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Tesina de maestría en manufactura avanzada
PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA
José Martín Melchor Leal
I
ESTUDIO DE RECUBRIMIENTOS Y
TRATAMIENTOS DE SUPERFICIE DE NUEVA
GENERACIÓN PARA OPTIMIZAR LA VIDA ÚTIL
DE MOLDES DE INYECCIÓN DE POLÍMETROS
QUE USAN LA RESINA NORYL
TESINA PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN MANUFACTURA AVANZADA
PRESENTA
INGENIERO EN ELECTRÓNICA JOSÉ MARTÍN
MELCHOR LEAL
AGUASCALIENTES, AGS., 04 DE DICIEMBRE DEL 2014
Tesina de maestría en manufactura avanzada
PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA
José Martín Melchor Leal
II
RESUMEN
En la industria de la inyección de plásticos es frecuente diseñar moldes utilizando la
técnica ―Scientific Molding‖, que consiste en la optimización de las geometrías y aceros
del molde, mediante el software de simulación de elemento finito (CAE), sobre todo en
la fabricación de moldes para producción masiva de componentes inyectados. Los
fabricantes de piezas plásticas realizan un esfuerzo constante en el mantenimiento
preventivo y el control del proceso de manufactura para asegurar la calidad del
producto y extender la vida útil de los moldes; sin embargo, a pesar de todas estas
previsiones el desgaste prematuro de los mismos se sigue presentando, en especial
cuando se utilizan para la industria automotriz, la cual emplea frecuentemente
polímeros de alto desempeño que producen un desgaste significativo de la superficie
del acero del molde.
La presente investigación, busca crear un método de selección para recubrimientos de
superficie que ayude a prevenir el desgaste prematuro de los moldes cuando se utiliza
el polímero reforzado, y que este, pueda ser aplicado a temperaturas que no
deformen los materiales del molde. También se analizan las características del polímero
Noryl GTX 830 y sus mecanismos de desgate. Finalmente, propone un modelo
matemático para predecir el desgaste en la superficie del molde.
Los resultados muestran una fuerte correlación lineal entre el desgaste de la superficie
del molde y el coeficiente de fricción. También se verifica la relación entre el potencial
electrostático de las moléculas en la superficie del molde y la pérdida de masa debida
al desgaste del mismo, mediante una ecuación denominada ―ecuación-hipótesis‖. Se
identifica al recubrimiento carbono como diamante (DLC) como el mejor candidato
para recubrimiento debido a su bajo coeficiente de fricción un muy bajo potencial
electrostático molecular.
Palabras clave: Recubrimientos, Potencial electrostático molecular, Moldes, Inyección
de plástico, Coeficiente de fricción.
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PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA
José Martín Melchor Leal
III
ABSTRACT
In the plastic injection industry, it is common to design moulds using the technique
called "Scientific Molding", which consists in the optimization of the geometries and
steels for mould, by using the finite element analysis software to simulate material flow
and the thermal behavior, specially the mass production manufacturers for plastic
injected components. Manufacturers of plastic parts made a constant effort in
preventative maintenance and control of the manufacturing process to ensure the
quality of the product and extend the useful life of their moulds; However, despite all
these prevention activities a premature wear on some of them still occurring, especially
when they are used for the automotive industry, which often use high performance
polymers that produce significant wear to the surface of the mould steel or alloy
surfaces.
This research seeks to create a selection method for coatings that help to prevent
premature wear of the moulds when using reinforced polymer, and also look to apply
the coating at temperatures that do not deform the mould materials. It also discusses
the mechanical & thermal characteristics of Noryl GTX 830 polymer and its mechanisms
of wear on the injection mould. Finally, proposes a mathematical model to predict the
wear on the surface of the mould.
The results show a strong linear correlation between the mould surface wear and friction
coefficient. Also verifies the relationship between the electrostatic potential of the
molecules on the surface of the mould and the mass loss due to wear by an equation
known as "equation-hypothesis". A very low molecular electrostatic potential is identified
to the diamond like carbon (DLC) coating become it for the moment in the best
candidate for molding coating for high performance polymers due to its low coefficient
of friction.
Key words: Coating, Molecular electrostatic potential, Moulds, Injection, Friction
coefficient.
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José Martín Melchor Leal
IV
DEDICATORIA
A mi esposa Ernestina así como a mis hijas Irma Adriana y Ana Patricia, que sin su apoyo
incondicional y gran paciencia no habría sido posible completar esta etapa de mi
preparación.
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José Martín Melchor Leal
V
AGRADECIMIENTOS
Expreso mi más sincero agradecimiento a mi asesora Dra. Normal A. Rangel Vázquez
por su colaboración e ideas en la preparación de este manuscrito. Al Ing. Gabriel
Hernández Hernández y la Ing. Chesley Austin que me ayudaron a seguir con el
proyecto en el ambiente industrial en que vive Sensata Technologies. Y un
agradecimiento muy especial a mi hermano Juan Carlos Melchor Leal por su
incondicional apoyo, ideas y experiencia que hicieron posible la construcción del
simulador y el desarrollo de muchas ideas creativas que forman hoy partes de esta
tesina.
Gracias también al personal docente del CIATEQ campus Aguascalientes por su
conocimiento y apoyo profesional a lo largo del posgrado, particularmente al Dr.
Guillermo Frades por la oportunidad de iniciar este programa en Aguascalientes.
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PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA
José Martín Melchor Leal
VI
CONTENIDO
RESUMEN ...................................................................................................................................... II
ABSTRACT .................................................................................................................................... III
DEDICATORIA ............................................................................................................................ IV
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................... V
CONTENIDO ............................................................................................................................... VI
TABLAS ........................................................................................................................................ XI
FIGURAS...................................................................................................................................... XII
GLOSARIO ................................................................................................................................. XV
1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................................... 1
1.1 Definición del problema de los moldes usando PPE+PS+PA ................................... 1
1.2 Justificación del proyecto de investigación .............................................................. 3
1.2.1 El tiempo de vida de moldes de inyección usando PPS+PE+PA ..................... 3
1.2.2 Desgaste superficial en áreas activas del molde .............................................. 4
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 8
2.1 Introducción a los plásticos ............................................................................................... 8
2.1.1 Breve historia del plástico ............................................................................................ 8
2.1.2 Polímeros termoplásticos ............................................................................................. 8
2.1.3 Clasificación de plásticos ............................................................................................ 9
2.1.4 Termoplástico NORYL (PPE+PS+PA) reforzado con 37% fibra de vidrio ............. 12
2.2 Máquinas Industriales para la inyección de termoplásticos ...................................... 13
2.2.1 Máquina basada en tornillo inyector reciproco .................................................... 14
2.2.2 Componentes básicos de la inyectora ................................................................... 14
2.2.3 Unidad de Potencia ................................................................................................... 15
2.2.4 Unidad de inyección ................................................................................................. 15
2.2.4.1 La boquilla ................................................................................................................ 16
2.2.5 Unidad de Control ...................................................................................................... 16
2.2.6 Unidad de cierre ......................................................................................................... 16
2.3 El proceso de inyección de termoplásticos .................................................................. 17
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VII
2.3.1 Parámetros básicos que intervienen en el proceso de inyección ..................... 18
2.3.2 Presión de inyección y su relación con los componentes ................................... 19
2.4 Problemas detectados en los moldes de inyección ................................................... 19
2.4.1. Problemas de moldes relacionados a su diseño .................................................. 19
2.4.2 Problemas con la selección del polímero .............................................................. 20
2.4.3 Selección de los materiales de fabricación del molde ........................................ 20
2.5 Desgaste en moldes de inyección de plástico ............................................................ 20
2.5.1 Desgaste en el molde por separación física de los átomos ................................ 21
2.5.2 Tipos de disolución química del acero en el molde ............................................. 23
2.5.3 Medición de desgaste en un molde mediante la topografía superficial ......... 23
2.5.4.1 Principio de operación del profilómetro láser ..................................................... 25
2.6 Materiales utilizados en la fabricación de moldes y sus características básicas .... 25
2.6.1 Materiales para construcción de moldes de inyección de plástico.................. 26
2.7 Recubrimientos para moldes de inyección de termoplásticos ................................. 28
2.7.1 La aplicación de temperatura elevada al poner recubrimientos como el
principal obstáculo a vencer ............................................................................................. 28
2.7.2 Recubrimientos sugeridos por la SME desde el año 1998 .................................... 28
2.7.3 Nueva generación de recubrimientos disponibles a partir del año 2010 ......... 31
2.8. Deposición en fase vapor (PVD) .................................................................................... 33
2.8.1 Descripción del proceso de deposición en fase vapor (PVD) ............................ 33
2.8.2 Mejora del Proceso PVD con el método ―sputtering‖ o con ―asistencia de
magnetrón‖ .......................................................................................................................... 34
3 . DIRECTRICES DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................................ 36
3.1 Identificación de los factores de desgaste ................................................................... 37
3.2 Modelo matemático de desgaste en investigaciones previas ................................. 39
3.2.1 El modelo de desgaste basado en la ley de Archard.......................................... 40
3.2.2 Experimentación previa en desgaste de moldes .................................................. 40
3.2.3 Propuesta de modelo de desgaste J. Bergstrom y F. Thuvander ........................ 43
3.2.4 Conclusiones de la investigación previa ................................................................ 45
3.2.5 Mejora en el coeficiente de fricción en aplicaciones aeroespaciales usando
recubrimientos diamantados (DLC) mediante CVD ...................................................... 46
3.3 Simulación por mecánica molecular de los recubrimientos ...................................... 48
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VIII
3.3.1 Software seleccionado para modelación de mecánica molecular ................. 48
3.3.2 Modelación usando mecánica molecular para los recubrimientos de moldes
................................................................................................................................................ 49
3.4 Hipótesis de Investigación ........................................................................................... 53
3.4.1 Regresión lineal usando datos de investigaciones previas .................................. 53
3.4.2 Ecuación-hipótesis propuesta en esta investigación ............................................ 54
4. PROPUESTA DE EXPERIMENTACIÓN ................................................................................... 56
4.1 Fases del proyecto de tesina para la mejora de vida en moldes en Sensata
Technologies ............................................................................................................................ 56
4.1.1 Alcance de la investigación de tesina y propuesta de implementación
masiva en Sensata Technologies ...................................................................................... 57
4.1.2 Necesidad de un simulador de inyección para la experimentación y
especímenes de prueba .................................................................................................... 60
4.1.2.1 Especímenes para evaluar el desgaste ............................................................... 61
4.1.3 Método estadístico para comprobar la hipótesis basada en ―t-student para
una muestra‖ ........................................................................................................................ 62
4.1.4 Estimación de la duración de una repetición de prueba ................................... 65
4.2 Análisis de elemento finito en parte plástica para generar desgaste en
espécimen. ............................................................................................................................... 67
4.2.1 Selección de software CAE Moldex3DTM para análisis .......................................... 69
4.2.2 Propiedades del polímero Noryl GTX 830 (PPS+PE+PA) para simulación .......... 69
4.2.2.1 Recomendaciones del fabricante al usar el Noryl aleación de PPE+PA+PS
reforzado con 30% fibra de vidrio ..................................................................................... 72
4.2.3 Diseño en Solidworks (CAD) de pieza plástica a inyectar ................................... 73
4.2.4 Resultados obtenidos de la simulación CAE de la pieza inyectada .................. 75
4.2.4.1 Presión de llenado en la cavidad ......................................................................... 75
4.2.4.2 Presión en el bebedero vs tiempo ........................................................................ 76
4.2.4.3 Tasa de flujo al entrar a la cavidad vs tiempo ................................................... 77
4.2.4.4 Relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad ............... 77
4.2.4.5 Temperatura máxima de la parte inyectada ..................................................... 78
4.2.4.6 Fuerza de cierre para el molde vs tiempo ........................................................... 78
4.2.4.7 Porcentaje de llenado volumétrico de la cavidad vs tiempo ......................... 79
4.2.4.8 Peso total de la pieza vs tiempo ........................................................................... 79
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IX
4.2.4.9 Llenado peso de la cavidad vs tiempo ............................................................... 80
4.3 Diseño del molde para probar especímenes ............................................................... 81
4.4 Propuesta de medición de desgaste en especímenes por comparación de
topografías superficiales ........................................................................................................ 82
4.4.1 Equipo para medición de desgaste de los especímenes ................................... 82
4.4.2 Método para medición de desgaste en los especímenes .................................. 83
4.5 Construcción de especímenes de prueba ................................................................... 86
4.5.1 Diseño de especímenes de prueba para desgaste ............................................. 86
4.5.2 Fabricación de especímenes de prueba con proveedor ................................... 86
4.6 Para probar ecuacion-hipotesis con los resultados de especímenes TiN Y DLC .... 87
4.6.1 Perfil de referencia de cada espécimen para la medición ................................ 88
4.6.2 Aplicando ciclos de desgaste a especímenes por medio del simulador de
inyección .............................................................................................................................. 88
4.6.3 Estimación de desgaste usando la ecuación-hipótesis ....................................... 88
4.6.4 Descripción de método para comprobar la ecuación-hipótesis ....................... 90
4.6.5 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento TiN (hipótesis H01) .......... 91
4.6.6 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento DLC (hipótesis H02) ....... 92
5. CONCLUSIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................................. 93
6. RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACION DE LA INVESTIGACIÓN EN SENSATA
TECHNOLOGIES ............................................................................................................................ 95
6.1 Sumario características especímenes de prueba ....................................................... 95
6.2 Dibujo del diseño final de los especímenes para construcción ................................ 97
6.3 Identificación de especímenes para experimentación ............................................. 97
6.4 Método estadístico ANOVA propuesto para comparar combinaciones ................ 99
6.5 Aplicación a moldes nuevos ......................................................................................... 101
7. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 103
8. ANEXO A.- EQUIPO SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL ....................................... A
8.1 Primer prototipo de simulador de desgaste experimental ........................................... A
8.1.1 Construcción del primer prototipo del simulador .................................................... A
8.1.2 Problemas detectados y lecciones aprendidas del primer prototipo ................. B
8.2 Diseño del simulador experimental de desgaste .......................................................... C
8.2.1 Diseño del simulador en 3D Solidworks ...................................................................... D
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X
8.3 Cálculo de estrés en la estructura del simulador ............................................................E
8.4 Desarrollo de la unidad de cierre ...................................................................................... F
8.5 Desarrollo del sistema de control electrónico del simulador....................................... G
8.5.1 Diagrama a bloques del sistema de control ............................................................ H
8.5.2 Micro-controlador ATMEGA256016AU ......................................................................... I
8.5.3 Interfase de la pantalla de cristal líquido y botoneras ............................................. I
8.5.4 Diseño de interfase para el termistor .......................................................................... J
8.5.5 Interfase de potencia para la resistencia calefactora .......................................... K
8.6 Análisis térmico del inyector para el simulador ............................................................... L
8.6.1 Análisis térmico con el rediseño de boquilla ........................................................... M
8.7 Diseño de unidad inyectora basado en simulación térmica en Solidworks ............. O
8.8 Ensamble completo del simulador ................................................................................... P
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XI
TABLAS
Tabla 2-1 Diversas clasificaciones de los plásticos. 10
Tabla 3-1 Propiedades físicas del Lexan 341R-739. 41
Tabla 3-2 Potenciales electrostáticos de diversos recubrimientos. 52
Tabla 4-1 Materiales seleccionados para experimentación. 61
Tabla 4-2 Combinaciones seleccionadas para la experimentación. 62
Tabla 4-3 Propiedades mecánicas del NORYL. 70
Tabla 4-4 Parámetros de operación del Noryl GTX 830. 73
Tabla 4-5 Formato para registro de las mediciones de desgaste. 88
Tabla 4-6 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis. 89
Tabla 4-7 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis. 89
Tabla 5-1 Características de los especímenes de prueba. 96
Tabla 6-2 Identificación propuesta para validación. 99
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XII
FIGURAS
Fig. 1-1 Ejemplos de piezas hechas con polímero PPE+PS+PA. 2
Fig. 1-2 Sensores automotrices usando piezas moldeadas con PPE+PS+PA. 2
Fig. 1-3 Comparativa de vida de los moldes vs. la frecuencia de mantenimiento. 4
Fig. 1-4 Defectos en piezas como consecuencia de desgaste en los moldes. 4
Fig. 1-5 Molde de inyección cerrado. 5
Fig. 1-6 Insertos del molde con daño físico debido al desgaste. 5
Fig. 1-7 Desgaste en la cavidad del molde. 5
Fig. 1-8 Desgaste del acero en los moldes. 6
Fig. 1-9 Diagrama de flujo de la vida de un molde de inyección. 7
Fig. 2-1 Ejemplo de monómero y polímero, respectivamente. 9
Fig. 2-2 Triángulo de termoplásticos de aplicación industrial. 11
Fig. 2-3 Muestra granular del polímero PPE+PS+PA (Noryl GTX830). 13
Fig. 2-4 Inyectora industrial marca Arburg. 13
Fig. 2-5 Línea de producción de inyección. 13
Fig. 2-6 Esquema de inyectora de termoplásticos. 14
Fig. 2-7 Parámetros principales que afectan la inyección de termoplásticos. 18
Fig. 2-8 Causas del desgaste en el acero. 21
Fig. 2-10 Sub-clasificación al desgaste por deslizamiento (fricción). 22
Fig. 2-9 Los diferentes tipos de desgaste en los moldes de inyección. 22
Fig. 2-11 Tipos de erosión o disolución química. 23
Fig. 2-12 Topografía superficial de un molde. 24
Fig. 2-13 Ejemplo de una imagen 3D del profilómetro láser. 24
Fig. 2-14 Cabeza de medición del profilómetro láser. 25
Fig. 2-15 Máquina PVD comercial y detalle de una cámara de vacío. 33
Fig. 2-16 Proceso de deposición de vapor física (PVD). 34
Fig. 2-17 Proceso PVD usando el magnetrón (sputtering). 34
Fig. 2-18 Fenómeno de plasma dentro del sistema PVD sputtering. 35
Fig. 2-19 Equipo industrial PVD sputtering. 36
Fig. 2-20 El principio ―sputtering‖ del magnetrón. 36
Fig. 3-1 Factores que afectan la vida útil de los moldes. 38
Fig. 3-2 Espécimen y porta espécimen en investigación previa. 41
Fig. 3-3 Imagen obtenida por SEM de las fibras de vidrio en un PPE+PS+PA. 42
Fig. 3-4 Daños ocasionados en la superficie del molde por las fibras de vidrio. 42
Fig. 3-5 Ampliación mostrando el detalle de las micro-impresiones en el acero. 43
Fig. 3-6 Esquema del esfuerzo de corte de una fibra de vidrio de refuerzo. 44
Fig. 3-7 Detalle del ángulo de la fibra con respecto a superficie del molde. 44
Fig. 3-8 Esquema de la profundidad de micro-impresión en la superficie del molde. 44
Fig. 3-9 Estimación desgaste de micro-impresiones en aceros vs velocidad de corte. 45
Fig. 3-10 Pérdida de masa después de ataque con 1000 gramos de polímero. 47
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XIII
Fig. 3-11 Pérdida de masa vs ataque de polímero. 47
Fig. 3-12 Software de simulación de mecánica molecular HyperChem. 49
Fig. 3-13 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio aluminio. 50
Fig. 3-14 Simulación del potencial electrostático del nitruro de cromo. 51
Fig. 3-15 Simulación pot. electrostático del nitrurocarburo de titanio. 51
Fig. 3-16 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio. 51
Fig. 3-17 Simulación del potencial electrostático del nitruro de zirconio. 52
Fig. 3-18 Simulación de potencial electrostático del diamante como carbón (DLC). 52
Fig. 3-19 Análisis de regresión entre coeficiente de fricción y desgaste. 54
Fig. 4-1 Alcance proyecto 57
Fig. 4-2 Cronograma de tesina y proyecto de implementación. 60
Fig. 4-3 Ejemplo de prueba estadística t-student para una muestra. 64
Fig. 4-4 Distribución t-student. 65
Fig. 4-5 Tiempo de ciclo de inyección contra el grosor de la pared inyectada. 66
Fig. 4-6 Logo comercial del software MOldex3D. 69
Fig. 4-7 Curva de conductividad térmica vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 70
Fig. 4-8 Curva de volumen específico vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 71
Fig. 4-9 Curva de viscosidad vs temperatura de polímero Noryl GTX830. 71
Fig. 4-10 Capacidad térmica vs temperatura del polímero Noryl GTX830. 72
Fig. 4-11 Logo comercial de software. 74
Fig. 4-12 Pieza plástica diseñada para desgaste. 74
Fig. 4-13 Dimensiones de la pieza a inyectar en Resina PPE+PS+PA. 75
Fig. 4-14 Resultado de la presión de llenado en la pieza plástica. 76
Fig. 4-15 Resultado de la presión del bebedero durante la inyección. 76
Fig. 4-16 Resultado tasa de llenado de la cavidad. 77
Fig. 4-17 Resultado de simulación de la relación de capa congelada. 78
Fig. 4-18 Resultado de simulación de la Temperatura máxima. 78
Fig. 4-19 Resultado de simulación de la fuerza de cierre del molde en Moldex3D. 79
Fig. 4-20 Resultado de simulación de tasa de llenado fracción volumétrica. 79
Fig. 4-21 Resultado de simulación del peso total de la pieza moldeada. 80
Fig. 4-22 Resultado de simulación del peso al llenar la cavidad. 80
Fig. 4-23 Molde de aluminio y espécimen. 81
Fig. 4-24 Corte transversal del molde. 81
Fig. 4-25 Esquema de profilómetro láser. 82
Fig. 4-26 Superficie a medir. 83
Fig. 4-27 Imagen 3D del plano de referencia cero. 84
Fig. 4-28 Imagen 3D de superficie del plano de resultados. 84
Fig. 4-29 Imagen 3D de la superficie desgastada ∆z. 85
Fig. 4-30 Diseño de espécimen y sus dimensiones. 86
Fig. 4-31 Logo de M.T.P. Associates Inc. 87
Fig. 4-32 Primeros especímenes de prueba fabricados. 87
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XIV
Fig. 4-33 Resultado de prueba t-student para hipótesis H01. 92
Fig. 4-34 Resultado de prueba t-student para hipótesis H02. 93
Fig. 5-1 Dibujo generado por el proveedor de recubrimientos para especímenes. 97
Fig. 5-2 Método estadístico ANOVA para comparar desgaste de especímenes. 100
Fig. 8-1 Primer prototipo de simulador completo. B
Fig. 8-2 Diagrama a bloques de los sistemas que componen al simulador. D
Fig. 8-3 Diseño mecánico del simulador. E
Fig. 8-4 Deformaciones por esfuerzos para la primera propuesta. F
Fig. 8-5 Fotografía del sistema de cierre construido para el simulador. G
Fig. 8-6 Diagrama a bloques sistema de control del simulador. H
Fig. 8-7 Botonera principal y auxiliar. J
Fig. 8-8 Regresión valores esperados a diferentes temperaturas del termistor. K
Fig. 8-9 Rediseño de boquilla para lograr mantener temperatura. M
Fig. 8-10 Análisis térmico de Rediseño que resuelve el problema zonas de frías. N
Fig. 8-11 Comportamiento térmico esperado del inyector O
Fig. 8-12 Fotografía del torneado del inyector. P
Fig. 8-13 Fotografía del simulador de inyección experimental completo. Q
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XV
GLOSARIO
PVD sputtering Deposición en fase vapor por deposición catódica (asistida con
magnetrón).
DLC ―Carbono como diamante‖ (DLC) materiales de carbono amorfo
que muestran algunas de las propiedades típicas del diamante. Se
aplican generalmente como recubrimientos a otros materiales que
pueden beneficiarse de algunas de esas propiedades.
PLC Programador Lógico programable (por sus siglas en inglés).
PID Control Proporcional-Integral-Derivativo.
PPE+PS+PA Polímero compuesto por Poli(éter de fenileno) + poliestireno +
poliamida.
TiN Nitruro de Titanio.
Renderizar Proceso de generar una imagen o vídeo mediante el cálculo de
iluminación GI partiendo de un modelo en 3D.
Profilómetro Instrumento de medición que cuantifica la rugosidad de una
superficie.
Láser Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.
Microcontrolador Circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes
grabadas en su memoria.
Magnetrón Dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía
electromagnética en forma de microonda.
Tribológico Ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que
tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en
movimiento.
Martensita Nombre que recibe la fase cristalina BCC, en aleaciones ferrosas.
Índice LogP Proporción entre las concentraciones de un compuesto no-ionizado
entre los dos disolventes
Análisis de
elemento finito
Técnica de simulación por computadora usada en ingeniería. Usa
una técnica numérica llamada método de los elementos finitos
(FEM).
Reológicos Parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la
deformación en los materiales que son capaces de fluir.
HV Dureza Vickers
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1
1. INTRODUCCIÓN
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA DE LOS MOLDES USANDO PPE+PS+PA El creciente desarrollo de la industria a nivel regional y nacional ha generado una
demanda cada vez más grande de soluciones para problemas surgidos en los
procesos productivos de las empresas, principalmente del área de manufactura
automotriz.
Los nacientes retos que enfrenta la industria nacional, que busca competir en el
mercado internacional, vuelve prioritario el empleo de tecnología de punta para
mejorar el desempeño de las máquinas y herramientas que intervienen en los procesos
de producción con el fin de obtener productos competitivos, tanto en calidad como
en precio, dentro del ámbito nacional e internacional.
Actualmente, los proveedores de Sensata Technologies de México del área de moldes
y estampado, presentan el inconveniente de tener un bajo nivel de desarrollo, tanto en
productividad como en los tiempos de entrega y en la calidad de sus productos; todo
esto afecta su competitividad a nivel nacional e internacional pues, aunque cuentan
con una excelente posición geográfica y bajos costos de producción, tienen una gran
desventaja en cuanto a la optimización de sus procesos productivos, monitores de
efectividad y controles de calidad; esto origina la necesidad de crear herramientas
con el objetivo de incrementar la competitividad de dichos proveedores.
En la figura 1-1 se muestran algunos de los sub-productos de Sensata Technologies
generados a partir de piezas de inyección de polímero reforzado con fibra de vidrio,
son conectores utilizados para el ensamble de una gran variedad de sensores
automotrices, los cuales, gracias a sus propiedades mecánicas y eléctricas reforzadas,
pueden integrarse bien dentro de los exigentes mercados de automotores.
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En la figura 1-2 se pueden ver algunos de los productos terminados fabricados a partir
de los conectores inyectados a base de polímero reforzado PPE+PS+PA, son muestra de
cómo una pieza inyectada puede ser utilizada en múltiples aplicaciones, ya que cubre
los requisitos automotrices y permite la compatibilidad y estandarización en la
fabricación en masa.
Los herramentales de los diferentes proveedores de Sensata Technologies,
especialmente los que se especializan en inyección de plástico, localizados en el
territorio nacional, están presentando un problema crónico en el tiempo de vida de los
moldes; esto, especialmente cuando se agregan partes metálicas o insertos a la
inyección. Los moldes están construidos para soportar alrededor de 1,000,000 de ciclos,
y sin embargo, a usos menores presentan problemas de calidad mermando la
productividad, en algunos casos llegando hasta el 30% de pérdida en su capacidad
instalada, provocando con esto, problemas en la entrega y en calidad.
Fig. 1-1 Ejemplos de piezas
hechas con polímero
PPE+PS+PA.
Fig. 1-2 Sensores automotrices usando piezas moldeadas
con PPE+PS+PA.
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1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Este proyecto tiene como fin buscar una solución efectiva al problema de la
durabilidad de moldes para reducir el impacto de retrasos en entregas y calidad.
Encontrar una solución a este problema ayudará al crecimiento de los proveedores de
inyección de plástico de la región y con esto, se atraerá más inversión extranjera
(Sensata Technologies) para los fabricantes de partes de plástico inyectado localizados
en México y muy posiblemente, lograr transferir de otros países a México la producción
de este tipo de componentes.
Los moldes que tienen una menor vida son aquellos que usan plásticos reforzados de
relleno de vidrio PPS+PE+PA, éstos constituyen un gran porcentaje de los utilizados por
Sensata Technologies.
Los plásticos reforzados de relleno de vidrio son conocidos por producir un desgaste
considerable en los moldes, tornillos y barriles de las máquinas de moldeo por
inyección. Durante muchos años se han empleado diversos recubrimientos y
tratamientos superficiales para combatir este efecto. Sin embargo, para la
cuantificación de los beneficios de dichos recubrimientos y tratamientos se ha
procedido sobre una base empírica y hay pocos datos confiables para facilitar la
selección correcta de dichos materiales.
1.2.1 El tiempo de vida de moldes de inyección usando PPS+PE+PA
El tiempo de vida de los moldes de inyección en Sensata Technologies, fluctúa entre un
millón, y un millón y medio de disparos, antes de tener que restaurar la herramienta.
Existen algunas variaciones, en las cuales ciertos moldes no alcanzan este tiempo de
vida y esas variaciones, están usualmente relacionadas con fallas en el mantenimiento.
Sin embargo, en condiciones especiales, algunos de los moldes han alcanzado
tiempos de vida mayores a 4 millones de disparos.
La gráfica de la figura 1-3 muestra un estudio donde 30 moldes se compararon en
condiciones similares; el eje de las x muestra la frecuencia de mantenimiento, el eje y
muestra los días de operación y el eje de la z muestra el número de fallas relacionadas
a desgaste en los moldes. La gráfica representa la vida útil de los moldes, que superan
las 1000 horas de operación; se puede observar que la frecuencia de mantenimiento
se vuelve independiente de la vida del molde, aunque es un factor muy importante ya
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que, si no se da adecuadamente propicia un incremento temprano de defectos
relacionados al desgaste del molde; sin embargo puede notarse que, pasando el
umbral de las 1,000 horas aparece un nuevo factor no identificado que produce
diferencias significativas en el tiempo de vida útil del molde.
En la figura 1-4 se muestran algunos de los defectos más usuales que se presentan en
las piezas inyectadas cuando los moldes comienzan a tener desgaste en la superficie
del acero, es entonces que se requiere una reparación mayor o renovación en el
molde.
1.2.2 Desgaste superficial en áreas activas del molde
Los moldes sufren un desgaste natural al ser usados repetidamente en las producciones
masivas, existen muchos factores para que esto suceda, entre ellos, los impactos
Fig. 1-3 Comparativa de
vida de los moldes vs. la
frecuencia de
mantenimiento.
Fig. 1-4 Defectos en piezas como consecuencia de desgaste en los
moldes.
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térmicos y la fricción de los polímeros al ser inyectados en las cavidades. La figura 1-5
muestra uno de los moldes de inyección utilizados en Sensata Technologies.
Fig. 1-5 Molde de inyección cerrado.
En la figura 1-6 se aprecia como algunos insertos que van montados dentro del molde
de inyección sufren desgaste hasta llegar al punto de ruptura del material. En la figura
1-7 puede verse una sección interna del molde llamada cavidad que presenta un
desgaste del acero que lo forma.
Los defectos más usuales que presentan las piezas termo-formadas, ocurren en las
zonas de cierre y en las zonas de inyección de plástico del molde, estos defectos
Fig. 1-6 Insertos del molde con daño físico debido al desgaste.
Fig. 1-7 Desgaste en la cavidad del molde.
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suelen ser excesos de plástico que quedan como rebabas, conocidos como ―flashes‖;
otro de los defectos típicos se relaciona con el control dimensional que, en algunas
ocasiones, se sale de la especificación. Los daños mecánicos ocurridos en el molde,
que originan los defectos en las piezas termo-formadas son generados principalmente
por desgaste en las zonas mencionadas. A medida que el molde es utilizado este
desgaste se va incrementando, hasta llegar al punto en que, las partes moldeadas se
salen de especificación y, cuando esto ocurre, el molde debe ser desmontado para
realizarle una reparación que consiste en rellenar el faltante de material en la zona
afectada. En las fotos que se muestran en la figura 1-8 puede apreciarse el desgaste
del acero en los moldes.
Fig. 1-8 Desgaste del acero en los moldes.
La figura 1-9 muestra el diagrama de flujo del ciclo de vida de un molde de inyección
de plástico, siguiéndolo puede entenderse donde inicia el deterioro del molde. Los
recuadros amarillos muestran las actividades relacionadas con el molde y los rojos
donde se localizan las fallas del molde.
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Fig. 1-9 Diagrama de flujo de la vida de un molde de inyección.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1 INTRODUCCIÓN A LOS PLÁSTICOS
2.1.1 Breve historia del plástico
En 1868, John Wesley Hyatt desarrolló un material llamado «celulosa» que es un
polímero natural, este material es uno de los primeros plásticos que existió, su primera
aplicación fue el recubrimiento de bolas de billar. En 1872 se hizo la primera patente de
una máquina inyectora de plástico y en 1937 se fundó la sociedad de plásticos para la
industria. Ya para 1940 existía una amplia demanda para los productos de plástico y,
en esos momentos James Hendry iniciaba la comercialización de la recién patentada
“máquina en inyección con tornillo”. Con la segunda guerra mundial, se dio una
enorme demanda de piezas moldeados por inyección, debido a la necesidad de
productos a gran escala y de bajo costo (1).
Para 1955 se inició la comercialización del policarbonato, un termoplástico que ha
tenido amplia aceptación en el mercado por su gran resistencia al impacto y sus
propiedades ópticas extraordinarias. En 1959 DuPond introduce los primeros mono-
polímeros y para 1979 la producción de plástico sobrepasaba la producción de metal.
Si observamos la rápida evolución que tuvo el desarrollo de este mercado desde los
años 1800 hasta nuestros días, podemos observar que este tipo de producto logró una
aceptación sin precedentes, tanto en los mercados industriales como en los
domésticos, y para 1995, ya existían más de 18,000 diferentes tipos de materiales para
moldear y a partir esa fecha se continuaron incrementando a una velocidad de 750
nuevos materiales por año.
2.1.2 Polímeros termoplásticos
La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular. Su nombre
proviene de Poli= muchos y mero= parte, están constituidos por la unión repetitiva de
una o varias moléculas, denominadas monómeros, los monómeros se combinan para
formar al polímero. La figura 2-1 muestra un ejemplo de moléculas de monómero y
polímero. La reacción de polimerización es un proceso químico mediante el cual
cientos o miles de pequeñas moléculas de monómero se enlazan entre sí para formar
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un polímero. Se utilizan iniciadores, catalizadores, control de pH, calor y vacío para
acelerar y controlar este tipo de reacciones químicas.
Fig. 2-1 Ejemplo de monómero y polímero, respectivamente.
En la actualidad existen alrededor de 20,000 diferentes materiales termoplásticos
disponibles. Los termoplásticos pueden definirse como un material plástico que,
cuando se calienta, puede plastificarse, suavizarse, y que endurecerse al enfriar sin
cambiar su característica química, sólo se altera la característica física del material.
Esta cualidad los diferencia de otro tipo de termoplásticos llamados termoestable, los
cuales son materiales plásticos que al calentarse cambian sus características químicas
y usualmente llevan un proceso denominado curado.
2.1.3 Clasificación de plásticos
Los plásticos pueden clasificarse de muchas maneras, una de las primeras
clasificaciones que se aplican a estos materiales es si son termoplásticos o
termoestables. Otra clasificación son los materiales amorfos, aquellos que tienen una
estructura molecular aleatoria; estos materiales se pueden suavizar a un amplio rango
de temperaturas, debido a que en realidad nunca se derriten, sino que sólo se
suavizan, usualmente suavizan tan pronto como entran en contacto con la fuente de
calor. El material cristalino tiene una estructura molecular en una cadena bien
ordenada. Cuando este material se calienta y llega a su punto de fusión, lo que
realmente ocurre es que no pasa por la etapa de suavizado sino que se va
directamente a la etapa de endurecimiento. Cuando este material se sobrecalienta
puede degradarse por el calor absorbido. También existen los elastómeros, que son
polímeros que tienen un amplio espectro de elasticidad. La tabla 2-1 muestra algunas
de las posibles clasificaciones que se pueden aplicar, estas son utilizadas para
determinar el método para crearlos, o por sus características aplicación.
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Tabla 2-1 Diversas clasificaciones de los plásticos.
Una categoría importante para el proyecto es la clasificación de plásticos por su
aplicación en producción industrial, donde sobresalen los termoplásticos de
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especialidad, también conocidos como plásticos de ingeniería, que se caracterizan
por ser materiales que tienen propiedades superiores a los plásticos de gran volumen.
Presentan buena estabilidad térmica y buena resistencia al impacto, alta temperatura
de distorsión, alta resistencia a la tensión mecánica, y una mayor tenacidad. Es en las
aplicaciones que demandan alto desempeño donde se encuentra su principal uso. En
la figura 2-2 se muestra el triángulo de los termoplásticos industriales, donde se puede
apreciar que en la parte superior se ubican los termoplásticos de mayor desempeño y
mayor costo; a medida que se desciende en el triangulo se encuentran aplicaciones
más comunes con menor exigencia de propiedades químicas, físicas, térmicas o
eléctricas. El polímero reforzado PPE+PS+PA ó termoplástico Noryl GTX 830, que se
indica en color rojo al lado izquierdo superior del triángulo, es una aleación de tres
diferentes termoplásticos: el nylon (PA), el poliestireno (PS) y el polifenileno éter (PPE); los
cuales al ser aleados producen un termoplástico de ingeniería de alto desempeño. Las
características de cada uno de ellos se suman obteniendo así las ventajas del PA
que es un polímero sintético que pertenece al grupo de las poliamidas y está
catalogado como un polímero de ingeniería, del PS que es un polímero estándar,
económico y resistente y finalmente el PPE que es un plástico amorfo de alto
rendimiento que contiene un aditivo de 38% de fibra de vidrio.
Fig. 2-2 Triángulo de termoplásticos de aplicación industrial.
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Termoplásticos reforzados
Gran parte de los termoplásticos disponibles al día de hoy pueden encontrarse tanto
en su versión pura como en versiones a las que se les han agregado aditivos que
permiten mejorar las propiedades del polímero puro. Usualmente, se agregan químicos
así como materiales orgánicos o inorgánicos. Por ejemplo, una pequeña cantidad de
lubricantes permiten mejorar las propiedades de deslizamiento del material.
Existen dos tipos de termoplásticos reforzados, en los que usan aditivos de relleno y los
que tienen aditivos reforzantes, siendo las combinaciones más comunes las de fibra de
vidrio con material orgánico y las cerámicas con metales. Las cerámicas se emplean
para incrementar la resistencia a la temperatura y los metales se aplican para cambiar
las características particulares del material; generalmente en metales se utiliza desde el
acero inoxidable hasta el titanio.
2.1.4 Termoplástico NORYL (PPE+PS+PA) reforzado con 37% fibra de vidrio
Existe en el mercado una gran variedad de plástico reforzado PPE+PS+PA, se le
conoce con el nombre de Noryl reforzado, es un termoplástico muy utilizado en las
diferentes aplicaciones de ingeniería, el cual es adecuado para fabricar, pintar y
pegar; entre las propiedades del Noryl reforzado, las más importantes son:
Alta tenacidad.
Resistencia térmica.
Retención de propiedades superior a la mayor parte de las poliolefinas.
Baja absorción de humedad.
Excelente resistencia química.
Buena estabilidad hidrolítica.
Excelente resistencia al fundido y procesabilidad.
Puede ser moldeado por inyección, extrusión y termo-formado.
En la figura 2-3 se muestra un ejemplo de la aplicación del polímero PPE+PS+PA
denominado Noryl GTX 830 del fabricante Sabic. En Sensata Technologies esta resina
se utiliza en la fabricación de conectores eléctricos; la figura muestra en la parte
superior una pieza inyectada que se utilizará para ensamblar un sensor electrónico; en
la parte central se muestra el Noryl en su forma granulada, que es como se recibe del
fabricante para proceder al termo-formado. Respecto al color, el Noryl de la derecha
aparece con su apariencia natural; mientras que al de la izquierda se le ha agregado
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colorante negro; puede obtenerse en una gran variedad de colores ya que el
fabricante de la resina puede agregar aditivos colorantes según la aplicación.
2.2 MÁQUINAS INDUSTRIALES PARA LA INYECCIÓN DE
TERMOPLÁSTICOS El proceso de inyección de termoplásticos implica una máquina denominada prensa
de inyección, debido a que parte de la misma, está conformada por una prensa que
sujeta al molde. Las partes que la integran, así como los tamaños y opciones son muy
variados, pero en general contienen componentes similares. Existen en el mercado
muchos tipos de inyectoras, pero la que sobresale especialmente en la industria de
fabricación de sensores es la inyectora horizontal, que utiliza un tornillo para generar la
plasticidad de la resina a inyectar.
En la figura 2-4 se muestra una máquina industrial de inyección de termoplástico; en la
figura 2-5 se puede observar una línea de producción compuesta por varias máquinas
inyectoras.
Fig. 2-3 Muestra granular del polímero
PPE+PS+PA (Noryl GTX830).
Fig. 2-5 Línea de producción de
inyección.
Fig. 2-4 Inyectora industrial marca
Arburg.
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2.2.1 Máquina basada en tornillo inyector reciproco
La máquina de inyección de termoplástico utiliza un pistón o un tornillo extrusor para
forzar el paso del polímero fundido al interior del molde. La máquina de émbolo fue la
primera en ser desarrollada, es un sistema de pistón que se calienta con el polímero en
su interior, sin embargo la tendencia actual se inclina a que este tipo de máquinas
sean sustituidas por la máquina de tornillo reciproco, aunque aún se utilizan en la
actualidad.
Los últimos avances tecnológicos en cuanto a las máquinas de inyección industrial,
están encaminados al empleo de sistemas de control mediante programas
informáticos para controlar las principales variables que intervienen en el proceso
como presión, temperatura y tiempos de inyección.
2.2.2 Componentes básicos de la inyectora
Una máquina de inyección o prensa inyectora tiene usualmente cuatro secciones
principales que la componen: unidad de control, unidad de cierre, unidad de
inyección y unidad de potencia; la figura 2-6 muestra un esquema donde se pueden
apreciar dichas secciones; en la parte inferior se encuentra una lista de los
componentes de la inyectora (2).
Fig. 2-6 Esquema de inyectora de termoplásticos.
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1. Tolva alimentadora.
2. Cubierta de barril.
3. Barril con bandas calefactoras.
4. Cilindro de inyección.
5. Boquilla.
6. Tornillo.
7. Controlador de temperatura de aceite.
8. Alarma de temperatura de aceite.
9. Motor Hidráulico.
10. Motor eléctrico.
11. Bomba hidráulica.
12. Acumulador.
13. Sensor de temperatura de aceite.
14. Filtro.
15. Válvula hidráulica de control.
16. Placas porta-molde.
17. Sistema de cierre con palancas acodadas.
18. Columnas guías.
19. Controlador electrónico para control del proceso.
2.2.3 Unidad de Potencia
La unidad de potencia es la sección de la inyectora que genera la energía usada para
convertir el polímero granulado a su condición plástica e impulsar el polímero dentro
de las cavidades del molde. Las inyectoras hidráulicas se basan en dos sub-
componentes principales, la unidad hidráulica que genera la presión en el aceite y el
motor hidráulico que mueve al tornillo para impulsar el material fundido dentro del
molde. Las inyectoras eléctricas, usan servomotores en lugar del los componentes
hidráulicos para las mismas funciones.
2.2.4 Unidad de inyección
La unidad de inyección realiza las funciones de cargar y plastificar el material sólido
mediante el giro del tornillo, mover el tornillo axialmente para inyectar el material
plastificado hacia las cavidades del molde y mantenerlo bajo presión hasta que sea
expulsado. La unidad de inyección es fundamentalmente un extrusor de un solo tornillo;
en general se puede decir que consta de un tornillo de Arquímedes, que gira dentro
de un barril o camisa con una distancia mínima entre la pared del barril y el hilo del
tornillo. El barril tiene bandas calefactoras que lo rodean y sirven para calentar y
difundir el material mientras avanza por el tornillo. La profundidad del canal del tornillo
disminuye desde el extremo de alimentación hacia el extremo de salida para
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favorecer la compresión del contenido. Los gránulos del polímero frío se cargan en el
extremo de la alimentación y el polímero fundido sale por el extremo de salida. El
calentamiento se debe en parte a los calentadores del barril y en parte a la disipación
viscosa que ocurre conforme el polímero fundido avanza a lo largo del tornillo.
El tornillo de Arquímedes está hecho de acero de alta resistencia, pulido o cromado
para facilitar el movimiento del material en su superficie. Existen tres tipos importantes
de unidades de inyección: unidades de pistón de una fase, unidades de pistón tornillo
de dos fases y unidades en línea con tornillo alternativo.
Actualmente, la mayoría de las máquinas de inyección se fabrican con el sistema de
tornillo alternativo, se le llama así porque alterna sus funciones de giro e inyección.
2.2.4.1 La boquilla
La boquilla conecta las dos mitades de la máquina para dejar pasar el material
fundido de la etapa de plastificación hacia el molde. Por lo común, la boquilla se
calienta por medio de una banda calefactora, pero también se genera el
calentamiento viscoso, ya que en este punto, el canal se estrecha y por lo tanto la
viscosidad de corte es más alta, esto a su vez facilita la inyección. Debe evitarse que
el polímero solidifique en la boquilla después de la inyección y retención de cerrado
del molde; esta sería la situación que se crearía por el contacto con el molde frío.
2.2.5 Unidad de Control
La unidad de control en la inyectora son los circuitos eléctricos, electrónicas y el control
numérico especializado para controlar temperaturas, presiones y fuerzas durante el
ciclo de inyección.
2.2.6 Unidad de cierre
La función de la unidad de cierre es mantener cerrado el molde con la fuerza
suficiente para resistir la presión de inyección y evitar fugas en las superficies de
acoplamiento del molde. El cierre se efectúa mediante un mecanismo de presión
mecánico o hidráulico. Así, la carrera de la mitad móvil de la prensa debe ser suficiente
para la profundidad de la pieza moldeada, también debe ser suficiente para poder
botarla, lo cual significa más del doble de la profundidad de moldeo. La fuerza
necesaria de cierre para una pieza moldeada determinada, puede encontrarse a
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partir de su área proyectada. La presión de inyección que se aplica sobre el área
proyectada proporciona la fuerza de inyección y por lo tanto, la fuerza de cierre que
se requiere para resistirla. Una manera de evaluar el tamaño de máquina es
considerando la fuerza de la unidad de cierre, cuanto mayor sea la fuerza disponible
más grande es la máquina.
2.2.6.1 Placa móvil de la unidad de cierre
La placa móvil de la unidad de cierre soporta la parte móvil del molde. Esta se mueve
axialmente hacia adelante y hacia atrás sobre las columnas guía, permitiendo que el
molde se cierre o se abra.
2.2.6.2 Placa estacionaria trasera de la unidad de cierre
La placa estacionaria trasera soporta el mecanismo de cierre de esta unidad y es
sobre la que se ejerce la fuerza para el cierre del molde.
2.2.6.3 Placa estacionaria frontal de la unidad de cierre
La placa estacionaria frontal está fija a la base de la máquina, ocupando
normalmente la parte central de la misma y conecta, por un lado a la unidad de
inyección, y por otro lado a la unidad de cierre. Esta placa es la que soporta a una de
las mitades del molde, la parte fija.
2.3 EL PROCESO DE INYECCIÓN DE TERMOPLÁSTICOS Cuando se aplica calor a un material termoplástico para fundirlo, se dice que se
―plastifica‖. El material plastificado por calor puede hacerse fluir mediante la
aplicación de presión para llenar el molde donde el material se solidificará y tomará la
forma del mismo. A este proceso se le conoce como moldeo por inyección. El proceso
de moldeo por inyección comprende tres operaciones básicas en la máquina: cierre
de molde, inyección de termoplástico y por último, la expulsión de la pieza.
Durante el proceso de inyección, hay varios factores que deben ser considerados.
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2.3.1 Parámetros básicos que intervienen en el proceso de inyección
Hay una gran variedad de parámetros que afectan el proceso de inyección de
termoplásticos, los principales son: temperatura, presión, tiempo y distancia. La figura
2-7 muestra en forma esquemática como se relacionan estos parámetros entre sí.
Temperatura. Debe tomarse en cuenta la temperatura del tornillo que se utiliza para
plastificar el material y también la temperatura del molde; para regularlas, usualmente
hay dos tipos de controles, uno en la máquina de inyección, que se encarga de
controlar la temperatura del tornillo y del barril para asegurar que se realice la
plastificación y el otro, que se encarga de regular la temperatura del molde; éste
último puede usar resistencias eléctricas o controlarse por agua o aceite que se
calientan en una unidad externa separada.
Presión. Usualmente, los parámetros de presión son controlados por la máquina, que
monitorea la velocidad a la que gira el tornillo y la activación o desactivación del
pistón de inyección o de un motor, según sea el caso. Otra presión importante que se
controla es la fuerza con la que se cierra el molde.
Tiempo. Es muy importante controlar el tiempo en que permanece cerrado el molde y
lograr que sea suficiente para permitir la solidificación de la pieza inyectada y que al
abrirlo, esta no se deforme.
Distancia. Para controlar el intervalo que recorre el pistón de inyección actualmente se
utilizan sistemas de retroalimentación como encoders, que miden electrónicamente el
desplazamiento del sistema de pistón.
Fig. 2-7 Parámetros principales
que afectan la inyección de
termoplásticos.
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2.3.2 Presión de inyección y su relación con los componentes
Se requiere de una alta presión en la máquina para inyectar el material termoplástico
debido a la alta viscosidad que presentan los polímeros fundidos, esta condición se
puede lograr mediante dos opciones; en una, la presión se aplica por medio del tornillo
y en la segunda, la presión se puede generar mediante un cilindro hidráulico (cuyo
diámetro es de 10 a 15 veces el del tornillo), el cual eleva la presión hasta alcanzar la
que se necesita para inyectar el material viscoso fundido.
2.4 PROBLEMAS DETECTADOS EN LOS MOLDES DE INYECCIÓN Los problemas que se han detectado en los moldes de inyección de termoplásticos
que provocan defectos en las piezas inyectadas pueden clasificarse en tres tipos: los
relacionados al diseño del molde, los relacionados al tipo de resina que se va a utilizar y
finalmente, los relacionados con la selección de los materiales de fabricación del
molde.
2.4.1. Problemas de moldes relacionados a su diseño
Los problemas de los moldes relacionados con el diseño del mismo para evitar
defectos en las piezas inyectadas, pueden minimizarse mediante la simulación de los
flujos de inyección por computadora. Este método, representa un importante avance
en los últimos años, ya que, por ejemplo, se puede simular en el ordenador, un diseño
de molde que se proponga y analizar el flujo de material en él así como realizar las
mejoras en el diseño y confirmar su eficacia antes de construirlo. La compañía
Moldflow es la iniciadora del uso de métodos de diseño por computadora, el banco de
datos de su sistema, contiene datos reológicos (características físicas y mecánicas), de
temperatura y presión de diferentes polímeros, que facilita realizar simulaciones muy
próximas a la realidad e incluso permite utilizar otras herramientas adicionales de
software (CAD) y fabricación (CAM) que aceleran y facilitan la construcción del molde
físico.
Los simuladores de inyección actuales, como el Moldflow y Moldex3D contienen
opciones de herramientas que incluyen familias de moldes predeterminadas con las
normas industriales, que ahorran mucho tiempo en el diseño de moldes.
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2.4.2 Problemas con la selección del polímero
La correcta selección del polímero que se va a inyectar en el molde, minimiza los
problemas de calidad relacionados a los defectos en las piezas inyectadas. Por lo
común se encuentra que, varios polímeros trabajan de manera similar, en estos casos,
la decisión final al elegir el material, dependerá tanto del costo como de las
preferencias del proveedor. Sin embargo, una vez más, el surgimiento de las
computadoras hizo posible tener facilidades para solucionar este problema, se usan
bancos de datos que contienen las propiedades generales, mecánicas, eléctricas,
etc., de diversos polímeros y se seleccionan las que igualen los requerimientos de
diseño del producto.
2.4.3 Selección de los materiales de fabricación del molde
Los materiales de fabricación del molde deben elegirse con la correcta dureza para
soportar las presiones de inyección que se requieren y de igual forma, los tratamientos y
recubrimientos de superficie deben seleccionarse adecuadamente para lograr los
acabados esperados de las piezas plásticas y también para proteger adecuadamente
la superficie del molde; con esto, se logran reducir los problemas de calidad en las
piezas inyectadas al minimizar el desgaste prematuro del molde.
Los tratamientos de superficie o aplicación de recubrimientos, que han sido muy
conocidos para las herramientas de corte, son casi inexplorados para los moldes de
piezas inyectadas. Sin embargo, los tratamientos superficiales avanzados como
recubrimientos PVD y la implantación de iones han ido ganando lentamente terreno
en este mercado poco común y difícil.
2.5 DESGASTE EN MOLDES DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO Uno de los mayores desafíos para resolver los problemas del deterioro en los moldes de
inyección de plástico es el de predecir el tipo o tipos de desgaste a que se someterán
las partes que componen el molde, tales como insertos, corazones y sus partes
estructurales. Se dice que un acero sufre desgaste cuando se remueve de la superficie
sólida una cantidad de material, este fenómeno puede ocurrir de tres maneras: por
fusión, por disolución química o por separación física de los átomos de la superficie.
La figura 2-8 ilustra los tres tipos de desgaste que pueden ocurrir en el acero.
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Separación física de los
átomos de la superficie
Fusión del aceroDisolución química del
acero
Fig. 2-8 Causas del desgaste en el acero.
Los procesos de desgaste mecánicos y químicos pueden funcionar por separado o en
conjunto, por ejemplo cuando sucede la abrasión en un medio corrosivo. Para poder
determinar la cantidad de desgaste en los moldes, se requiere una combinación de
análisis de fallas y pruebas de simulación.
La fusión del acero se refiere a que el calor extremo va derritiendo poco a poco parte
de la superficie del molde. La disolución química se refiere a que el acero se diluye al
reaccionar con químicos que están usualmente presentes en los materiales de
inyección y la separación física de los átomos de la superficie del acero se puede dar
mediante la aplicación de un esfuerzo único muy elevado o produciendo esfuerzos
cíclicos en magnitudes inferiores.
2.5.1 Desgaste en el molde por separación física de los átomos
Los desgastes producidos por la separación física de los átomos de la superficie en un
molde de inyección de plástico pueden clasificarse como sigue:
Abrasivo. Usualmente es generado por la aplicación de un esfuerzo único muy elevado
o produciendo esfuerzos cíclicos en magnitudes inferiores.
No abrasivo. Se puede producir por deslizamiento, rodamiento o impacto.
La figura 2-9 muestra los dos tipos de desgaste por separación física de los átomos de
la superficie y sus diferentes causas.
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Un estudio realizado por los Doctores Pischow, Kivivuori y Korhonen (3), explica que las
herramientas y moldes utilizados en los procesos de inyección de plástico,
normalmente están expuestos a procesos de alta temperatura con choques térmicos
producen desgastes adhesivos por deslizamiento en la superficie del molde. El desgaste
adhesivo por deslizamiento es conocido también como fricción. La figura 2-10 muestra
una sub-categoría en la que se enlistan las diferentes condiciones en que se genera el
desgaste por fricción
Fig. 2-10 Sub-clasificación al desgaste por deslizamiento (fricción).
El desgaste debido a la fricción es un factor significativo en la vida de los moldes de
inyección, el más importante es el generado por fricción de sólido contra otro sólido
más un fluido.
Fig. 2-9 Los diferentes tipos de desgaste en los moldes de inyección.
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2.5.2 Tipos de disolución química del acero en el molde
Una de las formas de desgaste del molde está relacionada con la erosión o disolución
química del acero. Los tipos de erosión o disolución química que pueden ocurrir en los
moldes de inyección se muestran en la figura 2-11.
Fig. 2-11 Tipos de erosión o disolución química.
2.5.3 Medición de desgaste en un molde mediante la topografía superficial
Una forma de medir el desgaste de la superficie de un molde consiste en emplear un
equipo denominado profilómetro láser de superficie para determinar la topografía
superficial. El método consiste en obtener la topografía de la superficie antes de ser
expuesta a un desgaste y después de la exposición. La diferencia entre ambas
topografías es el volumen de masa perdido.
En la figura 2-12 se muestra un ejemplo del uso del profilómetro láser midiendo el
desgaste del molde. La imagen a corresponde a la topografía de la superficie del
molde antes de ser expuesta al desgaste y la b es después de ser expuesta a 3000
ciclos de inyección de polímero. (4)
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Fig. 2-12 Topografía superficial de un molde.
La figura 2-13 es una imagen tridimensional que se obtiene con el profilómetro que
representa la diferencia de alturas de una superficie. Los ejes X y Y representan la
ubicación de cada uno de los puntos de medición que componen la superficie de la
imagen generadas durante un barrido del haz láser en un área de mil micrones en el
eje X y mil micrones en el eje Y; los colores que se ven en la superficie representan
diferentes alturas y su referencia es la barra de colores (que está a la derecha de la
imagen), en donde se puede apreciar la relación entre los diferentes colores y alturas.
Fig. 2-13 Ejemplo de una imagen 3D del profilómetro
láser.
Existen otros equipos más sofisticados que se pueden utilizar para la medición del
desgaste en superficies, tal como el microscopio electrónico de escaneo (SEM), el cual
no se explora aquí, ya que el método usando el profilómetro láser es más práctico por
tiempo y costo para este proyecto.
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2.5.4.1 Principio de operación del profilómetro láser
El principio de operación del profilómetro láser se basa en medir el ángulo de un haz
láser que se refleja en la superficie del objeto en medición. El ángulo del haz láser se
determina por medio de un sensor fotoeléctrico montado en la cabeza de medición
del profilómetro; el sensor fotoeléctrico convierte las variaciones de ángulo en un
voltaje, que es interpretado por una computadora para crear un plano tridimensional
de la superficie. La figura 2-14 muestra el fenómeno físico que ocurre en la cabeza de
medición del profilómetro durante su operación. En la cabeza de medición tiene
instalado un diodo láser y un detector de luz láser. La luz láser pasa a través de una
serie de lentes que enfocan el haz de luz sobre la superficie a medir, la luz reflejada en
la superficie regresa a la cabeza de medición y otro lente la dirige al detector láser, el
cual convierte los desplazamientos del haz reflejado en incrementos de voltaje que
puede leer la computadora integrada al profilómetro e interpretarla como variaciones
en altura.
Fig. 2-14 Cabeza de medición del profilómetro láser.
2.6 MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE MOLDES Y SUS
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Actualmente en la fabricación de moldes de inyección de plástico los proveedores de
Sensata Technologies utilizan principalmente aceros que son considerados típicos en
la industria del plástico. La tabla 2-1 muestra los aceros que emplean los proveedores
de inyección de Sensata Technologies en el territorio nacional.
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Aceros usados por proveedores de Sensata Technologies
A2 S7 4140 H13 4130 D2 H11 O-1
Tabla 2-1 Aceros para moldes de inyección.
No todos los moldes utilizados en Sensata Technologies tienen un recubrimiento de
superficie, sin embargo, muchos de ellos presentan algún tratamiento térmico. El
recubrimiento más utilizado es el de nitruro de cromo (CrN), que tiene una apariencia
color gris plata y es conocido comercialmente como Crovage H; es aplicado por el
proveedor Balinit. No existe evidencia de que se esté utilizando algún otro tipo de
recubrimiento como nitruro de titanio u otros.
2.6.1 Materiales para construcción de moldes de inyección de plástico
Los materiales utilizados en la fabricación de moldes de inyección de plástico deben
cubrir ciertas características mínimas para lograr la calidad y durabilidad del molde,
no todos los materiales cubren estos requisitos.
A continuación se enlistan algunos de los aceros recomendados por la sociedad de
ingeniería y manufactura de Estados Unidos (SME) para la fabricación de moldes
dedicados a la inyección de plásticos y que son utilizados por los proveedores de
inyección en la república mexicana.
Aleación de acero 4130, es una aleación de acero de alta resistencia utilizado
principalmente en la fabricación de moldes para la cavidad y placas base retenedor,
placas de soporte y placas de sujeción y se suministra en durezas de 26 a 35 Rc.
Acero grado herramienta S-7, es a prueba de golpes con buena resistencia al
desgaste, este acero se utiliza para enclavamientos y pestillos; es endurecido entre 55
y 58 Rc.
Acero grado herramienta O-1, este es un acero de propósito general, utilizado para
pequeños insertos y núcleos con un endurecido de 56 a 62 Rc.
Acero grado herramienta A-2, este acero tiene buena estabilidad dimensional y
resistencia a la abrasión y se utiliza para fabricar deslizaderas y pernos, se endurece
entre un rango de 55 y 58 Rc.
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Acero grado herramienta D2, este acero tiene alto contenido de cromo y de carbono;
es difícil de moler, pero tiene excelente resistencia a la abrasión. Se utiliza para la
fabricación de porta insertos, elevadores y deslizaderas, se endurece entre 58 y 60 Rc.
Acero grado herramienta H-13, es un acero de muy alta dureza, utilizado para los
requerimientos de cavidades y núcleos de alta calidad. Principalmente usado para
expulsores, extractores de colada, pernos guía y pasadores de ángulo. Se suministra
en su versión recocida en un rango de 15 a 20 Rc, pero puede ser endurecido a 60 Rc
con poca distorsión mediante temple.
La tabla 2-2 muestra otros materiales que también son recomendados por la SME para
la fabricación de moldes de inyección de termoplásticos y que incluyen aluminios y
aleaciones además de otros aceros. También se muestran en la tabla las principales
características de cada material.
Materiales recomendados por la SME para fabricación de moldes.
MATERIAL: CARACTRISTICAS BÁSICAS:
ACERO AL CARBÓN 1020
Este acero se utiliza para fabricar las placas expulsoras y el eyector retenedor de placas; es de fácil operación en máquina y soldado con autógena. No es generalmente templado debido a la distorsión y deformación, este material debe ser primero carburado si se requiere el endurecimiento.
ACERO AL CARBÓN 1030
Utilizado para bases de molde, las cubiertas del eyector y placas de sujeción; este acero tiene 25% mayor fuerza extensible que el 1020 y puede ser fácilmente mecanizado y soldado con autógena. Se puede endurecer de 20 a 30 Rockwell C (Rc).
ACERO AL CARBÓN 1040
Comúnmente utilizado para pilares de soporte, este acero duro tiene buena resistencia a la compresión y puede ser endurecido a 20 a 25 Rc.
ALEACIÓN DE ACERO 6145
El uso principal para este tipo de acero es para los bujes de los rabos de colada y se suministra de 42 a 48 Rc.
ACERO GRADO
HERRAMIENTA A-6
Es un acero endurecido por aceite, de propósito general con alta dureza y buena estabilidad dimensional, su uso principal es para cavidades de calidad óptica y los corazones, se endurece de 56 al 60 Rc.
ACERO GRADO
HERRAMIENTA P-20
Es un modificado del acero 4130, comúnmente conocido como “prehard”, que es un pre-endurecido. Se suministra en una dureza de 28 a 40 Rc, que se considera moderadamente alta, tiene buena manufacturabilidad y pulido excepcional. Se utiliza principalmente para las cavidades y núcleos, así como para placas de matrices.
ACERO INOXIDABLE 420
Utilizado en aplicaciones que requieren resistencia química excepcional (por ejemplo, moldeo de resinas de PVC); este acero generalmente se suministra en estado recocido de 15 a 25 Rc, pero puede ser endurecido a 55 o 60 Rc. Su principal uso es como acero de núcleos y cavidades.
ALUMINIO 7075
Hasta hace poco, el aluminio era considerado como un material sólo para moldes de baja producción o prototipo de bajo volumen. El uso de la aleación 7075, ha creado oportunidades para utilizar aluminio para producciones de alto volumen de hasta millones de ciclos, incluso los plásticos reforzados con vidrio y alta temperatura pueden ser producidos en moldes de este material.
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BERILIO 10 CUBO, CUBO 20 Y CUBO 275
Los tipos de berilio y cobre más comúnmente utilizados para los corazones y las cavidades son cubo10, cubo 20 y cubo 275. Se diferencian principalmente por la fuerza extensible (los números más altos tienen mayor fuerza extensible); además, los grados superiores permiten mayores niveles de dureza, esta oscila entre un mínimo de 40 Rc para cubo 10 hasta un máximo de 46 Rc para cubo 275.
Tabla 2-2 Otros materiales para moldes recomendados por la SME.
2.7 RECUBRIMIENTOS PARA MOLDES DE INYECCIÓN DE
TERMOPLÁSTICOS
2.7.1 La aplicación de temperatura elevada al poner recubrimientos como el
principal obstáculo a vencer
La implementación industrial de recubrimientos duros resistentes al desgaste, comenzó
con recubrimientos aplicados mediante la técnica de deposición química en fase
vapor (CVD). Sin embargo, la temperatura que debe alcanzarse en este proceso que
supera los 1000 °C, limita la aplicación a materiales de acero para herramientas que no
requieren tolerancias demasiado cerradas debido al riesgo de los posibles cambios
dimensionales o la pérdida significativa de la dureza durante la aplicación del
recubrimiento. Más tarde, el desarrollo de procesos de deposición física en fase a
vapor (PVD) para aplicar recubrimientos basados en Titanio (Ti) a temperaturas de
aproximadamente 450 °C hizo posible el revestimiento de acero al carbón sin
tratamiento térmico posterior. Este avance inició una muy rápida expansión en la
aplicación de recubrimientos protectores para herramientas de corte. Después del
2010 el desarrollo de la técnica de deposición física en fase a vapor asistida por
magnetrón (PVD sputtering) hizo posible recubrir otros tipos de aceros sin afectar
durezas o dimensiones, haciendo de este método la forma ideal para su utilización en
la aplicación de recubrimientos para los moldes de inyección de plástico. (3)
2.7.2 Recubrimientos sugeridos por la SME desde el año 1998
Actualmente la sociedad de ingenieros en manufactura de Estados Unidos (SME por sus
siglas en inglés) propone la utilización de diversos procesos y métodos de mejora
superficial con el objeto de proporcionar propiedades específicas al molde,
principalmente en el área de núcleos y cavidades. El desarrollo que ha tenido la
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tecnología en el moldeo por inyección de plástico ha generado que se estén
realizando importantes mejoras en el diseño de las máquinas, la selección de los
materiales y de sus recubrimientos.
Desde que se inició el uso extensivo de la inyección del plástico en los mercados
industriales, han existido varios tipos de recubrimientos para los moldes, los que
destacan por su popularidad desde 1998 son:
CLASIFICA-
CIÓN
NOMBRE
DESCRIPCION DEL RECUBRIMIENTO
RECUBRI-
MIENTO
METÁLICO
DELGADO
DICRONITE
DL-5™
Es un bisulfuro de tungsteno modificado en forma laminar, se aplica a
temperatura ambiente. Se utiliza principalmente en vez de agentes
desmoldantes y puede ser utilizado en todos los materiales del molde y
recubrimientos.
WS2™
Es un bisulfuro de tungsteno modificado en forma laminar, se aplica a
temperatura ambiente con aire a presión y puede ser utilizado en todas
las superficies metálicas estables. Se convierte en parte del sustrato,
teniendo la misma dureza y no puede eliminarse sin quitar parte de la
superficie del mismo.
CO-
DEPOSICIÓN
DE PTFE-
METÁLICO
POLYOND™
Es un material de fósforo-níquel impregnado con resinas de flourocarbono
incluyendo politetraflouroetileno (PTFE o teflón™), es aplicado por la
deposición de níquel electrolítico, seguido por un baño de polímero y
después es colocado en un horno a 371 °C para fijar el polímero en la
superficie. Puede aplicarse sobre acero, aluminio, latón, bronce y hierro
fundido entre otros. Se utiliza para eliminar residuos, prolongar la vida de la
herramienta y aumentar la dureza superficial a 70 Rc.
TFE-LOK™
Es un impregnado de PTFE, cuando se aplica el cromo duro por
electrodeposición, se calienta para expandir los poros que luego son
impregnados con partículas TFE heladas a alta presión. El proceso se realiza
a 204° C y puede colocarse en cualquier acero, acero inoxidable,
aluminio, o aleación de cobre. Se utiliza por sus propiedades de liberación
permanente e incrementa la dureza a 70 Rc.
NEDOX-
SF2™
Niquelado modificado con PTFE, el níquel es modificado para aumentar la
porosidad, y el polímero es aplicado y fijado por calor a 399 °C. Se utiliza
para controlar con precisión el espesor de la superficie del molde para
piezas de tolerancia muy cerradas y puede ser utilizado en todos los
materiales ferrosos y algunos no-ferroso, incluyendo Aluminio. Puede lograr
una dureza hasta 70 Rc.
NITUFF™
Es un recubrimiento PTFE aplicado sobre una capa dura de anodizado que
se utiliza únicamente sobre la superficie del moldes de aluminio. La
superficie está anodizada y luego es sumergida en PTFE a
aproximadamente a 93 °C. NituffTM aumenta las características de flujo y
la liberación e incrementa la resistencia al desgaste debido a que alcanza
una dureza de hasta 62 Rc.
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NICKLON™
Es una aleación de níquel-fósforo 10.5% con 25% PTFE suspendido en la
matriz, se aplica a 66 °C por co-deposito del níquel y PTFE, se emplea en
cualquier sustancia metálica. Se utiliza por sus propiedades de liberación
de molde y, si se aplica un tratamiento térmico, puede alcanzar hasta una
dureza de 70 Rc.
NICOTEF™
Una combinación de partículas sub-micrónicas de PTFE suspendido en una
matriz de níquel-fósforo, se aplica a través de un proceso de co-
deposición a 91 °C y puede ser utilizado en la mayoría de los metales,
incluyendo aluminio. Se aplica en capas gruesas para aumentar la
resistencia a la corrosión. Puede lograr una dureza de 35 a 46 Rc.
NYE-TEF™
Es una suspensión de partículas de PTFE submicron suspendido en una
matriz de níquel-fósforo, se aplica mediante un proceso auto-catalítico de
co-deposición a 35 °C sobre las superficies de metal, incluyendo el latón y
el aluminio. Se utiliza por sus propiedades de liberación de molde y
anticorrosión. Alcanza un nivel de dureza de 48 a 68 Rc.
NUTMEG
CHROMIUM-
PLUS™
Una combinación de cromo/PTFE, se aplica a través de la deposición
electrolítica a 77 ° C en acero, acero inoxidable o latón, pero no aluminio.
Se utiliza principalmente para resistir la abrasión y puede alcanzar una
resistencia a la abrasión del 24% mayor que el cromo solo. Tiene un grado
de dureza de 70 Rc.
PLATINADOS
METÁLICOS
CROMO
DURO
INDUSTRIAL
Este platinado es considerado un estándar en la industria para añadir
espesor a las superficies desgastadas por chapado. Se encuentra
disponible con muchos proveedores y es aplicado por electrodeposición
de cromo más cantidades de óxidos de hidrógeno a 60 ° C. Aunque tiene
un nivel de dureza de 70 Rc y buena adherencia sobre la mayoría de los
metales, se ablanda a 204 °C.
ARMOLOY™
Es una aleación de cromo denso que se aplica a los metales ferrosos y no
ferrosos, excepto aluminio, en un proceso de cataforesis a 60 °C, tiene
buenas propiedades de liberación y resistencia al desgaste y es excelente
para el uso con polímeros reforzados con fibra de vidrio, puede lograr una
dureza de 72 Rc.
ELECTROLESS
NICKEL
Este es el recubrimiento más popular para moldes. Es una aleación de
níquel combinada con diferentes contenidos de fósforo para proporcionar
propiedades específicas. Aplicado a través de depósito electrolítico a 82
°C y hasta 204 °C en post horneado. Alcanza una dureza de 48 Rc y al ser
aplicado un tratamiento térmico puede alcanzar una dureza de hasta 70
Rc.
NUTMEG
TUNGSTEN
NICKEL
Es una aleación de Tungsteno y Níquel, se aplica mediante la deposición
electrolítica sobre cualquier superficie metálica a 66 °C y alcanza un
grado de dureza de hasta 65 Rc. Es excelente para la resistencia a la
corrosión y permite bien el pulido.
TRATAMIEN-
TOS
DE
ENDURECIDO
SUPERFICIAL
MELONITE™
Es un proceso de nitración termo-mecánico con baño de sal que
reacciona a cualquier ferroso de sustrato metálico para crear nitruros, se
realiza a 579 °C y alcanza una dureza de hasta 70 Rc. Es extremadamente
resistente al desgaste y mejora las propiedades de fatiga del 20% al 100%.
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POLÍMEROS
IMPREG-
NADOS
ELECTRO-
LIZADO
Es un proceso patentado con una aleación de cromo no magnética
mediante deposición a 32 °C, puede ser utilizado en cualquier acero de
herramienta, aceros tipo 4100, aceros inoxidables o aluminio. Aumenta la
resistencia al desgaste, reduce la fricción, ayuda al desmolde y puede ser
utilizado para la reparación. Tiene un nivel de dureza de 72 Rc.
Lamentablemente varios de los recubrimientos recomendados por la SME no se
pueden aplicar exitosamente para mejorar los moldes en todos los casos ya que,
algunos de ellos requieren calentamientos muy elevados que exceden la temperatura
de revenido de los aceros, lo que produce debilitamiento en el grado de dureza del
molde causando daños prematuros y algunas veces deformaciones en las parte
plásticas inyectadas. Por lo anterior, estos recubrimientos solo se aplican a un sector
reducido de los moldes.
2.7.3 Nueva generación de recubrimientos disponibles a partir del año 2010
Los doctores E.J. Bienk y N.J. Mikkelsen (5) explican que cada vez más la industria
moderna está siendo obligada a utilizar una nueva gama de materiales para la
fabricación de los moldes, así como para los tratamientos y recubrimientos superficiales
que se aplican a estos, con la finalidad de cubrir las grandes exigencias de
productividad y calidad que se demandan de los productos de plástico inyectado.
Debido a las crecientes exigencias de los mercados automotrices, la industria del
plástico está en rápida expansión ya que, gracias al empleo de los nuevos materiales
plásticos, se han venido sustituyendo cada vez más a muchos otros, tales como
textiles, madera, papel, vidrio, metales o incluso materiales a base de piedra. Por esto,
la mejora de los moldes de producción en la industria del plástico es una necesidad
creciente, además de la generación de nuevos materiales, mejoras de diseño y el uso
de las tecnologías modernas, el tratamiento superficial en moldes es uno de los más
importantes medios para alcanzar esta meta (6).
De acuerdo al Dr. E.J. Bienk (7), uno de los principales problemas que se logró resolver
después del año 2010, fue el de la aplicación de recubrimientos por deposición en
fase vapor a temperaturas relativamente bajas.
Un ejemplo de los recubrimientos aplicados usando la técnica PVD es el recubrimiento
de capa delgada de nitruro de Titanio, que es un revestimiento que se aplica a una
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temperatura de 510 °C. A través de una ionización negativa, el proceso de
deposición en fase vapor (PVD) se utiliza en la mayoría de los aceros, acero inoxidable
y cobre-berilio; se emplea principalmente para reducir la fricción. Puede alcanzar un
grado de dureza de 85 Rc. Sin embargo como explica el Dr. P.A. Dearnley se puede
aplicar el mismo recubrimiento a temperaturas menores usando una técnica llamada
―PVD Sputtering‖ (8).
Según la Sociedad de manufactura e Ingeniería (SME) (1) se puede dividir los tipos de
recubrimientos en dos: los existentes hasta el año 1998 donde los más avanzados eran
los aplicados por el método CVD o deposición química en fase vapor y los aplicados a
partir de del año 2010, cuando se inicia el proceso de deposición física en fase vapor
apoyada o asistida por un sistema llamado magnetrón, conocido como ―PVD
sputtering‖.
Al emplear el proceso de PVD sputtering, se logra incorporar a las opciones industriales
una nueva serie de recubrimientos como los que se mencionan a continuación:
Carbono como diamante DLC (carbono amorfo tetraédrico).
Nano-compuestos de (Ti,Si,Al)Nx.
Nano-compuesto Cr-Ag-N & Cr-W-N.
Recubrimientos bi-capa como CrCN / CrN:ta-C.
Recubrimientos tri-capa CrCN / CrCN / DLC.
Recubrimientos multicapas como TiAlCrSiN.
Recubrimientos multicapas como AlTiN / MexN.
Según la experimentación hecha por el Dr. F.J.G Silva realizada en el 2011 (9), el
recubrimiento tri-capa CrN / CrCN / DLC es capaz de incrementar hasta 25 veces la
resistencia al desgaste. Algo interesante de esa investigación es que el material
carbono como diamante (DLC) es la ultima capa expuesta del recubrimiento, el cual
tiene muy bajo coeficiente de fricción y se aplica a una temperatura por debajo de
los 150 °C, este recubrimiento registra la dureza más alta disponibles de 95 Rc.
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2.8. DEPOSICIÓN EN FASE VAPOR (PVD) La deposición física de vapor (PVD por sus siglas en inglés) es un proceso que deposita
capas de átomos o moléculas en la fase de vapor sobre un sustrato sólido en una
cámara de vacío. La figura 2-15 muestra en la imagen de la izquierda una cámara de
alto vacío y la posición de los electrodos, a la derecha se ve la fotografía de una
máquina comercial PVD. La flecha indica la localización de la cámara de vacío en la
máquina. Este proceso alcanza una alta ionización del material evaporado, donde la
capa depositada tiene una excelente adhesión.
Fig. 2-15 Máquina PVD comercial y detalle de una cámara de vacío.
2.8.1 Descripción del proceso de deposición en fase vapor (PVD)
El proceso la deposición física en fase vapor deposita una capa de material metálico
combinado con gases como el nitrógeno en la superficie objetivo. Las materias primas
(los metales), se convierten de su estado sólido a su estado gaseoso y después se
ionizan por exposición a la energía térmica en el proceso de arco. La figura 2-16
muestra el proceso físico de la deposición de nitruro de titanio (TiN) en una pieza de
trabajo, las moléculas evaporadas de titanio se desprenden del cátodo debido a la
alta temperatura y baja presión, generando un estado de plasma.
Los iones de titanio se unen a los átomos de nitrógeno creando el nitruro de titanio, el
cual es guiado mediante el campo eléctrico a la pieza de trabajo donde se depositará
el recubrimiento.
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Fig. 2-16 Proceso de deposición de vapor física (PVD).
2.8.2 Mejora del Proceso PVD con el método “sputtering” o con “asistencia de
magnetrón”
La aplicación del proceso PVD ―sputtering‖ es una versión mejorada del proceso PVD,
en el que se utiliza una fuente de energía cinética, que permite reducir la temperatura
dentro de la cámara al aplicar la energía del magnetrón, que ayuda a desprender
con mayor facilidad los átomos del electrodo metálico. El electrodo de metal es
bombardeado con iones de alta energía generados por el magnetrón, este proceso
extrae los átomos y los transforma de su estado sólido al estado gaseoso (ver figura 2-
17).
Fig. 2-17 Proceso PVD usando el magnetrón (sputtering).
El proceso sputtering, implica la expulsión de material de un "objetivo" que es una
fuente sobre un "sustrato" (por ejemplo, una oblea de silicio) en una cámara de vacío.
Este efecto es causado por el bombardeo del blanco por un gas ionizado, que a
menudo es un gas inerte como el nitrógeno.
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Una clara ventaja de este proceso es, que permite transferencia directa de energía a
la fuente durante el calentamiento y es muy eficiente en depositar material puro
evaporado al sustrato. Además, el porcentaje de deposición en este método puede
ser tan baja como 1 µm/min (millonésimas de metro por minuto) o incrementarse el
grosor de la capa modificando los parámetros de aplicación del PVD. La eficacia de
la utilización de material es alta en comparación con otros métodos de aplicación de
capas delgadas y el proceso ofrece un mejor control estructural y morfológico sobre la
aplicación de las películas.
Debido a la tasa de deposición que puede ajustarse y ser muy alta, este proceso tiene
aplicación potencial en la industria aeroespacial, la industria de las herramientas de
corte, la industria de semiconductores así como en la industria óptica.
El sputtering se utiliza ampliamente en la industria del semiconductor para depósito de
películas delgadas de diversos materiales en la fabricación de circuitos integrados.
Los recubrimientos anti-reflejantes sobre vidrio para aplicaciones ópticas también son
depositados por la misma técnica. Debido a la temperatura de 121 °C usada en el PVD
sputtering es un método ideal para depositar metales en transistores de película
delgada. Una ventaja importante de la técnica de sputtering es que, los materiales
con puntos de fusión muy altos son fácilmente tratados.
Al aplicar la ionización se genera una coloración característica generada por el
plasma, la figura 2-18 muestra como se ve este fenómeno óptico durante la aplicación
del voltaje de ionización dentro de la cámara de alto vacío.
Fig. 2-18 Fenómeno de plasma dentro del sistema PVD sputtering.
En la figura 2-19 se muestra una foto del equipo de recubrimiento industrial para
deposición catódica de DLC desde los electrodos de material grafito, se pueden
observar dos cátodos de magnetrón en el lado izquierdo de la imagen. (6)
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Fig. 2-19 Equipo industrial PVD sputtering.
La figura 2-20 muestra el principio de operación del magnetrón usado en el
―sputtering‖ de la PVD. Los electrones son atrapados por un campo magnético no
homogéneo, lo que provoca una mayor ionización de los átomos.
Fig. 2-20 El principio “sputtering” del magnetrón.
3 . DIRECTRICES DE LA INVESTIGACIÓN Esta sección explica cómo se genera la hipótesis de la investigación; inicia con la
identificación de los factores que afectan al desgaste de los moldes, separando los
factores significativos de los que pueden convertirse en ruido experimental; luego son
evaluadas los trabajos previos relacionados al desgaste de moldes de inyección de
plásticos basado en los artículos de los doctores L. Martinez-Mateo [2011] (4), J.
Bergstrom [1997] (10), F.J.G. Silva [1999] (11), P.A. Pischow [1992] (3) y L. Carreras [2003]
(12). Las conclusiones y modelos matemáticos de las investigaciones previas sirven para
dirigir esta investigación hacia dos factores: el coeficiente de fricción y la dureza
superficial, que son identificados como los factores directamente relacionados al
desgaste de la superficie del molde. El siguiente paso es determinar los tipos de
recubrimientos que tienen una mayor dureza superficial y menor coeficiente de
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fricción. Para seleccionar los mejores materiales que serán candidatos para la
experimentación, se recurre a la simulación por mecánica molecular utilizando el
software Hyperchem, donde las moléculas de varios recubrimientos son analizados en
sus características moleculares y finalmente, cuando se seleccionan los mejores
combinaciones, se relacionan las mediciones experimentales de fricción y dureza que
se obtienen del artículo de el doctor S.K. Field (13) para el recubrimiento carbono
como diamante y utilizando el método de regresión lineal, se genera la hipótesis de
investigación y su respectivo modelo matemático denominado en esta investigación:
ecuación-hipótesis para reducir el desgaste superficial de los moldes que utilizan el
termoplástico PPE+PS+PA.
3.1 IDENTIFICACIÓN DE LOS FACTORES DE DESGASTE De los diferentes factores que van a considerarse para el análisis del desgaste de
moldes, algunos de ellos serán usados en la experimentación como factores
principales, o sea las variables que se manipularán para confirmar las hipótesis, otros se
controlarán o se mantendrán fijos para asegurar que el resultado de la
experimentación no sea afectado por factores de ruido y para poder determinar los
que tiene un mayor impacto en el proceso del desgaste, estos factores pueden ser
muy variados, desde el efecto de la temperatura del polímero (10) como la dureza la
superficie o su coeficiente de fricción. La figura 3-1 muestra un resumen de los factores
más importantes que pueden afectar la vida de un molde de inyección cuando es
usado para aplicar el polímero PPE+PS+PA, donde los marcadores en rojo, indican los
que son posibles factores principales y los amarillos indican los factores secundarios que
pueden influir en la vida del molde si no son controlados.
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Del análisis de estos factores se seleccionarán los principales para poder generar el
modelo matemático a utilizar como hipótesis de este proyecto. Algunos de los
diferentes factores que se analizaron son:
Presión de inyección.
Temperatura del polímero.
Tiempo de inyección.
Tiempo de enfriamiento y sostenimiento.
Densidad y contenido de vidrio del polímero.
Dureza del acero del que está hecho el molde.
Rugosidad de la superficie del molde.
Ángulos de salida para el desmolde.
Tamaño de los respiraderos del molde.
Diámetro interno de la boquilla de inyección.
Longitud y geometría de las cavidades del molde.
Micro-dureza de la superficie del molde.
Fig. 3-1 Factores que afectan la vida útil de los moldes.
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Coeficiente de fricción de la superficie.
Potencial electrostático de la superficie.
Tamaño y geometría del material de refuerzo de la resina.
En este caso particular, la longitud de las cavidades del molde, la geometría, el
diámetro interno de la boquilla así como el tamaño de los respiraderos se van a
mantener fijos para todos los experimentos ya que se utilizará un simulador qué tendrá
estos factores exactamente iguales en cada una de las repeticiones del experimento.
En lo que se refiere a la presión de inyección y la temperatura estos serán controlados
mediante un sistema electrónico para poder asegurar una variación mínima del
sistema.
3.2 MODELO MATEMÁTICO DE DESGASTE EN INVESTIGACIONES
PREVIAS Para determinar el modelo matemático de desgaste para esta investigación se
revisaron algunos de los modelos propuestos en investigaciones previas. Se propone
usar el modelo matemático de desgaste por desplazamiento de Archard (15). Este
modelo es ampliamente utilizado para desarrollar programas para cálculo por
elemento finito, ya que permite simular con cierto grado de simplicidad el
comportamiento de los desgastes.
La reducción de desgaste en los moldes de inyección es extremadamente
conveniente para mejorar la vida útil de los componentes. Por desgracia, en sistemas
donde las partes están en contacto directo y existe un movimiento relativo, el desgaste
es inevitable, por otra parte, la diversidad y la complejidad del fenómeno, hacen difícil
el predecir con precisión la vida útil de las piezas mecánicas.
Podemos realizar muchos experimentos de desgaste para obtener un conocimiento
más exacto del comportamiento tribológico de la fricción. Sin embargo, la exploración
experimental no sólo es costosa, si no que, consume tiempo y recursos usualmente no
disponibles.
Se propone un método de predicción para resolver los problemas de desgaste de los
componentes del molde basado en el modelo de Archard, este modelo será
confirmado por la experimentación usando el simulador de inyección desarrollado
para este propósito.
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3.2.1 El modelo de desgaste basado en la ley de Archard
El proceso de desgaste puede ser tratado como un proceso dinámico, dependiendo
de diversos parámetros. El modelo más frecuentemente usado se basa en la ley de
Archard (15), que se describe a continuación.
𝑽
𝑺= 𝒌
𝑭𝑵
𝑯 (a)
Donde 𝑽 es el volumen de desgaste, 𝑺 la distancia de desplazamiento, 𝑭𝑵 la carga
normal, 𝑯 la dureza de la superficie desgastada y 𝒌 la tasa de desgaste adimensional.
𝑽 = 𝒌 𝑭𝑵
𝑯 𝑺 (b)
𝑽 = 𝑻𝒂𝒔𝒂𝒅𝒆𝒅𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒐 𝒓𝒆𝒄𝒖𝒃𝒓𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏𝒎𝒐𝒍𝒅𝒆
𝑫𝒖𝒓𝒆𝒛𝒂𝑨𝒄𝒆𝒓𝒐𝒎𝒐𝒍𝒅𝒆 𝑺𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒄𝒂𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔 (c)
De acuerdo al estudio de F. Wendl, K.D. Wupper (16) sobre el desgaste de aceros para
moldes de inyección, se fue examinado el comportamiento de desgaste de diferentes
aceros comunes para los moldes de inyección de plástico y concluyeron que sólo el
aumento de la dureza del material afecta ligeramente la resistencia al desgaste, ya
que existe un límite máximo debido a la dureza de la martensita de aproximadamente
900 HV(dureza Vickers). Ellos concluyen que solo la dureza no es suficiente para reducir
el desgaste, que sólo se puede alcanzar una protección eficaz contra desgaste
abrasivo utilizando varias fases de recubrimiento duros (carburos) comúnmente
conocidos como recubrimientos multicapas.
3.2.2 Experimentación previa en desgaste de moldes
Los Doctores J. Bergstrom y F. Thuvander realizaron un estudio experimental para
evaluar el desgaste de la superficie de muestras de acero de moldes en una máquina
de inyección para producción masiva (10), ellos desarrollaron un porta especímenes
para esta medición. Realizaron el estudio comparativo en cuatro tipos de aceros de
moldes diferentes. Para la experimentación seleccionaron las condiciones de inyección
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de polímeros (geometría cavidades, configuración de la máquina, polímero) con el fin
de acelerar la degradación de la superficie de la cavidad del molde. Utilizaron una
resina de policarbonato reforzado con fibra de vidrio, el Lexan 341R-739, que contiene
40% de su peso de fibras de vidrio corto, conocidas por su carácter abrasivo en los
moldes de acero. La figura 3-2 muestra a la derecha una fotografía del mecanismo de
simulación de desgaste que montaron en una máquina de producción en la boquilla
de salida para poder comparar los desgastes; en la imagen está indicada la
compuerta de inyección y la ubicación del espécimen de prueba. A la izquierda se
observa un dibujo del diseño del espécimen, el cual se recubre con el material de
prueba.
Fig. 3-2 Espécimen y porta espécimen en investigación previa.
La experimentación de los doctores Bergstrom y Thuvander es de particular interés ya
que estudia un desgaste producido por un polímero similar al PPE+PS+PA. La tabla 3-1
muestra algunas de las propiedades físicas del material que utilizaron, la resina Lexan
341R-379.
Densidad
(gr/cm3)
Modulo de Young
(MPa)
Dureza (MPa) Conductividad Térmica
(W/m oC)
Coeficiente
térmico (oC)-1
1.52 10000 145 0.22 2 x 10 -5
Tabla 3-1 Propiedades físicas del Lexan 341R-739.
En su investigación, los doctores observaron que las fibras de vidrio que están en la
resina reforzada tienen una forma cilíndrica que actúa como un cortador sobre la
superficie del molde erosionándolo. La figura 3-3 es una fotografía tomada con un
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microscopio de barrido electrónico (SEM por sus siglas en inglés), donde se pueden ver
con claridad estos cilindros de vidrio que sirven de refuerzo a la resina.
Fig. 3-3 Imagen obtenida por SEM de las fibras de vidrio en un PPE+PS+PA.
La figura 3-4 muestra los daños que se producen en el molde, a los que los doctores
denominaron ―micro-impresiones‖, en estas huellas se puede observar como las fibras
de vidrio chocan contra la superficie de acero y, debido a su mayor dureza, producen
micro-erosiones que van desgastando el molde con el paso del tiempo.
Fig. 3-4 Daños ocasionados en la superficie del molde por las fibras de vidrio.
La figura 3-5 es una ampliación de la imagen del daño en el molde tomada con el
Microscopio de escaneo electrónico (SEM por sus siglas en inglés) a una escala de 10
micrones o 10 millonésimas de metro.
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Fig. 3-5 Ampliación mostrando el detalle de las micro-impresiones en el acero.
3.2.3 Propuesta de modelo de desgaste J. Bergstrom y F. Thuvander
El mecanismo de desgaste más importante en los moldes de inyección, cuando se
utilizan polímeros reforzados en condiciones normales de mantenimiento y parámetros
correctos de inyección, es la abrasión por partículas duras (fibras de vidrio) que
producen cortes y raspaduras con los extremos de la fibra sobre la superficie del acero,
creando micro-cicatrices o micro-impresiones que después de un tiempo desgastan la
superficie del molde significativamente.
Los doctores J. Bergstrom y F. Thuvander en su análisis hacen una estimación del nivel
de estrés actuando sobre la fibra y sobre el acero del molde. El desarrollo del modelo
matemático que ellos propusieron se muestra a continuación:
𝝅𝒓𝒇𝟐 𝝈𝒇 +
𝒅𝝈𝒇
𝒅𝒙𝒅𝒙 − 𝝅𝒓𝒇
𝟐𝝈𝒇 + 𝟐𝝅𝒓𝒇𝝉𝒅𝒙 = 𝟎
donde𝒅𝝈𝒇
𝒅𝒙= −
𝟐𝝉
𝒓𝒇
La figura 3-6 muestra el esquema del esfuerzo de corte producido por la fibra de vidrio
con respecto a las fuerzas de empuje del polímero fundido contra las fuerzas de
fricción del molde, considerando también la longitud de la fibra.
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Fig. 3-6 Esquema del esfuerzo de corte de una fibra de vidrio de refuerzo.
Donde:
𝝉 = es el esfuerzo de corte.
𝜼 = Viscosidad del polímero.
𝜸 = Velocidad de avance del polímero.
𝝉 = 𝜼𝜸 ; reemplazando𝝈𝒇𝒎𝒂𝒙 =𝟐𝜼𝜸
𝒓𝒇𝒍𝒇;𝑭 = 𝝈𝒇𝒎𝒂𝒙𝝅𝐫𝐟
𝟐
La figura 3-7 muestra el detalle del ángulo de la fibra con respecto a la superficie del
molde y la 3-8 muestra los detalles de la profundidad de la microimpresión en el
modelo propuesto por los doctores J. Bergstrom y F. Thuvander.
𝑭𝑵 ≅ 𝑭 𝐬𝐢𝐧(𝜶𝒇)
Fig. 3-7 Detalle del ángulo de la fibra con respecto a superficie del molde.
𝑭𝑵 ≅ 𝑯𝑨 ; 𝑨 = 𝑨𝟏 + 𝑨𝟐
Fig. 3-8 Esquema de la profundidad de micro-impresión en la superficie del molde.
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Los esfuerzos transferidos por el derretimiento del polímero generan una tensión en las
terminaciones de fibra produciendo que éstas se deslicen como un cortador sobre la
superficie, creando micro-cicatrices. Los doctores Bergstrom y Thuvander basaron su
estudio experimental en el uso de un modelo que muestra la influencia de los
diferentes parámetros para este tipo de desgaste. La figura 3-9 muestra el desgaste
estimado de cuatro especímenes de diferentes tipos de acero (MOLDMAX, IMPAX,
STAVAX y ELMAX) con respecto a la velocidad de corte. En el eje x (share rate), se
representa la velocidad de corte y en el eje y (fibre Imprint width) se representa el
ancho de la microimpresión en la superficie del acero. En las gráficas se pueden
observar los valores teóricos en línea punteada y los valores medidos durante la
experimentación en línea sólida.
Fig. 3-9 Estimación desgaste de micro-impresiones en aceros vs velocidad de corte.
3.2.4 Conclusiones de la investigación previa
La conclusión del estudio de los doctores. J. Bergstrom y F. Thuvander fue que la
morfología y la densidad de las fibras de vidrio pueden explicar la capacidad abrasiva
del polímero PPE+PS+PA. Las fibras se comportan como multi-cortadores acarreados
por el fluido plástico. Teniendo en cuenta las características de la erosión de impacto
en las muestras que ellos usaron, determinaron que la propiedad del impacto inicial de
las fibras de vidrio es significativa. Las investigaciones presentadas en los artículos de
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los doctores L. Martinez-Mateo [2011] (4), J. Bergstrom [1997] (10), F.J.G. Silva [1999] (11),
P.A. Pischow [1992] (3) y L. Carreras [2003] (12) confirman la hipótesis de los doctores. J.
Bergstrom y F. Thuvander de que, el coeficiente de fricción, en el caso de las fibras de
vidrio, es el principal factor de desgaste. La medición que hicieron los doctores en su
estudio muestra que debido a que la energía emitida en la entrada de contacto es
alta, si se traduce en términos de presión × velocidad, la potencia por unidad de
superficie es igual a 700W/mm2 bajo condiciones de inyección de chorro y 30W/mm2
bajo condiciones normales de inyección. Las variaciones en la orientación del flujo del
polímero debidas a las esquinas y a las variaciones de forma en el molde pueden
alterar la orientación de las fibras con respecto al ángulo de la superficie. En los
cálculos del modelo, la profundidad de impresión y la anchura dependen fuertemente
del ángulo de inclinación de fibra, donde, altos ángulos crean más impresiones o micro
erosiones más grandes y por lo tanto, causan un desgaste más severo. La condición de
chorro de inyección les permitió realizar pruebas que utilizaban tiempos de
experimentación reducidos con respecto a los tiempos normales para la prueba de
desgaste en máquinas y parámetros convencionales.
3.2.5 Mejora en el coeficiente de fricción en aplicaciones aeroespaciales
usando recubrimientos diamantados (DLC) mediante CVD
Los doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) en un estudio de deposición de películas
delgadas de diamante, explican que la resistencia a la erosión de partículas sólidas en
titanio puede mejorarse considerablemente mediante la aplicación de una capa de
diamante por deposición CVD (deposición química en fase vapor). En particular, con
recubrimientos de diamante crecidos con concentraciones relativamente altas de
metano (4 – 10%). La razón de esta mejora en la resistencia a la erosión es debida a la
mayor fuerza generada por el crecimiento de defectos como gemelaridad y
nucleación secundaria. La figura 3-10 muestra la pérdida de masa después de exponer
la superficie de prueba a 1000 gramos de polímero desgastante. Algunos de sus
especímenes fueron aleación de titanio Ti-6Al-4V sin recubrimiento y otras con
diferentes recubrimiento CVD, así como diamantados en función del ángulo de
incidencia del polímero desgastante. El rendimiento superior de la película de
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diamante (DLC) depositado con concentraciones de metano se puede observar en la
figura 3-11.
Fig. 3-10 Pérdida de masa después de ataque con 1000 gramos de polímero.
El artículo de los doctores T. Grogler y E. Zeiler muestra que el recubrimiento carbono
como diamante debe de ser uno de los primeros recubrimientos a probar en la
investigación, ya que es posible que se tengan resultados similares a los que se
obtuvieron cuando se aplicó en el campo aeroespacial.
Fig. 3-11 Pérdida de masa vs ataque de polímero.
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3.3 SIMULACIÓN POR MECÁNICA MOLECULAR DE LOS
RECUBRIMIENTOS La simulación mecánica molecular ayuda a analizar y a obtener los datos para la
selección de los recubrimientos que se aplicarán en los especímenes de prueba
durante la etapa de experimentación, los dos factores más significativos relacionados
con el desgaste de los aceros de los moldes son: el coeficiente de fricción y la dureza
de los recubrimientos que se aplicarán en la superficie del molde (18). En la
investigación se propone que existe una correlación entre el coeficiente de fricción y la
dureza con dos características moleculares de los materiales que componen al
recubrimiento, estas características son el potencial electrostático molecular y el índice
LogP los cuales se usan para determinar los mejores recubrimientos candidatos para los
moldes de inyección de plástico.
El coeficiente de fricción tiene una correlación con el potencial electrostático de las
moléculas que componen los recubrimientos; para determinar el valor electrostático
de cada una de las muestras, en lugar de construir físicamente cada muestra y medir
la dureza y coeficiente de fricción, lo cual consume tiempo y recursos, se propone que
estas características se determinen mediante los programas de simulación de
mecánica molecular usados normalmente en la industria farmacéutica, para poder así
revisar múltiples combinaciones y seleccionar las mejores que sean compatibles con los
métodos de deposición física en fase a vapor con asistencia de magnetrón.
El software comercial de simulación de mecánica molecular puede determinar con
precisión los potenciales electrostáticos y los índices LogP que se propone
correlacionarlos con la dureza y el coeficiente de fricción.
3.3.1 Software seleccionado para modelación de mecánica molecular
El Software de modelación de mecánica molecular que se seleccionó para hacer las
simulaciones mecánicas de los recubrimientos es el HyperChem en su versión 7, ya
que, su aplicación es compatibles con la técnica de PVD sputtering, esto para
asegurar que pueden ser aplicados a los aceros con los que se fabrican los moldes de
inyección de plástico. La figura 3-12 muestra la imagen del empaque del software
HyperChem 7 utilizado para determinar los potenciales electrostáticos de los
especímenes del proyecto.
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3.3.2 Modelación usando mecánica molecular para los recubrimientos de
moldes
La modelación o simulación por mecánica molecular para los recubrimientos que se
pueden aplicar a los moldes se realizó mediante el software HyperChem, que fue la
forma más adecuada para determinar los potenciales electrostáticos relacionados a
cada uno de los diferentes recubrimientos que se usan en esta investigación.
Se utilizó la opción de simulación del software llamada ―mecánica molecular‖, que es
el nombre de la estrategia de cálculo que usa para la simulación, la cual involucra los
valores LogP, cuyo índice permite determinar qué tanta resistencia tiene a los solventes
polares y el potencial electrostático, el cual es representado por un rango posible
debido a que la estructura molecular no se puede determinar con precisión. Para los
análisis de la investigación se usaron los potenciales máximos simulados por el software.
La razón de obtener los potenciales electrostáticos es que, este valor, está relacionado
con el coeficiente de fricción del material de los recubrimientos.
Los seis tipos diferentes de recubrimientos que se seleccionaron debido a que son
compatibles con la técnica de aplicación de PVD sputtering son:
Nitruro de titanio (TiN).
Nitruro de zirconio (ZrN).
Nitruro de cromo (CrN).
Carbono como diamante (DLC).
Nitruro de titanio aluminio (TiAlN).
Nitruro de Titanio carbón (TiCN).
Fig. 3-12 Software de simulación de mecánica
molecular HyperChem.
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El modelado mediante el software Hyperchem se obtuvo mediante los siguientes pasos:
I. Se define la opción de modelación ―molecular mechanics modeling‖ en el
software HyperChem.
II. Se usa el editor nativo para dibujar la molécula usando la librería de átomos
integrada en la aplicación.
III. Se activa la opción de renderizado de los átomos para obtener el rango de
potencial electrostático y su representación tridimensional.
IV. Se activa la optimización geométrica que alinea los átomos de la molécula en
la configuración, dependiendo sus cargas y pesos atómicos. Esta etapa es
crítica para poder tener un modelado correcto del potencial electrostático.
V. Luego el software realiza el modelado determinando las propiedades QSAR (por
sus en inglés, Quantitative Structure - Activity Relationship) o la relación
cuantitativa estructura-actividad de la molécula donde se obtiene el valor LogP
que es el logaritmo del coeficiente de reparto.
Después de dibujar a los átomos que componen a la molécula en el editor del
HiperChem, se realiza la optimización la geometría para encontrar una estructura
balanceada dependiendo de las repulsiones electrónicas de cada átomo.
En las figuras 3-13 a 3-18 se muestran los potenciales electroestáticos de los materiales
propuestos para los recubrimientos en esta investigación.
Fig. 3-13 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio aluminio.
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Fig. 3-14 Simulación del potencial electrostático del nitruro de cromo.
Fig. 3-15 Simulación pot. electrostático del nitrurocarburo de titanio.
Fig. 3-16 Simulación del potencial electrostático del nitruro de titanio.
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Fig. 3-17 Simulación del potencial electrostático del nitruro de zirconio.
La tabla 3-2 muestra un resumen de los potenciales electrostáticos en eVolts y los
valores LogP obtenidos por la simulación molecular para cada uno de los materiales
seleccionados para los recubrimientos de prueba.
Propiedad TiN ZrN DLC TiCN TiAlN TCrN
LOG P 0.15 -0.05 -0.49 0.22 0.15 0.15
POTENCIAL
ELECTROESTATICO
(eV)
3.776 - 0.188
0.194 - 0.710
0.131 - 0.181
1.596 - 0.091
1.195 - 0.213
10.615 - 0.035
Tabla 3-2 Potenciales electrostáticos de diversos recubrimientos.
Fig. 3-18 Simulación de potencial electrostático del diamante como carbón (DLC).
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3.4 HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN La hipótesis de la investigación se basa primero, en demostrar que existe una
correlación entre el coeficiente de fricción de los recubrimientos y el desgaste que
produce el polímero PPE+PS+PA en la superficie de un molde. Adicionalmente busca la
correlación entre el coeficiente de fricción y el potencial electrostático molecular de
los recubrimientos que se pueden aplicar con la técnica de PVD sputtering. Finalmente,
busca predecir mediante un modelo matemático confirmado por un estudio de
regresión estadístico el desgaste de diferentes recubrimientos.
3.4.1 Regresión lineal usando datos de investigaciones previas
Después de analizar las investigaciones previas de los doctores T. Grogler y E. Zeiler (17)
se realiza un estudio de correlación estadística entre el desgaste de la superficie del
molde atacada por un flujo de polímero reforzado con fibra de vidrio versus la micro
dureza y luego con el coeficiente de fricción de los recubrimientos. En el primer
estudio de correlación se concluye, que no existe una correlación entre la micro-
dureza de la superficie del recubrimiento y el desgaste observado en la investigación
de T. Grogler y E. Zeiler. En el segundo estudio se encontró una correlación lineal
positiva con un ajuste del 97.5%. Al aplicar un estudio de regresión lineal se obtuvo un
modelo matemático que se expresa como:
Y = -0.02547 + (0.4873*X ) (ecuación 3.4.1.a)
Donde: X = coeficiente de fricción en HV.
Y = desgaste del molde en gramos.
Donde este modelo es capaz de predecir la variable Y, que es el desgaste en gramos
del recubrimiento, este modelo puede predecir el 97.5% de los datos con respecto a X,
que es el coeficiente de fricción. Sin embargo, se utilizaron pocas mediciones, lo que
implica que se debe hacer una confirmación experimental adicional para poder
confirmar la validez de este modelo matemático.
El análisis de regresión lineal (19) de la figura 3-19 muestra la relación entre el
coeficiente de fricción y la pérdida de masa por desgaste cuando se usa polímero
reforzado con fibra de vidrio, esto está observado también en el trabajo de Dearnley,
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0.05).
Coheficiente de friccion is not statistically significant (p >
The relationship between perdida de masa and
> 0.50.10.050
NoYes
P = 0.071
accounted for by the regression model.
97.50% of the variation in perdida de masa can be
100%0%
R-sq (adj) = 97.50%
0.05).
Coheficiente de friccion is not statistically significant (p >
The correlation between perdida de masa and
10-1
0.99
0.40.30.2
0.15
0.10
0.05
Coheficiente de friccion
perd
ida d
e m
asa
causes Y.
A statistically significant relationship does not imply that X
perdida de masa.
correspond to a desired value or range of values for
friccion, or find the settings for Coheficiente de friccion that
to predict perdida de masa for a value of Coheficiente de
If the model fits the data well, this equation can be used
Y = - 0.02547 + 0.4873 X
relationship between Y and X is:
The fitted equation for the linear model that describes the
Y: perdida de masa
X: Coheficiente de friccion
Is there a relationship between Y and X?
Fitted Line Plot for Linear Model
Y = - 0.02547 + 0.4873 X
Comments
Regression for perdida de masa vs Coheficiente de friccion
Summary Report
% of variation accounted for by model
Correlation between Y and X
Negative No correlation Positive
en el que ocurre un fenómeno similar, donde el coeficiente de fricción es uno de los
factores más críticos para el desgaste de moldes. (8)
El modelo matemático (ecuación 3.4.1.a) relaciona el desgaste de la superficie del
molde con el coeficiente de fricción, se usa como base para proponer la ecuación-
hipótesis. El desgaste y el coeficiente de fricción de los recubrimientos implicados son
variables que se ajustan en el modelo matemático y se incorpora la relación con el
potencial electrostático molecular de los recubrimientos.
3.4.2 Ecuación-hipótesis propuesta en esta investigación
La hipótesis propuesta es que se puede determinar el desgaste en los moldes mediante
la ecuación- hipótesis mostrada en la ecuación a1 y la ecuación a2. Estas fórmulas, se
pueden aplicar para seleccionar los recubrimientos que tendrán una resistencia
Fig. 3-19 Análisis de regresión entre coeficiente de fricción y desgaste.
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superior al desgaste por erosión de la fibra de vidrio de refuerzo en los molde de
inyección que usan el polímero PPE+PS+PA. La hipótesis también estipula que los
recubrimientos serán aplicados mediante la técnica de deposición física en fase vapor
(PVD) en su modo de deposición catódica (sputtering) o también llamada con
asistencia mediante magnetrón a temperaturas por debajo de +100 °C, para evitar
deformaciones de las secciones del molde.
La ecuación-hipótesis se presenta como sigue:
𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟏
𝑪𝒇 = 𝒂 + 𝒃 ∗ 𝑷𝒆 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟐
Sustituyendo 2 en 1
𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝒂 + 𝒃 ∗ 𝑷𝒆 (𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒂𝟑)
Las ecuaciones [a1] y [a3] se denominarán como ―ecuación-hipótesis‖ para la
predicción de desgaste. La ecuación [a1] está basada en el coeficiente de fricción y
la ecuación [a3] en el potencial electrostático molecular del recubrimiento. Ambas
ecuaciones se pretenden comprobar con la experimentación como fundamento de la
hipótesis.
Donde:
𝑫𝒎𝒔 = Desgaste de la superficie en gramos cuando se expone a 1,612 cm2 de polímero
PPS+PS+PA erosionando la superficie.
𝑪𝒇 = Coeficiente de fricción del recubrimiento en acero (seco).
𝑷𝒆 = Potencial electrostático de la molécula del recubrimiento.
𝒂,𝒃 = Constantes a calcular basadas en modelo electrostático.
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4. PROPUESTA DE EXPERIMENTACIÓN
La metodología y técnicas utilizadas para comprobar la hipótesis de que, el potencial
electrostático de las moléculas o el coeficiente de fricción de los recubrimientos
aplicados a los moldes de inyección de plásticos, pueden predecir el desgaste y
ayudar a seleccionar una variedad de recubrimientos para incrementar
significativamente la resistencia al desgaste al trabajar con polímeros reforzados con
fibra de vidrio, se explican a continuación.
El principio básico es comparar distintas muestras de recubrimientos que tendrán
diferentes coeficientes de fricción y diferentes niveles de potencial electrostático
moleculares. Para la fase experimental de este trabajo de investigación, se usara una
técnica estadística denominada ―prueba t-student para muestra única‖, (19) para
determinar si la predicción de la ecuación-hipótesis de desgaste obtenida está dentro
del intervalo de confianza de la media de las mediciones. Para la parte del proyecto
de implementación a nivel industrial, en Sensata Technologies se realizará una
experimentación más extensa, donde la técnica para finalizar la confirmación de la
hipótesis se basará en comparar los desgastes de los moldes unos contra otros, y esos
resultados se van a utilizar para entender que tanto se apegan a la ecuación-hipótesis
de predicción de desgaste propuesta en esta tesina para predecir la vida que tendrán
los moldes de inyección. Para realizar esta comparación se ha decidido utilizar el
método estadístico ANOVA para poder comparar las posibles combinaciones con los
diferentes recubrimientos y aceros, ambas técnicas estadísticas, (la prueba t-student
para muestra única y el análisis ANOVA) van a poder ayudar a determinar si
estadísticamente existe una diferencia significativa entre los resultados de ambas
pruebas y así, en base a esto, rechazar o aceptar la hipótesis propuesta.
4.1 FASES DEL PROYECTO DE TESINA PARA LA MEJORA DE VIDA EN
MOLDES EN SENSATA TECHNOLOGIES El proyecto en Sensata Technologies para la mejora de vida de moldes requiere en la
fase inicial la comprobación de la hipótesis motivo de estas tesis, y después con esa
base justificada, la siguiente fase es la aplicación práctica de cada una de las
combinaciones de acero-recubrimiento para confirmar la durabilidad de los moldes.
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Otro factor importante, es definir el método de restitución de los recubrimientos para
mantener los moldes en las condiciones ideales de operación. Para delimitar el
proyecto, se establece que se hará el análisis inicial con dos tipos de recubrimientos,
el TiN (nitruro de titanio) y el DLC (carbono como diamante), cuando se tengan los
resultados de la investigación se lanzará el proyecto de implementación masiva
iniciando con verificar los otras combinaciones de prueba propuestas que no fueron
evaluadas en esta primera parte de la investigación. Después se documentará
oficialmente en Sensata Technologies los nuevos requerimientos para la fabricación de
moldes, tomando en consideración los mejores tipos de recubrimientos obtenidos con
la experimentación para cada caso. Finalmente se propone lanzar una campaña
masiva para modificar los moldes existentes con los proveedores de Sensata
Technologies para aplicarles los recubrimientos y se implementará el requerimiento a
todos los nuevos moldes.
El esquema de la figura 4-1 muestra en color verde el alcance de la tesina con el
análisis de dos recubrimientos, el nitruro de titanio y el diamante como carbón, y en
azul claro el plan para lanzamiento masivo y experimentación de todas las
combinaciones de materiales de moldes y recubrimientos propuestas.
Fig. 4-1 Alcance proyecto
4.1.1 Alcance de la investigación de tesina y propuesta de implementación
masiva en Sensata Technologies
En esta investigación es necesario hacer una separación clara entre lo que cubre la
tesina que se presenta y el proyecto de implementación masiva. La principal razón de
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delimitar la investigación es para reducir el tiempo requerido para confirmar la hipótesis
y contar con argumentos sólidos para justificar la inversión (financiera) del resto de la
experimentación propuesta y así, poder aplicar todos los conocimientos obtenidos
para incrementar el tiempo de vida útil de los moldes de inyección de plásticos que
usan la resina Noryl en Sensata Technologies.
La recomendación inicial, basada en los tipos de aceros que se utilizan en la
fabricación de moldes en Sensata Technologies y en los recubrimientos que se pueden
aplicar mediante la técnica de deposición en fase a vapor asistida por magnetrón
(PVD sputtering), se resume en 54 posibles combinaciones, que a partir de este
momento se denominarán ―especímenes‖. Para analizar los 54 distintos especímenes
de acero-recubrimiento, es necesario determinar si existe una diferencia estadística
significativa, para asegurar esto, se deben tener al menos 5 réplicas de cada uno de
los especímenes de prueba, por lo que número total de muestras requeridas serán de
270 especímenes que, por el monto de su costo total, requieren en Sensata
Technologies, de una aprobación adicional denominada ―Solicitud de capital‖ para
poder realizar la adquisición de los mismos y poder complementar la experimentación.
Para delimitar el proyecto de investigación de tesina se decide usar solo dos
combinaciones de recubrimientos y con ellas, demostrar que el proyecto es fiable y
confirmar experimentalmente la hipótesis propuesta; una vez que los resultados estén
disponibles, el siguiente paso es comenzar con el proceso de solicitud de capital, para
fabricar mediante un proveedor externo los 270 especímenes faltantes, para
completar en su totalidad la experimentación que dará como resultado la nueva lista
de requisitos para la fabricación de moldes en Sensata Technologies.
La técnica estadística que se eligió para analizar los 270 especímenes es el análisis
ANOVA, el cual permitirá conocer cuáles grupos de especímenes tienen una
diferencia estadística significativa con respecto a la resistencia al desgaste de los
recubrimientos que se usan en los aceros de los moldes de inyección de plástico, al
compararse entre ellos y obtener la lista de los mejores recubrimientos cuando se usa
el Noryl. Cuando se complete la experimentación con los 270 especímenes iniciará el
proyecto de implementación para lograr que esta investigación se convierta en una
aplicación práctica.
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El cronograma de la figura 4-2 muestra con detalle las dos fases del proyecto de
investigación.
El cronograma está dividido en seis columnas, la primera (ID) indica el número de cada
actividad; la columna dos describe la actividad; las columnas tres y cuatro dan las
fechas de inicio y final de cada actividad respectivamente; la quinta columna es la
duración en semanas de las actividades y por último, la columna seis es la
representación gráfica de los tiempos en que ocurrirá la actividad y su duración. Puede
notarse que la escala de tiempo en la última columna está en años y está subdividida
en cuartos de año, que es el estándar para planeaciones que se utiliza en Sensata
Technologies.
El alcance de la investigación de esta tesina está delimitada a las primeras ocho
actividades del cronograma, las cuales son: definición y lanzamiento del proyecto de
investigación, obtener resinas muestra y licencias de software Moldex3D e HyperChem
7, fabricación de especímenes recubiertos con TiN (nitruro de titanio) y DLC (diamante
como carbón), construcción del primer simulador de inyección, construcción del
prototipo final del simulador de inyección basado en lecciones aprendidas y su diseño
basado en simulaciones y, finalmente, la experimentación inicial basada en los
especímenes con recubrimientos TiN y DLC y sus respectivo análisis estadísticos con
conclusiones.
Observando el cronograma puede verse en el primer renglón, marcado con un
símbolo de diamante color negro el inicio del proyecto de investigación de tesis; en la
última columna del renglón ocho, otro diamante negro indica el final de la
investigación de la tesina y el inicio de la segunda etapa del proyecto que comprende
la experimentación final con los 54 especímenes y la implementación masiva. En la
última columna del renglón trece, se muestra la fecha tentativa para terminar todo el
proyecto de implementación en Sensata Technologies.
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Fig. 4-2 Cronograma de tesina y proyecto de implementación.
4.1.2 Necesidad de un simulador de inyección para la experimentación y
especímenes de prueba
Una de las limitantes que se consideraron para la experimentación fue la disponibilidad
de inyectoras de plástico, ya que casi la totalidad de ellas no están presentes en
Sensata Technologies Aguascalientes, sino que están localizadas con diferentes
proveedores alrededor del mundo; esto en sí mismo es una limitante mayor para la
experimentación; por otro las pocas máquinas de inyección de plásticos que existen en
la planta en Aguascalientes, usualmente trabajan a máxima capacidad en la
producción masiva de los conectores y otras partes plásticas que se requieren día a
día, lo que impidió disponer de ellas para la primera fase de experimentación. Por estas
razones, se hizo necesario construir un simulador de inyección que genere las mismas
condiciones de desgaste que tienen las máquinas industriales de inyección a una
escala tal que se pueda situar toda la experimentación en un ambiente controlado
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de laboratorio, los detalles técnicos del diseño e implementación del equipo puede
verse en el anexo A.
Debido a que la construcción de moldes para realizar las pruebas es muy tardada y
costosa se buscó una opción que sea compatible con el simulador de inyección, en
este caso fue seleccionada la estrategia de construir un molde único capaz de simular
las condiciones del interior de un molde de inyección industrial, dotado con áreas
internas reemplazables donde se alojarán insertos con los diferentes recubrimientos de
prueba. A lo largo de la experimentación se denominarán ―insertos de prueba‖ o
―especímenes de prueba‖ a las áreas donde se probarán los recubrimientos.
Para reducir el tiempo de experimentación se diseñó el molde base para que tenga la
capacidad de desgastar varios especímenes simultáneamente y asegurar que son
expuestos exactamente a las mismas condiciones. La tabla 4-1 muestra la selección
inicial de los recubrimientos y aceros a utilizar para la experimentación, de esta tabla se
seleccionaron finalmente dos combinaciones para comprobar la hipótesis. Aparecen
en letras color amarillo los materiales seleccionados para la primera etapa de
experimentación.
Recubrimientos Aceros
TiN
ZrN
CrN
DLC
TiALN
TiALN+TiALN
TiCN
WCC +a-c:H
A2
S7
4140PH
H13
4130
D2
Tabla 4-1 Materiales seleccionados para experimentación.
4.1.2.1 Especímenes para evaluar el desgaste
Para poder construir los especímenes de prueba y evaluar el desgaste en los moldes de
inyección, inicialmente se eligen ocho recubrimientos disponibles que pueden ser
aplicados exitosamente a moldes de inyección sin deformarlos mediante la técnica de
PVD ―sputtering‖ a baja temperatura (121 grados Celsius). La tabla 4-2 muestra las 12
combinaciones seleccionadas inicialmente para la experimentación propuesta.
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Número del
Espécimen
Tipo de
Recubrimiento
Tipo de
Acero
1 TiN D2
2 TiN D2 3 TiN D2 4 TiN D2 5 WCC +a-c:H D2 6 WCC +a-c:H D2 7 WCC +a-c:H D2 8 WCC +a-c:H D2 9 Sin recubrimiento D2
10 Sin recubrimiento D2 11 Sin recubrimiento D2 12 Sin recubrimiento D2
Tabla 4-2 Combinaciones seleccionadas para la experimentación.
Los dos recubrimientos que aparecen en la tabla 4-2 fueron seleccionados por los
resultados obtenidos en el análisis de potencial electrostático; estos recubrimientos
tienen un bajo coeficiente de fricción.
Después de determinar los recubrimientos, se inició el proceso de selección de
proveedor y cotización para fabricar los especímenes de prueba.
4.1.3 Método estadístico para comprobar la hipótesis basada en “t-student para
una muestra”
El método estadístico seleccionado para comprobar la hipótesis es una prueba ―t-
student para una muestra‖ (19) , este método fue seleccionado debido a que permite
comparar la media de una muestra contra un valor objetivo, en este caso, la
experimentación generará un grupo de mediciones de desgaste por cada uno de los
dos especímenes de prueba TiN y DLC con sus cuatro respectivas replicas, los cuales se
compararán contra un valor de predicción generado por la ecuación hipótesis, la
prueba estadística t-student para una muestra permite comprobar si es posible aceptar
que la media de la muestra contiene a un valor determinado, en este caso, el de la
predicción de la ecuación hipótesis. La mecánica de aplicación inicia con la toma de
una muestra y el test permite evaluar si es razonable mantener la hipótesis nula o en
otras palabras, si la predicción de la ecuación hipótesis está dentro del intervalo,
donde sabemos que, la media de la muestra se encuentra con un 95% de confianza.
(19).
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Las ecuaciones 4.1.3 a, 4.1.3 b y 4.1.3 c representan la hipótesis escrita con el
estadístico t-student, se trata de una prueba de hipótesis paramétrica; o sea, parte de
la suposición de que la variable analizada en el conjunto de la población sigue una
variabilidad, una distribución como la de la campana de Gauss o normal. Por lo tanto,
podemos pensar que la distribución normal es un buen modelo de esa población.
Puede observarse que se construye un estadístico (4.1.3 c) que sigue la distribución t-
student si es cierta la Hipótesis nula. Por lo tanto, el cálculo del estadístico a la muestra
que tenemos es un número, este número que pondremos en relación con la
distribución del estadístico en caso de ser cierta la Hipótesis nula (4.1.3 a). Si cae en una
zona central de esa distribución de probabilidad 0.95 (el 95% de confianza)
mantendremos la Hipótesis nula. Si cae fuera de esa zona, la rechazaremos y nos
inclinaremos por la hipótesis alternativa (4.1.3 b).
𝐻0: µ = µ0 (4.1.3 a)
𝐻𝐴: µ ≠ µ0 (4.1.3 b)
𝑇 = 𝑥 −µ0
𝑆
𝑛
≡ 𝑡𝑛−1 (4.1.3 c)
Donde:
𝑥 = 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙
𝑆 = 𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑
𝑛 = 𝑡𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙
𝑡 = 𝑡 𝑑𝑒 𝑠𝑡𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡
µ0 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑟
Se utiliza el software MINITAB® versión 14.12.0 para el análisis de los datos que se
obtengan de la experimentación.
En la figura 4-3 se muestra un ejemplo de una prueba estadística t-student para una
muestra. La gráfica de la figura 4-4 representa el resultado de comparar una muestra
contra un valor objetivo denominado H0. Se puede interpretar la gráfica como sigue:
la línea azul representa el rango donde se tiene la seguridad que se va a encontrar la
media y el punto H0 (representado con una pequeña cruz dentro de un círculo rojo), al
valor objetivo que se está comparando. Si el punto H0 se encuentra sobre la línea azul,
significa que la media de las mediciones contiene al punto H0, por lo tanto se
considera que el punto H0 es igual a la media del grupo de mediciones. Sin embargo
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en la gráfica se puede ver que el punto H0 está alejado de la línea azul, por lo cual, se
concluye que el punto H0 no es parte de la media del grupo de mediciones. En la
gráfica, se marcan con círculos azules tanto el intervalo de confianza donde se
encuentra la media como el punto H0 en la evaluación.
En términos estadísticos se expresa el resultado de la prueba como sigue: para H0: µ = 5
(hipótesis nula) se calcula como -2.56. El valor p de esta prueba, o la probabilidad de
obtener más valor extremo de la estadística de prueba por casualidad si era cierto, la
hipótesis nula es 0.034. Esto se llama el nivel de significancia logrado, valor p. Por lo
tanto, se rechazar H0 ya que su nivel aceptable es mayor que el valor de p, ó 0.034.
Fig. 4-3 Ejemplo de prueba estadística t-student para una muestra.
La figura 4-4 muestra una tabla de valores críticos t con 𝑣 grados de libertad. Esta tabla
es la que nos permite evaluar el resultado del estadístico que se presenta en la
ecuación 4.1.3 c, donde, dependiendo del resultado al evaluar este estadístico, su
resultado se compara con esta tabla para definir si se acepta la hipótesis nula o no. El
software Minitab tiene incluido el cálculo para obtener este tipo de tablas y
proporciona la evaluación automáticamente.
Values
5.25.04.84.64.44.24.0
X_
Ho
Individual Value Plot of Values(with Ho and 90% t-confidence interval for the mean)
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Fig. 4-4 Distribución t-student.
4.1.4 Estimación de la duración de una repetición de prueba
Para determinar el número de ciclos necesarios para producir un desgaste medible en
el profilómetro láser Cyberscan, se usa como base el estudio de los doctores J.
Bergstromy F. Thuvander (10) (una explicación más detallada de esta parte de la
teoría se encuentra en la sección 3.2.5). En su experimento, ellos lograron obtener
desgastes medibles en una escala de 10 µm después de exponer a 1000 gr de polímero
(Lexan 341R-739) a los especímenes de prueba.
El tiempo del ciclo de inyección es determinado principalmente por la sección de
pared más gruesa de la parte plástica a inyectar (2). Se usa como guía la gráfica de la
figura 4-5, para hacer la determinación del tiempo ciclo que se requiere para
completar una inyección, y se asume que el molde se colocará en una máquina o
simulador de moldeado de tamaño adecuado y que todas las fases del proceso de
inyección son tiempos promedio.
La gráfica de la figura 4-5 se obtuvo como resultado de pruebas reales realizadas por
Texas Plastic Technologies entre 1991 y 1994 (1), usando una gran variedad de
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polímeros. La gráfica proporciona un valor bastante aproximado al tiempo que se va a
requerir.
Fig. 4-5 Tiempo de ciclo de inyección contra el grosor de la pared inyectada.
En la figura 4-5 el eje de las x representa el grosor de la parte a inyectar (o pared
dependiendo de la geometría) y el eje de las y representa el tiempo necesario para
completar una inyección en segundos. Se puede observar que de 0.25 mm a 2 mm
hay un incremento lineal del tiempo de inyección y que a grosores mayores a 2 mm se
incrementa de manera exponencial.
La conclusión a partir de la gráfica 4-5 para el diseño de la parte a inyectar en este
proyecto de investigación, determina que si se diseñan las piezas plásticas
generadoras de desgaste en espesores de pared del orden de 6.5 mm, se esperaría
poder tener ciclos de inyección de 60 segundos por ciclo de inyección.
Se propone iniciar la experimentación considerando un total de 1000 inyecciones, ya
que cada pieza termo-formada requiere un gramo de polímero, esto para asegurar
que el desgaste sea medible.
El experimento requiere probar 12 posibles combinaciones (ver tabla 4-2) para cubrir
los recubrimientos seleccionados para el experimento y la cantidad mínima de ciclos
de inyección será de 1000 para lograr un desgaste medible.
Tiempo estimado = (60 segundos) (12 combinaciones)(1000 Ciclos)
Tiempo estimado = 720,000 segundos
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Tiempo estimado = 200 horas
Este tiempo resulta excesivo para la experimentación ya que representa 200 horas de
operación continua, más los tiempos de cambios de especímenes, por lo que se
determina que se hará un molde con multi-cavidades para reducir el tiempo de la
primera etapa de la experimentación.
Se seleccionó una geometría de la pieza desgastadora que permite evaluar 4 insertos
o especímenes simultáneamente, lo cual equivale a tener 4 cavidades.
Tiempo de experimento = 200 horas/4 = 50 horas experimentación continua.
Por lo que la duración del experimento probando los 12 especímenes será de 50 horas
por cada replica. El cálculo de este tiempo se precisará después de realizar la
simulación de flujo en el software Moldex3D.
4.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO EN PARTE PLÁSTICA PARA GENERAR
DESGASTE EN ESPÉCIMEN. El análisis de elemento finito en la parte plástica para generar desgaste en los
especímenes es una de las lecciones aprendidas más importantes en este proyecto de
investigación. Durante la investigacióninicial, en la que se construyó lo que se
denominará más adelante el ―Prototipo de simulador de inyección inicial‖ al comenzar
a hacer las primeras inyecciones, se produjo una falla estructural en el simulador de
inyección pues sufrió fracturas considerables debido a cargas excesivas de fuerza
durante los ciclos de simulación. Esto se produjo principalmente por la falta de
parámetros correctos para la inyección de la parte plástica en la etapa del diseño y la
construcción del prototipo inicial, ya que fue construido usando sólo conocimiento
empírico.
Para evitar que la versión final del simulador tenga nuevamente problemas de fallas
estructurales, se utiliza la metodología de moldeo científico (―Scientific Molding
Approach‖), la cual utiliza ayudas basadas en software CAD-CAE que determinan con
exactitud, mediante el análisis de elemento finito, los principales parámetros de
inyección de la parte plástica durante la simulación. Para utilizar este método, se
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diseña la parte plástica desgastadora en un software CAD y luego se procesó
mediante el software de análisis de elemento finito CAE, los resultados que se obtienen
del análisis son los principales parámetros que se producen durante el ciclo de
inyección, una lista de los parámetros que se determinan con este método se muestra
a continuación:
Presión de llenado para generar la parte plástica vs tiempo.
Presión en el bebedero durante la inyección vs tiempo.
Tasa de llenado de la cavidad vs tiempo.
Localización de la capa congelada en la pieza inyectada.
Temperaturas máximas del polímero durante la inyección.
Porcentaje de llenado de la cavidad vs tiempo.
Estimación del peso de la pieza moldeada.
Estimación del peso de la cavidad y bebedero.
Los parámetros determinados por el análisis finito de la pieza a inyectar se utilizan para
diseñar la nueva versión de la máquina simuladora, que de aquí en adelante se
denominará ―simulador de inyección versión final‖. En la que, los parámetros de
presiones, tiempos y temperaturas obtenidas mediante el software CAE serán la base
del diseño del simulador.
Se decidió usar para el diseño de la parte plástica desgastadora y la máquina
simuladora el software SolidworksTM (CAD).
Para el análisis de elemento finito CAE de la pieza de plástico desgastadora de
especímenes, se utiliza el software Moldex3DTM ya que puede determinar los
parámetros necesarios para definir el diseño del nuevo simulador; se logró conseguir
una licencia de evaluación de su distribuidor con una duración de dos meses,
suficiente tiempo para completar el análisis. Este software cuenta con un interfase para
poder utilizar directamente en el SolidworksTM las rutinas del software Moldex3D, que
permite la comunicación entre ambos softwares, lo que hizo posible ahorrar tiempo en
el desarrollo del diseño.
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4.2.1 Selección de software CAE Moldex3DTM para análisis
Se identifica la necesidad de utilizar un software de ingeniería asistida por
computadora (CAE, del inglés Computer Aided Engineering) para obtener los
parámetros de la pieza a inyectar como, presión, temperatura y tiempos de inyección.
Se selecciona para este análisis el software Moldex3DTM; la figura 4-6 muestra su logo
comercial.
Moldex3D es un software CAE para el análisis en la industria de moldeado por
inyección de plástico para simular las aplicaciones de moldeo por inyección, con el
objetivo de optimizar los procesos de diseño del producto y su fabricación. Este
software tiene la capacidad de simulación de moldeado por inyección de plástico en
3D, siendo capaz de simular la tasa de flujo y la temperatura del polímero durante la
inyección, el efecto de inercia o viscosidad, la velocidad, tiempo y fuerzas durante la
inyección, así como en los bebederos y las fuerza necesaria para el cierre de los
moldes, también la simulación completa del proceso térmico, entre otros parámetros
más.
Fig. 4-6 Logo comercial del software MOldex3D.
4.2.2 Propiedades del polímero Noryl GTX 830 (PPS+PE+PA) para simulación
Las principales características del PPE+PS+PA (Noryl GTX 830) que se usan en la
simulación con el software Moldex3D así como las gráficas de sus propiedades térmicas
se presentan en esta sección. Todos los datos mostrados fueron proporcionados por el
fabricante de la resina, Sabic.
La tabla 4-3 contiene las propiedades mecánicas del NORYL.
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Tabla 4-3 Propiedades mecánicas del NORYL.
Las curvas de las principales características térmicas del polímero NORYL GTX830
necesarias para esta investigación se muestran en la figura 4-7 se puede observar la
conductividad térmica vs. temperatura, la figura 4-8 muestra la gráfica de volumen
específico vs temperatura y la figura 4-9 muestra la curva de viscosidad vs.
temperatura. La figura 4-10 muestra la capacidad térmica vs temperatura del Noryl
GTX 830.
Fig. 4-7 Curva de conductividad térmica vs temperatura de polímero Noryl GTX830.
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Fig. 4-8 Curva de volumen específico vs temperatura de polímero Noryl GTX830.
Fig. 4-9 Curva de viscosidad vs temperatura de polímero Noryl GTX830.
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4.2.2.1 Recomendaciones del fabricante al usar el Noryl aleación de PPE+PA+PS
reforzado con 30% fibra de vidrio
Los fabricantes de la resina Noryl dan una serie de recomendaciones comunes para la
utilización óptima del producto.
La primera recomendación se refiere a la purga, que se debe realizar cuando se
termina de inyectar, para remover los sobrantes y limpiar el inyector. Para purgar el
inyector se recomienda usar dos resinas el poliestireno y el triturado de acrílico, ya que
son eficaces para este propósito cuando se usan a la temperatura apropiada.
Otra recomendación es que cuando se re-utiliza material sobrante de inyecciones
anteriores, éste debe de ser triturado y también debe ser secado. Para mantener la
calidad de la resina; no debe de excederse de un máximo de 25% de material triturado
de la mezcla. Para un rendimiento óptimo el secado de la resina debe realizarse a las
siguientes temperaturas:
Secar de 4-8 horas a 95° C, sin exceder de 10 horas.
Secar de 6-12 horas a 80° C, sin exceder de 16 horas.
Secar de 8-16 horas a 65° C, sin exceder de 24 horas.
El secar en exceso puede causar la pérdida de propiedades físicas o generar defectos
en su apariencia.
Fig. 4-10 Capacidad térmica vs temperatura del polímero Noryl GTX830.
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Los fabricantes indican que se debe evitar la fusión de la resina a temperaturas
superiores a 310 °C, o la inyección por más de 6-8 minutos en el molde cerrado
calentando, ya que puede afectar a las propiedades o apariencia del producto.
Es muy aconsejable tener controles para la temperatura de la boquilla, esto es
indispensable para eliminar el defecto por enfriado prematuro. Los tiros o inyecciones
de tamaños superiores a 50% de la capacidad del barril pueden producir dificultades
para lograr un acabado homogéneo en la superficie del plástico.
La tabla 4-4 muestra los parámetros de operación que da el fabricante para el
proceso de moldeo empleando el Noryl aleación de PPE + PS + PA reforzado con 30%
fibra de vidrio.
Tipo de material Termoplásticos
Nombre genérico PPE+PS+PA
Proveedor SABIC(GE)
Nombre comercial NORYL GTX 830
Porcentaje de fibra 37.0%
Temperatura del Fundido 280~310(oC)
Temperatura del Molde 75~120(oC)
Temperatura de Expulsión 225.0(oC)
Temperatura de Congelación 245.0(oC)
Tiempo de llenado 2.0 (seg)
Temperatura del molde 97.5 (oC)
presión de inyección 250.0 (MPa)
Tiempo de empaquetado 3.0 (seg)
presión de empaquetado 250.0 (MPa)
Interruptor VP por el volumen (%) de llenado 98.0 (%)
Tiempo de apertura del molde 5.0 (seg)
Temperatura de Expulsión 224.8(oC)
Temperatura del aire 25.0 (oC)
Tabla 4-4 Parámetros de operación del Noryl GTX 830.
4.2.3 Diseño en Solidworks (CAD) de pieza plástica a inyectar
Para el diseño de la pieza plástica se seleccionó el software CAD (Computer-Aided
Design), de la firma SolidworksTM versión 12. La figura 4-11 muestra el logotipo comercial
del software. Este programa fue elegido por su versatilidad y disponibilidad ya que
Sensata Technologies cuenta con una licencia corporativa.
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Fig. 4-11 Logo comercial de software.
Las piezas termo-formadas serán hechas por inyección de resina PPE+PS+PA, se usará
la resina que comercializa SABIC (GE) denominada Noryl GYX 830 para generar el
desgaste en los especímenes de acero con los recubrimientos en evaluación.
La imagen que representa a la pieza física a inyectar obtenida mediante el diseño en
Solidworks se muestra en la figura 4-12, se puede observar la forma final de la pieza
incluyendo su bebedero.
Fig. 4-12 Pieza plástica diseñada para desgaste.
La forma geométrica del bloque se diseñó para facilitar los cálculos y la construcción
de los moldes y especímenes de prueba, el dibujo isométrico con dimensiones de la
parte a inyectar para generar el desgaste en los especímenes de prueba se muestra
en la figura 4-13.
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Fig. 4-13 Dimensiones de la pieza a inyectar en Resina PPE+PS+PA.
4.2.4 Resultados obtenidos de la simulación CAE de la pieza inyectada
Para obtener los resultados de la simulación fue necesario realizar varios análisis con el
software Moldex3D con diferentes diseños de la pieza a inyectar hasta obtener el
modelo de pieza desgastante final, cada simulación tomaba alrededor de 6 horas de
procesamiento. La geometría del bloque de 25.4mm de longitud es la que más se
acomoda para la fabricación la cual presenta las presiones internas y temperaturas
que experimenta una parte típica de inyección del polímero PPS+PS+PA en las
máquinas de inyección industrial, actualmente en uso por Sensata Technologies.
4.2.4.1 Presión de llenado en la cavidad
La distribución de la presión de llenado de la cavidad se muestra en la figura 4-14. Las
diferentes presiones que se presentan dentro de la pieza de plástico durante el proceso
de inyección, se representan con diferentes colores en la figura, donde el color azul
representa la mínima presión en la pieza y el rojo representa la máxima presión. En base
a la caída y distribución de las presiones es posible observar la pieza y verificar cual
será el diseño del molde antes de construirlo. Desde la distribución de la presión se
puede verificar cómo se propaga la fuerza sobre lo que será la superficie de la
cavidad de la pieza, también se puede observar la caída de presión en el sistema de
canales de alimentación o bebedero, así como el flujo del polímero y la presión
máxima para evitar el sobre-empaquetado, también es posible examinar el alcance
de la presión de empaquetado y la fuerza de sostenimiento de cierre del molde.
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Fig. 4-14 Resultado de la presión de llenado en la pieza plástica.
En la figura se puede observar que la presión máxima en la superficie del molde será
de 12.001 MPa (mega pascales).
4.2.4.2 Presión en el bebedero vs tiempo
La presión en el bebedero de acuerdo al análisis de simulación con Moldex3D en la
figura 4-15 muestra que se van a requerir 12.2 MPa (mega pascales) para lograr la
inyección completa.
Fig. 4-15 Resultado de la presión del bebedero durante la inyección.
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4.2.4.3 Tasa de flujo al entrar a la cavidad vs tiempo
La velocidad de llenado (Ver figura 4-16) se puede medir por la tasa de flujo del
polímero durante la inyección. Inició en 0.66 cc/seg. y se redujo a cero al alcanzar el
llenado total, de 0 a 0.33 segundos que es el recorrido por el bebedero.
Fig. 4-16 Resultado tasa de llenado de la cavidad.
4.2.4.4 Relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad
La relación de capa congelada al entrar el polímero en la cavidad es la relación de
solidificación causada por los resultados del enfriamiento durante el flujo del polímero
fundido cerca de la superficie de la cavidad. La figura 4-17 muestra el resultado
obtenido en la simulación de la capa congelada. Con el incremento del tiempo la
relación de congelamiento aumenta; el incremento de la relación no sólo reduce la
sección transversal a lo largo de ruta del flujo, también incrementa la resistencia al flujo
y la presión del bebedero. Además, el esfuerzo residual y la orientación del flujo
inducido serán afectados. En esta simulación fue posible determinar que no se
presentará ningún problema en el llenado de la figura geométrica de la pieza
seleccionada.
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Fig. 4-17 Resultado de simulación de la relación de capa congelada.
4.2.4.5 Temperatura máxima de la parte inyectada
La figura 4-18 muestra la temperatura máxima dentro de la pieza durante el proceso
de inyección. El polímero alcanzará 295.303 grados centígrados y al final de la
inyección estará a una temperatura de 255 grados.
Fig. 4-18 Resultado de simulación de la Temperatura máxima.
4.2.4.6 Fuerza de cierre para el molde vs tiempo
La figura 4-19 muestra el resultado de la simulación de fuerza de cierre, este es un
parámetro muy importante para determinar la fuerza que debe soportar el sistema de
cierre del simulador de inyección para el molde. En este caso, para el diseño
seleccionado se deben soportar al menos 60 kilogramos-fuerza, esa será la fuerza que
deberá usarse para el diseño del sistema. (0.06 toneladas).
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Fig. 4-19 Resultado de simulación de la fuerza de cierre del molde en Moldex3D.
4.2.4.7 Porcentaje de llenado volumétrico de la cavidad vs tiempo
La figura 4-20 muestra el porcentaje de llenado del molde con respecto al tiempo. La
simulación nos indica que el llenado se puede completar en alrededor de 2 segundos.
Fig. 4-20 Resultado de simulación de tasa de llenado fracción volumétrica.
4.2.4.8 Peso total de la pieza vs tiempo
La figura 4-21 muestra el peso de la pieza vs tiempo, este dato es necesario para
determinar la cantidad inicial de resina que se requiere para realizar la
experimentación. El estudio muestra que por cada inyección de una pieza el peso total
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incluyendo el bebedero, la compuerta y el canal, es de 1.52 gramos, eso significa que
para una simulación de 1000 ciclos se requiere de 1.52 kilogramos de material.
Fig. 4-21 Resultado de simulación del peso total de la pieza moldeada.
.
4.2.4.9 Llenado peso de la cavidad vs tiempo
La pieza moldeada pesará 1.4 gramos después de remover el bebedero. El ciclo
muestra que después de 0.333 segundos se empezará a llenar la cavidad del molde
con el polímero, justo cuando el material fundido termine de recorrer el bebedero, y se
irá llenando hasta el máximo de 1.2 gramos. La figura 4-22 muestra el resultado de la
simulación donde se puede ver el llenado de la cavidad con respecto al tiempo. En
este caso el simulador solo tendrá una cavidad.
Fig. 4-22 Resultado de simulación del peso al llenar la cavidad.
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4.3 DISEÑO DEL MOLDE PARA PROBAR ESPECÍMENES Para el proyecto, fue necesario diseñar y construir un molde de pruebas que sea capaz
de contener dentro de sus cavidades a los especímenes o insertos con los
recubrimientos de prueba; se evaluaron varios conceptos y se seleccionó un diseño
básico con solo una cavidad. En la figura 4-23 se muestran las dos partes que
componen al molde de aluminio que contendrá en sus cuatro espacios (dos por lado)
a los especímenes. Frente al molde se puede observar un espécimen.
Fig. 4-23 Molde de aluminio y espécimen.
La figura 4-24 muestra un esquema generado en Solidworks en el que se muestra un
corte transversal del molde cerrado en el que se puede apreciar la ubicación de los
especímenes y la cavidad que forman entre ellos, que es el espacio donde se
inyectará la resina Noryl para formar la pieza de plástico que producirá un desgaste en
cada una de las superficies de los cuatro especímenes.
Fig. 4-24 Corte transversal del molde.
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El molde porta especímenes tiene un sistema de ejecutores para una expulsión
automática de las piezas termo-formadas. Los eyectores se encuentran montados en
una placa en la parte trasera del molde móvil, cuando esta parte del molde se abre,
unas barras de botado accionan el mecanismo de expulsión.
4.4 PROPUESTA DE MEDICIÓN DE DESGASTE EN ESPECÍMENES POR
COMPARACIÓN DE TOPOGRAFÍAS SUPERFICIALES La medición de volumen de desgaste que se propone para cada espécimen requiere
ser determinada con precisión, para esto se utilizará un profilómetro láser propiedad de
Sensata Technologies de México. Para lograr determinar el volumen perdido, se
compara una medición de la superficie del espécimen antes de la prueba con otra
medición al finalizar la simulación; la diferencia entre las dos mediciones es el volumen
perdido.
4.4.1 Equipo para medición de desgaste de los especímenes
Para medir el desgaste de los especímenes se usará el CyberScan® Vantage™
desarrollado y distribuido por la firma Cyber Technologies GmbH.
El Sistema CyberScan ® Vantage ™ modelo DRS-500es un equipo de medición de
alturas que no requiere hacer contacto con la superficie a medir. Utiliza un sensor láser
y un sistema de desplazamiento en los ejes ―x‖ y ―y‖. Combina la tecnología láser con
el control de coordenadas por computadora de los ejes ―x‖ y ―y‖ para producir
patrones tridimensionales de las superficies. La figura 4-25 muestra una fotografía del
profilómetro láser que se propone utilizar para realizar las comparaciones topográficas
de las superficies de los especímenes.
Fig. 4-25 Esquema de profilómetro láser.
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4.4.2 Método para medición de desgaste en los especímenes
El método para medir el desgaste en la superficie de los especímenes se basa en crear
dos planos generados por el profilómetro, uno antes y el otro después de la simulación
de desgaste; la resta aritmética punto por punto entre los dos planos genera una matriz
de resultados, la sumatoria de todos los elementos de la matriz representa el volumen
total perdido durante la experimentación del espécimen.
Los especímenes serán medidos en la superficie que tiene el recubrimiento a evaluar.
Esta superficie se muestra con las flechas azules en la figura 4-26.
Fig. 4-26 Superficie a medir.
Para iniciar la medición de desgaste de la superficie del primer plano se ajusta el
profilómetro láser para hacer un barrido sobre el espécimen antes de ser expuesto a la
simulación de 186 micrones X 66, esto permite obtener 12,276 puntos de medición en la
superficie, que serán el punto cero o referencia. Estas mediciones obtenidas con el
profilómetro son exportadas a un archivo de Excel para su posterior procesamiento; la
imagen 4-27 muestra el resultado de la primera medición de la superficie con
recubrimiento del espécimen, a este resultado le denominaremos plano de referencia
cero.
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Fig. 4-27 Imagen 3D del plano de referencia cero.
La siguiente fase de la medición de desgaste, consiste en obtener un nuevo barrido de
la superficie con el profilómetro del espécimen después de la simulación de inyección
del polímero. Se espera que este nuevo barrido sea ligeramente diferente al inicial,
esas pequeñas diferencias o deltas de distancia son el desgaste o pérdida de material.
Al segundo barrido láser del profilómetro se le denomina, plano de resultados. La figura
4-28 muestra la imagen 3D del plano de resultados del espécimen.
Fig. 4-28 Imagen 3D de superficie del plano de resultados.
Finalmente, para terminar la medición del desgaste de la superficie con recubrimiento
del espécimen, se realiza una serie de restas punto por punto entre el plano de
referencia cero y el plano de resultados. Con la matriz resultante de la serie de restas
se genera una gráfica tridimensional a la que denominaremos delta Z (∆z), la figura 4-
29 muestra la representación en tercera dimensión de la matriz resultante.
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Fig. 4-29 Imagen 3D de la superficie desgastada ∆z.
Para calcular el volumen perdido durante la simulación de desgaste, se usará la
aproximación de distancia x área. La distancia es la diferencia entre cada punto de
medición y el área es el paso de escaneo en el eje X y eje Y, en este caso es de 10µm
en eje X y 22µm en el eje Y, el área por cada punto de medición es el producto de
ambos y se puede expresar como:
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐 = ∆𝐳 𝐚𝐫𝐞𝐚 𝐦𝐞𝐝𝐢𝐜𝐢ó𝐧
𝑴𝒂𝒙𝒑𝒖𝒏𝒕𝒐𝒔𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐
𝒏=𝟏
Donde el área medición es:
𝒂𝒓𝒆𝒂𝒎𝒆𝒅𝒊𝒄𝒊ó𝒏 = 𝒑𝒂𝒔𝒐𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐𝑿 𝑷𝒂𝒔𝒐𝒆𝒔𝒄𝒂𝒏𝒆𝒐𝒀 = 𝟏𝟎𝝁𝒎 𝟐𝟐 𝝁𝒎 = 𝟐𝟐𝟎 𝝁𝒎𝟐
En este caso, convirtiendo a milímetros cúbicos.
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏𝑷𝒆𝒓𝒅𝒊𝒅𝒐 = 𝟏𝟕𝟖𝟖𝟏𝟕𝟐.𝟗𝟖µ𝐦³ = 𝟎.𝟎𝟎𝟏𝟕𝟖𝟖𝟏𝟕𝟑𝐦𝐦³
Este resultado será el volumen perdido por el inserto durante las simulaciones.
El mismo proceso se va a repetir en cada espécimen de prueba antes y después de la
simulación para obtener el volumen perdido y tener una imagen de la huella generada
por el desgaste en la gráfica de ∆z.
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4.5 CONSTRUCCIÓN DE ESPECÍMENES DE PRUEBA La construcción de los especímenes de prueba se realiza en dos etapas, primero se
diseñan los insertos y posteriormente se localiza un proveedor externo a Sensata
Technologies para su fabricación.
4.5.1 Diseño de especímenes de prueba para desgaste
Para este proyecto fue necesario diseñar y fabricar los especímenes de prueba con los
diferentes tipos de recubrimientos. La figura 4-33 muestra el diseño básico de estos
insertos. El espécimen tiene por dimensiones 25.4 milímetros (mm) de longitud, por 6.35
mm de alto por 6.35 mm de ancho, este espécimen fue denominado durante el
desarrollo con el proveedor ―block de pruebas‖. Cada espécimen tiene un diferente
recubrimiento de prueba.
Fig. 4-30 Diseño de espécimen y sus dimensiones.
El material que servirá como sustrato base para los recubrimientos, fue seleccionado de
los aceros D2 en 48-50 Rc.
4.5.2 Fabricación de especímenes de prueba con proveedor
Para la fabricación de especímenes se localizaron diferentes proveedores que cuentan
con el equipo necesario para aplicar los recubrimientos en los especímenes de prueba.
Se eligió el proveedor M.T.P. Associates Inc., localizado en East Sandwich, MA. Se
solicita al proveedor usar el sistema de PVD Sputtering en la aplicación de los
recubrimientos. No se opta por trabajar con varios proveedores para reducir el tiempo
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y complejidad de la experimentación, ya que, la variación entre proveedores puede
generar un nuevo proyecto por sí mismo. La figura 4-31 muestra el logotipo de la
compañía seleccionada para ser el proveedor de especímenes.
Fig. 4-31 Logo de M.T.P. Associates Inc.
Durante el desarrollo del proyecto, el proveedor M.T.P. se coordinará con diferentes
laboratorios que cuentan con los equipos de deposición en fase a vapor asistido con
magnetrón (PVD Sputtering), para la aplicación de los recubrimientos
Para la primera fase de la investigación se recomienda fabricar dos juegos de
especímenes de prueba, el primero es acero D2 con recubrimiento nitruro de titanio
(TiN), y el segundo de acero D2 con recubrimiento de carbono como diamante (DLC).
En la figura 4-33 se muestra una fotografía de los primeros insertos fabricados para la
prueba, son un par de especímenes de acero D2 con el recubrimiento carbono como
diamante (DLC).
Fig. 4-32 Primeros especímenes de prueba fabricados.
4.6 PARA PROBAR ECUACION-HIPOTESIS CON LOS RESULTADOS DE
ESPECÍMENES TIN Y DLC Se realizará la investigación para la demostración de la ecuación-hipótesis propuesta
usando los dos grupos de especímenes seleccionados, el grupo de acero D2 con
recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) y el grupo con acero D2 usando el
recubrimiento carbono como diamante (DLC).
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4.6.1 Perfil de referencia de cada espécimen para la medición
Se iniciará la midiendo con el profilómetro láser la topografía superficial de los dos
grupos de especímenes para obtener el plano de referencia cero de medición.
4.6.2 Aplicando ciclos de desgaste a especímenes por medio del simulador de
inyección
La experimentación de desgaste requerirá aplicar 1000 ciclos de prueba en el
simulador de desgaste usando la resina Noryl GTX 830, el número de ciclos fue
determinado en la sección 4.1.4. Una vez terminada la prueba, es decir, las 1000
inyecciones de Noryl en el molde, se medirán nuevamente los especímenes en el
profilómetro láser y se registrarán los resultados en un formato como el que se muestra
en la tabla 4-5.
Espécimen
#
Recubrimiento
Acero
Desgaste
Medido µm³
(x10-6 m)
Desgaste
Medido
(gramos)
1 TiN D2
2 TiN D2
3 TiN D2
4 TiN D2
5 DLC D2
6 DLC D2
7 DLC D2
8 DLC D2
Tabla 4-5 Formato para registro de las mediciones de desgaste.
4.6.3 Estimación de desgaste usando la ecuación-hipótesis
Utilizando la ecuación-hipótesis se estima el desgaste que tendrán los especímenes de
prueba con recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) y también con los de recubrimiento
de carbono como diamante (DLC).
Para obtener la estimación del desgaste de los especímenes de prueba, se requiere
conocer el coeficiente de fricción de cada uno de ellos. El recubrimiento de nitruro de
titanio tiene un coeficiente de fricción en seco de 0.4 y el carbono como diamante de
entre 0.1 a 0.2; la tabla 4-6 muestra los parámetros más importantes de los materiales
de recubrimiento de los especímenes, estos datos han sido proporcionados por el
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fabricante, excepto el potencial electrostático, el cual fue obtenido mediante
simulación, los detalles se encuentran en la sección 3.3.2, en la tabla 3-2.
#
Espécimen
Tipo de
Recubrimiento
Tipo de
Acero
Dureza
acero
esperado
(Rc)
Micro dureza
del
recubrimiento
(HV0.05)
Coeficiente
de fricción
recubrimiento
en acero
(seco)
Potencial
electrostático
recubrimiento
(eV)
1-4 TiN D2 58 ~ 60 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
5-8 DLC (a-C:H) D2 58 ~ 60 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
Tabla 4-6 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis.
Calculando el desgaste teórico:
Usando la ecuación hipótesis 𝑫𝒎𝒔 se calculan los desgaste teóricos en gramos al
aplicar 1,000 gramos de flujo de material de desgaste.
𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟏
Donde:
𝑫𝒎𝒔 = Desgaste de la superficie en gramos por cada 1,612 cm2 de polímero
PPS+PS+PA erosionando la superficie.
𝑪𝒇 = Coeficiente de fricción del recubrimiento en acero (seco).
Sustituyendo:
𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑻𝒊𝑵)𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝟎.𝟒
= 0.16945 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟐
𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑫𝑳𝑪)𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 + 𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝟎.𝟏𝟓
= 0.047625 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝑫𝟑
La tabla muestra los resultados de la ecuación-hipótesis de desgaste de los
recubrimientos TiN y DLC.
Recubrimiento Predicción de desgaste
𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑻𝒊𝑵)𝒎𝒔 0.169450 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠
𝑫𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒆 (𝑫𝑳𝑪)𝒎𝒔 0.047625 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠
Tabla 4-7 Parámetros de especímenes para aplicar ecuación-hipótesis.
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4.6.4 Descripción de método para comprobar la ecuación-hipótesis
Para probar la ecuación-hipótesis se utiliza la prueba t-student para muestra única;
esta técnica estadística se utiliza para evaluar la hipótesis nula, si la hipótesis nula es
aceptada, significa que la ecuación-hipótesis fue capaz de pronosticar el desgaste al
aplicar el coeficiente de fricción del recubrimiento. En el caso de que la hipótesis nula
sea rechazada, significaría que la ecuación-hipótesis no puede pronosticar los
desgastes de los recubrimientos. La hipótesis nula se refiere a que la media de las
mediciones de desgaste de los especímenes de prueba es igual al pronóstico de la
ecuación-hipótesis.
Se usa la prueba t-student para muestra única para rechazar o aceptar la hipótesis de
que la predicción de desgaste obtenida por la ecuación-hipótesis genera un resultado
tal que, está dentro del intervalo de confianza del 95% de la media medida en la
experimentación cuando se expone individualmente a los 4 especímenes a un
desgaste 1,612 cm2 de polímero PPS+PS+PA erosionando la superficie.
Esto se expresa como:
H0 = Hipótesis nula = La predicción de desgaste de la ecuación-hipótesis es igual
a la media de las mediciones de desgaste en los especímenes que fueron
expuestos a un desgaste de 1,612 cm2 de polímero PPS+PS+PA erosionando la
superficie.
HA= Hipótesis Alternativa = La predicción no está dentro de la media de las
mediciones de desgaste en los especímenes un desgaste de 1,612 cm2 de
polímero PPS+PS+PA erosionando la superficie.
Para la verificación de la ecuación-hipótesis para cada una de las dos muestras, la de
y nitruro de titanio y la de diamante como carbón, se le asignará un subíndice, 1 y 2
respectivamente a las ecuaciones hipótesis, quedando H01 para el espécimen con
recubrimiento TiN y H02 para el espécimen con recubrimiento de DLC, y HA1 y HA2 como
sus respectivas hipótesis alternativas.
La comprobación de la ecuación-hipótesis se logra cuando H01 y H02 (hipótesis nulas)
no son rechazadas por la prueba estadística t-student para una sola muestra, es decir,
que las medias de las mediciones de desgaste de cada espécimen sean iguales a las
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predicciones de la ecuación-hipótesis. Se utiliza el software Minitab para realizar el
análisis y obtener las graficas de resultados.
4.6.5 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento TiN (hipótesis H01)
La prueba t-student para el espécimen con recubrimiento de nitruro de titanio (TiN),
requiere varios experimentos para calcular la media estadística. Para la prueba se
realizará una simulación de desgaste que erosionará simultáneamente a cuatro
especímenes con recubrimiento de nitruro de titanio. Los especímenes deben ser
construidos con iguales condiciones de fabricación, usando el mismo acero D2 como
sustrato y nitruro de titanio como recubrimiento aplicado a todos los especímenes
simultáneamente en la máquina PVD del proveedor.
Los cuatro especímenes son probados al mismo tiempo mediante 1000 ciclos de
inyección del simulador que equivalen a exponer a los especímenes a un desgaste de
1 kilogramo de PPE+PS+PA que es igual a 1,612 cm2 de erosión en la superficie de
pruebas.
En la figura 4-33 se muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para
una sola muestra‖ usando los datos de una de las investigaciones previas de los
doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739, que es un
PPE+PS+PA muy parecido en características mecánicas, térmicas y en el contenido de
fibra de vidrio que el polímero Noryl GTX830. Se puede observar el punto H0 que
representa a la hipótesis nula H01 en color rojo. La línea azul en la gráfica, representa al
intervalo en donde se puede encontrar la media de las mediciones de desgaste con
un 95% de confianza. En la misma gráfica los 4 puntos rojos que están sobre la línea de
intervalo representan las mediciones de desgaste individuales de las 4 pruebas de
desgaste que se realizaron. Puede interpretarse que el resultado de la predicción de la
ecuación-hipótesis para las mediciones del experimento previo de de nitruro de titanio
está dentro del intervalo de confianza, lo que significa que la media de las mediciones
de desgaste son iguales a la predicción generada por la ecuación-hipótesis.
La conclusión de la prueba estadística t-student es que no se puede rechazar la
hipótesis nula. Por lo tanto confirma que la ecuación-hipótesis fue capaz de predecir el
desgaste esperado en las 4 mediciones de nitruro de titanio.
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Fig. 4-33 Resultado de prueba t-student para hipótesis H01.
4.6.6 Prueba t-student para espécimen con recubrimiento DLC (hipótesis H02)
En la figura 4-34 se muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para
una sola muestra‖ usando los datos de una de las investigaciones previas de los
doctores T. Grogler y E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739, que es un
PPE+PS+PA muy parecido en características mecánicas, térmicas y en el contenido de
fibra de vidrio que el polímero Noryl GTX830. La prueba ―t-student para una sola
muestra‖ para las mediciones de las investigación previa con recubrimiento de
carbono como diamante (DLC) se realiza exactamente igual que en el caso del
recubrimiento de nitruro de titanio (TiN) (hipótesis H01), esta prueba estadística se
denomina hipótesis H02 .
En figura 4-38 muestra el resultado gráfico de la prueba estadística ―t-student para una
sola muestra‖, para la hipótesis H02, la interpretación es igual que la prueba de la
hipótesis H01.
La conclusión de la prueba estadística t-student es que no se puede rechazar la
hipótesis nula. Por lo tanto confirma que la ecuación-hipótesis fue capaz de predecir el
desgaste esperado en las 4 mediciones de diamante como carbón.
TiN
0.200.190.180.170.160.150.14
X_
Ho
Gráfica prueba de hipótesis de valor individual para TiN-D2(con punto Ho=H01 de ecuación-hipótesis vs.intervalo 95% confianza T media experimental)
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Fig. 4-34 Resultado de prueba t-student para hipótesis H02.
Entonces se aceptan las hipótesis H01 y H02 , esto se puede expresar como:
H01 = Hipótesis nula 1 = Punto H01 = µDesgaste mediciones de nitruro de titanio (TiN)
H02 = Hipótesis nula 2 = Punto H02 = µDesgaste mediciones de carbono como diamante (DLC)
Se concluye que ambas predicciones de la ecuación-hipótesis 𝑫𝒎𝒔 = −𝟎.𝟎𝟐𝟓𝟒𝟕 +
𝟎.𝟒𝟖𝟕𝟑 ∗ 𝑪𝒇 son acertadas y que estas conclusiones son correctas con una seguridad
del 95% conforme a la prueba estadística ―t-student de una sola muestra‖ tomando los
datos de coeficiente de fricción de la investigación previa de los doctores T. Grogler y
E. Zeiler (17) utilizando la resina Lexan 341R-739.
5. CONCLUSIÓN DE LA INVESTIGACIÓN La conclusión de la investigación es que la ecuación-hipótesis logró predecir con una
confianza del 95% el desgaste de las mediciones tomadas como referencia de los
estudios previos con recubrimiento de nitruro de titanio, así como el desgaste medido
con recubrimiento de carbono como diamante (DLC) al ser expuestos a una erosión
generada por 1,612 cm2 del polímero muy similar al Noryl GTX830. Lo que confirma la
hipótesis de que, el coeficiente de fricción es el factor más significativo que afecta el
desgaste de los aceros al ser erosionados por el polímero PPE+PS+PA.
DLC
0.080.070.060.050.040.030.020.010.00
X_
Ho
Gráfica prueba de hipótesis de valor individual para DLC-D2(con punto Ho=H02 de ecuación-hipótesis vs.intervalo 95% confianza T media experimental)
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La ecuación-hipótesis solo está confirmada para los recubrimientos de nitruro de titanio
y de diamante como carbón. Para conocer si el desgaste de otros tipos de
recubrimientos puede ser pronosticado usando el mismo modelo matemático
propuesto, es necesario verificarlos en etapas posteriores de experimentación (que
queda fuera del alcance de esta investigación) usando el mismo método propuesto.
También se concluye que no existe una correlación entre el desgaste de la superficie
de los especímenes, y la dureza del recubrimiento, sino con el coeficiente de fricción y
por ende, el potencial electrostático molecular (al menos en los recubrimientos de
nitruro de titanio o de diamante como carbón). Esta conclusión es interesante, ya que
es contraria a la creencia popular en el mundo del moldeo, donde usualmente se
maneja que, el factor más importante para la duración de la vida útil de un molde de
inyección de plástico, es la dureza de la superficie del molde, esta idea no es correcta
cuando se utilizan polímetros PPE+PS+PA.
Se identifica la técnica PVD sputtering como la más adecuada para aplicar los
recubrimientos en los moldes de inyección de plástico debido a que no afecta a la
dureza de los aceros que componen el molde, al ser aplicados a una temperatura
cercana a los 121°C, esta característica de la temperatura de aplicación de los
recubrimientos permite su implementación industrial en los moldes de Sensata
Technologies y en general de cualquier molde que vaya a utilizar la resina PPE+PS+PA.
Los recubrimientos que tienen el menor coeficiente de fricción que se pueden aplicar a
los moldes de inyección son los basados en carbono como diamante (DLC), por esto
son la mejor opción de recubrimientos para incrementar la vida útil de los moldes
cuando usan el polímero PPE+PS+PA.
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6. RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACION DE LA
INVESTIGACIÓN EN SENSATA TECHNOLOGIES
Para la aplicación industrial es necesario desarrollar un plan de implementación
práctica, primero se requiere realizar la experimentación de desgaste (con la inversión
necesaria) para completar la variedad de recubrimientos propuesta en la tabla 6-1.
Una vez confirmados los recubrimientos que tendrán el mejor desempeño para
extender el tiempo de vida útil de los moldes de inyección para resina PPE+PS+PA
(Noryl GTX830), se sugiere seleccionar algunos moldes para aplicarles los recubrimientos
recomendados y probarlos en campo.
Se recomienda monitorear durante un periodo extenso la durabilidad y desgaste de los
materiales del molde, para dicho fin, se propone colocar en los moldes insertos testigos
para medir el desgaste, las piezas testigo deberán ser desmontables para medir el
desgaste superficial en ellos con el profilómetro láser en periodos definidos de tiempo
para obtener datos preciso del desgaste.
6.1 SUMARIO CARACTERÍSTICAS ESPECÍMENES DE PRUEBA Para poder determinar los recubrimientos para cada parte del molde en contacto con
el polímero PPS+PS+PA se propone usar la tabla 6-1 y verificar experimentalmente los
valores del coeficiente de fricción y validar que en todos los casos la ecuación-
hipótesis sea válida. Una característica importante es que, solo se usará una capa de
recubrimiento donde los espesores de la capa delgada que se deposite debe estar
entre 0.5 µm y 4µm.
#
Espé
cime
n
Tipo de
Recubrimiento
Tipo
de
Acero
Dureza acero
esperado de
tratamiento
térmico (Rc)
Micro dureza
del
recubrimiento
(HV0.05)
Coeficiente de
fricción
recubrimiento
en acero
(seco)
Potencial
electrostático
recubrimiento
(eV)
1 TiN A2 55 ~ 58 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
2 TiN S7 55 ~ 58 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
3 TiN 4140 20 ~ 25 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
4 TiN H13 49 ~ 51 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
5 TiN 4130 26 ~ 35 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
6 TiN D2 58 ~ 60 2300 0.4 3.776 ~ 0.188
7 ZrN A2 55 ~ 58 2394* 0.194 ~ 0.710
8 ZrN S7 55 ~ 58 2394* 0.194 ~ 0.710
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9 ZrN 4140 20 ~ 25 2394* 0.194 ~ 0.710 10 ZrN H13 49 ~ 51 2394* 0.194 ~ 0.710 11 ZrN 4130 26 ~ 35 2394* 0.194 ~ 0.710 12 ZrN D2 58 ~ 60 2394* 0.194 ~ 0.710 13 CrN A2 55 ~ 58 1750 0.5
14 CrN S7 55 ~ 58 1750 0.5
15 CrN 4140 20 ~ 25 1750 0.5
16 CrN H13 49 ~ 51 1750 0.5
17 CrN 4130 26 ~ 35 1750 0.5
18 CrN D2 58 ~ 60 1750 0.5
19 DLC (a-C:H) A2 55 ~ 58 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
20 DLC (a-C:H) S7 55 ~ 58 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
21 DLC (a-C:H) 4140 20 ~ 25 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
22 DLC (a-C:H) H13 49 ~ 51 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
23 DLC (a-C:H) 4130 26 ~ 35 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
24 DLC (a-C:H) D2 58 ~ 60 2000 0.1~ 0.2 0.131 ~ 0.181
25 TiALN A2 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
26 TiALN S7 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
27 TiALN 4140 20 ~ 25 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
28 TiALN H13 49 ~ 51 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
29 TiALN 4130 26 ~ 35 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
30 TiALN D2 58 ~ 60 3400 0.25 1.195 ~ 0.213
31 TiALN+TiALN A2 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 32 TiALN+TiALN S7 55 ~ 58 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 33 TiALN+TiALN 4140 20 ~ 25 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 34 TiALN+TiALN H13 49 ~ 51 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 35 TiALN+TiALN 4130 26 ~ 35 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 36 TiALN+TiALN D2 58 ~ 60 3400 0.25 1.195 ~ 0.213 37 TiCN A2 55 ~ 58 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
38 TiCN S7 55 ~ 58 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
39 TiCN 4140 20 ~ 25 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
40 TiCN H13 49 ~ 51 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
41 TiCN 4130 26 ~ 35 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
42 TiCN D2 58 ~ 60 3000 0.4 1.596 ~ 0.091
43 WCC +a-c:H A2 55 ~ 58 1500 0.1~ 0.2
44 WCC +a-c:H S7 55 ~ 58 1500 0.1~ 0.2
45 WCC +a-c:H 4140PH 20 ~ 25 1500 0.1~ 0.2
46 WCC +a-c:H H13 49 ~ 51 1500 0.1~ 0.2
47 WCC +a-c:H 4130 26 ~ 35 1500 0.1~ 0.2
48 WCC +a-c:H D2 58 ~ 60 1500 0.1~ 0.2
49 Sin
recubrimiento
A2 55 ~ 58
50 Sin
recubrimiento S7 55 ~ 58
51 Sin
recubrimiento 4140PH 20 ~ 25
52 Sin
recubrimiento H13 49 ~ 51
53 Sin
recubrimiento 4130 26 ~ 35
54 Sin
recubrimiento D2 58 ~ 60
Tabla 5-1 Características de los especímenes de prueba.
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*HK0.025
6.2 DIBUJO DEL DISEÑO FINAL DE LOS ESPECÍMENES PARA
CONSTRUCCIÓN El diseño final para la construcción del espécimen se muestra en la figura 6-1, es el
dibujo utilizado por el proveedor de los recubrimientos que se usaron en la primera
etapa de experimentación, en él se especifican dimensiones, tolerancias dimensionales
y las durezas a conseguir con los tratamientos térmicos de cada grupo. Para la
investigación solo se fabricaron dos tipos de recubrimientos. Se utilizará este diseño
para construir todos los grupos de evaluación y así completar toda la experimentación
propuesta para la implementación final en Sensata Technologies.
Fig. 5-1 Dibujo generado por el proveedor de recubrimientos para especímenes.
6.3 IDENTIFICACIÓN DE ESPECÍMENES PARA EXPERIMENTACIÓN Para la identificación de los especímenes y evitar el riesgo de que se mezclen, se
solicitará al proveedor de los recubrimientos, identificar con marcado laser cada
grupo de aceros y cada tipo de recubrimiento. Para poder construir y manipular los
especímenes es necesario definir una identificación para cada uno de los diferentes
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grupos. Las tablas 6-2 muestran los detalles de identificación y nombres dados a cada
uno de los grupos de especímenes que se usarán para la segunda fase de
experimentación.
Identificación GRUPO1 - TBL1901-1-A2 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 A2 TiN
ZrN 5 A2 ZrN
CrN 5 A2 CrN
DLC 5 A2 DLC
TiALN 5 A2 TiALN
TiALN + TiALN 5 A2 TiALN + TiALN
TiCN 5 A2 TiCN
DDT 5 A2 DDT
Identificación GRUPO 2 - TBL1901-2-S7 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 S7 TiN
ZrN 5 S7 ZrN
CrN 5 S7 CrN
DLC 5 S7 DLC
TiALN 5 S7 TiALN
TiALN + TiALN 5 S7 TiALN + TiALN
TiCN 5 S7 TiCN
DDT 5 S7 DDT
Identificación GRUPO 3 - TBL1901-3-4140 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 4140 TiN
ZrN 5 4140 ZrN
CrN 5 4140 CrN
DLC 5 4140 DLC
TiALN 5 4140 TiALN
TiALN + TiALN 5 4140 TiALN + TiALN
TiCN 5 4140 TiCN
DDT 5 4140 DDT
Identificación GRUPO 4 - TBL1901-4-H13 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 H13 TiN
ZrN 5 H13 ZrN
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CrN 5 H13 CrN
DLC 5 H13 DLC
TiALN 5 H13 TiALN
TiALN + TiALN 5 H13 TiALN + TiALN
TiCN 5 H13 TiCN
DDT 5 H13 DDT
Identificación GRUPO 5 - TBL1901-5-4130 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 4130 TiN
ZrN 5 4130 ZrN
CrN 5 4130 CrN
DLC 5 4130 DLC
TiALN 5 4130 TiALN
TiALN + TiALN 5 4130 TiALN + TiALN
TiCN 5 4130 TiCN
DDT 5 4130 DDT
Identificación GRUPO 6 - TBL1901-6-D2 TOTAL: 40 piezas
Recubrimiento Cantidad Grabado láser
TiN 5 D2 TiN
ZrN 5 D2 ZrN
CrN 5 D2 CrN
DLC 5 D2 DLC
TiALN 5 D2 TiALN
TiALN + TiALN 5 D2 TiALN + TiALN
TiCN 5 D2 TiCN
DDT 5 D2 DDT
Tabla 6-2 Identificación propuesta para validación.
Los especímenes requieren ser empacados individualmente para evitar daños durante
su transportación.
6.4 MÉTODO ESTADÍSTICO ANOVA PROPUESTO PARA COMPARAR
COMBINACIONES El método de comparación estadístico ANOVA es propuesto por ser ideal para el
proyecto de implementación, usando su modalidad de dos vías donde podremos ver y
comparar los diferentes efectos en los aceros y en los recubrimientos protectores.
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Inicialmente se determina que para lograr obtener un resultado confiable es necesario
realizar varias réplicas del experimento, en este caso se seleccionan cinco réplicas. Se
usa el modelo de ANOVA de efectos fijos y se asume que los datos provienen de
poblaciones normales, las cuales podrían diferir únicamente en sus promedios. Se
sugiere utilizar el software MINITAB® versión 14.12.0 nuevamente para el análisis de los
datos.
La figura 6-2 muestra un ejemplo del resultado que se espera lograr al finalizar
completamente la experimentación. La imagen es una representación grafica del
método estadístico ANOVA. Al usar el método estadístico ANOVA dos vías se espera
observar el desgaste de todas las combinaciones de especímenes y si son entre ellos
diferentes estadísticamente.
Fig. 5-2 Método estadístico ANOVA para comparar desgaste de especímenes.
Los datos a capturar para el experimento son: el tipo de acero, el tipo de
recubrimiento, el número de la repetición y el desgaste promedio medido en el
profilómetro láser.
Un resumen del método estadístico ANOVA es como sigue, la idea básica del análisis
de la varianza es comparar la variación total de un conjunto de muestras y
descomponerla, así que, un simple test a partir de la F de Snedecor puede decidir si el
factor o tratamiento es estadísticamente significativo.
La técnica fundamental consiste en la separación de la suma de cuadrados (SS, 'sum
of squares') en componentes relativos a los factores contemplados en el modelo.
De
sg
aste
en
mm
icro
ne
s
Recubrimiento
Acero
ZrN
WC
C +
a-c
:HTiN
TiC
N
TiA
LN
+ T
iALN
TiA
LN
Sin
recubrim
iento
DLC
CrN
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
S7
H13
D2
A2
4140PH
4130
20
15
10
5
0
-5
ANOVA para Desgaste de Especimenes de prueba
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𝑺𝑺𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 + 𝑺𝑺𝒊𝒏𝒕
Donde:
𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓Es un número real relacionado con la varianza, que mide la variación debida al
"factor", "tratamiento" o tipo de situación estudiado.
𝑺𝑺𝒊𝒏𝒕 Es un número real relacionado con la varianza, que mide la variación dentro de
cada "factor", "tratamiento" o tipo de situación.
𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 =𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓
𝒂 − 𝟏
𝑺𝒊𝒏𝒕 =𝑺𝑺𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓
𝒂(𝒃 − 𝟏)
Donde:
𝒂 El número de situaciones diferentes o valores del factor se están comparando.
𝒃 Es el número de mediciones en cada experimento o el número de valores disponibles para
cada valor del factor.
Para el análisis, se mantienen constantes en todos los experimentos la geometría del
espécimen, la presión de la inyección, el tiempo de sostenimiento y de enfriamiento, el
tipo de polímero y la temperatura de inyección.
6.5 APLICACIÓN A MOLDES NUEVOS El molde nuevo, se construye de acuerdo a los requerimientos de la pieza a inyectar,
usualmente se usa un método denominado ―Scientific Molding‖ que asegura que los
parámetros y dimensiones de las piezas moldeadas sean óptimas. Estas condiciones
son revisadas entre Sensata Technologies y los fabricantes de los moldes mediante un
proceso llamado TLP (Traffic Light Procedure). Durante estas revisiones se puede
verificar que se usen los recubrimientos recomendados por los resultado de las
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verificaciones si las partes plásticas a inyectar son del tipo PPE+PS+PA. Así como
asegurar agregar los inserto testigos de desgate para monitoreo y medición.
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103
7. BIBLIOGRAFÍA
1. Bryce, Douglas M. Plastic injection molding. Mold design and construction
fundamentals. Dearborn : SME, The Society of Manufacturing Engineers, 1998. Vol. III. 08-
87263-495-7.
2. Saúl Sánchez Valdés, Isaura G. Yáñez Flores, Oliverio S.Rodríguez Fernández. Moldeo
por Inyección de termoplástico. Distrito Federal : Limusa Noriega Editores, 2008. ISBN-13
978-968-18-5581-9.
3. Hot wear resistance of TiN coated mould and tool materials. K. A. Pischow, S. O.
Kivivuori and A. S. Korhonen. Helsinki, Finland : Laboratory of Processing and Heat
Treatment of Materials, Helsinki University of Technology, págs. 55-64.
4. Surface damage of mold steel and its influence on surface roughness of injection
molded plastic parts. I. Martinez-Mateo, F.J. Carrión-Vilches, J. Sanes, M.D. Bermudez.
Spain : Elsevier, 2011, Wear, Vol. Wear 271, págs. 2512-2616.
5. Application of advanced surface treatment technologies in the modern plastics
moulding industry. E.J Bienk, N.J Mikkelsen. [ed.] Danish Technological Institute,
Teknologiparken Tribology Centre. Teknologiparken : Elsevier, 1997, Vol. Wear 207, págs.
6-9.
6. Surface technology for automotive engineering. K. Bewilogua, G. Brauer, A. Dietz, J.
Gabler, G. Goch, B. Karpuschewski, B. Szyszka. Braunschweig, Germany : Frauhofer-
Institute for surface engineering and thin films, 2009, Vols. CIRP Annals - Manufacturing
Technology 58, págs. 608-627. DLC based coatings and PVD sputtering for Automotive
industry.
7. E.J Bienk, N.J Mikkelsen. Application of advanced surface treatment technologies in
the modern plastics moulding industry. [ed.] Danish Technological Institute,
Teknologiparken Tribology Centre. 207. Teknologiparken : Elsevier, 1997. págs. 6-9.
8. Low friction surface for okastic injection moulding dies - An experimental case study.
Dearnley, P.A. [ed.] School of mechanical Engineering University of Leeds. Leeds :
Elsevier, 1999, págs. 1109-1113.
9. F.J.G.Silva, R.P. Matinho, R.J.D. Alexanre. Increasing the ear resistance of molds for
Injection of glass fiber reinforced plastics. Porto : Elsevier, 2011. págs. 2494-2499.
10. Wear of die materials in full scale plastic injection moulding of glass fibre reinforced
polycarbonate. J. Bergstrom a, ∗, F. Thuvander a, P. Devosb, C. Boher b. Karlstad :
Elsevier, 2001, Vol. 251, págs. 1511-1521.
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104
11. Increasing the ear resistance of molds for Injection of glass fiber reinforced plastics.
F.J.G.Silva, R.P. Matinho, R.J.D. Alexanre. Porto : Elsevier, 2011, Vol. Wear 271, págs. 2494-
2499.
12. L. Carreras, F. Montalá. Actualiadad industrial de las técnicas de recubrimientos de
capas finas duras. s.l. : Grupo TCC - Dicisión recubrimientos avanzados.
13. Tribological properties of graphite-like and diamonf-like carbon coatings. S.K. Field,
M. Jarratt, D.G. Teer. [ed.] Teer Coatings Ltd. Worcestershire, UK : Elsevier, 2004, Vol.
Tribological International 37, págs. 949-956.
14. The effect of temperature on the abrasive wear of coatings and hybrid surface
treatments for injection-moulding machines. P. Boey, W. Ho, S.J. Bull. [ed.] University of
Castle. Newcastle, UK : Elsevier, 6 de November de 2005, Wear, Vol. Wear 258, págs.
149-156.
15. Archard, J. F. Wear theory and mechanisms. [ed.] Winer WO, editors Peterson MB.
New York : ASME, 1980.
16. F.Wendl, K.-D.Wupper Thyssen. WEAR RESISTANCE OF DIFFERENT PLASTIC MOULD
STEELS. Postfach : s.n.
17. T. Grogler, E. Zeiler *, A. Franz, O. Plewa, S.M. Rosiwal, R.F. Singer. Erosion resistance of
CVD diamond-coated titanium alloy for aerospace applications. Erlangen : Lehrstuhl
Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (WTM), Universitat Erlangen–Nurnberg.
18. Analisis de recubrimientos avanzados para nuevos moldes de inyección mediante
modelación molecular. José Martín Melchor-Leal, Norma-Aurea Rangel-Vázquez.
Aguascalientes, México : AMIDIQ, Academia mexicana de investigación y docencia
en ingeniería química, A.C., 2013. Vol. XXXV Encuentro de la Academia Mexicana de
Investigación y Docencia en Ingeniería Química.
19. Bhisham C. Gupta, H. Fred Walker. Applied Statistics for the Six Sigma Green Belt.
Milwaukee : American Society for Quality, Quality Press,, 2005. ISBN 0-87389-642-4.
20. Ludema, K.C. Introduction to Wear. Michigan : University of Michigan.
21. Cook, R. D. Concepts and applications of finite element analysis. New York : John
Wiley and Sons, 1981.
22. V. Hegadekatte, N. Huber and O. Kraft. Finite element based simulation of dry sliding
wear, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 13. 2005.
23. —. Modeling and simulation of wear in a pin on disc tribometer. San Antonio : s.n.,
2006.
Tesina de maestría en manufactura avanzada
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José Martín Melchor Leal
105
24. V. Hegadekatte, S. Kurzenhauser, N. Huber and O. Kraft. A predictive modeling
scheme for wear in tribometers, Tribology International. San Antonio : s.n., 2008. Vol. Vol.
41.
25. V. Hegadekatte, N. Huber and O. Kraft. A finite element based technique for
simulating sliding wear. Washington : s.n., 2005.
26. N. H. Kim, D. Won and D. Burris, B. Holtkamp, G. R. Gessel, P. Swanson, and W. G.
Sawyer. Finite element analysis and experiments of metal/metal wear in oscillatory
contacts. 2005. Vol. Wear.
27. I. R. McColl, J. Ding and S. B. Leen. Finite element simulation and experimental
validation of fretting wear. 2004.
28. Archard, J. F. Contact and rubbing of flat surfaces.
29. Chen, L. B. Wei and Y. G. Research and application of spherical plain bearings. 2008.
Vol. Vol. 5.
30. K. W. Li, X. J. Shen, Y. G. Chen, and R. Y. Li. Numerical analysis of woven fabric
composites lubricated spherical plain bearings. Orlando : s.n., 2008.
31. B. Z. Di, F. Y. Hong and Y. Wang. Wear tests of spherical plain bearings. 1999. Vol. Vol.
6.
32. Li, R. Y. The application of polytetrafluoroethylene fabrics to spherical plain bearings.
2004. Vol. Vol. 35.
33. Bejarano G G, Astrid G M, Osorio J A, Caicedo J C, Garzón G H. Mejoramiento de la
eficiencia de los moldes de inyección mediante la aplicación de recubrimientos de
CrN/TiN. s.l. : Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, 2010. Vol. Vol. 30.
34. Rivera-Arce E, Gattuso M, Alvarado R, Zárate E, Agüero J, Feria I, Lozoya X.
Pharmacognostical Studies of the Plant Drug Mimosae Tenuiflorae Cortex. s.l. : Journal of
Ethnopharmacology, 2007. Vol. Vol. 113.
35. Perillo P M, Haddad R. Efecto del recubrimiento de TiN sobre la erosión-corrosión de
aceros. s.l. : Jornadas SAM - CONAMET – AAS, p, 2001.
36. Ludema, K.C. Introduction to Wear. Michigan : University of Michigan .
37. Wear behaivor of mold inserts used micro powder injetion moulding of ceramics. J.
Schneider, H.Iwanek, H.-H. Zum Hahr. Karlsruje : Elsevier, 10 de May de 2005, Wear 259,
págs. 1290-1298.
Tesina de maestría en manufactura avanzada
PROYECTO: MEJORA DE VIDA UTIL DE MOLDES DE INYECCION QUE UTILIZAN EL POLIMERO PPE+PS+PA
José Martín Melchor Leal
106
38. Taylan Altan, Blaine Lilly, Y.C. Yen. Manufacturing of Dies and Molds. ColombusOhio,
USA : The Ohio State University,.
39. Product and mold design. s.l. : Dow, 2001.
40. Determination of optimal prting directions in plastic injection mold design. A.Y.C.
Nee, M.W. Fu, J.Y.H. Fuh, K.S. Lee. Singapore : Department of mechanical and
Production Engineering, NAtional University of Singapore, 30 de December de 1996, Vol.
Annals of CIRP Vol 46/1/1997.
41. In-service behaviour of (Ti,Si,Al)Nx nanocomposite films. S. Carvalho, N.M.G. Parreira,
M.Z. Silva, A. CAvaleiro, L. Rebouta. [ed.] Elsevier. Guimadres POrtugal : Centro de fisica
(GRF), Universidade do Minho, 2012, Wear, Vols. Wear 274-275, págs. 68-74.
42. Recent progress in coating technology for surface modification of automotive glass.
Taga, Y. [ed.] Elsevier. Nagakute, Japan : Toyota Central Research and development
laboratories, Inc., 1997, Journal ofnon-Crystaline solids 218, págs. 335-341.
43. Waer behavior of adaptative nano-multilayered AlTiN/Me xN PVD Coating during
machining od aerospace alloys. A.Biksa, K. Yamamoto, G. Dosbaeva, S.C. Veldhuis,
G.S. Fox-Rabinovich, A. Elfizy, T. Wagg, L.S. Shuster. [ed.] Department of mechanical
engineering Mcmaster university. Ontario, Canada : Elsevier, 2010, Vol. Tribology
internation 43, págs. 1491-1499.
44. IMprovment of corrosion protection property of Mg-alloy by DLC and Si-DLC
coatings with PBII technique and multi-target DC-RF magnetron sputtering. Ikeyama
Masami, Nakao Setsuo, Sonoda Tsutomu, Choi Junho. Nagoya, Japan : Elsevier, 2009,
Nuclear Instruments and <methods in Physics Research B, Vol. Nuclear Instruments and
methods in Physics Research B 267, págs. 1675-1679.
45. A simulation test for wear in injection moulding machines. S.J. Bull, Qiusha Zhou.
Newcastle, UK : Department of mechanical, Material and manufacturing engieering,
University of Newcastle, 1 de February de 2001, Vol. Wear 201, págs. 372-378. MAchine
to simulate injection molding for plastic.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja A
8. ANEXO A.- EQUIPO SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL En este anexo se explica la construcción y diseño del simulador experimental usado
para la investigación. Se revisaron varios tipos de simuladores de desgaste, como el
simulador con rueda de goma usado por el Dr. P. Boey basado en las
recomendaciones de prueba de ASTM (14), sin embargo se concluyo que este
simulador no reproducía fielmente las severas condiciones que ocurren dentro de una
maquina inyectora industrial, por lo que se optó por diseñar un equipo de laboratorio
que sea capaz de recrear dichas condiciones.
8.1 PRIMER PROTOTIPO DE SIMULADOR DE DESGASTE EXPERIMENTAL Para iniciar la experimentación se desarrolló un simulador de inyección, ya que el
disponer de máquinas de inyección de plástico para producción no fue factible,
debido a su falta de disponibilidad; este simulador debería reproducir las mismas
características de inyección que una máquina industrial en una escala mucho más
pequeña para reducir la cantidad de resina necesaria para la simulación, así como
reducir el tiempo necesario para la investigación.
8.1.1 Construcción del primer prototipo del simulador
El diseño original del primer simulador utilizó un soporte comercial de tornillo embalado
en una estructura de aluminio, el sistema motriz para la inyección constó de un motor
eléctrico con moto-reductor de corriente directa. El sistema de inyección se basó en el
desarrollo de una camisa y un tubo de material de alta resistencia con forma de
jeringa. La camisa era de aluminio y sostenía una resistencia en forma de abrazadera
qué servía para calentar el conjunto inyector.
El control de temperatura se realizaba mediante un termopar acoplado a un
controlador de temperatura marca Termotech que se encargaba de mantener la
camisa a la temperatura programada en el controlador.
El conjunto inyector de pistón y embolo fueron construido con acero O1 para asegurar
soportar las presiones de inyección y se utilizó una camisa de aluminio para agregar
suficiente masa térmica que permitiera una operación semi-contínua de inyección.
Para poder reutilizar la resina inyectada se desarrolló un brazo robot cuya finalidad fue
la de recoger las inyecciones y regresarlas al depósito del inyector, para volver a fundir
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ANEXO A (Simulador) – Hoja B
el polímero una y otra vez para poder así mantener una operación semiautomática
continua.
La figura 8-1 muestra la imagen del primer prototipo de inyector antes de que se
dañara al realizar las primeras pruebas.
Fig. 8-1 Primer prototipo de simulador completo.
Al inicio, el simulador fue capaz de plastificar la muestra de resina y pudo ser inyectada
en el molde de pruebas. Sin embargo, durante uno de los siguientes ciclos hubo una
obstrucción de la boquilla de salida que provocó que el mecanismo de inyección se
dañara por el exceso de presión, ya que el diseño no contemplaba soportar tales
esfuerzos. Cuando se produjo el daño en el primer simulador, se realizó el análisis para
entender el modo de falla y se dedujo que se debía realizar un nuevo diseño que
pudiese soportar la presión de inyección.
8.1.2 Problemas detectados y lecciones aprendidas del primer prototipo
Los problemas detectados y las lecciones aprendidas del primer prototipo se pueden
resumir en la necesidad de verificar y recalcular la estructura del simulador para que
pueda soportar la fuerza máxima de inyección, puesto que después del análisis se
consideró que fue la ausencia de este proceso la razón del daño en la estructura del
primer simulador.
Otra lección aprendida del primer simulador es que, un sólo punto de medición de
temperatura no es suficiente para poder garantizar que todo el sistema inyección esté
listo para aplicar la presión de inyección, por lo que, se requiere de más puntos de
medición de temperatura para poder garantizar que todo el sistema funcione
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ANEXO A (Simulador) – Hoja C
correctamente; en este caso, el nuevo simulador utilizará tres termistores en lugar de
uno solo; uno revisará la temperatura de la camisa central, otro revisará la
temperatura de salida de la boquilla, y por último, otro de los termistores revisará la
temperatura del molde. Respecto al control de la temperatura es preferible tener un
módulo centralizado con múltiples entradas digitales que sea capaz de leer y controlar
las diferentes señales de los termistores, al mismo tiempo esto sugiere la utilización de un
micro controlador con entradas análogas.
Otro factor que se pudo observar en el primer simulador es que, el controlador utilizaba
una técnica denominada on-off para mantener la temperatura del inyector en el
rango deseado; sin embargo, la variación observada fue mayor a 15 grados
centígrados debido a la masa de la camisa del inyector, por lo que se pudo
determinar que esa técnica no es la correcta para lograr o mantener la temperatura
del sistema; esta observación sugiere que debe utilizarse otra técnica de control
denominada «control proporcional integral derivativo» que es comúnmente utilizada
en la industria. Para lograr esto, también es necesario utilizar un sistema diferente de
potencia. El primer simulador utilizaba un relevador de potencia para controlar la
energía hacia la resistencia, sin embargo, para poder aplicar el control proporcional es
necesario cambiar a un módulo electrónico denominado SSR (relevador de estado
sólido) que permita el control de la resistencia por una técnica denominada PWM que
se basa en la variación del ancho de pulso para tener un control analógico de la
salida de voltaje a la resistencia. La siguiente versión del simulador utilizará esta
experiencia para construir un sistema de control basado en el método PWM de
modulación de ancho de pulso utilizando un microcontrolador para este fin.
8.2 DISEÑO DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL DE DESGASTE
Para el diseño final del simulador de desgaste hubo que considerar las características
requeridas para lograr realizar la inyección del Noryl, como son la presión y las
temperaturas obtenidas mediante el uso de programas de simulación.
El diseño del simulador experimental se realizó empleando varios softwares entre ellos
Solidworks para el diseño mecánico, ProfiCAD para los diagramas eléctricos, LISA para
el cálculo de elemento finito, Compilador Nativo Arduino para la programación del
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ANEXO A (Simulador) – Hoja D
micro-controlador ATMEGA380 y el software TINA-TI para el diseño y simulación de los
circuitos electrónicos de interfase.
8.2.1 Diseño del simulador en 3D Solidworks
El diseño del prototipo final del simulador de inyección se realizó en el software
Solidworks con el cual se realizaron todos los dibujos en 3D, los análisis térmicos y de
esfuerzos de los componentes. La figura 8-2 muestra un diagrama a bloques de la
versión final del simulador en la que aparecen los componentes que se diseñaron
según la sección en la que van ensamblados.
Fig. 8-2 Diagrama a bloques de los sistemas que componen al simulador.
Al tener el diseño terminado en lo concerniente al Solidworks, se realizó una simulación
de esfuerzos para ver si la estructura será capaz de soportar las presiones de inyección,
que se espera serán de aproximadamente 3 toneladas de fuerza, esto en condiciones
de boquilla bloqueada. El diseño en la simulación logró ser lo suficientemente rígido
para esta fuerza, por lo que se prosiguió con la construcción física del modelo. Para la
estructura de la versión final del simulador, se seleccionó el acero 1018, que es un
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ANEXO A (Simulador) – Hoja E
acero grado maquinaria. Este acero presenta un buen grado de maquinabilidad y una
buena rigidez mecánica.
El dibujo final del simulador se muestra en la figura 8-3. Se puede apreciar el diseño
mecánico completo de la estructura de soporte del simulador de desgaste, con el
sistema inyector montado sobre el molde de pruebas; se puede observar también el
diseño del mecanismo de cierre y el recuperador de resina.
Fig. 8-3 Diseño mecánico del simulador.
Durante el diseño, una consideración para el uso en laboratorios es que no debe utilizar
múltiple fuentes de energía, más que la eléctrica, por esto se descartó las opciones
hidráulicas y neumáticas para este sistema. El diseño se basó en dos motores eléctricos
con moto-reductor integrado, un sistema de poleas para transferir el esfuerzo a un
juego de tornillos embalados; éstos, convierten el movimiento giratorio en un avance
en línea permitiendo hacer la apertura y cierre del molde así como controlar el
desplazamiento del pistón inyector.
8.3 CÁLCULO DE ESTRÉS EN LA ESTRUCTURA DEL SIMULADOR Para el cálculo del estrés estructural inicialmente se hizo una propuesta de modelo
usando una estructura simple de cubo para sostener al inyector. Para probar si el
modelo funcionaba se realizó una simulación de esfuerzos, en el software CAD
Solidworks.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja F
El resultado del estudio de esfuerzos realizado en Solidworks de la primera propuesta
de diseño, se puede observar que la estructura que sostiene al sistema inyector no fue
lo suficientemente rígida. Puede apreciarse en la figura las tensiones más altas se
localizaban primero en las barras de soporte del inyector y en los cuatro postes de la
estructura, estas áreas están marcadas en colores rojo y amarillo. El esfuerzo máximo
determinado por el estudio es de 3,265N/m2, esta fuerza no es capaz de flexionar la
estructura, por lo que, la conclusión es que no debe modificarse el diseño.
El segundo reporte de las deformaciones en distancia de la primera propuesta de
diseño, proporcionado por Solidworks, se muestra la figura 8-4. Puede observarse que
existen deformaciones exageradas en el soporte durante la inyección, del orden de 24
milésimas de milímetro. Lo cual es aceptable para poder proseguir con la construcción.
8.4 DESARROLLO DE LA UNIDAD DE CIERRE Una vez completo el diseño del soporte estructural, se procede al diseño de la unidad
de cierre del molde basándonos en los resultados de la simulación CAE (software de
diseño) que se realizó en la pieza de plástico inyectada. Los parámetros que se usan
son: presión de llenado en la cavidad, presión en el bebedero y fuerza de cierre para
el molde.
Fig. 8-4 Deformaciones por esfuerzos para la primera propuesta.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja G
Para que la unidad de cierre funcione apropiadamente para el molde porta
especímenes del experimento, es necesario mantener las dos partes del molde
firmemente unidas y ajustadas durante el ciclo de inyección.
De acuerdo con la simulación CAE, la máxima fuerza que se produce en el cierre del
molde durante el proceso de inyección es de sesenta kilogramos; utilizando un margen
de seguridad amplio y con la finalidad de que el sistema sea flexible se diseña la
unidad de cierre para que logre alcanzar una fuerza de mínima de sostenimiento de
una tonelada lineal. Por lo que es necesario disponer de un sistema de apriete capaz
de lograr esta fuerza, se selecciona el sistema mecánico con palancas acopladas en
su versión básica, que se compone solo de dos brazos extensores y un soporte de
empuje
La figura 8-5 muestra una fotografía del detalle de los bujes de bronce y las barras de
acero D2 con recubrimiento de cromo duro (columnas guía) del sistema de cierre del
simulador con las que se corregirá el problema del punto débil de la estructura;
también se puede observar el detalle de la placa móvil y de la placa estacionaria
frontal.
Fig. 8-5 Fotografía del sistema de cierre construido para el simulador.
8.5 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO DEL
SIMULADOR El diseño final del sistema de control electrónico del simulador de desgaste se realizó
utilizando un micro controlador ATMEGA256016AU. Este micro-controlador se
seleccionó por su versatilidad en el manejo de señales análogas y digitales, ya que
puede manejar un amplio número de señales de entrada y salida, por su tamaño de
memoria de gran capacidad y por su alta velocidad de procesamiento.
Adicionalmente, este circuito cuenta con una amplia librería de rutinas de acceso libre
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ANEXO A (Simulador) – Hoja H
denominadas ―open source‖ con las cuales es posible realizar tareas complejas con un
mínimo de programación. Este circuito se encarga de controlar todas las funciones del
simulador.
La conexión de los circuitos de control que no son directamente compatibles con el
microcontrolador son adaptados mediante un circuito de interfase que contiene
optoaisladores y relevadores que permiten la conexión al micro-controlador. A este
circuito se le denominará interfase de opto acopladores.
8.5.1 Diagrama a bloques del sistema de control
El diagrama de bloques del sistema de control electrónico de la figura 8-7 muestra la
interacción de las diferentes secciones que se emplean para generar la simulación de
la inyección.
Fig. 8-6 Diagrama a bloques sistema de control del simulador.
El circuito microcontrolador se alimenta con una fuente de 18 volts de corriente directa
regulada, los otros circuitos se alimentan de la misma fuente o directamente del voltaje
de línea de 110 VCA (voltaje de corriente alterna).
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ANEXO A (Simulador) – Hoja I
8.5.2 Micro-controlador ATMEGA256016AU
El circuito ATMEGA256016AUes un micro controlador de 8-bits comercializado por
ATMEL. Para esta aplicación se seleccionó el arreglo que comercializa el fabricante
Arduino Mega 2560 r3. La tablilla electrónica (PCB), tiene 86 pines de entrada/salida
digitales, de los cuales, 15 pueden ser utilizados como salidas de Modulación de Ancho
de Pulso (PWM por sus siglas en inglés) y 16 entradas analógicas con una resolución de
210 bits (esto es que pueden leer valores análogos de 0 a 1023 correspondientes a 0
volts hasta 5 volts.), un oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB micro y un
botón de reset así como los circuitos de apoyo para la operación del microcontrolador;
la programación y comunicación se realiza por un puerto micro USB integrado.
Otra de las razones por las que se selecciona este tipo de microcontrolador es para
poder integrar en el control de temperatura del inyector el método de control
denominado PID (Proporciona-Integral-Derivativo) que permite un control estable de la
temperatura por medio de un control de potencia análogo para el control del
calefactor.
8.5.3 Interfase de la pantalla de cristal líquido y botoneras
La pantalla de cristal líquido (display LCD) y las botoneras son el medio para comunicar
el estado del simulador al experimentador y permiten seleccionar las funciones que
ejecutará el microcontrolador.
La pantalla de cristal líquido que se seleccionó es la ADM1602K-NSW-FBS/Z, es utilizada
en el sistema de control y cuenta con dos líneas para el despliegue de información,
cada una de ellas con una capacidad de diez y seis caracteres alfanuméricos. Esta
pantalla se comunica con el microcontrolador por medio de seis líneas de control (bits)
que permiten enviar serialmente los caracteres que se van a desplegar en la pantalla.
La figura 8-9 muestra la botonera principal y la botonera auxiliar, la botonera auxiliar
del inyector que contiene el selector de manual/automático, el interruptor luminoso de
encendido y el selector (potenciómetro) de ajuste de temperatura del inyector. En la
imagen de la izquierda se pueden apreciar las conexiones internas y a la derecha, la
parte exterior de la botonera auxiliar.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja J
Fig. 8-7 Botonera principal y auxiliar.
8.5.4 Diseño de interfase para el termistor
Para la medición de la temperatura en el inyector, se diseñó una interfase utilizando un
termistor en la boquilla y otro en el molde. El termistor es un componente
semiconductor que varía su valor de resistencia según la temperatura que le rodea. Se
utiliza un circuito divisor de tensión basado en resistencias que permite convertir a
voltaje las variaciones de resistencia del termistor al estar expuesto a diferentes
temperaturas. El voltaje que sale del circuito, se aplica a la entrada analógica A0 del
microcontrolador, el que, mediante su algoritmo controla la respuesta en potencia de
la resistencia del calefactor del inyector basado en las mediciones de la entrada A0.
Se midió experimentalmente la resistencia del termistor a varias temperaturas
comprendidas entre los -40 y los 300 grados centígrados, estas mediciones se usaron
para determinar un modelo matemático mediante una regresión numérica no lineal, la
figura 8-9 muestra el modelo de la resistencia del termistor contra la temperatura
obtenida con las mediciones de la experimentación con el termistor.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja K
Fig. 8-8 Regresión valores esperados a diferentes temperaturas del termistor.
El modelo del termistor para la programación del microcontrolador se obtiene de la
ecuación que representa el voltaje que será aplicado en la entrada análoga del
microcontrolador, las ecuaciones 9.66. a, 4.66.b y 4-66c muestran las ecuaciones
usadas para obtener los valores de referencia en el microcontrolador.:
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 25688.3 (𝑒−0.0651266 𝑇𝑒𝑚𝑝 .𝐼𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 ) ( ecuación 8a)
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝 =𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟
𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 +1000 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (ecuación 8b)
𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒕𝒆𝒎𝒑 = 𝟐𝟓𝟔𝟖𝟖.𝟑∗(𝒆−𝟎.𝟎𝟔𝟓𝟏𝟐𝟔𝟔 𝑻𝒆𝒎𝒑.𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 ) 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒓𝒆𝒇𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂
𝟐𝟓𝟔𝟖𝟖.𝟑∗(𝒆−𝟎.𝟎𝟔𝟓𝟏𝟐𝟔𝟔 𝑻𝒆𝒎𝒑.𝑰𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 ) + 𝟏𝟎𝟎𝟎 (ecuación 8c)
8.5.5 Interfase de potencia para la resistencia calefactora
La interfase de potencia que se usa para controlar el calor generado por el calefactor
tipo abrazadera es un Relevador de Estado Sólido (SSR) de 50 amperes. La potencia
del calefactores es de 450 Watts a 110 volts, el elemento calefactor es una resistencia
modelo SSX100. La resistencia puede generar 900 Watts a 220 volts, pero se desea
trabajar en bajo voltaje para asegurar no generar demasiado estrés eléctrico o térmico
en el componente.
El circuito de control de potencia de la resistencia calefactora, utiliza un relevador de
estado sólido (SSR)que controla fracciones de voltaje en la resistencia de calefacción,
lo cual permite regular la cantidad de energía calorífica que genera la resistencia.
3002001000-100
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
Temperatura en grados Centigrados
Re
sis
tan
cia
en
oh
ms
Regression
95% CI
Curva de resistencia vs temperatura de termistorResistancia = 25688.3 * exp(-0.0651266 * Temp)
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ANEXO A (Simulador) – Hoja L
Para lograr esto, la entrada del SSR, es manejada por el microcontrolador mediante un
tren de pulsos.
El microcontrolador Arduino genera y manda un tren de pulsos en formato de
modulación de ancho de pulso que llega a la sección de bajo voltaje del SSR, (5 volts
de corriente directa) y en respuesta, el SSR controla un voltaje proporcional en el
circuito de 110volts de corriente alterna.
8.6 ANÁLISIS TÉRMICO DEL INYECTOR PARA EL SIMULADOR El análisis térmico del inyector se diseñó basado en un sistema de inyección por
cilindro, donde la camisa exterior transfiere calor a la resina y un émbolo lo empuja
para alcanzar la presión de inyección.
El objetivo de este análisis es verificar que el diseño del inyector sea capaz de trabajar
adecuadamente con el polímero Noryl GTX 830; para esto, se realizó un análisis térmico
con el fin de verificar que la potencia calorífica sea suficiente para alcanzar la
temperatura de plastificación de la resina y así, evitar problemas de distribución
térmica entre la camisa de aluminio, el tubo inyector y la boquilla.
Los primeros resultados del estudio térmico realizado en Solidworks mostraron una
diferencia de temperatura entre el tubo inyector y la boquilla que se excedía del rango
de plastificación del Noryl, que es de 280 a 310 grados centígrados.
En este diseño se agregó una camisa de aluminio para transferir la temperatura de la
resistencia tipo abrazadera al tubo inyector construido en acero O1. Este arreglo tiene
como finalidad crear una masa térmica lo suficientemente grande para que cuando
se realicen las inyecciones, no se pierda rápidamente la temperatura interior del tubo.
Sin embargo, el análisis térmico mostró que las distancias entre la resistencia, la camisa
de aluminio y la boquilla eran muy grandes.
El estudio térmico del inyector sugirió que el diseño no era el adecuado porque tenía
grandes pérdidas de temperatura, por lo que, se procedió a modificar la geometría en
la parte más fría, que resultó ser la boquilla.
La mejora en el diseño del inyector, luego de la simulación térmica, se enfocó en la
boquilla. Un nuevo estudio térmico mostró que era suficiente con modificar la
geometría de la boquilla para lograr el objetivo térmico sin afectar las partes más
complejas como el tubo o la camisa del inyector.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja M
La figura 8-11 muestra la modificación hecha en la boquilla para lograr mantener la
temperatura dentro del rango de plastificación. En la imagen de la izquierda se ve
cómo era la boquilla en el primer prototipo, y a la derecha se aprecia el nuevo diseño
que permitirá realizar la inyección del polímero. La nueva boquilla es más corta y tiene
alrededor del cono de salida una mayor cantidad de material que facilita mantener la
temperatura.
8.6.1 Análisis térmico con el rediseño de boquilla
El análisis térmico que se realizó al inyector con la geometría de la boquilla corregida
requirió la definición de los parámetros iniciales para la simulación térmica, todos estos
parámetros se obtuvieron de la base de datos del software Solidworks al definir los
materiales que componen al inyector, así como los datos de potencia del calefactor y
el tiempo de operación. En la figura 8-11 la imagen muestra el resultado térmico de la
simulación a los 30 minutos para el diseño de la boquilla, el cual ya calienta dentro de
los rangos de plastificación del Noryl GTX 830.
Fig. 8-9 Rediseño de boquilla para lograr mantener temperatura.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja N
Para el cálculo del tiempo que se necesita para que la resina pueda ser inyectada,
durante el análisis térmico del inyector corregido, aplicando el método de regresión no
lineal, utilizando como herramienta el software Minitab versión 14, se determina el
modelo matemático que puede predecir la temperatura del inyector corregido con un
95% de confianza en los valores de temperatura obtenidos.
La figura 8-13 muestra el comportamiento de la temperatura vs tiempo y los resultados
de las simulaciones térmicas del inyector. Es posible también observar el modelo
matemático obtenido por el software Minitab. El modelo se usa para determinar el
tiempo mínimo que requiere el inyector para alcanzar la temperatura de plastificación
del Noryl.
El modelo matemático queda como:
𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒕𝒖𝒃𝒐𝒊𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 = 𝟑𝟕.𝟔𝟖 + 𝟏𝟖.𝟔𝟓 𝒕 − 𝟎.𝟒𝟏𝟏𝟒 𝒕𝟐 + 𝟎.𝟎𝟎𝟑𝟎𝟔𝟎 𝒕𝟑
Donde:
𝒕 = tiempo energizado de la resistencia tipo abrazadera en minutos.
Fig. 8-10 Análisis térmico de Rediseño que
resuelve el problema zonas de frías.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja O
𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒕𝒖𝒃𝒐𝒊𝒏𝒚𝒆𝒄𝒕𝒐𝒓 = temperatura esperada en grados.
Los valores calculados por el modelo matemático del inyector se usan en el programa
del micro-controlador para definir tiempos de operación, de inyección y control PID
(Proporcional Integral Derivativo por sus siglas en inglés).
La simulación térmica de la inyectora a los 28 minutos de calentamiento continuo del
calefactor, se puede determinar que en este tiempo se puede detener el
calentamiento y la temperatura en la boquilla está dentro del rango de inyección por
lo que el diseño del circuito de control va asegurar que el inyector este fluctuando
entre 280 a 305 grados centígrados. Viendo la figura pueden notarse los puntos más
calientes y fríos del inyector, 305 grados en el centro del pistón del inyector y lo más frio
264 grados centígrados en la parte más baja de la boquilla, ambos dentro de rango de
plastificación. Se concluye que el inyector va a requerir al menos 22 minutos para
poder iniciar las simulaciones.
8.7 DISEÑO DE UNIDAD INYECTORA BASADO EN SIMULACIÓN TÉRMICA
EN SOLIDWORKS En el diseño de la unidad inyectora se realizó una simulación térmica utilizando el
software Solidworks. El inyector se desarrolló como un modelo básico de pistón para
Tiempo de Calentamiento
Te
mp
era
tu
ra
in
te
rio
r I
nje
cto
r
6050403020100
350
300
250
200
150
100
50
0
280
305 S 4.97224
R-Sq 99.8%
R-Sq(adj) 99.7%
Regression
95% CI
Análisis térmico de Inyector Temp interior Inyector = 37.68 + 18.65 Tiempo
- 0.4114 Tiempo**2 + 0.003060 Tiempo**3
Temperatura de inyección
del Noryl GTX 830
de 280 a 305 grados
centigrados
Fig. 8-11 Comportamiento
térmico esperado del
inyector
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ANEXO A (Simulador) – Hoja P
facilitar la construcción y el tamaño de la inyectora. Se seleccionó el acero O1 para la
construcción del pistón central, y para la camisa externa se seleccionó el aluminio.
La figura 8-12 es una fotografía del torneado del inyector. Fue necesario realizar un
ensamble en caliente para asegurar un buen contacto entre el inyector y la camisa de
aluminio, esta camisa transfiere el calor de la resistencia tipo abrazadera a la camisa y
ésta última transfiere por conducción la energía térmica al inyector. La camisa de
aluminio aumenta la masa térmica permitiendo conservar una estabilidad térmica en
su conjunto.
8.8 ENSAMBLE COMPLETO DEL SIMULADOR La construcción y ensamble del simulador se realizó en base a los diseños de Solidworks
y los resultados de las simulaciones de esfuerzos y análisis térmicos del mismo. La figura
8-15 muestra una fotografía del simulador de inyección completo.
Fig. 8-12 Fotografía
del torneado del
inyector.
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ANEXO A (Simulador) – Hoja Q
Fig. 8-13 Fotografía del simulador de inyección experimental completo.