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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
INGENIERIA AERONAUTICA
“MODELADO Y OBTENCIÓN DEL PROGRAMA DE MAQUINADO DE UN
MOLDE PARA INYECCIÓN
DE PLÁSTICO PARA FABRICACIÓN DE UNA PALA DE HÉLICE”
REPORTE FINAL DE INVESTIGACIÓN
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONÁUTICA
P R E S E N T A N:
CARLOS ERNESTO CASTILLEJOS TIRADO
DIANA ADELAIDA CRESPO ORTIZ
MEXICO D.F. SEPTIEMBRE 4 DE 2006
1
Índice
I. Introducción 2
II. Capitulado 24
Capitulo 1 Planteamiento del problema.
1.1 Contexto 25
1.2 Objetivo General 25
1.3 Objetivo Específico 25
1.4 Fundamentación 25
1.5 Alcance 27
1.6 Metodología 27
Capitulo 2 Características generales.
28
2.1 Características de la máquina. 30
2.2 Dimensiones y materiales del molde. 31
2.3 Planos de diseño. 31
Capitulo 3 Código de maquinado.
Código de maquinado 38
Conclusiones 40
Bibliografía 41
2
I. Introducción
En ingeniería, el moldeo por inyección es un proceso semicontinuo que consiste
en inyectar un polímero en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a
presión y frío, a través de un orificio pequeño llamado compuerta. En ese molde el
material se solidifica, comenzando a cristalizar en polímeros semicristalinos. La
pieza o parte final se obtiene al abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza
moldeada.
El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de
artículos muy diferentes. Sólo en los Estados Unidos, la industria del plástico ha
crecido a una tasa de 12% anual durante los últimos 25 años, y el principal
proceso de transformación de plástico es el moldeo por inyección, seguido del de
extrusión. Un ejemplo de productos fabricados por esta técnica son los famosos
bloques interconectables LEGO y juguetes Playmobil, así como una gran cantidad
de componentes de automóviles, componentes para aviones y naves espaciales.
Los polímeros han logrado substituir otros materiales como son madera, metales,
fibras naturales, cerámicas y hasta piedras preciosas; el moldeo por inyección es
un proceso ambientalmente más favorable comparado con la fabricación de papel,
la tala de árboles o cromados. Ya que no contamina el ambiente de forma directa,
no emite gases ni desechos acuosos, con bajos niveles de ruido. Sin embargo, no
todos los plásticos pueden ser reciclados y algunos susceptibles de ser reciclados
son depositados en el ambiente, causando daños a la ecología.
La popularidad de este método se explica con la versatilidad de piezas que
pueden fabricarse, la rapidez de fabricación, el diseño escalable desde procesos
de prototipos rápidos, altos niveles de producción y bajos costos, alta o baja
automatización según el costo de la pieza, geometrías muy complicadas que
serían imposibles por otras técnicas, las piezas moldeadas requieren muy poco o
nulo acabado pues son terminadas con la rugosidad de superficie deseada, color y
3
transparencia u opacidad, buena tolerancia dimensional de piezas moldeadas con
o sin insertos y con diferentes colores.
Antecedentes históricos
El diseño actual de la máquina de moldeo por inyección ha sido influido por la
demanda de productos con diferentes características geométricas, con diferentes
polímeros involucrados y colores. Además, su diseño se ha modificado de manera
que las piezas moldeadas tengan un menor costo de producción, lo cual exige
rapidez de inyección, bajas temperaturas, y un ciclo de moldeo corto y preciso.
John Hyatt registró en 1872 la primera patente de una máquina de inyección, la
cual consistía en un pistón que contenía en la cámara derivados celulósicos
fundidos. Sin embargo, se atribuye a la compañía alemana Cellon-Werkw el haber
sido pionera de la máquina de inyección moderna. Esta firma presentó, en 1928,
una patente incluyendo la descripción de nitrocelulosa (celuloide). Debido al
carácter inflamable de la nitrocelulosa, se utilizaron posteriormente otros derivados
celulósicos como el etanoato de celulosa. Los británicos John Beard y Peter
Delafield, debido a ciertas diferencias en la traducción de la patente alemana,
desarrollaron paralelamente la misma técnica en Inglaterra, con los derechos de
patente inglesa para la compañía F.A. Hughes Ltd.
El primer artículo de producción masiva en Inglaterra fue la pluma fuente,
producida durante los años treinta por la compañía Mentmore Manufacturing. La
misma utilizaba máquinas de moldeo por inyección de Eckert & Ziegler (Alemania).
Estas máquinas funcionaban originalmente con aire comprimido
(aproximadamente 31 kg/cm2); el sistema de apertura de molde y la extracción de
la pieza eran realizados manualmente, y los controles incluían válvulas manuales,
sin control automático ni pantallas digitales; además, carecían de sistemas de
seguridad.
4
En 1932 apareció la primera máquina para inyección operada con sistemas
eléctricos, desarrollada por la compañía Eckert & Ziegler. Al mismo tiempo, otros
países como Suiza e Italia empezaban a conseguir importantes avances en
maquinaria. Ya a finales de los años treinta, el polietileno y el PVC (ambos, de alta
producción y bajo costo) provocaron una revolución en el desarrollo de la
maquinaría, teniendo el PVC mayor éxito como material para extrusión.
En 1951 se desarrolló en Estados Unidos la primera máquina de inyección con un
tornillo reciprocante (o, simplemente, husillo), aunque no fue patentada hasta
1956. Este cambio ha sido la aportación más importante en la historia de las
máquinas inyectoras. Al finalizar la segunda guerra mundial, la industria de la
inyección de plástico experimentó un crecimiento comercial sostenido. Sin
embargo, a partir de la década de los ochenta, las mejoras se han enfocado a la
eficiencia del diseño, del flujo del polímero, el uso de sistemas de software CAD,
inclusión de robots más rápidos para extracción de piezas, inyección asistida por
computadora, eficacia en el control de calentamiento y mejoras en el control de la
calidad del producto.
El principio del moldeo
El moldeo por inyección es una de las tecnologías de procesamiento de plástico
más famosas, ya que representa un modo relativamente simple de fabricar
componentes con formas geométricas de alta complejidad. Para ello se necesita
una máquina de inyección que incluya un molde. En este último, se fabrica una
cavidad cuya forma y tamaño son idénticos a las de la pieza que se desea
obtener. La cavidad se llena con plástico fundido, el cual se solidifica,
manteniendo la forma moldeada.
Los polímeros conservan su forma tridimensional cuando son enfriados por debajo
de su Tg y, por tanto, también de su temperatura de fusión para polímeros
semicristalinos. Los polímeros amorfos, cuya temperatura útil es inferior a su Tg,
5
se encuentran en un estado termodinámico de pseudoequilibrio. En ese estado,
los movimientos de rotación y de relajación (desenredo de las cadenas) del
polímero están altamente impedidos. Es por esta causa que, en ausencia de
esfuerzos, se retiene la forma tridimensional. Los polímeros semicristalinos
poseen, además, la característica de formar cristales. Estos cristales proporcionan
estabilidad dimensional a la molécula, la cual también es (en la región cristalina)
termodinámicamente estable. La entropía de las moléculas del plástico disminuye
drásticamente debido al orden de las moléculas en los cristales.
Maquinaria.
Las partes más importantes de la máquina son:
Unidad de inyección.
La función principal de la unidad de inyección es la de fundir, mezclar e inyectar el
polímero. Para lograr esto se utilizan husillos de diferentes características según el
polímero que se desea fundir. El estudio del proceso de fusión de un polímero en
la unidad de inyección debe considerar tres condiciones termodinámicas:
6
1. La temperatura de procesamiento del polímero.
2. La capacidad calorífica del polímero Cp [cal/g °C].
3. El calor latente de fusión, si el polímero es semicristalino.
El proceso de fusión involucra un incremento en el calor del polímero, que resulta
del aumento de temperatura y de la fricción entre el barril y el husillo. La fricción y
esfuerzos cortantes son básicos para una fusión eficiente, dado que los polímeros
no son buenos conductores de calor. Un incremento en temperatura disminuye la
viscosidad del polímero fundido; lo mismo sucede al incrementar la velocidad de
corte. Por ello ambos parámetros deben ser ajustados durante el proceso. Existen,
además, metales estándares para cada polímero con el fin de evitar la corrosión o
degradación. Con algunas excepciones (como el PVC), la mayoría de los plásticos
pueden utilizarse en las mismas máquinas.
La unidad de inyección es en origen una máquina de extrusión con un solo husillo,
teniendo el barril calentadores y sensores para mantener una temperatura
programada constante. La profundidad entre el canal y el husillo disminuye
gradual (o drásticamente, en aplicaciones especiales) desde la zona de
alimentación hasta la zona de dosificación. De esta manera, la presión en el barril
aumenta gradualmente. El esfuerzo mecánico, de corte y la compresión añaden
calor al sistema y funden el polímero más eficientemente que si hubiera
únicamente calor, siendo ésta la razón fundamental por la cual se utiliza un husillo
y no una autoclave para obtener el fundido.
Una diferencia sustancial con respecto al proceso de extrusión es la existencia de
una parte extra llamada cámara de reserva. Es allí donde se acumula el polímero
fundido para ser inyectado. Esta cámara actúa como la de un pistón; toda la
unidad se comporta como el émbolo que empuja el material. Debido a esto, una
parte del husillo termina por subutilizarse, por lo que se recomiendan cañones
largos para procesos de mezclado eficiente. Tanto en inyección como en extrusión
7
se deben tomar en cuenta las relaciones de PvT (presión, volumen, temperatura),
que ayudan a entender cómo se comporta un polímero al fundir.
Unidad de cierre.
Es una prensa hidráulica o mecánica, con una fuerza de cierre bastante grande
que contrarresta la fuerza ejercida por el polímero fundido al ser inyectado en el
molde. Las fuerzas localizadas pueden generar presiones del orden de cientos de
MPa, que sólo se encuentran en el planeta de forma natural únicamente en los
puntos más profundos del océano.
Si la fuerza de cierre es insuficiente, el material escapará por la unión del molde,
causando así que la pieza final tenga defectos de rebabas. Es común utilizar el
área proyectada de una pieza (área que representa perpendicularmente a la
unidad de cierre el total de la cavidad) para determinar la fuerza de cierre
requerida, excluyendo posibles huecos o agujeros de la pieza.
Donde:
F = Fuerza (N)
Pm = Presión media (Pa)
Ap = Área proyectada (m2)
Molde.
Esquema de un molde comercial prefabricado, al cual sólo le falta la cavidad para
la pieza deseada.
El molde (también llamado herramienta) es la parte más importante de la máquina
de inyección, ya que es el espacio donde se genera la pieza; para producir un
8
producto diferente, simplemente se cambia el molde, al ser una pieza
intercambiable que se atornilla en la unidad de cierre.
Las partes del molde son:
• Cavidad: es el volumen en el cual la pieza será moldeada.
• Canales o ductos: son conductos a través de los cuales el polímero fundido
fluye debido a la presión de inyección. El canal de alimentación se llena a través
de la boquilla, los siguientes canales son los denominados bebederos y finalmente
se encuentra la compuerta.
• Canales de enfriamiento: Son canales por los cuales circula agua para
regular la temperatura del molde. Su diseño es complejo y específico para cada
pieza y molde, ya que de un correcto enfriamiento depende que la pieza no se
deforme debido a contracciones irregulares.
• Barras expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan la pieza
moldeada fuera de la cavidad, pudiendo a veces contar con la ayuda de un robot
para realizar esta operación.
Control de parámetros
Control de parámetros.
Llenado de molde por inyección.
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Líneas genéricas isobáricas de polímeros amorfos y semicristalinos en inyección
Al enfriarse, las partes inyectadas se contraen, siendo su volumen menor que el
de la cavidad.
Pieza de Nylon 6 moldeada para un Automóvil
Molde para fabricar un clip de plástico para papel
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Los parámetros más importantes para un proceso de inyección son los siguientes:
Ciclo de moldeo.
En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos principales (aunque algunos autores
llegan a distinguir hasta 9 pasos):
1. Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de
polímero fundido.
2. Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el husillo que actúa como un
pistón, se hace pasar el material a través de la boquilla hacia las cavidades del
molde.
3. La presión se mantiene constante para lograr que la pieza tenga las
dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse.
4. La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material;
al girar también retrocede.
5. La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es el más caro pues es
largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa libera la presión y el molde se
abre; las barras expulsan la parte moldeada fuera de la cavidad.
6. La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse.
PvT (relaciones de presión-volumen-temperatura).
En cualquier polímero, las relaciones entre presión, volumen y temperatura son
muy importantes para obtener un proceso de inyección eficiente, ya que el
volumen específico de un polímero aumenta al ascender la temperatura del
mismo. Entre estas dos dimensiones se presentan curvas isobáricas por las
cuales se guía el polímero. El comportamiento de los polímeros amorfos y
semicristalinos en el paso de enfriamiento es muy diferente, lo que debe ser tenido
en cuenta si se quiere obtener una pieza de alta calidad.
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Para diseño de equipo de proceso es necesario conocer las relaciones de PvT de
lo polímeros que se utilizarán, en su forma final, es decir aditivados. A
continuación se mencionan los parámetros más comunes para el inicio de las
relaciones de PvT, basados en la ecuación de Flory:
a = Coeficiente de expansión térmica
ß = Compresibilidad isotérmica
Y una ecuación empírica es:
Cuando
Las relaciones de PvT se utilizan en ingeniería de polímeros para lograr un
sistema técnico que, basado en la teoría molecular, proporcione datos aplicados a
los polímeros en estado fundido en un amplio rango de presión y temperatura.
Esto se logra con datos empíricos concretos y limitados. Para determinar estas
relaciones existen otras ecuaciones como la de Simha-Somcynsky, el modelo para
fluidos de Sánchez y Lacombe y por supuesto, la ecuación de mayor éxito, la
ecuación de Flory (Flory-Orwoll-Vrij).
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Cristalización y deformación de la pieza al enfriarse (contracción).
Debe tenerse en cuenta que la razón de este fenómeno se debe al cambio de
densidad del material, que sigue un propio comportamiento fisicoquímico,
particular para cada polímero, y que puede ser isotrópico o anisotrópico.
De acuerdo con las relaciones de PvT anteriores, se infiere que la parte moldeada
sufrirá una contracción, presentando cada polímero diferentes tipos de
contracción; sin embargo, puede decirse que, en general, siguen las mismas
ecuaciones para contracción isotrópica:
Donde:
Lc = longitud de la cavidad
Lmp = longitud de la parte moldeada
Cv = contracción volumétrica
CL = contracción lineal
Vc = Volumen de la cavidad
Vmp = Volumen de la parte moldeada
Los polímeros semicristalinos modificarán más su tamaño dependiendo de la
temperatura en la cual se les permita cristalizar. Las cadenas que forman
esferulitas y lamelas ocupan menos espacio (mayor densidad) que las cadenas en
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estado amorfo. Por ello, el grado de cristalinidad afecta directamente a la densidad
final de la pieza. La temperatura del molde y el enfriamiento deben ser los
adecuados para obtener partes de calidad.
A continuación se enumeran algunos valores comunes de contracción en
polímeros para inyección (para diseño de moldes es conveniente solicitar una hoja
de parámetros técnicos del proveedor de polímeros para obtener un rango
específico).
Termoplástico Contracción (%)
Acrilonitrilo butadieno estireno 0,4 – 0,8
Poliacetal 0,1 – 2,3
Polimetilmetacrilato (PMMA) 0,2 – 0,7
Acetato de celulosa 0,5
Nylon 6,6 1,4 – 1,6
Policarbonato 0,6
Polietileno de baja densidad 4,0 – 4,5
Polipropileno 1,3 – 1,6
Poliestireno 0,4 – 0,7
PVC plastificado 1,0 – 4,5
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Colada fría y caliente.
Existen dos tipos de colada. La colada fría es el remanente de polímero
solidificado que queda en los canales, y que es necesario cortar de la pieza final.
La colada caliente mantiene al polímero en estado fundido para continuar con la
inyección. Con esta técnica se ahorra una considerable cantidad de plástico. Pero
algunas de las desventajas la convierten en una técnica poco popular: los
pigmentos deben tener mayor resistencia a la temperatura, el polímero aumenta
su historia térmica, el molde debe ser diseñado especialmente para esto, pueden
haber fluctuaciones en el ciclo de moldeo, etc.
Coloración de la pieza.
La coloración de las partes a moldear es un paso crítico, puesto que la belleza de
la parte, la identificación y las funciones ópticas dependen de este proceso.
Básicamente existen tres formas de colorear una parte en los procesos de
inyección:
1. Utilizar plástico del color que se necesita (precoloreados).
2. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con pigmento en polvo o
colorante líquido.
3. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con concentrado de color.
La elección más barata y eficiente es el uso del concentrado de color (en inglés
Masterbatch), el cual se diseña con características de índice de fluidez y
viscosidad acordes al polímero que se desea procesar. Con los concentrados de
color se puede cambiar de un color a otro de manera rápida, sencilla y limpia. Los
pigmentos en polvo presentan mayores problemas de coloración que los
concentrados de color y estos más que los precoloreados; sin embargo, los
precoloreados son los más caros y presentan una historia térmica mayor. Los
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problemas de procesamiento más comunes con relación al color de una pieza son:
líneas de color más o menos intenso, puntos negros, ráfagas, y piel de naranja.
Los colores pueden ser cualquiera opacos y, si el polímero es transparente, se
permiten colores translúcidos. Es importante que el proveedor de los concentrados
de color sea consciente de la aplicación final de la parte, para utilizar pigmentos o
colorantes que no migren a la superficie.
En polioleofinas no debe utilizarse colorantes porque migran, un error muy común
en la industria ya que son baratos, si bien este ahorro merma la calidad de la parte
y puede resultar en una reclamación por parte del cliente.
Los colores finales en la parte pueden ser translúcidos, sólidos, pasteles,
metálicos, perlados, fosforescentes, fluorescentes, etc. Sin embargo, polímeros
como el ABS son más difíciles de colorear que el polietileno, por su alta
temperatura de proceso y su color amarillento.
Un experto en diseño de un color ha de poseer una habilidad visual impresionante,
puesto que sus ojos están entrenados para reconocer colores con diferencias
mínimas, lo cual requiere una habilidad natural y amplia experiencia. Debe
tomarse en cuenta también la teoría del color, ya que los pigmentos son
substractivos y la luz es aditiva; además, si como color objetivo se tiene una pieza
de metal, vidrio, líquido, papel o polímero diferente al polímero final, es posible que
bajo diferente luz sea igual o distinto el color final del objetivo. Por ello debe
decidirse cuál será la luz bajo la cual los colores deben ser observados. Para
personas que no son expertas en identificación de color, son muy útiles los
colorímetros, aunque su grado de confianza no llega al 100%. Una persona no
entrenada puede ver dos colores diferentes como iguales y dos iguales como
diferentes, debido a errores en el ángulo con respecto a la incidencia de la luz,
distancia entre uno y otro objetivo, luz ambiental, etc.
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Temperatura de proceso.
Para inyectar un polímero, específicamente un termoplástico, es necesario
conocer su temperatura de transición vítrea (Tg) y su temperatura de fusión de la
región cristalina (Tm), si es un polímero semicristalino.
La temperatura de operación de cada termoplástico no es estándar, y varía según
el proveedor. Es por tanto necesario solicitarle una Hoja de Especificaciones
donde se encuentre tanto el índice de fluidez como la temperatura de trabajo, que
además es un rango de temperaturas, y la temperatura de degradación, con lo
cual se obtiene un intervalo dentro del cual se puede trabajar el material
eficientemente.
Dimensiones de la máquina.
La efectividad de una máquina de inyección se basa en la cantidad de presión que
esta pueda generar, por dos razones principales:
1. Incrementando la presión se puede inyectar más material
2. Incrementando la presión se puede disminuir la temperatura, que se traduce en
menor costo de operación.
Las máquinas se venden dependiendo de su fuerza de cierre expresada en
toneladas, y van desde 10 Ton las más pequeñas, hasta 2.500 Ton las de mayor
capacidad.
Es aconsejable utilizar el cañón más largo posible si se necesita mezclar
compuestos, y también hacer énfasis en el husillo adecuado. A continuación se
muestra un husillo típico de laboratorio para polioleofinas:
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Aunque las dimensiones de la máquina dependen principalmente de la cantidad
de polímero que se necesita para llenar la pieza deseada, es común que los
proveedores de máquinas vendan equipos más o menos estándares. Las
principales características para determinar las dimensiones de una máquina son:
la capacidad de cierre, dimensiones del molde, carrera o recorrido del molde,
presión de inyección, capacidad volumétrica de inyección, características de
plastificación y velocidad de inyección.
Ventilación y presión.
Conforme el polímero avanza desde la entrada o tolva, va reduciendo el tamaño
de sus gránulos por medios tanto mecánicos (fricción, compresión y arrastres)
como térmicos (aumento en su temperatura interna), llegando al estado gomoso o
fusión, dependiendo de si el material es amorfo o semicristalino. Conforme este
material avanza, el aire presente experimenta un aumento de presión y
generalmente escapa en dirección opuesta al avance del polímero. Si esto no
ocurre, entonces es necesario abrir una compuerta de ventilación, igualándose de
esta manera la presión generada a la presión atmosférica. Debido a las
propiedades de viscosidad y de arrastre del polímero, sólo escapa mediante la
ventilación una parte mínima de plástico.
El error más común con la ventilación es el añadir aditivos espumantes desde la
tolva. Los espumantes generan gas, aire o agua que queda atrapado en células
abiertas o cerradas del polímero. No obstante, si la presión disminuye a presión
atmosférica, este gas generado escapa, resultando así un polímero sin espumar.
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Para una eficiente alimentación del espumante, éste debe ser añadido después de
la ventilación o eliminar el mismo.
Técnicas modernas.
Algunas de las técnicas modernas incluyen la inyección de multicomponentes, es
decir, una pieza que contiene dos polímeros unidos entre sí o un polímero con
diferentes colores y aditivos separados en capas. En esta técnica es posible
inyectar dos polímeros en la misma pieza. Existen dos métodos para lograr esto:
uno es con dos unidades de inyección, y otro con una unidad de inyección
compuesta. Un polímero queda inmerso en el otro, o un color queda inmerso en el
otro, ahorrando así costos: esta técnica es llamada inyección emparedado o
sándwich. Otra posibilidad es inyectar con agentes formadores de celdas o
espumantes que reducen la densidad de la pieza moldeada.
La inyección puede contener injertos metálicos, cerámicos o plásticos. Estos son
colocados manual o automáticamente en el molde, sobre el cual es inyectado el
polímero que, por medios geométricos, evita su separación al enfriarse.
En el moldeo con reacción química no se usa el extrusor, sino más bien
componentes líquidos que se van administrando. Estas resinas pueden estar
activadas o activarse al unir los diferentes fluidos. Un ejemplo típico de polímero
inyectado por este proceso es el poliuretano y la poliurea. Generalmente, las
temperaturas en este proceso son mucho más bajas que las temperaturas de la
inyección con husillo.
La inyección de hule y de termoestables consiste en un proceso que incluye la
inyección con todos los ingredientes necesarios para el curado o vulcanizado, pero
a temperaturas bajas en el cañón. Éste debe provocar poca fricción en el material
para evitar el sobrecalentamiento y reacción prematura, cambiando así la cinética
19
de reacción deseada. La reacción termina precisamente en el molde, el cual no es
necesario enfriar.
La inyección con equipo moderno de polímeros semiconductores y de polímeros
conductores requiere mucho menos cuidado que en el proceso de
semiconductores tradicionales de silicio y germanio. El cuarto limpio no es
necesario y el proceso se puede llevar a cabo con un cuidado semejante al de
inyección de equipo médico.
La inyección de materiales compuestos como madera-plástico o fibras naturales
con polímero, fibra de carbón y nanopartículas tienen una problemática particular,
debido a que el husillo tiende a romper, cortar o aglomerar las partículas, por lo
que presentan un doble reto: por una parte deben ser dispersadas y distribuidas
(como cualquier pigmento), a la vez que deben permanecer lo más estables
posible. Las nanopartículas generalmente forman aglomerados, que reflejan una
pérdida de propiedades mecánicas y no un aumento, ya que el estrés es función
directa del área de la unión partícula-polímero.
Compuertas.
Las funciones concretas de una compuerta son simples: sirven para ayudar a que
el polímero solidifique pronto cuando la inyección concluye, y para separar
fácilmente los remanentes de inyección de la pieza final. Muchas veces elimina la
necesidad de cortar o desbastar este sobrante y acelerar el flujo de material
fundido, que se refleja en una menor viscosidad y mayor rapidez de inyección.
Para garantizar el buen funcionamiento de un polímero inyectado, es
imprescindible tener en cuenta los fenómenos de transporte y particularmente el
flujo del polímero. Recuérdese que no se habla de moléculas o iones como los
metales fundidos, sino de largas cadenas de macromoléculas en estado gomoso.
20
Las compuertas son así diseñadas para mejorar el flujo y para permitir un orden
distributivo del mismo. Las compuertas más comunes son:
Tipo de compuerta Esquema Característica
Compuertas de canal (sin esquema) Alimentan de manera directa desde la cavidad.
Compuertas de espiga
Alimentan el polímero permitiendo una ligera relajación de esfuerzos.
Compuertas de aguja
Se llenan desde los bebederos; comúnmente usadas en moldes de tres placas, permiten altas velocidades y se llenan con facilidad; pueden eliminarse sin dificultad de la pieza moldeada.
Compuertas laterales Alimentan desde un lado del molde; comúnmente utilizadas para impresión múltiple.
Compuertas anular
Se usan para moldear partes huecas ya que su flujo es previamente modificado a la forma final.
Compuertas en diafragma
Similares a las compuertas anular, pero distribuyen el material fundido desde el canal de alimentación.
Compuertas de abanico
Sirven para cubrir áreas grandes o largas de manera homogénea y distributivamente correcta.
Compuertas de lengüeta
Estas compuertas minimizan el efecto de jet y ayudan a lograr un flujo de régimen laminar cuyo número de Reynolds es adecuado para la inyección.
Compuertas tipo película
Sirven para moldear homogéneamente áreas planas y delgadas, sobre todo en productos translúcidos y transparentes como objetivos de policarbonato, láminas de PMMA y dispositivos ópticos de medición, ya que minimiza las aberraciones cromáticas y ópticas debidas a ondas formadas por flujo en régimen turbulento.
21
Estas compuertas se utilizan en el diseño de molde preferentemente bajo la
experiencia y el diseño por computadora, con programas como Moldflow que
simulan el flujo de polímeros en el molde.
Defectos, razones y soluciones en partes moldeadas.
Los defectos en partes moldeadas requieren experiencia tanto para ser
identificados como para ser resueltos. Los operarios con años de experiencia en
inyección son los mejores maestros de identificación y solución de problemas, ya
que su experiencia les da las ideas y recursos necesarios para solucionar
problemas rápidamente. Aquí se sugieren algunas de las soluciones a los
problemas más comunes:
Defecto Causas posibles Probables soluciones
Enchuecamiento
Enfriamiento demasiado intensivo. Diseño inadecuado de la pieza. Tiempo de enfriamiento muy corto. Sistema de extracción inapropiado. Esfuerzos en el material.
Incremente el tiempo de enfriamiento dentro del molde. Utilizar un polímero reforzado.
Flash Presión de cierre demasiado baja. Incrementar la presión de la unidad de cierre.
Líneas de flujo Mala dispersión del concentrado de color o del pigmento. Temperatura demasiado baja.
Cargar el material más lentamente. Incrementar la temperatura del barril. Modificar el perfil de temperaturas.
Puntos negros Hay carbonizaciones. Purgar el husillo. Reducir la temperatura de proceso. Limpiar el husillo manualmente.
Piel de naranja Incompatibilidad del material.
Disminuir la temperatura de proceso. Incrementar la temperatura del molde. Cambiar el concentrado de color.
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Parte incompleta
Insuficiente material en la cavidad. Falta de material en la tolva. Cañón demasiado pequeño. Temperatura demasiado baja. Obstrucción de la tolva o de la boquilla. Válvula tapada. Tiempo de sostenimiento demasiado corto. Velocidad de inyección demasiado baja. Canales demasiado pequeños. Respiración insuficiente.
Inyectar más material. Cambiar el molde a una máquina de mayor capacidad. Incrementar la temperatura del barril. Incrementar la velocidad de inyección. Modificar el tamaño de los canales del molde.
Parte con rebabas
Dosificación excesiva. Temperatura de inyección muy alta. Presión de inyección muy alta. Tiempo de inyección muy largo. Temperatura de molde muy alta.
Dosificar menos material. Disminuir la temperatura de inyección. Disminuir la presión. Disminuir el tiempo de inyección. Disminuir la temperatura del molde.
Rechupados y huecos
Presión de inyección demasiado baja. Tiempo de sostenimiento de presión muy corto. Velocidad de inyección baja. Material sobrecalentado. Humedad. Enfriamiento del molde no uniforme. Canales o compuerta muy pequeños. Mal diseño de la pieza.
Incrementar la presión. Incrementar el tiempo de sostenimiento de presión. Disminuir la temperatura del barril. Incrementar la velocidad de inyección. Abrir el venteo o preseque el material. Modificar los canales de enfriamiento del molde o el flujo del agua. Modificar el molde.
Líneas de unión
Temperatura general muy baja en el molde. Temperatura del fundido no uniforme. Presión de inyección muy baja. Velocidad de inyección muy baja. Insuficiente respiración en la zona de unión de los flujos encontrados. Velocidad de llenado no uniforme. Flujo no adecuado del material por los canales o la cavidad.
Incrementar la temperatura. Incrementar la presión. Incrementar la velocidad de inyección. Modificar la respiración del material en el molde. Modificar la compuerta para uniformar el flujo.
Degradación por aire atrapado
Humedad. Degradación de aditivos. Temperatura demasiado alta. Respiración del molde insuficiente.
Secar el material. Disminuir la temperatura. Modificar la respiración del molde.
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Delaminación de capas
Temperatura demasiado baja. Velocidad de inyección demasiado baja. Baja contrapresión de la máquina. Temperatura del molde muy baja.
Incrementar la temperatura. Incrementar la velocidad de inyección. Incrementar la contrapresión de la máquina.
Fracturas o grietas en la superficie
Temperatura del molde demasiado baja. Sistema de eyección demasiado agresivo o inadecuado. Empacado excesivo.
Incrementar la temperatura. Modificar las barras eyectoras. Utilice un robot para extraer la pieza. Disminuir la presión de sostenimiento.
Marcas de las barras eyectoras
Tiempo de enfriamiento muy corto. Temperatura del molde alta. Temperatura del polímero demasiado alta. Rapidez de eyección demasiado alta. Localización inadecuada de las barras eyectoras.
Incrementar el tiempo de enfriamiento. Disminuir la temperatura del fundido. Disminuir la rapidez de eyección. Modificar la ubicación de las barras eyectoras.
Quemado de la pieza Quemado por efecto de jet. Disminuya la velocidad de inyección.
El concentrado de color no se mezcla
Perfil incorrecto de temperaturas.
Probar un perfil inverso de temperaturas. Bajar la temperatura de las primeras dos zonas de la unidad de inyección. Usar un perfil de temperaturas más agresivo.
El color es más obscuro
La temperatura es demasiado alta. La compuerta es demasiado pequeña y se quema el polímero por presión.
Disminuir la temperatura. Modificar la compuerta del molde.
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II. Capitulado
En el primer capítulo abarcamos el planteamiento del problema, que es lo que
pretendemos lograr, los problemas a los que nos enfrentamos y la limitante que
tenemos para realizar la investigación.
Posteriormente en el capítulo dos se plantean los diferentes moldes, sus
dimensiones según las máquinas disponibles y los materiales de los que se
pueden construir, así como los planos de diseño para el molde que se construirá
más adelante.
El tercer y último capítulo, muestra el modelado hecho en NX3 y los códigos de
maquinado obtenidos para la fabricación del molde y de la cavidad de una pala
con diseño conocido.
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Capítulo 1 Planteamiento del problema.
1.1 Contexto.
El presente trabajo se desarrolla alrededor de la necesidad de obtener un modelo
que se pueda estudiar en túnel de viento buscando mejorar las condiciones del
acabado del mismo. Para ello se cuenta con herramientas como el moldeado de
plástico y maquinado de piezas de metal, cera etc.; programas de diseño tal como
Unigraphcs y Control Numérico Computarizado.
1.2 Objetivo General.
Modelado y obtención del programa de maquinado de un molde para inyección de
plástico para utilizarse en una máquina marca VEB Werkzeugmaschinenfabrik
Johanngeorgenstadt modelo KuASY 100/125.
1.3 Objetivo Especifico.
Definir en el capítulo 1 el estado del arte del presente reporte de investigación.
Cubrir en el capítulo 2 las características generales del moldeo por inyección de
plástico así como definir los planos del molde que se utilizará.
Por último, en el capítulo 3 se obtendrán los programas de maquinado de las
partes que definen la cavidad del molde.
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1.4 Fundamentación.
Durante varios años se han hecho diferentes diseños de palas que han sido
modeladas en programas como NX, dicho programa facilita la obtención de los
códigos de maquinado para poder obtener las piezas utilizando un centro de
maquinado que opera a través de control numérico, cabe mencionar que el
material en el que han construido las piezas es una aleación de aluminio.
Lo que buscamos es utilizar un método diferente para realizar estas piezas de una
manera más rápida, utilizando como material el plástico (polietileno) en una
máquina de inyección; la idea principal es obtener un acabado fino utilizando las
propiedades del molde y poder comparar la resistencia y eficiencia de pieza
terminada, según su uso, con las que ya se han creado anteriormente.
No se hará nada nuevo en lo fundamental, sin embargo, esto no se ha hecho
antes en la rama aeronáutica; de tal forma que si logramos diseñar un molde que
sirva para poder hacer diferentes diseños de palas, entonces en lo sucesivo solo
se tendrá que trabajar sobre el diseño de la pala y no sobre el molde en sí.
Debido a que es algo nuevo, nos enfrentamos a algunos problemas. Después de
una visita realizada a una fábrica maquiladora de piezas por el método de
inyección de plástico, nos queda claro que el mayor problema es el tiempo que se
puede llevar el diseño del molde adecuado según las necesidades que se buscan,
pero sobre todo, respecto de la máquina en donde se piensa realizar el proceso de
inyección, ya que es la que nos limita el tamaño de la pieza por fabricar, como son
el tamaño y especificaciones generales que el molde debe tener.
Debido a esto limitaremos el trabajo al desarrollo del diseño y modelado del
molde, así como obtener los códigos de maquinado referentes al mismo, dejando
la fabricación para una etapa posterior a esta investigación.
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No hay un método de diseño específico para el molde, solo existe la teoría sobre
el método de inyección y las máquinas que lo utilizan, por lo que, al menos en
aeronáutica, no encontramos estudios previos de lo que queremos lograr.
1.5 Alcance.
Obtención del código de maquinado de un molde de inyección de plástico para la
obtención de una pala de hélice cuyo diseño es conocido.
1.6 Metodología.
Se buscaran en diferentes fuentes de información el principio y funcionamiento del
moldeo por inyección así como la maquinaría disponible.
El primer paso a seguir es recopilar información acerca de la maquinaria existente
y disponible para el moldeo por inyección.
Una vez conocidas las máquinas disponibles se determinarán las dimensiones
límite para el molde.
Ya conocidas las limitantes de diseño se procederá a diseñar del molde utilizando
las características de la pala conocida.
Se valorará la posibilidad de colocar un injerto en el molde para que en éste se
puedan moldear distintos tipos de palas.
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Capítulo 2 Características generales.
Para una determinada presión de pistón, la presión real desarrollada dentro de las
cavidades varía directamente proporcional con le espesor de la pieza a inyectar e
inversamente proporcional con la viscosidad de la mezcla. Secciones gruesas
requieren mayor fuerza de cierre que las finas, porque el material fundido
permanece semifluido por más tiempo durante el llenado de la cavidad.
Es importante no excederse en la fuerza de cierre ya que si el molde es pequeño y
la máquina grande, aquel puede hundirse entre los platos de la máquina.
Así como el área proyectada determina la fuerza de cierre requerida, el peso de la
pieza moldeada determina la capacidad de inyección de la máquina en la que
debe ser operado el molde. El peso de la inyección incluye la colada en su
totalidad excepto en los moldes de colada caliente.
Si se opera a capacidad máxima en general se necesita un ciclo de moldeo mayor
para permitir una plastificación uniforme a al temperatura de fusión requerida.
Funciones del molde y de sus componentes.
Base del molde. Mantiene la(s) cavidad(es) en posición correcta respecto a la
boquilla.
Pernos guías o columnas. Mantienen alineadas las dos mitades del molde.
Buje de colada. Asegura y controla la entrada del material al interior del molde.
Canales. Controlan el peso del material fundido desde el buje de colada a la(s)
cavidad(es).
Entradas. Controlan el flujo dentro de las cavidades.
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Macho y hembra. Controlan medida, forma y textura.
Canales de refrigeración. Controlan la temperatura en la superficie del molde,
enfrían el material para llevarlo al estado sólido.
Sistemas de desenrosque, colizas y sistema de hoyos. Forman los orificios
laterales, muescas, ángulos vivos, roscas y contrasalidas.
Escape de gases (venteo). Permite el escape de aire encerrado en la cavidad.
Mecanismo de expulsión (perno, placa expulsora, etc.). Expulsa la pieza en estado
sólido de la cavidad.
Mecanismo de retracción de los pernos expulsores. Los pernos retornan a su
posición inicial cuando el molde se cierra para un nuevo ciclo.
Los defectos que pueden aparecer en las piezas inyectadas pueden ser originados
por condiciones de máquina no adecuadas, un molde no satisfactorio o un material
plástico inapropiado. Estos factores deben ser cuidados cuando se trata de
eliminar defectos y obtener condiciones óptimas de moldeo.
Las variaciones en las condiciones de moldeo tienen un efecto directo sobre las
propiedades finales del producto terminado.
Para la pieza final se recomienda que el material a inyectar sea polietileno de alta
densidad ya que por sus características se obtiene el acabado óptimo, es decir, se
obtiene una superficie completamente lisa.
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2.1 Características de la máquina.
La máquina en la cual se basa el diseño está ubicada en el Centro de Estudios
Científicos y Tecnológicos Narciso Bassols García. Dicha máquina es marca VEB
Werkzeugmaschinenfabrik Johanngeorgenstadt modelo KuASY 100/125.
Las características principales son:
Fuerza de cierre: 100 Ton
Volumen de embolada nominal: 125 cm3
Presión máx. de trabajo: 130 Kg/cm2
Fuerza de apertura: 40 Ton
Carrera de placa: 320 mm
Fuerza de expulsión: 2.5 Ton
Diámetro del husillo: 36 mm
Volumen de embolada inyectado: 112 cm3
Volumen de embolada aproximado: 100 cm3
Presión de inyección: 1210 Kg/cm2
Velocidad de movimiento del husillo: 175 mm/seg
Cantidad de plastificación: 22 Kg/hr
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2.2 Dimensiones y materiales del molde.
Generalmente los moldes son construidos de aceros especiales de alta resistencia
para que soporten altas presiones de cierre y de inyección para producción
limitada. Las aleaciones de berilio – cobre son usadas con mayor frecuencia para
centros y cavidades de insertos.
Para una determinada presión de pistón, la presión real desarrollada dentro de las
cavidades varía directamente proporcional con le espesor de la pieza a inyectar e
inversamente proporcional con la viscosidad de la mezcla. Secciones gruesas
requieren mayor fuerza de cierre que las finas, porque el material fundido
permanece semifluido por más tiempo durante el llenado de la cavidad.
Como regla general, un buen moldeo necesita tres toneladas de cierre por cada
6,45 cm2 de área proyectada.
El molde que se utilizó de base para el presente reporte a sido modificado
adicionando insertos. Dichos insertos pueden ser intercambiados según la pieza
que se quiera obtener. En este caso se hicieron los insertos para el moldeo de la
pala de hélice modelo “hpc” del proyecto desarrollado por el Dr. Carlos Rodríguez
Román llamado “Yahuallan Ehecatl” (Rueda de Viento).
2.3 Planos de diseño.
A continuación se muestran los planos de diseño de las diversas partes que
componen el molde.
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Capítulo 3 Códigos de maquinado.
Debido a las partes del molde mostradas en los planos 1,2, 5 y 6 no requieren
mayor complicación y poseen orificios estandarizados, nos dedicamos a obtener
los programas de maquinado de las partes ilustradas en los planos 3 y 4 mismas
que corresponden a la cavidad del molde.
Ya que el código se compone de más de 3 000 líneas, se muestra a continuación
la trayectoria de corte de la herramienta. Como referencia se pueden consultar los
archivos en el CD anexo.
Trayectoria de maquinado. Inserto izquierdo.
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Trayectoria de maquinado. Inserto izquierdo.
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Conclusiones.
Se cumplió con el objetivo de éste reporte de investigación.
Se logro obtener el programa de maquinado de los insertos que componen el
molde para inyección de plástico aplicando los conocimientos obtenidos durante el
Seminario de Ingeniería y Manufactura Asistida por Computadora.
Debido a la complejidad de la geometría de la pala de hélice para la cual fue
modificado el molde base, fue necesario realizar varios intentos para el programa
de maquinado. El resultado mas relevante es el siguiente:
?? La trayectoria de corte de la herramienta debe ser perpendicular al eje
transversal de la pieza a moldear para evitar que se formen bordes en la
superficie del molde al momento de ser maquinado.
Cabe mencionar que los planos de diseño son de vital importancia para el
maquinado del molde, por lo que es necesario que éstos sean claros y muestren
las características esenciales de la pieza a maquinar.
En términos prácticos y de análisis el texto del programa de maquino no sirve
mucho ya que son miles de comandos y es casi imposible analizar cada uno. Para
ello Unigraphics cuenta con la opción de mostrar de forma animada cual será la
trayectoria de la herramienta y con esto se pueden observar errores en la
trayectoria, interferencias y movimientos que pueden afectar el acabado del
maquinado.
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