas en la
automoción
I-3
Procesos de Conformación de Plásticos
I-4
II
Capítulo II
MATERIALES PLÁSTICOS.
No es el objeto de la presente publicación tratar el conocimiento de los plásticos
desde un punto vista de "materiales" sino desde un punto de vista de su transformación
mecánica. No obstante sin profundizar en este tema si es interesante dar algunas ideas
básicas sobre los plásticos como materiales ya que nos ayudarán a comprender mejor su
comportamiento durante su proceso de transformación.
II.1 Estado de la materia.
Las materias primas para la fabricación de plásticos son sustancias naturales como
la celulosa, el carbón, el petroleo y el gas natural. Estan sustancias contienen moléculas
compuestas de carbono, hidrógeno, también oxígeno, nitrógeno, azufre.
En un plástico las moléculas se unen formando largas cadenas que pueden
deslizarse entre sí (como un líquido) pero cuyo enredamiento les dá una consistencia
que se asemeja a los sólidos. Por tanto un plástico es un estado de la materia que
podemos calificarlo como viscoelástico dadas sus propiedades viscosas por un lado
(fluido) y elásticas por otro lado (sólido).
II-1
Procesos de Conformación de Plásticos
El elemento constitutivo de un plástico son las cadenas macromoleculares
(polímero) obtenidas a partir de un producto cuyas moléculas eran independientes
(monómero). El monómero es la unidad básica de un polímero;
Si entrar en detalles químicos que no vienen al caso decir que los principales
métodos de conformación de las macromoléculas son:
•
Polimerización.
•
Policondensación.
•
Poliadición.
La polimerización conjunta de dos monómeros básicos diferentes dará lugar a un
copolímero; por ejemplo el policloruro de vinilo (PVC). Si se trata de tres monómeros
tenemos un terpolímero, como por ejemplo el ABS (acrilonitrilo/butadieno/estireno).
Fig. 2.1.- Polimerización de diferentes monómeros
II-2
Capítulo II. Materiales Plásticos
Las fuerzas que unen los diferentes monómeros son enlaces covalentes. No obstante
también existen fuerzas entre moléculas llamadas fuerzas intermoleculares, que son más
débiles que los enlaces covalentes. Cuando se produce una carga son los enlaces entre
moléculas los primeros en ceder. Por otro lado con la aplicación de calor aumenta el
movimiento de las moléculas; este movimiento origina la disminución de las fuerzas
intermoleculares de tal manera que a determinada temperatura llegan a desaparecer. Si
desciende la temperatura estas fuerzas vuelven a aparecer. Esta circunstancia es clave
para la conformación de los plásticos mediante la aplicación de calor.
II-3
Procesos de Conformación de Plásticos
II.2 Aditivos.
Los polímeros raramente tienen utilidad práctica como tales. Normalmente
requieren una adecuación a los procesos de transformación o moldeo, así como a las
exigencias del artículo final a que se destinan. Esto se consigue mediante la
incorporación de aditivos que corrigen, mejoran o modifican algunas de sus
características. Para ser más correctos desde el punto de vista técnico deberíamos
denominar plástico a un polímero al que se le han añadido una serie de aditivos.
Comentemos brevemente algunos de los aditivos más utilizados y la función que
tiene cada uno:
•
Estabilizantes . Protegen al polímero de los efectos degradativos del calor (por
ejemplo durante el moldeo), luz (por ejemplo durante la vida de uso), etc.
•
Plastificantes. Se infiltran en la estructura polimérica confiriéndole una cierta
flexibilidad. Son muy pocos los polímeros que admiten plastificantes (PVC, esteres
de celulosa). En las poliamidas el plastificante idoneo es el agua, sin embargo no es
necesario introducirla ya que las poliamidas ya de por sí son absorbedoras de la
humedad atrmosférica.
•
Lubricantes. Facilitan el flujo del plástico fundido durante el moldeo, bién sea de la
proipia masa (lubricantes internos) o bién a su deslizamiento en moldes y cabezales
(lubricantes externos).
•
Cargas reforzantes. Son aquellos aditivos que pueden mezclarse con el polímero
fundido y quedar incluidos en él confiriéndole nuevas o mejores propiedades
mecánicas, eléctricas, etc. Entre las cargas más habituales tenemos el talco,
carbonato de calcio, serrín, fibras celulósicas, microesferas de vidrio, grafito, etc.
•
Colorantes. Imprimen un determinado color al polímero. Pueden ser orgánicos o
inorgánicos. Los colorantes pueden incorporarse al polímero tal cual se presentan
(polvo) o bien previamente elaborados en forma de concentrado de color con un
II-4
Capítulo II. Materiales Plásticos
soporte polimérico. En estos casos debe prestarse atención a la idoneidad de ese
material soporte en función del plástico a teñir.
•
Otros aditivos. Como antiestáticos, espumantes, ignifugantes, etc.
2.2.- Las ventanas de PVC necesitan de aditivos que la protejan de los rayos
ultravioletas que deterioran el aspecto de la misma
II-5
Procesos de Conformación de Plásticos
II.3 Clasificación.Plásticos más frecuentes. Aplicaciones.
Una primera clasificación a nivel general en función de la disposición de las moléculas
puede ser la siguiente:
•
Termoplásticos. Son aquellos que pueden ser moldeados de nuevo con calor una vez
que se les ha conferido su forma. Esto ocurre porque las cadenas moleculares se
unen entre sí mediante enlaces intramoleculares fáciles de romper con calor. Esta
cualidad les hace muy favorables desde el punto de vista de su moldeo aunque no
tanto desde un punto de vista de uso según que aplicaciones.
Si las cadenas son fuertemente ramificadas
es difícil que puedan adoptar una
estructura con alguna uniformidad con lo cual forman lo que se llama estructuras
amorfas. Las estructuras amorfas en su estado natural se caracterizan por su
transparencia. Por el contrario si la ramificación es pequeña, las cadenas pueden
adoptar un cierto orden al unirse de determinada manera entre ellas; se trata de una
estructura semicristalina al no ocupar esta toda la masa. Los termoplásticos
semicristalinos no son nunca transparentes.
•
Termoestables. Son plásticos que en general una vez conformados no pueden ser
transformados de nuevo con aportación de calor salvo que se degraden. Esta
cualidad los hace muy útiles en aquellas aplicaciones donde vayan a ser sometidos a
temperaturas elevadas. Son además duros, más frágiles que los termoplásticos y no
son hinchables.
La estructura es muy reticulada ya que las moléculas se unen entre sí mediante
puentes de moléculas que le imprimen al material una gran solidez y estabilidad por
ejemplo a la temperatura. Los enlaces entre moléculas son pués covalentes y no
intramoleculares.
II-6
Capítulo II. Materiales Plásticos
Fig.2.3.- Estructura de los termoplásticos
•
Elastómeros. Al igual que los termoestables tienen una estructura reticulada pero en
menor grado. Debido a esto moléculas como el agua se puede introducir entre las
del polímero y producir hinchamientos ademas de una gran flexibilidad. Además la
movilidad de las moléculas es mayor que en los termoestables al tener una
estructura menos reticulada (Fig.2.4). No son fundibles una vez han sido
conformados.
II-7
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.2.4.- Estructura de los termoestables y elastómeros
Plásticos más frecuentes. Aplicaciones.
Comentemos a continuación algunos de los plásticos que con más asiduidad se
pueden ver en la vida cotidiana.
Termoplásticos
Denominación
Propiedades
Algunas aplicaciones
Metilmetacrilato
•
Estabilidad del color
•
Tubos luminosos
(Plexiglas)
•
Alta transmisión de la luz
•
Ventanas
•
Buena resistencia química
•
Lentes ópticas
•
Estables
bajo
temperaturas •
Faros de automóvil
•
Vasos de vino, etc.
normales
II-8
•
Bajo nivel de absorción de agua
•
Poco
afectados
por
las
Capítulo II. Materiales Plásticos
condiciones climáticas
•
Mejores propiedades ópticas de
los plásticos transparentes
Acetato de celulosa
•
Transparente
•
Piezas de uso general
•
Alta resistencia al impacto
•
Facilidad para ser moldeado
•
Alto poder de absorción de agua
•
Propiedades
Estabilidad a altas temperaturas
•
Cojinetes
•
Resistencia química
•
Piezas de máquinas (trabaja como
•
Bajo valor de fricción
•
Alta resistencia a la tensión
sensibles
a
la
temperatura
Resinas
de
(Nylon)
poliamida •
el metal)
(decrece cuando aumenta la
temperatura)
•
Flexibilidad
•
Resistencia al impacto
•
Es sensible al agua y la absorbe
en ambientes húmedos
Policarbonato
•
Alta resistencia al impacto
•
Estabilidad dimensional
•
Resistencia al deslizamiento
•
Semáforos
•
Baja absorción de agua
•
Botellas retornables
•
Buenas propiedades eléctricas
•
Componentes de televisores
•
Transparencia como el cristal
•
Alto punto de inflamación
•
Conformación por soplado o por
•
Embalaje
•
Faros delanteros y traseros del
automóvil
inyección
Poliestireno
•
Resina transparente y amorfa
•
Usualmente
se
moldea
sin
plastificante
•
Buenas propiedades de moldeo
•
Buenas propiedades eléctricas
•
Baja sensibilidad al agua
•
Resistencia limitada al impacto
•
En forma de película ofrece
II-9
Procesos de Conformación de Plásticos
buena protección al agua y a las
condiciones climáticas
Se ven poco afectadas por
•
muchos
agentes
químicos,
incluso alcohol y gasolina
Polivinilo y copolímeros •
Se
del vinilo (entre ellos el
extrusión, inyección, soplado, •
Ventanas, etc
PVC)
etc)
Las resinas forman partes de
puede
por •
•
Insensible
•
conformar
al
agua
a
baja
Conductos, tuberías
algunas pinturas y barnices
temperatura
Alta resistencia al impacto y
•
abrasión
Polietileno
•
Buén dieléctrico
•
No es tóxico
•
Resistencia a disolventes, alcalis •
Baja densidad: Bolsas, láminas
•
Excelentes
Alta densidad: Tubos, platos, etc
propiedades •
dieléctricas
•
Buena corolabilidad
•
Bajo costo
•
A) de baja densidad:
•
-
Resistencia al impacto
-
Baja resistencia térmica
B) de alta densidad:
- Más rígidos
ABS (terpolímero)
•
II-10
tenacidad,
rigidez, •
En la industria del automóvil:
brillo
salpicaderos,
•
Buen acabado superfcial
reposabrazos, etc
•
Estabilidad dimensional, baja •
Electrodomésticos
contracción de moldeo
Carcasas de ventiladores
•
Resistencia a la temperatura •
Aspiradoras de polvo
sobre los 80ºC
•
Máquinas de escribir
•
Buena dureza superficial
•
Sillas
•
Existen
•
Poliuretano
Elevada
•
variedades
con •
guanteras,
Lámparas
antiestáticos para evitar el polvo •
Juguetería de calidad, etc
Características similares a las •
En inyección en piezas con forma
poliamidas
altamente
solicitadas,
mecánica
Capítulo II. Materiales Plásticos
fina
•
En
forma
de
espuma
como
elemento aislante
Poliester aromático
•
Excelente resistencia térmica
•
Buenas propiedades físicas bajo •
radiación
•
ultravioleta
Colectores de energía solar
Conectores eléctricos
y
condiciones de humedad
Poliester
termoplástico •
(PET)
Polipropileno
Bajo costo
•
Envase de bebidas carbónicas,
•
Posibilidad de ser reciclado
vegetales congelados, etc
•
Impermeable a gases carbónicos •
Fabricado en forma de fibra sirve
•
Buen aspecto
para la elaboración de tejidos
•
Altamente cristalino
•
Enfriamiento desigual durante el •
Jeringuillas de un solo uso
moldeo
Diversos
•
•
•
Bajo precio
•
Resistencia a la temperatura
Depósitos de agua para coches
accesorios
en
el
automóvil por su bajo costo
•
Menaje, juguetería, embalaje, etc
(100-140ºC)
•
Buena resistencia química
•
Se obtienen piezas brillantes
•
Absorbe los rayos ultravioletas
•
Sufre
oxidación
por
la
temperatura
Termoestables
Denominación
Resinas
(bakelita)
Propiedades
fenol-cresol •
Algunas aplicaciones
Resistencia a alta temperatura
•
Electrotecnia por su poder aislante
Buenas propiedades mecánicas •
Artículos de hogar, mangos para
en un intervalo grande de
baterías de cocinas, asideros para
temperatura
planchas, piezas para tostadores de
•
Resistencia al fuego y al arco
pan,
•
Resistencia
portalámparas
•
a
los
agentes
aspiradoras,
enchufes,
químicos y detergentes
II-11
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Superficies resistentes
•
Buenas propiedades eléctricas y
bajo costo
Resinas de melamina
•
•
Mejor resistencia a la tracción y •
Como polvos de moldeo para
mayor dureza que las fenólicas
diferentes aplicaciones
Sus colores permiten obtener •
Como laminados para tableros de
una amplia variedad de tonos
madera prensada
•
Adhesivos
•
Señales
luminosas,
botones,
bandejas, picaportes, juguetes
Resinas epoxi
Alta relación resistencia/peso en •
Adhesivos
los componentes reforzados de •
Recubrimientos
matriz epoxídica
•
Pavimentos
•
Excelente resistencia química
•
Construcción
•
Altas propiedades dieléctricas
•
Aislantes eléctricos
•
Buenas
•
prestaciones
y •
Composites
mantenimiento de propiedades
en
ambientes
húmedos
y
calientes
•
Ausencia de productos volátiles
durante el curado a elevada
temperatura
•
Temperatura de distorsión entre
130-140ºC
Resinas de silicona
•
Excelente estabilidad a altas •
Pinturas
temperaturas
Aislamiento térmico para altas
•
temperaturas de equipos eléctricos
•
Resistentes a la humedad
•
Excelente resistencia eléctrica
•
Juntas en la construcción
•
Buena resistencia química
•
Recubrimientos
impermeabilizantes
•
II-12
Como polvos de moldeo
Capítulo II. Materiales Plásticos
II.4 Propiedades generales.
II.4.1 Propiedades físico-químicas.
•
Densidad. En general tienen una densidad relativamente baja en comparación con
otros materiales. Oscila entre 0.9 g/cm3 y 2.3 g/cm3.
•
Conductividad eléctrica. Todos los plásticos presentan unas buenas propiedades
dieléctricas con lo cual tienen una contuctividad eléctrica baja en relación a otros
materiales más conductores. Los plásticos pueden cargarse electroestáticamente en
atmosferas secas. Es muy discutible si ello constituye un problema, pero en todo
caso puede paliarse con la utilización de aditivos antiestáticos; y en todo caso,
tomando las medidas oportunas durante el moldeo y manipulación, ya que es
entonces cuando se producen las cargas más significativas.
•
Conductividad calorífica. Las conductividades caloríficas de los plásticos se
encuentran entre 0.15 - 0.5 W/mK. Tiene una baja conductividad térmica, sin
embargo el coeficiente de dilatación es del orden de 10 veces mayor que en los
metales.
•
Propiedades ópticas. La transparencia de un plástico depende de su naturaleza y
muy especialmente de su estructura. Un plástico cristalino difícilmente será
transparente y, por el contrario, la transparencia es característica de los plásticos
amorfos. El brillo dependerá fundamentalmente de las condiciones de moldeo y
muy especialmente del acabado superficial de los moldes.
II-13
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.2.5.- Algunos objetos transperantes requieren buenas propiedades ópticas
•
Comportamiento químico. Al depender fundamentalmente de la naturaleza química
de la propia molécula básica de la cadena, es muy variado el comportamiento
químico de los plásticos tanto a productos químicos concretos como a medios
ácidos, alcalinos o disolventes. Debe señalarse el efecto negativo de los agentes
tensioactivos (aceites y grasas animales o vegetales, detergentes, alcoholes, cetonas,
etc) que en combinación con un esfuerzo pueden llevar a la fisutración y fisura. En
general un disolvente es aquel agente químico capaz de romper la unión molecular
de un polímero.
II.4.2 Propiedades mecánicas. Influencia del cambio en el estado físico.
Siempre existirá una dependencia esfuerzo- tiempo- temperatura, ya que la
deformación bajo carga será una suma de la deformación elástica y la deformación
plástica.
II-14
Capítulo II. Materiales Plásticos
Fig.2.6.- Relación Resistencia, deformación y tiempo
Por ello no tienen utilidad las tablas de valores habituales que, para los plásticos,
responderían solo al que se dá para un ensayo instantaneo a temperatura ambiente. A
efectos reales solo tienen validez los gráficos que reflejan, mediante curvas, el
comportamiento de un determinado plástico frente a un esfuerzo y su dependencia con
el tiempo y la temperatura.
II-15
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig. 2.7.- Comparación entre el estado de carga de una probeta de acero y otra de
plástico
Un modelo teórico muy popular ( aunque no el más riguroso) para representar lo
que le pasaría a una probeta de plástico sometida por ejemplo a un esfuerzo de tracción
(Fig.II.7) es el de Maxwell. Según dicho modelo al cargar dicha probeta se producen dos
fenoménos, uno elástico por estiramiento de las macromoléculas entre sí y otro viscoso
por un deslizamiento entre las mismas; comportamiento que ya conocemos como
viscoelástico. A diferencia de una probeta de acero si desaparece la carga esta no se
II-16
Capítulo II. Materiales Plásticos
recupera totalmente sino que permanece una
cierta deformación. El modelo se
representa mediante un resorte y amortigüador colocados en serie (Fig.2.8).
Fig.2.8.- Modelo de Maxwell
Un aspecto importante a tener en cuenta es el cambio en el estado físico que
tienen los plásticos en función de la temperatura. Esta circunstancia no sólo afecta al
comportamiento mecánico de los mismos sino que incluso afecta al sistema de
conformación que elijamos para su transformación en piezas u objetos. Así por ejemplo
en los termoplásticos podemos distinguir tres estados: el duro, el termoelástico y el
termoplástico . Por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg) el material se
encuentra en estado rígido y con una buena estabilidad dimensional. Si calentamos el
material por encima de Tg observamos como, debido a una disminución de las fuerzas
intramoleculares, empieza a perder estabilidad dimensional y de forma sin llegar a
perder cohesión; es el estado termoelástico, que es utilizado en los procesos de
termoconformado; el plástico nos aparece como fácilmente deformable por su poca
estabilidad. Por último si seguimos calentamos llegará un momento en que si superamos
la temperatura de fusión (Tf) las fuerzas intermoleculares habrán desaparecido y este se
encuentra en estado fundido ideal para procesos como puede ser el de inyección ó
extrusión. Lógicamente existirá una temperatura crítica por encima de la cual el plástico
se degrada.
II-17
Procesos de Conformación de Plásticos
Dentro de los termoplásticos existen diferencias en el comportamiento sobre
todo termoelástico al haber presencia , por ejemplo en los termoplásticos parcialmente
cristalinos, de cristalitas que mantienen su cohesión intramolecular en zonas cristalinas
combinadas con zonas amorfas que estarían en estado termoelástico. Se trata de una
franja por lo tanto estrecha. Por otro lado en los elastómeros y termoestables no existiría
zona termoelástica propiamente dicha sino que se pasaría de rígido a zona de
degradación directamente.
II-18
Capítulo II. Materiales Plásticos
II.5 Algunos aspectos sobre reología de polímeros.
La reología es una ciencia que estudia el comportamiento de los materiales
plásticos principalmente en un proceso de flujo con unas características viscosas y
elásticas que caracterizan a los polímeros. El conocimiento de los diferentes parámetros
básicos durante ese proceso es importante para predeterminar o predecir otros
parámetros que nos van a dar una información valiosa en función de la aplicación que se
trate. Si nos centramos exclusivamente en la aplicación industrial de la reología decir
que es una herramienta fundamental para la simulación y análisis de procesos tales
como la inyección, la extrusión, soplado, etc. Las modernas técnicas de simulación en
ordenador han permitido hoy en día realizar profundos estudios de lo que realmente va a
ocurrir durante el proceso de transformación mecánica de un polímero. Dichas técnicas
de simulación nos van a permitir un aumento no solo del rendimiento en la producción
sino también un mayor aumento de la calidad en el producto, dejando atrás en buena
parte el sistema prueba-error en el diseño de los diferentes útiles (principalmente
moldes) que intervienen en la transformación.
No obstante la reología actual se conforma con multitud de modelos y teorías que
intentan reflejar con mayor o menor aproximación el comportamiento real del polímero;
los resultados pueden llegar a ser muy dispares en función del modelo utilizado. No
existen soluciones únicas sino que en función de las características del proceso y los
objetivos perseguidos unas teorías se muestran más eficaces que otras de acuerdo a los
rangos de trabajo aplicados.
No es objeto de este apartado profundizar sobre reología de polímeros sino
simplemente dar algunas definiciones y conceptos de uso habitual entre los reólogos por
un lado y los tecnólogos de la transformación por otro.
II-19
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.2.9.- Programa de simulación de procesos de Extrusión. DIEPLAST 
II.5.1 Diagrama PVT de materiales termoplásticos.
Una de las primeras herramientas importantes que debemos conocer acerca de
un polímero para entender mejor su procesado es el diagrama PVT. El diagrama PVT
indica la evolución de tres parámetros fundamentales como son el volumen específico ,
presión y temperatura. En el gráfico podemos observar la evolución típica de éstos
representando en un eje la temperatura, en otro eje el volumen específico y las
diferentes curvas representan las isobaras (igual presión). En definitiva podemos
conocer para un determinado nivel de presión como varía el volumen específico en
función de la temperatura. Este conocimiento es vital por ejemplo en procesos de
inyección dado el continuo cambio que sufren estas variables durante el ciclo de
inyección . A partir del diagrama PVT de un termoplástico y teniendo definidas las
II-20
Capítulo II. Materiales Plásticos
condiciones de inyección podemos predecir por ejemplo cual va a ser la contracción del
material durante el enfriamiento del mismo lo que va a redundar en las dimensiones
finales de la pieza (ver apartado IV.2).
Fig.2.19.- Ejemplo de diagrama PVT
II-21
Procesos de Conformación de Plásticos
II.5.2 Propiedades elásticas y viscosas del flujo.
Hemos comentado que los polímeros tienen propiedades viscosas y elásticas que
van a influir de manera determinante en su proceso de transformación. Dichas
propiedades van a influir en aspectos relacionados directamente con la productividad
sino también en aspectos muy relacionados con la calidad de producto (defectos
superficiales, deformaciones, etc). Nos centraremos principalmente en polímeros en
estado fundido que suele ser el más habitual de los estados de transformación.
Propiedades viscosas
Un parámetro fundamental es la viscosidad η, que se define como el cociente
entre el esfuerzo de cizalla τ y el gradiente de velocidad γ (shear rate).
η=
τ
γ&
En el caso de flujo ideal podemos suponer que la viscosidad es un valor
constante (fluido newtoniano), sin embargo esto no es cierto ya que existe una variación
de la viscosidad en relación a la shear rate y también como es lógico con respecto a la
temperatura; en este caso estamos hablando de pseudoplásticos. Podemos aceptar con
un cierto grado de aproximación que la condición de flujo newtoniano se cumple tan
solo a muy bajos valores de γ, lo cual no ocurre en los procesos de transformación
habituales. La curva que relaciona la viscosidad con el gradiente de velocidad para una
temperatura determinada es la curva de viscosidad , que podemos ver reflejada en el
gráfico. Podemos observar como para valores bajos de γ la viscosidad es casi constante
y desciende con valores altos. En la figura 2.12 podemos observar la variación de la
viscosidad con el esfuerzo cortante.
II-22
Capítulo II. Materiales Plásticos
Fig.2.11.- Curva de viscosidad
La cuestión principal estriba en cual es el modelo que debemos utilizar para
obtener la curva de viscosidad que es pieza fundamental para conocer el
comportamiento del material fundido. No existe un solo modelo sino que al contrario
existen muchos ( Carreau, ecuación logarítmica, Ley exponencial, etc) con mayor o
menor aproximación en función por un lado del nivel de ajuste de los coeficientes
empíricos que intervienen y por otro lado del rango de trabajo en que se apliquen.
Fig.2.12.- Relación entre velocidad de cizalla y tensión cortante
En la práctica la determinación empírica de la curva de viscosidad se realiza en
los llamados reómetros que pueden ser rotacionales o capilares (Fig.2.13). Entre los
capilares el mas utilizado es el de pistón (Fig.2.14) y que se fundamenta en el paso de
una muestra de material fundido a traves de un tubo capilar mediante la acción de un
II-23
Procesos de Conformación de Plásticos
pistón que ejerce una fuerza conocida a una determinada velocidad de bajada. A partir
de estos parámetros se pueden obtener mediante expresiones de tipo analítico diferentes
valores de viscosidad para diferentes valores de gradiente de velocidad.
Fig.2.13.- Reómetros. 1. Rotacional. 2. Capilar de pistón. 3. Capilar de husillo
Fig.2.14.- Reómetro de pistón
Propiedades elásticas
Si caracterizar con cierto nivel de exactitud un polímero desde un punto de vista
viscoso es complejo lo es mucho más el hacerlo desde un punto de vista elástico por la
gran cantidad de factores que intervienen. El famoso modelo de Maxwell (resorteII-24
Capítulo II. Materiales Plásticos
amortiguador) no es suficiente para reflejar las deformaciones que sufre el material
fundido durante su proceso de flujo. Dichas deformaciones son debidas por un lado a
los cambios de sección continuos del canal por donde fluyen y por otro lado a la
fricción interna que produce una deformación por cizallamiento. Imaginemos por
ejemplo este proceso en un cabezal de extrusión, donde se combina una continua
deformación con una continua recuperación de deformaciones anteriores (efecto de
meoria de los polímeros); no es sin duda un tema fácil de resolver. Existen diferentes
teorías y modelos que a pesar de disponer de herramientas tan potentes como el MEF
(método de elementos finitos) se encuentran con las limitaciones desde un punto de
vista práctico de determinar algunos parámetros empíricos). No obstante es un tema en
el que se debe seguir profundizando dada la importancia que supone el conocer
mediante simulación previa las deformaciones reversibles que afectan al material no
solo por su influencia en otros parámetros (incluidos los modelos viscosos) sino
también por las deformaciones que se terminan recuperando un tiempo despues de
haber sido procesado.
En general se acepta la influencia de un parámetro como es el de la diferencia de
tensiones normales principales en la componente elástica del flujo. Su evolución en
relación a γ la podemos observar en el gráfico (Fig.2.15).
II-25
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.2.15.- Curva de tensiones normales principales
II-26
Capítulo II. Materiales Plásticos
II-27
III
Capítulo III EXTRUSIÓ.
La extrusión es un proceso de moldeo continuo para producir productos
semielaborados o elaborados de longitud indefinida (tubos, perfiles, hilos, planchas,
etc). También es posible la transformación posterior del semielaborado aún caliente por
medio de soplado o calandrado. Es un proceso muy rentable y con alto rendimiento. No
siempre la extrusión se produce con un solo material, existe la variante de extruir
diferentes plásticos a la vez en un proceso denominado coextrusión , de tal manera que
la pared del producto combine las propiedades de los polímeros que lo conformen. Por
otro lado la extrusión puede producirse acompañando a un material no plástico por
ejemplo para un recubrimiento (cables de conducción eléctrica).
III-1
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.3.1.- Algunos ejemplos de piezas fabricadas por extrusión
III-2
Capítulo III. Extrusión
III.1 Equipamiento básico.
En este apartado haremos mención a dos de los componentes esenciales en
cualquier proceso de extrusión, la extrusora y el cabezal. No obstante en un apartado
posterior comentaremos algunos aspectos de la línea de extrusión donde aparecerán
otros equipos adicionales.
III.1.1 Extrusora
La extrusora tiene por misión convertir la materia prima, bién sea en forma de
granza o en forma de polvo en una masa fundida y homogénea , a la temperatura
adecuada y a su vez hacerla pasar a traves del cabezal (molde).
Fig. 3.2.- Máquina extrusora. Cortesía Weber.
III-3
Procesos de Conformación de Plásticos
Las características que debe cumplir una extrusora en general son:
•
Permitir un transporte constante.
•
Producir una masa fundida homogenea.
•
Evitar la degradación del material.
Fig. 3.3.- Esquema básico de extrusora
Los componentes principales de la extrusora son:
-
Tolva. Recepciona el material y si fuese necesario dispone de un sistema que
permite la alimentación continua de la máquina en el caso de apelmasarse el mismo.
-
Husillo. La
misión es la de alimentar, fundir y homogeneizar un parámetro
fundamental es la relación entre el largo y el diámetro.
-
Cilindro. Rodea al husillo quedando un huelgo entre ambos.
-
Sistema de atemperado. Proporciona la cantidad de calor adicional que junto con la
fricción del material dentro del husillo produce la fusión.
El husillo se compone de diferentes partes según las necesidades, en las
ilustraciones observamos varios diseños del mismo.
III-4
Capítulo III. Extrusión
Fig.-3.4.- Husillo de tres partes
Por otro lado las extrusoras pueden ser de un solo husillo o de varios husillos.
Las extrusoras de dos husillos se aplican especialmente en materiales pulverulentos (por
ejemplo PVC) ya que nos permite añadir aditivos al plástico sin que éste tenga
problemas desde el punto de vista térmico o mecánico.
Fig.3.5.- Doble husillo
El rendimiento de una extrusora, es decir, los kg/h que pueden proporcionar, no
solo depende del husillo sino también de un elemento que viene a continuación, el
cabezal. El punto de trabajo real es una combinación entre ambos. Si representamos en
un gráfico la evolution de la producción (kg/h) frente a la presión a a la entrada del
cabezal podemos observar que para diferentes RPM del husillo la curva característica de
éste es descendente dado que al aumentar la resistencia del cabezal aumenta el proceso
de reflujo hacia atrás del material dentro del husillo. Por el contrario la curva del
cabezal es acendente al aumentar la caída de presión cuando aumenta la producción. El
corte de ambas curvas para un nivel de revoluciones nos dá el punto de trabajo.
III-5
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.-3.6.- Curvas características de husillo y cabezal. Punto de trabajo
III.1.2 El cabezal.
El cabezal es junto con el husillo uno de los elementos fundamentales en el
proceso de extrusión. Se trata del elemento moldeador tanto de la forma como de las
dimensiones del producto extruído. No obstante con respecto a las dimensiones finales
hemos de indicar que normalmente se hace necesario un sistema de calibración
posterior para que la pieza se encuentre dentro de las tolerancias admisibles.
Evidentemente la variedad de cabezales existentes es enorme y por lo tanto nos
basaremos en el tipo de geometría del producto para establecer un criterio básico de
clasificación:
•
Cabezales tipo ranura.
•
Cabezales con simetría de revolución.
•
Cabezales de geometría irregular.
III.1.2.1 Cabezales tipo ranura.
Estos cabezales tienen en la salida una sección rectangular donde una de las
dimensiones prevalece sobre la otra de forma importante (B>10H). Se utilizan
principalmente para la fabricación de planchas gruesas, láminas finas, film.
III-6
Capítulo III. Extrusión
Fig.3.7.- Cabezales para geometrías planas
Dadas las características del producto a este tipo de cabezales se les exige
uniformidad en el espesor de la pieza extruída. La dificlutad estriba en la gran longitud
del ancho del cabezal lo que obliga a repartir el flujo de forma uniforme a lo largo del
mismo. Esto se consigue inicialmente con un buén distribuidor, que comentaremos a
continuación, o también mediante una serie de ajustes manuales en la salida realizados
para disminuir o aumentar la sección de forma localizada o global en el cabezal..
Existen cabezales que permiten una cierta flexibilidad en el labio de salida para
conseguir este efecto con mayor eficiencia.
III-7
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig. 3.8.- Cabezal para elementos planos abierto
Este tipo de cabezales tiene tres partes fundamentales. La primera es de sección
circular que es la continuación del flujo proveniente de la extrusora.. La segunda es lo
que podríamos denominar distribuidor y que tiene por misión la de transformar un flujo
plenamente circular en otro rectangular con un alto grado de homogeneidad. El último
tramo es lo que podríamos llamar zona de relajación y que es una constante en la
mayoría de los cabezales, lógicamente es también la parte final del cabezal que define
las dimensiones aproximadas del producto extruído.
La geometría del distribuidor tiene tipologías diversas con un mayor o menor
grado de eficacia según los resultados pretendidos. En cualquier caso los más óptimos
son los de mayor complejidad de diseño y fabricación (Fig.3.9).
III-8
Capítulo III. Extrusión
Fig.3.9.- Distribuidor en cabezales planos
III.1.2.2 Cabezales con simetría de revolución.
Son aquellos que permiten obtener geometrías bién circulares o anulares. Entre
las circulares tenemos ejemplos tales como barras macizas, filamentos, hilos, etc. Entre
las anulares tenemos como ejemplos los tubos, film para posterior soplado, tubo previo
a un proceso de soplado (fabricación de botellas, etc).
Fig.3.10.- Cabezal para fabricación de tubos
III-9
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.3.11.- Cabezal para soplado
Nos vamos a centrar en los de geometría anular dado su alto grado de
generalidad y aplicaciones. Resulta evidente que para transformar un flujo lleno en un
flujo anular (hueco) es necesario un elemento que efectúe esta transformación. A pesar
de la gran variedad una primera clasificación básica puede ser la siguiente:
•
Cabezales tipo torpedo con soporte .
•
Cabezales con distribuidor de geometrías tipo hélice.
En los cabezales con torpedo el flujo de material debe atravesar una zona que lo
pereturba de alguna manera. Esta zona es en realidad un soporte que mantiene
rígidamente unido el macho interior al cubo exterior. Existen diferentes sistemas tal
como apreciamos en la Fig.3.12. En cualquier caso este soporte debe ser diseñado para
distorsionar el flujo lo menos posible, no solamente por un aumento excesivo de la
presión en el cabezal sino también porque al romper la continuidad pueden producirse
defectos tales como líneas de soldadura en el producto que luego son causa de posibles
problemas en su calidad. Precisamente por esto es importante que a continuación de
III-10
Capítulo III. Extrusión
dicho soporte (también conocido como difusor) exista una buena zona de compresión y
homogeinización que elimine los defectos mencionados. Este tipo de cabezales se
utiliza frecuentemente en la fabricación de tubos de PVC y Polietileno.
Fig.3.12.- Diferentes sistemas de distribución y soporte
Fig. 3.13.- Torpedo con plato rompedor
Los distribuidores con geometría helicoidal tienen la ventaja de proporcionar
una buena homogeneidad y uniformidad al flujo. Dicha uniformidad es aún mayor al
aumentar el número de hélices (sin embargo esta circunstancia hace aumentar la
presión). Se suelen utilizar para tubos de polietileno y para la producción de film
soplado (donde la desviación del espesor de la pared debe ser relativamente pequeña en
relación a un valor medio, además se tiene una buena uniformidad). El flujo en los
III-11
Procesos de Conformación de Plásticos
distribuidores helicoidales es una combinación de dos movimientos, uno hacia delante
anular y otro circunferencial en las hélices.
Fig.3.14.- Esquema de distribuidor helicoidal
Fig.3.15.- Cabezal con distribuidor helicoidal para fabricación de tubos
III-12
Capítulo III. Extrusión
III.1.2.3 Cabezales de geometría irregular.
Una gran gama de productos extruídos tienen geometrías irregulares; como
ejemplos tenemos todo tipo de perfilería para elementos de carpintería, juntas de
elastómeros, tapajuntas, etc. Esta irregularidad impide un diseño optimizado del cabezal
con métodos sencillos de cálculo y en el caso de realizarse un diseño óptimo su
construcción suele ser compleja y costosa. Por ello en función de los requerimientos de
calidad y de la intención de calibrar más o menos existen diferentes posibilidades. Con
este criterio podemos agrupar las diferentes tipologías en tres familias:
•
Cabezales de plato.
•
Cabezales paso a paso.
•
Cabezales con cambio gradual en la forma.
La cuestión fundamental es la mayor o menor brusquedad en el transito desde la
entrada al cabezal hasta la forma final del perfil. Tengamos en cuenta que una gran
brusquedad perjudicaría la caída de presión, la fricción interna y por tanto un aumento
de temperatura y una deformación excesiva al salir de la hilera final.
Cabezales de plato (Fig.3.16)
Son los más sencillos y de costo menor. El plato consiste en un disco que recoge
la geometría del perfil, geometría que generalmente se mecaniza con electroerosión por
hilo dada la estrechez que frecuentemente tienen las aberturas por donde debe pasar el
material. Dicho paso es sin transición de un flujo circular o anular (este último en el
caso de existir huecos interiores) a otro irregular a través de la hilera o plato. Por lo
tanto significa que la estabilidad dimensional no es muy alta con lo cual su uso principal
es para pequeños perfiles, sobre todo PVC y con pequeñas velocidades de extrusión.
También son muy empleados para elastómeros, donde su fiabilidad dimensional no es
tan determinante. Las técnicas de diseño son muy experimentales, recurriendose al
sistema prueba-error.
III-13
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.3.16.- Cabezal de plato
Cabezales paso a paso (Fig.3.17)
Se obtienen conectando en serie diferentes cabezales de plato. Evidentemente la
transición ya no es tan crítica al efectuarse de forma escalonada pero sin embargo
todavía existen zonas de estacionamiento de material que por ejemplo puede provocar
excesivos calentamientos del mismo y por lo tanto su degradación. En general se
aplican para geometrías sencillas.
Fig.3.17.- Cabezal paso a paso
III-14
Capítulo III. Extrusión
Fig.3.18.- Despiece de cabezal paso a paso
Cabezales con cambio gradual en su sección (Fig.3.19)
Se utilizan cuando se desea obtener una alta seguridad en las dimensiones del
perfil extruído.
Las condiciones que deben cumplir este tipo de cabezales son:
•
El canal de flujo no debe tener zonas muertas.
•
Deben evitarse aceleraciones muy bruscas del material.
•
Su diseño debe ser simple y separable facilmente para su limpieza.
Las zonas básicas son:
-
Zona de entrada.
-
Zona de transición.
-
Zona de relajación (aproximadamente igual a la del perfil).
El principal inconveniente de estos cabezales es el costo de su fabricación
debido principalmente a la complejidad de su geometría.
III-15
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.3.19.- Diferentes secciones de un cabezal con cambio gradual de forma
III-16
Capítulo III. Extrusión
III.2 Coextrusión.
La coextrusión se realiza cuando es necesario combinar en un mismo perfil
extruído diferentes materiales bién por razones de costo o por razones de cualidades de
producto. El perfil se fabrica a partir de varias capas de material.
Para conseguir la asociación de diversos materiales en un solo producto, cada uno
de ellos debe plastificarse en una extrusora independiente. Cada masa fundida es
conducida por un cabezal repartidor individual y, poco antes de salir expulsada del
molde especial de coextrusión, cada uno de los flujos es reunido con los demás, con lo
que todos ellos quedan fundidos en uno solo.
III-17
Procesos de Conformación de Plásticos
III.3 Procesos de extrusión. Líneas de extrusión.
Hemos comentado dos de los elementos básicos y comunes a todos los procesos
de extrusión, la extrusora y el cabezal. Sin embargo, a partir de la salida del cabezal, el
material puede sufrir diferentes procesos en función de su aplicación. El proceso a
seguir depende principalmente de los siguientes aspectos:
•
Necesidad de ajustar más o menos determinadas medidas del producto (calibración,
estiramiento).
•
Si se trata de un perfil rígido o flexible que deba ser bobinado (por ejemplo un tubo
corrugado flexible).
•
Si se trata de un elastómero que deba ser vulcanizado.
•
Si se trata de film soplado (para fabricar bolsas) que requiera un procesado de
soplado y guiado a traves de diferentes rodillos hasta su bobinado final.
•
Si es necesario un calandrado a partir de una lámina extruída de cierto espesor.
•
Procesos de marcado, deformación, corte, etc.
Vemos pues que tenemos diferentes posibilidades en función del producto que se
trate. Podemos agrupar la fabricación de diferentes perfiles macizos y huecos (tubos,
barras, perfiles de ventanas, irregulares, etc) según el esquema básico que muestra la
Fig.3.20, aunque no obstante cada uno de los procesos reflejados tienen sus variaciones
en función del producto. En dicho esquema podemos apreciar que en la línea de
extrusión aparece la calibración, la refrigeración y el estiraje.
III-18
Capítulo III. Extrusión
Fig.3.20.- Diferentes lineas de fabricación de productos extrusionados
La calibración nos sirve para ajustar determinadas medidas del producto a las
deseadas en función de las tolerancias predefinidas. Tengamos en cuenta que el cabezal
por si mismo no es capaz de ajustar las medidas a las requeridas sobre todo por el
fenómeno de hinchamiento (Swelling), que se produce a la salida del mismo. Dicho
fenómeno es difícil de predecir por procedimientos analíticos y numéricos,
recurriéndose a la experiencia para su ajuste o limitación. El calibrado se puede efectuar
mediante vacío o soplado (si el elemento extruído es hueco) apoyándonos de un cuerpo
rígido que ejerce las funciones de calibre, teniendo cuidado de que éste no produzca
daños sobre la superficie del producto.
Una adecuada refrigeración del perfil es necesaria para evitar un mal
enfriamiento que pueda ocasionar defectos durante la vida útil del producto. El
estiramiento se realiza mediante elementos arrastradores cuya velocidad es coordinada
III-19
Procesos de Conformación de Plásticos
con la velocidad de salida del cabezal. Esta práctica de estiramiento puede ser utilizada
para disminuir el espesor de pared del perfil aunque no obstante no conviene un exceso
de estiramiento dado que puede originar tensiones internas perjudiciales.
Fig.3.21.- Sistema de calibración por vacio para tubos
Existen procesos de extrusión con una definición muy específica, entre ellos
destacamos los siguientes:
•
Calandrado. Para producir film plano o láminas finas mediante laminación a traves
de una serie de rodillos.
•
Extrusión de película soplada. Sirve para fabricar posteriormente las bolsas de
plástico (sobre todo polietileno) de uso tan común. En la Fig.3.22 vemos un
esquema del mismo.
•
Fabricación de hilos o filamentos. De uso sobre todo en la industria textil.
III-20
Capítulo III. Extrusión
Fig.3.22.-Fabricación de film por soplado
III-21
Procesos de Conformación de Plásticos
III.4 Defectos de la extrusión.
Entre todos los defectos que aparecen en la extrusión destacamos los que aparecen
a la salida del cabezal y que son comunes a todos los procesos:
•
Fractura o rotura de la continuidad (melt fracture). No tiene una causa muy
definida pero sí se relaciona con el excesivo esfuerzo y fricción que actúa sobre la
masa fundida dentro del cabezal, lo que produce una rotura en la continuidad del
flujo.
•
Piel de tiburón y tallo de bambú. Aparecen principalmente a causa de un excesivo
gradiente de velocidades justo a la salida (a partir de ese punto la velocidad del flujo
es la misma ). Este estriamiento va formando de forma progresiva una rugosidad
superficial en el perfil.
•
Hinchamiento excesivo e incontrolado. Hemos comentado el efecto de
hinchamiento debido a la recuperación elástica del material cuando sale del cabezal.
Dicha recuperación puede superar el límite admisible y no ser solucionada de
manera adecuada ni siquiera con la calibración posterior.
Los defectos mencionados son solucionables con un adecuado diseño del cabezal y
estableciendo unas condiciones de proceso correctas.
III-22
IV
Capítulo IV IYECCIÓ
La inyección representa el proceso más importante de fabricación de piezas de
plástico. En líneas generales, el proceso de inyección en una máquina de émbolo
consiste en la dosificación del volumen o peso del material granulado o en polvo, carga
del cilindro de inyección, plastificación del material, cierre del molde, acercamiento del
mecanismo de inyección, inyección del material plastificado, maduración bajo presión,
retorno del émbolo y del mecanismo de inyección a sus posiciones iniciales,
enfriamiento del artículo en el molde, apertura de éste y expulsión del artículo y el
bebedero.
La inyección es adecuada para artículos de gran consumo, ya que la materia prima
normalmente puede transformarse en un producto terminado en un solo paso.
Contrariamente a lo que sucede en la fundición de metales y en el prensado de
termoestables y elastómeros, la inyección permite la obtención de piezas sin rebabas,
supuesta una buena calidad del molde a emplear. Por ello se hace prácticamente
innecesaria una etapa posterior de acabado. De este modo es posible la fabricación de
piezas de geometría compleja con una sola etapa de producción. Las ventajas
principales son las siguientes:
IV-1
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Los tiempos de fabricación son relativamente pequeños en función del ciclo de
inyección.
•
Nivel de acabado bastante aceptable.
•
Proceso susceptible de ser automatizado.
•
Parámetros de producción facilmente reproducibles.
•
Alto nivel de calidad de las piezas acabadas.
•
Posibilidad de combinarse incluso con rotulado superficial.
Fig.4.1.- Algunos ejemplos de piezas inyectadas
IV-2
Capítulo IV. Inyección
IV.1 Equipamiento básico.
Una máquina de moldeo por inyección se compone de los siguientes elementos
principales:
•
Unidad de inyección.
•
Unidad de cierre.
•
Molde.
•
Panel de control.
Fig.4.2.- Proceso de inyección
IV-3
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.4.3.-Máquina de inyección. Cortesía Mateu de Solé
IV.1.1
Unidad de inyección.
La unidad de inyección se parece mucho a una unidad extrusora. El sistema está
formado por un cilindro conectado, en uno de sus extremos, a una tolva de alimentación
que contiene una provisión de granza de plástico. Dentro del cilindro hay un husillo
cuya operación supera a la del husillo extrusor en el sentido de que además de girar para
mezclar y calentar el polímero, también actúa como un émbolo que mueve rápidamente
el plástico fundido hacia delante para inyectarlo en el molde. Una válvula de mno
retorno, montada cerca de la punta del husillo, previene que la fusión fluya hacia atrás.
Al final del ciclo de inyección el émbolo vuelve a su posición original. Las funciones
dde la unidad de inyección son:
•
Fundir y homogeneizar el polímero.
•
Inyectar la masa en la cavidad del molde.
IV-4
Capítulo IV. Inyección
Podemos distinguir dos tipos de unidades de inyección. El sistema más utilizado es
la máquina con husillo que actua de émbolo de empuje (Fig.4.4). El diseño utiliza el
mismo cilindro para la fusión e inyección del plástico.
Fig.4.4.- Unidad de inyección con husillo que actua de émbolo de empuje
Una unidad alternativa es el uso de cilindros separados para plastificar e inyectar el
polímero (Fig.4.5); son llamadas máquinas de tornillo preplastificador o máquina de
dos etapas. La tolva alimenta la granza de plástico en la primera y utiliza un husillo para
mover el polímero hacia delante y fundirlo. Este cilindro alimenta a un segundo
cilindro, que usa un émbolo para inyectar la fusión en el molde.
Fig.4.5.- Esquema de inyección en dos etapas
IV-5
Procesos de Conformación de Plásticos
IV.1.2
Unidad de cierre.
La unidad de cierre tiene que ver con la operación del molde. Sus funciones son:
a) Mantener las dos mitades del molde alineadas correctamente entre sí.
b) Mantener cerrado el molde durante la inyección aplicando una fuerza de cierre
suficiente para resistir la fuerza de inyección.
c) Abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados del ciclo de moldeo.
La unidad de cierre consiste generalmente en dos placas, una fija y otra móvil, y un
mecanismo para accionar la placa móvil. Los dos tipos de unidades de cierre más
frecuentes, según el mecanismo que dispongan, son:
a) De rodillera o articulados de accionamiento hidráulico (Fig.4.6).
b) Totalmente hidráulico (Fig.4.7).
Los sistemas basados en rodilleras se emplean en máquinas de pequeño o mediano
tamaño. La rodillera actua gracias a un sistema de accionamiento hidráulico (un
cilindro). Sus ventajas son la rapidez y fiabilidad de funcionamiento, además de ser
autoblocante. Los inconvenientes son las posibles roturas de las guias, las
deformaciones en el molde si el ajuste es defectuoso y los elevados costos de
mantenimiento.
En los sistemas totalmente hidráulicos no existe el peligro de rotura de guias ya que
los líquidos hidráulicos son compresibles y pueden absorber grandes deformaciones.
Las ventajas de este sistema radican en su superior precisión y posicionamiento versátil,
con ausencia de deformaciones indeseables en el molde y de roturas de las guias. Las
desventajas se resumen en una velocidad de cierre menor y una menor resistencia a los
esfuerzos durante la inyección, por la compresibilidad del aceite hidráulico.
IV-6
Capítulo IV. Inyección
Fig.4.6.- Sistema de cierre mediante rodillera
Fig.4.7.- Cierre totalmente hidráulico
IV.1.3
El molde.
Constituye sin duda uno de los elementos importantes ya que es el que
conformará la geometría que finalmente tendra la pieza inyectada. No obstante la
efectividad de un molde no es una simple cuestión de su diseño geométrico o tipológico
IV-7
Procesos de Conformación de Plásticos
sino que depende ademas de los parámetros que resulten del ciclo de inyección ,de tal
manera que podemos indicar que un buén diseño de un molde debe ir acompañado de
un buén diseño del ciclo de inyección como ya veremos posteriormente. El molde,
como es lógico no constituye un elemento fijo de la máquina sino que cambiará en
función de la pieza que se fabrique en cada momento. La tendencia actual es la máxima
normalización de los elementos que lo conforman (guias, patines, placas, etc) con la
idea de facilitar al máximo el trabajo al diseñador, al matricero y evidentemente en
beneficio de un menor costo de fabricación del mismo.
Fig.4.8.- Molde de inyección
Las partes principales de un molde son las siguientes:
a) Una o más cavidades que determinan la forma de la pieza.
b) Canales de distribución a través de los cuales fluye el polímero fundido hacia las
cavidades.
c) Un sistema de eyección para expulsar la pieza del molde.
d) Un sistema de enfriado.
e) Pequeñas rendijas de ventilación para permitir evacuar el aire de las cavidades.
IV-8
Capítulo IV. Inyección
El molde de dos placas convencional (Fig.4.8 ) consiste en dos mitades sujetas a dos
placas de la unidad de cierre de la máquina. La característica principal del molde es la
cavidad, que generalmente se fabrica mediante conformación por arranque de material
(mecanizado y electroerosión por penetración). Los moldes pueden contener una o
varias cavidades en función del numero de piezas que se desee producir en un solo ciclo
de inyección. Las superficies de separación son las partes por donde se abre el molde
para extraer la o las piezas.
Fig.4.9.- Elementos que componen un molde
IV-9
Procesos de Conformación de Plásticos
El molde debe tener un canal distribuidor por donde fluye el polímero fundido, de
la boquilla del cilindro a la cavidad del molde. El canal distribuidor consiste por un lado
en un bebedero que conduce el plástico de la boquilla hasta el molde , canales de
alimentación que conducen el material del bebedero a las cavidades y puertas que
restringen el flujo de material a la cavidad (Fig.4.9). Es muy importante una buena
elección en el sistema de canal distribuidor ; pensemos por ejemplo en una pieza
alargada lo que supondría un solo bebedero por un lateral; al llegar el material al otro
extremo se encontrará mucho mas frio que el que todavía entra en el molde. Dicho
gradiente de temperatura puede provocar, una vez solidificada, sin duda una pieza
deformada en exceso para el uso que se pretende de ella.
Fig.4.10.- Placas normalizadas para moldes
IV-10
Capítulo IV. Inyección
Fig.4.11.- Guías normalizadas para moldes
Se necesita un sistema de eyección para expulsar de la cavidad las piezas moldeadas
al final del ciclo. Los pernos eyectores o de expulsión, construidos generalmente en la
parte móvil del molde, cumplen con esta función. La cavidad se divide entre las dos
mitades del molde, de manera que la contracción natural del molde haga que la pieza se
pegue a la mitad móvil. Cuando se abre el molde los eyectores empujan la pieza fuera
de la cavidad. Observando muchas piezas de plástico es muy fácil identificar la posición
de los eyectores por las marcas que dejan en un plástico todavía algo reblandecido; el
que se marque mucho o nada va en función de la calidad de la pieza inyectada.
Se requiere un sistema de enfriado para el molde. Éste consiste en una bomba
externa conectada a los conductos de circulación de agua a través de las placas del
molde para disipar el calor del plástico caliente y regular el enfriamiento de la pieza de
una manera más o menos controlada y que evite distorsiones en la forma durante el
IV-11
Procesos de Conformación de Plásticos
proceso de solidificación. Por lo tanto el diseño de la refrigeración en un molde no es
algo trivial sino que debe realizarse de acuerdo a la geometría de la pieza y a todos los
parámetros que intervienen en el proceso.
Se debe evacuar el aire de la cavidad del molde al entrar el polímero. A través de
los claros de los pequeños eyectores del molde pasa una gran cantidad de aire. Con
frecuencia se mecanizan pequeñas rendijas en la superficie de separación del molde, de
solamente 0.03 mm de profundidad y de 12 a 25 mm de ancho, con la misión de
permitir la salida de aire pero no de material dada la viscosidad de éste.
IV.1.4
Panel de control
Es uno de los elementos que más han evolucionado en la maquinaria de
inyección de uso general. Se ha pasado de unos paneles de actuación (mandos
eléctricos, pulsadores, etc) y verificación de parámetros como pueden ser temperaturas,
presiones, etc, donde el operario en función de su experiencia o conocimiento regulaba
los diferentes elementos para mediante el sistema prueba error encontrar un punto de
inyección más o menos óptimo. La incorporación de microprocesadores, interfaces
máquina-usuario en pantallas con diferentes menús, teclados, conexión a periféricos, etc
ha permitido un mayor control de lo que realmente ocurre al ciclo de inyección cuando
variamos un determinado parámetro. El operario, partiendo de un conocimiento de los
objetivos que pretende, encuentra que el control le ayuda a converger antes a algunas de
las soluciones posibles. Si esta actuación la complementamos con el apoyo de softwares
externos en oficina técnica que simulan perfectamente el proceso de inyección
(Moldflow, C-flow, etc) no hay excusa para obtener piezas de mala calidad por una
mala regulación de los parámetros en la máquina.
IV-12
Capítulo IV. Inyección
IV.2
Ciclo de inyección.
El ciclo de inyección es uno de los aspectos fundamentales a tener en cuenta para
una buena regulación de la máquina de inyección. Por ciclo entendemos todo el
conjunto de fases que tienen lugar desde el molde abierto hasta que la pieza es
expulsada, ya sólida, al exterior del molde. Para un mejor entendimiento de lo que pasa
realmente en cada una de las fases del ciclo de inyección nos apoyaremos en los
diagramas PVT para observar como evolucionan los diferentes parámetros que
intervienen; recordemos que el diagrama PVT es como el carnet de identidad del
polímero , que nos indica como le afecta al mismo cambios de presión y temperatura.
Por otro lado dicho diagrama PVT nos posibilita determinar parámetros tan importantes
como puede ser la contracción total de la pieza una vez que pasa a estado sólido y a
temperatura ambiente.
Existen momentos en los que las fases de un ciclo de una pieza se solapan con el
de la siguiente, lo que permite ganar un poco de tiempo en la producción; esto lo
podemos observar en el gráfico de la Fig.4.12, donde se muestra el intervalo de tiempo
de las diferentes acciones del proceso (ciclo de máquina).
Fig.4.12.- Fases del proceso de inyección
IV-13
Procesos de Conformación de Plásticos
Si nos centramos en un solo ciclo, agrupando en cuatro grandes fases podríamos
considerar las siguientes:
a) Dosificación.
b) Llenado del molde.
c) Compactación.
d) Enfriamiento.
IV.2.1
Dosificación.
Durante esta fase el material pasa de la tolva, en condiciones atmosféricas en
estado sólido, a estado fundido, a una elevada temperatura que oscilará en función del
termoplástico que se trata en el rango de 200º-300ºC. En la Fig.4.13 podemos observar
como se produce en la práctica dicha dosificación, donde mientras el husillo transporta
el material hacia delante sufre un retroceso causa del material que se acumula en la
zona delantera. El retroceso del husillo se detiene cuando éste ha alcanzado una
determinada posición.
Fig.4.13.- Proceso de dosificación con retroceso de husillo
El material al calentarse aumentará su volumen específico, por tanto disminuirá
su densidad. A grandes rasgos puede decirse que el polímero aumentará su temperatura
con un ligero aumento de presión (ligero en relación con las grandes presiones a que
será sometido posteriormente). Lo podemos considerar practicamente un proceso
IV-14
Capítulo IV. Inyección
isobárico con aumento de temperatura. En el diagrama PVT esta fase la podemos
representar como aparece en la Fig.4.14
Fig.4.14.- Fase de dosificación
IV.2.2
Fase de llenado.
El material es introducido dentro del molde. Debemos conseguir que se llene
completamente el molde sin que se enfríe en exceso (pensemos en piezas delgadas). No
obstante también hemos de considerar el no superar un máximo de presión que podría
degradar el polímero ( la mayoría de termoplásticos tiene un valor límite de 1500 bares).
El aumento de presión es elevado junto a pequeños incrementos o decrementos de
temperatura; lo podemos considerar un proceso cuasiisotermo.
IV-15
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.4.15.- Fase de llenado
Como se observa en la Fig.4.15 el aumento de la presión implica un aumento de
la densidad, por consiguiente una disminución del volumen específico del material. En
el proceso real hay pequeñas diferencias de temperatura en lugar de un punto de
temperatura. Varía según el caudal establecido de llenado, caudales altos implican
velocidades altas y en consecuencia calentamiento por rozamiento y a la inversa,
caudales pequeños significan velocidades pequeñas y enfriamiento por evacuación de
calor no compensado por el calentamiento debido al rozamiento.
IV.2.3
Fase de compactación.
Lleno ya el molde, entendiéndose por lleno el instante en que el material alcance
el rincón de más difícil acceso, debe introducirse una cantidad de material
suplementaria (como referencia un 7%) por dos motivos, uno para que el material a
presión dentro del molde no retroceda de nuevo hacia el husillo y otro para compensar
la contracción del polímero que hace que el material disminuya de dimensión al enfriar.
Si esta disminución se produce con molde cerrado, se inducen en la pieza tensiones
residuales por frenado de forma, debido a la restricción de movimientos relativos que
producen machos y partes del molde.
Al final de la inyección, se equilibra la presión en el interior y si no se comunica
una presión posterior, la presión en cavidad cae violentamente por efecto de la
IV-16
Capítulo IV. Inyección
compresibilidad de la colada y de la contracción. La razón de la presión posterior de
mantenimiento es pues suavizar esta caída de presión para desembocar en un punto de
la curva de presión nula en el que la contracción final sea la deseada.
Fig.4.16.- Fase de compactación
El proceso teórico a seguir es un proceso a volumen específico constante, es
decir, isocórico (Fig.4.16), llevando el control de presión según el cambio de
temperatura hasta que se alcanzase la presión atmosférica, mommnetos en que ya se
podría abrir el molde.
IV.2.4
Fase de enfriamiento.
En el transcurso de la fase anterior, la fase de mantenimiento, se produce ya el
enfriamiento del material, ya que al pararse casi completamente el flujo de material,
puede más el intercambio de calor en el molde evacuado por el sistema de refrigeración
que el calor generado por fricción.
No obstante, cuando termina la fase de mantenimiento en su parte efectiva,
continúa el proceso de enfriamiento de la pieza, y en el instante en que se abre el molde
IV-17
Procesos de Conformación de Plásticos
extrayéndose la pieza continúa desarrollándose la fase de enfriamiento, hasta que toda la
pieza alcanza la temperatura ambiente.
Fig.4.17.- Fase de enfriamiento
Si observamos en el gráfico esta fase observamos que el enfriamiento tiene dos
partes, la primera, con molde cerrado se realiza con una disminución de presión hasta la
atmosférica, la segunda, con molde abierto se produce ya con presión atmosférica hasta
que la pieza alcanza la temperatura ambiente.
IV.2.5
Resumen del ciclo teórico en un diagrama PVT.
Si resumimos en un solo gráfico (Fig.4.18) las diferentes fases del proceso desde
un punto de vista teórico tenemos la siguiente evolucion:
1.- Fase de dosificación. Punto 1 al 2 (presión atmosférica).
2.- Fase de llenado del molde. Punto 1 al 3.
3.- Fase de mantenimiento. Punto 3 al 4 (ya empieza el enfriamiento).
4.- Fase de enfriamiento. Con molde cerrado del punto 4 al 5 y molde abierto del 5 al 1.
Sobre este gráfico podemos conocer la pérdida de volumen real debido al
proceso de contracción mediante la diferencia del punto 5 al 1. El punto 5 lo podremos
modificar en función de cómo realicemos por ejemplo la fase de llenado y la de
IV-18
Capítulo IV. Inyección
mantenimiento, de ahí la importancia de conocer los diferentes parámetros que
intervienen para evitar por ejemplo una contracción excesiva del material.
Fig.4.18.- Resumen de ciclo de inyección en diagrama PVT
IV-19
Procesos de Conformación de Plásticos
IV.3
Otros procesos de moldeo por inyección.
IV.3.1
Moldeo por inyección de espuma termoplástica.
Nos referimos al moldeo de piezas termoplásticas que poseen una superficie
externa densa rodeando a un corazón de espuma de peso ligero. Dicha pieza tiene una
alta relación de rigidez al peso, que la hace apropiada para aplicaciones estructurales, y
el término moldeo de espuma estructural se usa algunas veces para este proceso. Se
pueden producir piezas de espuma estructural, introduciendo en la unidad de inyección
un gas en el plástico fundido o mezclando un ingrediente productor de gas con la granza
inicial. Durante la inyección, una cantidad insuficiente de material fundido es forzada a
entrar en la cavidad del molde y allí se expande (se espuma) para llenar el molde. Las
celdas de la espuma, en contacto con la superficie fría del molde, se rompen para formar
una superficie densa, mientras que el material en el corazón retiene su estructura celular.
Los artículos fabricados de espuma estructural incluyen cajas electrónicas, componentes
de muebles, tanques para máquinas lavadoras, etc. Las ventajas de este procedimiento
son las bajas presiones de inyección y fuerzas de sujección, posibilitando así la
producción de componentes grandes. Una desventaja es la rugosidad de su superficie lo
que obliga a tratamientos o recubrimientos posteriores.
IV.3.2
Procesos de moldeado por inyección múltiple.
Se pueden lograr efectos especiales con la inyección múltiple de diferentes
polímeros en un molde. Los polímeros se pueden inyectar simultánea o
secuencialmente, y pueden involucrar varias cavidades del molde. Bajo este concepto
tenemos varios casos, distinguiremos dos principales:
•
Moldeo en sandwich . Consiste en la inyección de dos polímeros separados; uno
para las superficies externas de la pieza y el otro para el núcleo, el cual es
tipicamente una espuma de polímero. La estructura final es similar a la estructura de
IV-20
Capítulo IV. Inyección
la pieza de espuma; sin embargo la pieza tiene una superficie lisa, venciendo así una
de las mayores limitaciones del proceso anterior.
•
Moldeo por inyección doble. Involucra la inyección secuencial de dos polímeros
dentro de un molde de dos posiciones. Con el molde en la primera posición se
inyecta el primer polímero en la cavidad. Después el molde cambia a la segunda
posición y se hace una segunda inyección a la cavidad adicional. Se utiliza para
combinar plásticos de dos diferentes colores (por ejemplo, los difusores de las luces
traseras de los automóviles) o para lograr diferentes propiedades en diversas
secciones de la misma pieza.
IV.3.3
Inyección de termoestables y elastómeros.
Contrariamente a los termoplásticos, que solidifican al enfriarse, los elastómeros
y los termoestables se estabilizan mediante una reacción química, en la que se produce
la reticulación de los productos de partida. Esta reacción es iniciada durante la
transformación en una máquina de inyección por medio del aporte de calor.
En la unidad de inyección las temperaturas deben mantenerse más bajas (80100ºC) que con los termoplásticos para evitar una reticulación prematura. Cuando el
material entra en el molde, se procede a aportar calor, para así producir una rápida
reticulación. Por ello no se enfrían los moldes sino que se calientan hasta 160º-200ºC.
Es importante controlar la estanqueidad de la junta del molde debido a la extrema
fluidez del polímero.
Los principales termoestables que se moldean por inyección son los fenólicos,
los polímeros insaturados, las melaminas, los epóxicos y la urea formaldehído.
IV.3.4
Moldeo por inyección con reacción (MIR).
Consiste en la mezcla de dos líquidos altamente reactivos que se inyectan
inmediantamente en la cavidad de un molde donde la reacción química genera
solidificación. Los uretanos, los epóxicos y la urea formaldehído son ejemplos de estos
IV-21
Procesos de Conformación de Plásticos
sistemas. El MIR se desarrolló con el poliuretano para producir componentes grandes
para el automóvil, como defensas, spoilers y parachoques.
Para cavidades relativamente grandes, los moldes son mucho menos costosos
que los moldes para el moldeo convencional por inyección. Esto es debido a las bajas
fuerzas de cierre requeridas en este método y a la oportunidad de usar componentes de
peso ligero en los moldes.
IV-22
Capítulo IV. Inyección
IV.4
Defectos en el moldeo por inyección.
Los procesos de inyección son de los más complejos en lo que a conformación de
plásticos se refiere. Prueba de esto es la multitud de defectos que pueden aparecer en un
moldeo por inyección que no se realice de forma correcta. Mencionamos a continuación
algunos de los más comunes:
a) Dimensiones de pieza fuera de tolerancia. Se debe principalmente a una mala
elección de los parámetros de inyección donde por ejemplo la contracción de la
pieza durante el enfriamiento pudo ser mayor de la admisible (ver ciclo de
inyección).
b) Llenado deficiente. Se produce en una pieza que ha solidificado antes de llenar
completamente la cavidad. El defecto puede corregirse aumentando la temperatura o
la presión.
c) Rebabas. Ocurre cuando el material fundido se introduce en la junta de separación
de las partes del molde. También puede ocurrir alrededor de los pernos de eyección.
El defecto es causado generalmente por :
•
Rendijas de ventilación y desajuste por desgaste en la junta de unión de los moldes
•
Presiones de inyección demasiado altas en relación a las fuerzas de cierre.
•
Temperatura de fusión demasiado alta con lo cual la viscosidad es menor.
•
Tamaño excesivo de la dosis.
d) Marcas
hundidas y huecos. Éstos son defectos relacionados generalmente con
secciones gruesas de la pieza. Una marca hundida ocurre cuando la superficie
exterior del molde solidifica, pero la contracción del material interno causa que la
costra se deprima por debajo de la superficie nominal. Un hueco se causa por el
mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie retiene su forma y
la contracción se manifiesta como un hueco interno debido al alto esfuerzo a la
tensión en el polímero aún fundido. Estos defectos pueden tener origen en un
incremento de la presión de compactación que sigue a la inyección. Una mejor
IV-23
Procesos de Conformación de Plásticos
solución es diseñar la pieza para tener secciones con espesor uniforme y usando
secciones más delgadas.
e) Líneas soldadas. Si dentro de un molde tenemos por ejemplo dos flujos de material
que coinciden en una frontera , dicha línea de separación una vez enfriado el
material podrá tener propiedades diferentes a las del resto de la pieza. En principio
esto se podría evitar con temperaturas altas de fusión, presiones de inyección altas,
mejor ventilación.
IV-24
V
Capítulo V
SOPLADO.
En general incluiremos en esta conformación aquellos procedimientos que de
alguna manera producen un hinchamiento del hueco interior de un cuerpo mediante aire
o gas a presión. Este hinchamiento permite la fabricación de cuerpos que ocupando un
gran volumen no tienen excesivo peso a ser huecos en una buena parte de su geometría.
Ejemplos de estos productos son innumerables, botellas, garrafas, bidones, juguetes,
envases en general, etc. No obstante existen diferentes formas de llevar este proceso a
cabo sobre todo antes de efectuar el soplado propiamente dicho. Nosotros destacaremos
de entre todos principalmente sos de los procedimientos mas recurridos, la Extrusiónsoplado y la Inyección -soplado.
V-1
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.5.1.- Botellas fabricadas por soplado
V-2
Capítulo V. Soplado
VI.1 Extrusión soplado.
Una instalación moderna de moldeo de artículos huecos por extrusión y soplado
consta de tres grupos, cada uno de los cuales realiza una de las tres operaciones
fundamentales: a) Preparación de la pieza en bruto por extrusión; b) Gobierno del
cabezal y de los moldes; c) Moldeo por soplado.
En la extrusión soplado el proceso más utilizado consiste en obtener inicialmente
el llamado corrientemente "macarron" (parison) que no es sino un tubo extruído con un
cabezal similar al utilizado en la extrusión de tubos y que ya hemos visto en el apartado
correspondiente. Si nos apoyamos en la Fig. los pasos a seguir son los siguientes:
1.- Fabricación del "macarrón" mediante extrusora que introduce la masa fundida en el
cabezal en dirección vertical. Este tubo a la salida del cabezal no solo se ensancha por
recuperación de deformaciones sino que también por gravedad se estira por su peso.
2.- Cierre de las tapas del molde en torno al tubo, estrujandolo por abajo.
Desplazamiento del molde a la unidad de soplado.
3.- Penetración del cabezal de soplado dentro del molde y del macarrón. El cabezal da
forma y calibra la región del cuello del cuerpo hueco y al mismo tiempo le insufla aire.
La presión del aire obliga al material a adoptar la forma del molde que lo rodea,
comenzando en ese instante el enfriamiento en el molde.
4.- Desbarbado automático y eliminación del material sobrante del producto mediante
troquelado o serrado mecánico.
V-3
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.5.2.- Proceso de extrusión-soplado de un envase
V-4
Capítulo V. Soplado
V.2 Inyección-soplado.
Se trata de conseguir la preforma a soplar no por extrusión sino por inyección, de
tal forma que pueden calcularse las dimensiones correctas para conseguir un cuerpo
hueco con alta regularidad de espesores (esto con la extrusión es mas complicado
conseguirlo) La multiplicación de máquinas, moldes y fases de moldeo hacen que el
proceso resulte económicamente problemático y por ello se reserva para artículos que lo
justifiquen. No obstante, este proceso permite obtener una biorientación de la preforma
lo que, en determinados materiales, permite la obtención de envases de especiales
prestaciones (impermeabilidad a gases, alta resistencia al impacto, etc). De ahí que este
proceso ha derivado al sistema de inyección-orientación-soplado que, a pesar de sus
altas inversiones, permite la producción de determinados envases en plástico imposibles
de obtener por otro procedimiento y que compitan ventajosamente con materiales
tradicionales. El ejemplo de las botellas para las bebidas gaseosas es el más conocido
por su amplia aplicación.
La figura 5.3 muestra el esquema a seguir para el moldeo de artículos huecos por
el procedimiento en cuestión. En el caso de fabricación de una botella (por ejemplo en
PET), inicialmente se conforma por inyección la probeta hueca y que lleva en su parte
superior conformada la boca de la botella. posteriormente la probeta, calentada a la
temperatura adecuada es soplada en el interior del molde que da la forma definitiva a la
botella.
V-5
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.5.3.- Proceso de inyección-soplado
Fig.5.4.- Preformas inyectadas para posterior soplado de botellas
V-6
VI
Capítulo VI TERMOCOFORMADO
El termoconformado consiste básicamente en moldear láminas de espesor
relativamente pequeño mediante la aplicación de calor y posteriormente mediante
diferentes procedimientos un esfuerzo mecánico que adapta su forma a la de un molde .
Para ello el material se calienta hasta una temperatura para conseguir el estado
termoelástico, en el cual el material sigue siendo consistente pero con altas
características de elasticidad y plasticidad. Es un sistema de conformación muy
utilizado en gran cantidad de aplicaciones (sector de la alimentación como envases y
bandejas,carcasas para juguetería, componentes de electrodomésticos, menaje, etc) ya
que es perfectamente adaptable a una línea de producción en todas las fases del proceso.
Compite perfectamente con otros procesos como es por ejemplo el de la inyección
cuando se trata de fabricar cuerpos con cavidades de espesor de pared pequeños; por un
lado por la alta calidad y pocos problemas de fabricación que tiene ; por otro lado por la
gran sencillez de los moldes en relación a los de inyección que permite fabricarlos a un
costo inferior, permite producir piezas de pequeño espesor. Como inconveniente
presenta un mayor coste de la materia prima al partir de un producto semielaborado
(láminas o planchas) . En general para piezas que son susceptibles de ser fabricadas
VI-1
Procesos de Conformación de Plásticos
tanto por termoformado como por inyección decir que la inyección sería mas
conveniente para grandes series.
Fig.6.1.- El termoconformado encuentra una gran aplicación en el envasado de
productos
VI-2
Capítulo VI. Termoconformado
VI.1 Procedimientos.
En todos los casos se parte de un calentamiento previo de la lámina mediante
radiación infrarroja o calentadores de resistencia. La radiación infrarroja permite unas
mejores condiciones de calentamiento que evitan un aumento excesivo de temperatura
en determinadas zonas de la superficie. El calentamiento puede ser por una cara si se
garantiza una distribución mas o menos uniforme de la temperatura por todo el espesor ,
en caso contrario sería necesario realizar el calentamiento a la vez por ambas caras. Un
excesivo calentamiento puede producir efectos negativos como son burbujas de gas que
hacen por ejemplo perder transparencia y cualidades estéticas a piezas de metacrilato,
acetato, etc.
Nosotros hemos elegido principalmente tres procedimientos como los más
representativos:
•
Moldeado en negativo. Si observamos la Fig.6.2 utilizando un moldeado negativo la
plancha de material termoplástico , previamente calentado, desciende y se ubica
sobre el molde por la acción de la presión atmosférica. Para que la plancha se adapte
perfectamente al molde es necesario realizar un vacío a traves de orificios en el
molde y en aquellas zonas de mayor dificultad para la unión.
VI-3
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.6.2.-Termoconformado en negativo por vacío
•
Moldeado pósitivo. Se realiza cuando el molde no es un hueco sino un saliente. Se
produce habitualmente mediante la subida mecánica del molde contra la lámina y
posteriormente mediante vacío se adhieren las dos superficies.
El moldeado positivo se combina frecuentemente con un embutido preliminar de
la plancha, con aire comprimido que se inyecta a traves de los mismos canales
utilizados para la formación del vacío en el molde. Este procedimiento presenta la
ventaja de proporcionar un espesor de pared uniforme, concretamente evita un
menor espesor en los bordes. En el moldeado en negativo se evita mediante un
macho auxiliar. En la figura 6.3 observamos una variedad de este sistema mediante
el cual la lámina es succionada hacia arriba por vacio para posteriormente, una vez
VI-4
Capítulo VI. Termoconformado
el positivo introducido en ella crear succión por la parte inferior del molde y
conformar la pieza.
Fig.6.3.- Termoconformado en positivo con preestiraje
•
Por estampación en caliente. Se utiliza sobre todo para artículos de configuración
compleja. Consiste en una estampación mecánica utilizando un molde de dos
mitades (Fig.6.4).
Fig.6.4.- Termoconformado mecánico por estampación en caliente
VI-5
Procesos de Conformación de Plásticos
VI.2 Equipos.
Las máquinas de moldeo por vacío se clasifican según la clase, espesor y
superficie del material a moldear, por su funcionamiento (periódico o continuo), grado
de universalidad y clase de mando (automático, semiautomático y a mano). Según el
sistema de calefacción pueden ser de calentamiento unilateral y bilateral (calentar solo
por una cara o por las dos). En las figuras que mostramos a continuación vemos un
esquema de dos modelos básicos que tienen filosofías diferentes en el sentido del nivel
de producción que se pretenda. En uno se trata de fabricar con menos intensidad
productiva de tal manera que la lámina a termoformar permanece estática en su posición
desde el calentamiento hasta el desmoldeo (Fig.6.5);por el contrario en la Fig.6.6
podemos observar que la lámina no parte de forma individual sino que el sistema se
alimenta mediante bobina de material, pasando éste a la estación calefactora,
posteriormente a la estación de conformado, luegto se troquela el exceso de material y
por último el producto es apilado para su posterior manipulación o embalaje. Estre
último procedimiento permite acortar bastante los tiempos de producción por pieza.
Fig.6.5.- Equipo de termoconformado con lámina estática
VI-6
Capítulo VI. Termoconformado
Fig.6.6.- Estación con alimentación continua de lámina mediante bobina
VI-7
Procesos de Conformación de Plásticos
VI-8
VII
Capítulo VII PLÁSTICOS REFORZADOS.
Un material compuesto es un sistema de materiales formado por dos o más fases
físicas distintas, cuya combinación produce propiedades conjuntas que son diferentes de
las de sus constituyentes. La importancia tecnológica y comercial de los materiales
compuestos se debe a que sus propiedades no solamente son diferentes de sus
componentes sino que frecuentemente son superiores.
En el caso que nos ocupa trataremos de los materiales compuestos de matriz
polimérica o en otras palabras de los plásticos reforzados con fibras.
VII-1
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.7.1.- Los plásticos reforzados sustituyen progresivamente a otros materiales
VII-2
Capítulo VII. Plásticos Reforzados
VII.1Polímeros reforzados con fibra.
Un polímero reforzado con fibra es un material compuesto que consiste en una
matriz de polímero incorporada con fibras de alta resistencia. Los polímeros son
generalmente termoestables , plásticos como los poliésteres o epóxicos insaturados. La
matriz puede ser de polímeros termoplásticos, tales como nylon (poliamida),
poliestireno, cloruro de vinilo. Además el refuerzo con fibras puede usarse ampliamente
en los productos de hule como llantas o bandas transportadoras. Las fibras pueden venir
en diferentes formatos en función de las direcciones a reforzar y eficacia del mismo ; en
la Fig.7.2 podemos observar diferentes tipologías de fibras .
Fig.7.2.- Diferentes tipologías de fibra
VII-3
Procesos de Conformación de Plásticos
Los principales materiales utilizados como fibras de refuerzo son el vidrio, el
carbono y el Kevlar 49. El vidrio es el material fibroso más común en los polímeros
actuales reforzados con fibra; su uso como refuerzo de plásticos data de 1920. La fibra
de vidrio más comun es la de vidrio-E, fuerte y de bajo costo, pero su módulo es menor
al de otras fibras. La fibra de carbono tiene un alto módulo además de una gran rigidez,
baja densidad y baja dilatación térmica. Las fibras de carbono son generalmente una
combinación de grafito y carbono amorfo. El Kevlar 49 es la fibra polímero más
importante; una aramida altamente cristalina, miembro de la familia de las poliamidas.
Su peso específico es bajo, lo cual genera una de las más altas relaciones de resistencia
al peso de todas las fibras.
Las principales características de los plásticos reforzados son las siguientes:
•
Alta relación de resistencia al peso.
•
Altas relaciones de módulo al peso.
•
Baja gravedad específica.
•
Buena resistencia a la fatiga.
•
Buena resistencia a la corrosión, aunque debe hacerse notar que los polímeros son
solubles en varios productos químicos.
•
Bajo coeficiente de dilatación lo que significa una buena estabilidad dimensional.
•
Propiedades significativas de anisotropía, en función de la dirección de la fibra.
En la tabla podemos observar la comparación de diferentes propiedades de plásticos
reforzados en relación a materiales metálicos.
VII-4
Capítulo VII. Plásticos Reforzados
Durante las tres últimas décadas se ha producido un enorme crecimiento de la
utilización de los plásticos reforzados con fibra en productos que requieren alta
resistencia y bajo peso, con frecuencia como sustituto de los metales. La industria
aeroespacial es uno de los mayores usuarios de los materiales compuestos. En este
campo existe una tendencia en el sentido de reducir el peso de los aviones para
aumentar la eficiencia del combustible y su capacidad de carga. Algo similar también ha
ocurrido en la industria del automóvil, principalmente en elementos de carrocería
(parachoques, etc) e interiores del vehículo.
VII-5
Procesos de Conformación de Plásticos
VII.2Tecnología de los plásticos reforzados
VII.2.1
Proceso reactivo
El sistema más extendido es el del proceso reactivo, donde la pieza se conforma al
mismo tiempo que su estructura molecular. Ha tenido un gran desarrollo y podemos
distinguir los siguientes métodos:
•
Moldeado por inyección y reacción química con refuerzos.
•
Transferencia de resina en el molde.
•
Moldeado estructural por inyección con reacción.
Moldeado por inyección y reacción química con refuerzo dentro del molde
Se inyectan los reactivos en estado líquido dentro del molde, conteniendo los
refuerzos y cargas. La polimerización , reticulación y formación de la pieza ocurre al
mismo tiempo.
Transferencia de resina en el molde
En este caso se introduce inicialmente el refuerzo dentro del molde y
posteriormente, una vez el molde cerrado, se introduce la resina (normalmente debe
tener baja viscosidad para utilizar poca presión).
Fig.7.3.- Procedimiento por transferencia
Moldeado estructural por inyección con reacción
VII-6
Capítulo VII. Plásticos Reforzados
Es un sistema que combina la ventaja del primer método (mayor rapidez desde
un punto de vista industrial) con el de transferencia.Esto se debe a que la resina con el
refuerzo se inyecta en un molde donde previamente se ha colocado algo de fibra.
Fig.7.4.- Moldeado estructural
VII.2.2
Termoplásticos reforzados y moldeo por compresión
Aunque la mayor aplicación de los plásticos reforzados esta en los polímeros
reticulables, los termoplásticos también pueden serlo, principalmente por inyección y
estampación.
Con el moldeo por compresión se pueden fabricar piezas de gran superficie con
buenas propiedades mecánicas. Se parte de masas de moldeo reforzadas (termoestables
o termoplásticos) en forma de láminas cortadas. Mediante estampación en prensa estas
láminas son conformadas. Para ello, en el caso de los termoestables, se calienta el molde
o estampa para que se inicie la reacción de curado del material y fluyendo éste por toda
la cavidad debido a la presión. En el caso de los termoplásticos el material que se
introduce en el molde esta practicamente fundido.
VII-7
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.7.5.- Moldeado por compresión
VII.2.3
Procedimiento manual
Existen multitud de ejemplos en los que el procedimiento de fabricación del
producto es manual, casi artesanal. En este proceso se van colocando alternativamente
sobre una superficie en positivo (molde) capas de resina pura y de fieltros a base de
fibras. Los fieltros se aplican con la ayuda de un rodillo, teniendo mucho cuidado de
impregnarlos con la resina. Antes de proceder el moldeo por contacto propiamente
dicho, se disponen sobre el molde una película de desmoldeante y una capa de
estanqueidad. La capa de estanqueidad asegura un mejor aspecto superficial de la pieza
terminada, puesto que no contiene fibras, y éstas tampoco pueden atravesarla.
VII-8
Capítulo VII. Plásticos Reforzados
Fig.7.6.- Procedimiento manual
VII-9
VIII
Capítulo VIII
RECICLADO DE PLÁSTICOS
La problemática del reciclaje no es una cuestión exclusiva de los materiales
plásticos, es una cuestión que afecta a los residuos en general y más concretamente a los
residuos sólidos urbanos. ¿Qué hacer con estos residuos? Es sin duda una de las grandes
preguntas que las modernas sociedades donde el usar y tirar es una práctica cada vez
más extendida. Evidentemente el concepto "reciclar" nos indica el aprovechamiento de
un residuo para su utilización posterior en otros fines, como puede ser el de la
fabricación de nuevos productos o la producción de energía. ¿Es esto factible con los
diferentes residuos de productos fabricados total o parcialmente en plástico? ; la
respuesta es indudablemente que sí , no obstante se deben realizar una serie de
matizaciones para no crear la idea de soluciones ideales y aplicables a cualquier caso y
circunstancia. Los plásticos son muy ligeros y , lo que es una ventaja para el consumo o
el transporte de materiales, se convierte en una desventaja a la hora de reciclar. Para
conseguir una tonelada de plástico reciclado harían falta unas 20.000 botellas usadas de
plástico pero, la mayor parte del volumen que ocupan los residuos plásticos en un
contenedor es aire.
VIII-1
Procesos de Conformación de Plásticos
Los plásticos están presentes en nuestras basuras en un 7% en peso, pero ocupan ,
en nuestros cubos de basura entre un 20-30 % del volumen, aunque una vez prensados
en el vertedero esta cifra disminuye hasta un 10%.
Cualquier producto utilizado por la sociedad moderna tiene algún impacto en el
medio ambiente. Este impacto se refiere a una variedad de factores que intervienen
durante su obtención, su fabricación, su uso y su desecho final; y puede hasta incluir
fenómenos como agotamiento de recursos naturales o contribución al calentamiento
global de nuestro planeta.
En el momento de evaluar objetiva y científicamente el impacto medioambiental
de un material es preciso tener en cuenta su ciclo de vida total. Esto puede efectuarse
mediante la técnica de Evaluación del Ciclo de Vida . La Evaluación del Ciclo de Vida
de un producto permite valorar la cantidad de energía y materias primas utilizadas y el
nivel de residuos sólidos, y contaminación de líquidos y gaseosos que se generan en
cada fase de su vida. Permite a los fabricantes analizar procesos y mejorar sus productos
y permitir a los consumidores tomar decisiones de compra con una mejor información.
Fig.8.1.- Los residuos plásticos también son reciclables
VIII-2
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
VIII.1
Sistemas de reciclaje de los residuos plásticos
El primer paso hacia una gestión de residuos satisfactoria es reducir en origen.
Esto incluye un alto rendimiento productivo con mínimos residuos, el uso de plásticos
sencillos en producción y la innovación de diseños en el producto con el fin de reducir
el consumo material. Los fabricantes ya están trabajando activamente en esta línea y así,
en los últimos veinte años se han ido reduciendo los espesores de los envases y los
embalajes hasta en un 50%: En 1973 una botella de detergente de polietileno de alta
densidad (HDPE) pesaba 120 gramos y en 1990 su peso descendió a 67 gramos. Con
una bolsa de plástico que pesa 6 gramos se pueden transportar 10 kilogramos.
Los sistemas básicos que podemos distinguir para el reciclado y aprovechamiento
de los plásticos son tres:
•
Reciclado mecánico
•
Valorización energética
•
Recuperación de constituyentes iniciales
VIII.1.1
Reciclado mecánico
Una vez recogidas y seleccionadas las piezas de plástico según el proceso de que
se trate, son preparados y triturados para posteriormente con la tecnología más adecuada
transformarlos en productos útiles. La transformación es mecánica mediante procesos
de calentamiento a las temperaturas adecuadas , no existe transformación química. Los
procedimientos que existen son muy variados y la tecnología evoluciona continuamente,
sobre todo buscando un rendimiento óptimo y que rentabilice la inversión. En los
apartados posteriores comentaremos algunos de los sistemas más interesantes.
Evidentemente para que el reciclado mecánico funcione se ha de proceder a una
recogida de plásticos que puede ser de dos formas:
VIII-3
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Recogida selectiva por el usuario
•
Separación por una empresa de los residuos sólidos urbanos en planta adecuada para
ello.
Desgraciadamente el sistema ideal, que es la separación en origen por parte del
usuario, no es una práctica muy habitual en muchos de los paises industrializados .
Además de una cuestión de conciencia y educación se trata de una cuestión de
información, en el sentido de que el usuario sepa distinguir al menos, a groso modo, los
diferentes tipos de plásticos (HDPE, PVC, PC, etc); cuestión que no es sencilla a simple
vista. Esta circunstancia se resuelve indicando el tipo de plástico mediante símbolos que
ya podemos observar en muchos productos comerciales. El sistema americano lo
podemos ver en la figura que mostramos a continuación( además ver anexo).
Fig.8.2.- Sistema americano de indicación del tipo de plástico en los productos
El trabajo de separación de plásticos de los RSU es principalmente manual, al
contrario que otros materiales que se pueden separar de una manera más automatizada.
No obstante se están empezando a utilizar sistemas más modernos, electrónicos, de
flotación y por rayos X.
El ciclo completo para el reciclaje mecánico de los plásticos funcionará cuando
existan mercados finales de estos productos, ya que aunque la tecnología para el
reciclaje existe y es adecuada, el rendimiento económico no siempre está claro.
VIII-4
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
El mejor sistema para la recogida de plásticos para su posterior reciclado se basa en
recoger aquellos plásticos que reunan las siguientes características:
•
Fáciles de identificar
•
Que estén en estado puro
•
Que sean fáciles de recoger
•
Que se puedan obtener en grandes cantidades
Los productos que cumplen perfectamente las anteriores premisas son los envases.
VIII.1.2
Valorización energética
Los plásticos usados pueden ser aprovechados como combustible por su elevado
poder calorífico, similar al del fuel-oil o el gas natural. Esta alternativa está
especialmente indicada en aquellos residuos que presentan deterioro o suciedad, como
es el caso de los plásticos que proceden de la agricultura o en algunos casos de los
residuos sólidos urbanos. En la tabla podemos observar una comparativa del poder
calorífico de diferentes materiales.
MJ/kg
Poliestireno
46
Polietileno
46
Gas natural
48
Fuel-oil
44
Papel
16.8
Basura doméstica
8
Aunque los plásticos , en peso, ocupan tan solo el 7% de los RSU, su poder
calorífico es el 50% de la energía que produce su incineración.
VIII-5
Procesos de Conformación de Plásticos
No cabe duda que existe una polémica en general sobre la conveniencia o no de
incinerar los RSU para la producción de energía; principalmente por la disparidad de
criterios que existen sobre si las tecnologías actuales de incineración garantizan un
correcto respeto al medio ambiente. Asi por ejemplo, estudios de ecobalances
demuestran que para muchos plásticos la valorización energética es más beneficiosa
medioambientalmente que el reciclado mecánico. Por otro lado la emisión de elementos
químicos contaminantes a la atmósfera durante la incineración no parece del todo
resuelta según algunas opiniones. Sin duda es una polémica que durará bastante tiempo.
VIII.1.3
Recuperación de constituyentes iniciales
Las piezas de plástico se descomponen a través de un proceso químico en
componentes más sencillos que pueden ser utilizados nuevamente como materias
primas en plantas petroquímicas.
El reciclado químico incluye:
•
Pirólisis. Se trata de una descomposición térmica, en ausencia de oxígeno, a
temperaturas comprendidas entre 400 y 800 C. Se liberan sus constituyentes
petroquímicos, dando lugar a un gas natural para uso doméstico.
•
Hidrogenación. Los plásticos son tratados con hidrógeno, en ausencia de oxígeno, a
altas temperaturas, y las cadenas se rompen , produciendo productos más ligeros
usados en refinerías.
•
Gasificación. Se trata de calentar los plásticos con aire u oxígeno y como resultado
se obtiene un gas de síntesis, compuesto por monóxido de carbono e hidrógeno, que
puede ser utilizado para la producción de metanol o amoniaco.
•
Tratamiento químico. Por el tratamiento de distintos disolventes y procesos
podemos disolver a los monómeros base que pueden repolimerizarse para obtener el
plástico original.
VIII-6
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
Una vez comentados los diferentes procedimientos la pregunta sin duda es ¿Cuál
utilizar?. La respuesta según diferentes estudios parece estar en una combinación de
todos, donde parece recomendarse una utilización en los siguientes porcentajes:
-
Reciclado mecánico: 20%
-
Recuperación de componentes iniciales: 25%
-
Valorización energética: 45%
-
Vertedero: 10%
VIII-7
Procesos de Conformación de Plásticos
VIII.2
Dos ejemplos de reciclaje mecánico
Existen diferentes sistemas de reciclaje mecánico, desarrollados a partir de
diferentes patentes y por diferentes fabricantes. No cabe duda que la problemática no es
siempre sencilla de resolver, sobre todo buscando unos niveles de rentabilidad mínimos.
Nosotros comentaremos dos de los que consideramos más interesantes.
•
Obtención de granza reciclada para su aprovechamiento posterior en máquinas de
procesado de plásticos como puede ser la extrusión de film para bolsas.
•
Reciclado de plásticos mezclados procedentes de residuos sólidos urbanos.
Obtención de perfiles lineales y piezas moldeadas.
VIII.2.1
Sistema ART de reciclado de plásticos mezclados
El sistema ART para la extrusión de perfiles y el moldeo de piezas
tridimensionales permite utilizar como materia prima plásticos contaminados y
mezclados procedentes de la recogida selectiva de R.S.U. Esta circunstancia ofrece sin
duda una ventaja con respecto a los sistemas habituales de reciclado , no es necesario
utilizar tan solo un tipo de plástico (por ejemplo polietileno) para llevar a cabo el
proceso; recordemos la dificultad que por ejemplo para la recogida en origen significa la
separación de los diferentes plásticos así como la separación en procesos mas o menos
mecanizados. Además es permisible una cierta cantidad de impurezas como papeles,
cartones, etc; no obstante se establecen unos máximos admisibles de materiales no
plásticos para que el proceso sea viable. En definitiva no hace falta una separación
demasiado exhaustiva que pudiera hacer más costoso el proceso.
El producto que se obtiene puede tener dos vertientes; una primera son perfiles
de sección constante (cuadrada, rectangular, circular, Fig.8.3) y que pueden ser
utilizados en muchas aplicaciones como sustituto de la madera; la segunda son
VIII-8
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
productos tridimensionales tales como palets, pequeñas plataformas (Fi.8.4). En el caso
de los perfiles son utilizados principalmente en las siguientes aplicaciones:
•
Estacas utilizadas en los pantalanes de los puertos, para vides.
•
Cerramientos de establos, vallas en el campo.
•
Señalizaciones de carreteras y caminos.
•
Mobiliario urbano: Bancos, pasarelas, accesorios para parques infantiles, pequeños
contenedores, etc.
•
Elementos para construcción de viviendas prefabricadas.
Fig.8.3.- Perfiles obtenidos a partir de residuos plásticos mezclados
Este material reciclado tiene una serie de ventajas :
•
Buena resistencia a la intemperie.
•
Buena resistencia mecánica (en europalets una carga estática de 3000 kg/m2
•
Eliminación del mantenimiento (al contrario que la madera).
•
Inocuidad microbiana.
•
Aislamiento eléctrico.
•
Material nuevamente reciclable (hasta 7 veces).
VIII-9
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.8.4.- Palet obtenido a partir de residuos plásticos mezclados
En cuanto a la descripción técnica del proceso, si nos centramos en la fabricación de
todo tipo de perfiles y planchas, podemos observar en el esquema de la figura 8.5 como
, a diferencia de otros sistemas, no se fabrica una granza reciclada intermedia, sino que
se transforman directamente los plásticos triturados en una máquina que no es
exactamente una extrusora ya que funciona con una tecnología muy particular mediante
moldes que dan la forma al producto mediante un proceso de calentamiento y
compresión de la masa. Se comienza con una separación del plástico blando (film) del
duro ya que es necesario prepararlos previamente para su posterior triturado a una
granulometría adecuada. El lavado es necesario sobre todo en aquellos plásticos que
puedan contener particulas abrasivas (por ejemplo film de invernadero) que pudieran
dañar los equipos posteriores.
VIII-10
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
ll
VIII-11
Procesos de Conformación de Plásticos
En las siguientes imágenes (Fig. 8.6 y 8.7) podemos observar la máquina de
transformación de perfiles (mal llamada máquina de extrusión ya que no hay un flujo de
material) y la que corresponde a la de fabricación de elementos tridimensionales (sobre
todo palets) cuya estructura es de carrusel para permitir varios moldes a la vez que van
conformando las piezas tridimensionales además de su enfriado en un baño de agua.
Fig.8.6.- Máquina de producción de perfiles a partir de plásticos mezclados (ART)
Fig 8.7.- Máquina de producción de elementos tridimensionales a partir de plásticos
mezclados (ART)
VIII-12
Capítulo VIII. Reciclado de Plásticos
VIII.2.2
Obtención de granza reciclada para la fabricación posterior de
productos
Otra variedad de reciclado mucho más habitual que la anterior dado su menor
coste en inversión inicial es la obtención de granza (en forma de pequeñas pastillas
similares a la granza virgen) a partir de un proceso que en este caso sí es extrusión. Se
parte de plástico (habitualmente polietileno, muy habitual en envases o en film de
invernadero) mas o menos homogeneo, que es inicialmente tritutado en un molino (ver
figura 8.8) para posteriormente ser almacenado en silos , lavado, centrifugado y secado
para eliminar el agua residual. Este material es almacenado de nuevo en silos para
introducirlo mediante alimentadores en la tolva de la extrusora que mediante cabezales
multifilamentos produce una especie de "espaguettis" que son a continuación
progresivamente cortados en pequeñas unidades que dan lugar a la granza. La granza ya
en si misma es un producto final, ya que puede ser enviada a otras fábricas para su
utilización como materia prima o en la misma planta, hecho que es muy frecuente.
Fig.8.8.- Molino para triturar plásticos
Por la naturaleza propia de la granza reciclada su utilización se centra
principalmente en la fabricación de bolsas (sobre todo para basura) , envases de
productos químicos, etc donde la normativa vigente permita su uso. Las características
VIII-13
Procesos de Conformación de Plásticos
en general de una granza virgen son superiores a la reciclada, no obstante su aplicación
encuentra multiples campos donde cubre perfectamente los requerimientos mínimos. La
tecnología para la fabricación de estos productos finales es estandar siendo ésta
principalmente por extrusión.
Fig.8.9.- Proceso de obtención de la granza reciclada
VIII-14
IX
Capítulo IX TÉCICAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO.
IX.1
¿Qué es el prototipado rápido?
La fabricación de prototipos es una necesidad que se ha potenciado aun más con
la importancia que ha cobrado en todos los ámbitos el diseño industrial. La necesidad
de disponer de prototipos a nivel formal o a nivel funcional para la verificación y prueba
de los diseños elaborados previa a su fabricación en serie es hoy en dia un factor a tener
muy en cuenta (Fig.9.1). A esta necesidad se le une el parámetro tiempo que influye de
manera importante en el ciclo que va desde la concepción de la idea del diseño hasta la
puesta en el mercado del producto.
IX-1
Procesos de Conformación de Plásticos
Necesidadde
dedisponer
disponerde
deprototipos
prototiposen
enpoco
poco
Necesidad
tiempoque
quepermita
permitaaalas
lasempresas
empresasverificar
verificar
tiempo
bondadde
desus
susdiseños
diseños
lalabondad
Necesidad
Diseño
Fabricación de
prototipo
Verificación
estética y
funcional
Fabricación en
serie
Fig.9.1.- Necesidad de disponer de prototipos
El prototipado rápido (rapid prototyping) nos va a permitir reducir dicho
tiempo de una manera considerable como veremos a continuación. ”
.Aunque la
variedad es importante básicamente consiste en una serie de técnicas de reciente
creación por las cuales a partir de geometrías sólidas realizadas en sistemas CAD
podemos obtener tras sucesivos procedimientos modelos con un aspecto y funcionalidad
similares a las que se obtendrían por ejemplo en un proceso de inyección
Hay diferentes sistemas tradicionales de fabricación de prototipos, unos más
costosos y largos en el tiempo que otros, durando el proceso de semanas a meses según
sea la complejidad de la pieza en cuestión. Los modernos sistemas de prototipado
rápido han permitido la fabricación de modelos en plástico e incluso con recubrimiento
metálico en un tiempo muy inferior a los sistemas tradicionales. Existen en la actualidad
IX-2
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
diferentes sistemas que permiten obtener prototipos de forma rápida, métodos que
utilizan diversos procedimientos y cuyo coste varía en función de dicho procedimiento.
En cualquier caso el coste sigue siendo elevado dado el carácter reciente de dicha
tecnología , a la constante evolución de la misma y la todavía limitada utilización de
estos procesos hasta hace unos pocos años. La generación rápida de prototipos no se
queda tan solo en la creación de una pieza modelo sino que se suele acompañar de la
fabricación de una serie corta de piezas modelo también con un coste en tiempo y
medios inferior a los sistemas convencionales. La complejidad de la pieza no es
limitación alguna para todos los sistemas existentes. Este tipo de tecnologías encuentra
su mayor campo como complemento a la industria de transformación de plásticos
(principalmente procesos de inyección), donde resulta muy costoso fabricar por ejemplo
un molde de inyección para comprobar posteriormente que la pieza diseñada no es
correcta.
Fig.9.2.- Disponer de prototipos previos a la fabricación es hoy en dia una necesidad
Los modelos/prototipos producidos sirven entre otros usos para:
IX-3
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Modelos de ingeniería para comprobar forma, tamaño y funcionalidad
(comprobación de ajuste y movimiento de diferentes elementos de un sistema).
•
Simulación y análisis mecánico de prototipos.
•
Modelos maestros para fabricación de moldes por proyección metálica para plástico
inyectado.
•
Modelos, patrones para todo proceso de fundición sirviendo como patrones
fundibles para la elaboración de moldes de cerámica en fundición invertida.
Modelos para producción de moldes y posteriormente machos para elaborar moldes
de fundición.
•
Modelos para presentaciones de marketing, compras y ventas.
•
Obtención de modelos maestros para fabricar moldes de silicona para colado bajo
vacío de piezas de plástico y que nos permitirán obtener series cortas de prototipos
en plástico, de calidades y colores muy similares a los que realmente se obtendrán
en el proceso de producción definitivo.
Los beneficios que desde un punto de vista industrial se obtienen son:
•
Menor tiempo para el diseño conceptual.
•
Más rapidez en el flujo de información para conseguir el diseño final.
•
Más rapidez en la visión del diseño.
•
Reducción de errores.
•
Identificación temprana de problemas de producción.
•
Aumento en la calidad del producto.
•
Inmediata retroinformación.
•
Reducción en la producción de moldes y patrones.
•
Modelos para marketing.
•
Reducción del tiempo de salida del producto al mercado con estudio más intenso.
IX-4
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
•
Reducción de costes en fases de diseño, prototipo y reproducción.
IX-5
Procesos de Conformación de Plásticos
IX.2
Algunas técnicas de prototipado rápido
Como ya hemos comentado la tecnología del prototipado rápido está en constante
evolution. El mercado , no obstante se va encargando de definir cuales son los métodos
más eficaces y rentables. Nosotros daremos una relación de los que creemos más
interesantes, relación que incluso viene avalada por las cifras de ventas en el mercado
mundial. En cualquier caso la decisión de qué equipo es el más idóneo depende de
multitud de factores a decidir por el usuario en función de su necesidad concreta. Los
sistemas que presentamos a continuación parten en general de una definición gráfica
definida en un sistema de diseño asistido por ordenador (CAD) y mediante un formato
gráfico estandar como es el STL. A partir de aquí cada proceso tiene su forma de
operar. Veremos los siguientes procesos:
•
Estereolitografía (SLA) (fabricante 3Dsystem).
•
Modelado por deposición de material fundido (FDM) (fabricante Satratasys).
•
Sinterizado por laser (SLS) (fabricante DTM).
•
Solidificación de material fotopolimerizable a través de mascara (SGC) (fabricante
Cubital).
•
Fabricación de objeto mediante laminas (LOM) (fabricante Helisys).
No entraremos tampoco en detalles sobre las populares impresoras 3D (también
con muchos procedimientos diferentes), que cada vez se extienden más, principalmente
debido a su bajo costo. En general el objetivo de estas impresoras es proporcionar
modelos formales, no funcionales, de una manera rápida pero con calidades que todavía
no llegan a superar las técnicas mencionadas anteriormente.
IX-6
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
IX.2.1 Estereolitografía (SLA)
Es uno de los más populares por lo menos en número de ventas a nivel mundial.
La pieza es construida sobre una plataforma sumergida en una resina fotopolimerizable
(polimeriza con la luz). La solidificación se produce punto a punto, por la incidencia de
un rayo láser sobre la superficie, que recorre un perfil 2D situado a una determinada
altura en función de la posición de la plataforma que se desplaza en dirección vertical.
De esta manera se van solidificando capa por capa los diferentes niveles que conforman
la pieza, con la ventaja de que solo polimeriza una zona muy concreta de la resina. No
obstante esta polimerización es parcial ya que es necesario un postcurado posterior (en
un horno ) de la pieza conformada para darle una estabilidad mayor.
Fig.9.3.- Esquema de funcionamiento del sistema SLA
Ventajas
•
Buen acabado superficial
•
Buena precisión (en general del orden de 0.1 mm)
•
Buen nivel de detalle
Inconvenientes
•
Necesita postcurado
•
La pieza se puede deformar en el postcurado
IX-7
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Se requieren soportes para darle estabilidad durante su conformación
Fig.9.4.- Equipo de estereolitografía (SLA 250, cortesía 3Dsystem)
IX.2.2 Modelado por deposición de material fundido (FDM)
El material utilizado (ABS, poliamida, cera de fundición) es extruido a traves de una
boquilla en estado semifundido en diferentes capas hasta conforrmar la pieza. El
recorrido del cabezal y la definición de las capas se efectua a partir de la información
generada con la información procedente del fichero STL y mediante un software
adecuado. El material viene en bobinas al igual que el de los soportes necesarios para
IX-8
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
dar estabilidad a la pieza durante su conformación. Los soportes serán posteriormente
facilmente eliminados. El cabezal no solo deposita el material sino que además presiona
éste para que quede soldado con la capa enterior. La precisión es del orden de 0.15 mm.
Fig.9.5.- Esquema de funcionamiento del sistema FDM
Ventajas
•
Permite obtener modelos funcionales en diversos materiales.
•
Es rápido para piezas huecas.
•
Máquina de fácil mantenimiento y reducido tamaño.
•
No utiliza productos tóxicos ni láseres (de complicado mantenimiento).
Inconvenientes
•
Se requieren soportes
•
Poca consistencia en la dirección vertical
IX-9
Procesos de Conformación de Plásticos
•
Lento para piezas muy voluminosas y pared gruesa
Fig.9.6.- Sistema FDM. Cortesía Stratasys
IX.2.3 Sinterizado por laser (SLS)
Consiste en un haz láser que recorre una superficie de material (policarbonato,
poliamida, PVC, ABS, etc) en forma de polvo, solidificando sucesivamente diferentes
capas de material. El material es precalentado a temperaturas algo inferiores a las de
fusión. Al incidir el láser en una zona localizada del material lo calienta por encima de
la temperatura de sinterización y se provoca una unión interfacial entre granos. El resto
de los granos no sobrecalentados actuan de soportes de la pieza. El polvo sobrante es
posteriormente retirado una vez concluida la pieza. La precisión es general del orden de
un 0.15 %.
IX-10
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
Fig.9.7.- Esquema de funcionamiento del sistema SLS
Ventajas
•
No requiere postcurado
•
No necesita soportes para el policarbonato y poliamidas
•
Las piezas pueden ser bastante resistentes
•
Los desarrollos futuros permiten utilizar incluso materiales cerámicos y metálicos.
Inconvenientes
•
La instalación es más aparatosa que el resto de los sistemas
•
Tiempos prolongados de calentamiento y enfriamiento de la máquina
•
Superficie porosa de las piezas
IX-11
Procesos de Conformación de Plásticos
Fig.9.8.- Equipo de sinterizado por laser. Cortesía de DTM.
IX.2.4 Solidificación de material fotopolimerizable a través de mascara (SGC)
El principio de construcción es por capas sucesivas (2D) y se basa en la
solidificación de una resina fotopolimerizable mediante la incidencia de un haz
luminoso ultravioleta. El modelo CAD es cortado en secciones de un espesor
aproximadamente de 0.1 mm. Cada una de estas secciones se utilizará como negativo
para generar, mediante un proceso iconográfico, una máscara sobre una lámina de
cristal. Paralelamente, se ha depositado en la cubeta una fina capa de resina. El cristal es
emplazado con gran precisión sobre la cubeta; un haz de luz ultravioleta provocsa
inmediatamente la solidificación de la resina en aquellas zonas que la máscara sobre el
cristal ha dejado ha dejado al descubierto. La resina sobrante, en estado líquido es
aspirada. Los espacios huecos, dejados por la resina aspirada se rellenan con cera, que
solidifica mediante una placa fría. A continuación, para dar precisión se procede a una
operación de fresado para planear la superficie y obtener el espesor deseado. La cera de
IX-12
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
los huecos se retira posteriormente mediante fusión o lavado. La precisión obtenida es
de aproximadamente el 0.1 %.
Fig.9.9.- Esquema de funcionamiento del sistema SGC
Ventajas
•
No se requieren soportes ni postcurado.
•
Máquinas de gran capacidad.
•
Precisión y estabilidad dimensional elevada.
Inconvenientes
•
Requiere la presencia de operarios.
•
Elevado nivel de desperdicio de cera y resina.
IX.2.5 Fabricación de objetos laminados (LOM)
Se basa en la adhesión de láminas de papel una sobre otra, que son recortadas
individualmente y a la profundidad precisa mediante un rayo láser. La capa de papel
autoadhesivo es pegada a la anterior con la ayuda de un rodillo calentado a una
temperatura predeterminada. Seguidamente, un láser que se desplaza en los ejes X, Y,
IX-13
Procesos de Conformación de Plásticos
recorta el papel de acuerdo con la sección correspondiente. El papel sobrante es
recortado en cuadrículas para su posterior eliminación. La precisión es de
aproximadamente 0.25 mm.
Fig.9.10.- Esquema de funcionamiento del sistema LOM
Ventajas
•
Proceso simple.
•
No necesita soportes.
•
Adecuado para piezas voluminosas y gruesas.
•
No requiere postcurado.
•
Bajo costo de la materia prima.
Inconvenientes
•
Baja calidad de acabado superficial.
•
Las piezas absorben la humedad.
IX-14
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
IX.3
Obtención de series cortas de prototipos
Las técnicas de prototipado rápido son muy diversas y variadas. En el apartado
anterior hemos analizado algunas de las más importantes; no obstante estos
procedimientos se utilizan en general para obtener tan solo un prototipo debido
principalmente al largo tiempo de fabricación de una pieza. En muchos casos no basta
con un solo prototipo sino que además se requieren unas cuantas unidades bién porque
asi lo desee el cliente o bien por la realización de diferentes pruebas sobre los modelos.
Por otro lado tengamos en cuenta que los prototipos que en general se obtienen por los
anteriores sistemas (salvo excepciones) no tienen ni el aspecto ni las cualidades
similares a las de la pieza real. En consecuencia se han desarrollado diferentes técnicas
complementarias (unas ya existentes y otras de reciente creación) cuyo objetivo es la
realización de series cortas de prototipos a partir de un "master" o modelo maestro
previamente fabricado por cualquier procedimiento.
En este apartado tan solo comentaremos una de las más interesantes y populares
como es el de la fabricación de prototipos mediante técnicas de colada en vacío en
moldes de silicona.
Fig.9.11.- Prototipos fabricados mediante moldes de silicona con colada en vacío
IX-15
Procesos de Conformación de Plásticos
Técnica de colada en vacío mediante moldes de silicona (vacuum system)
Es un sistema de fabricación de piezas que utiliza un molde de silicona, que se
rellena de resinas de poliuretano por colada en una cámara de vacío para evitar bolsas
de aire en la pieza. Las fases a seguir son las siguientes:
a) Una vez obtenido la pieza maestra por cualquiera de los procedimientos
(proptotipado rápido, mecanizado, etc) se estudia su geometría para facilitar el
posterior proceso de colada y desmoldeo, definiendo las zonas de las juntas del
molde, machos, etc.
b) Se ubica la pieza en la caja de moldeo y se rellena ésta con silicona con vacío.
c) Curado del molde en cámara de vacío, separación del molde de silicona y extracción
de la pieza maestra.
d) Preparación e introducción del molde en la cabina de vacío.
e) Dosificación de los componentes de poliuretano y mezclado en sistema de vacío.
f) Colada , también en vacío, de la mezcla dentro del molde de silicona.
g) Curado de la resina a temperatura controlada.
h) Apertura del molde y extracción de la pieza acabada.
Existen una gran variedad de resinas en función de las características del material
que deseemos emular, tanto en cualidades estéticas como funcionales.
IX-16
Capítulo IX. Técnicas de Prototipado Rápido
Fig.9.12.- Fases de fabricación de prototipo mediante colada en vacío
IX-17
Procesos de Conformación de Plásticos
IX-18