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http://ciqa.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1025/458| Proceso de respuesta térmica rápida en el proceso de moldeo por inyección | |
| JESUS GUSTAVO SORIA MOTA | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Procesos de Transformación de Plásticos | |
| El presente caso de estudio pretende visualizar el desarrollo del proceso de Respuesta
Térmica Rápida, hacia sistemas de calentamiento y enfriamiento, que faciliten el cambio
de la temperatura de la superficie del molde y por lo tanto promover cualidades en las
partes moldeadas, buscando esto como una primicia, después, observando el ahorro
energético y la disminución probable de los ciclos de moldeo.
La calidad de la parte moldeada depende grandemente del ajuste de los parámetros del
proceso de moldeo por inyección, que generan el historial termo-mecánico de dicha pieza;
además de esto, verificar la posibilidad de controlar el proceso de enfriamiento en función
al llenado de la pieza, visualizando el comportamiento termo-mecánico, para convertir
esto en una gran ventaja en el proceso, que nos permita controlar en mayor medida la
calidad y características deseadas de la pieza moldeada.
La cantidad de defectos que se pueden manejar y predecir con la utilización de esta
herramienta son por mencionar algunos, esfuerzos residuales, contracciones en secciones
de gran volumen (comparadas con el espesor nominal de la pieza) en la pieza a llenar, en
el caso de los defectos, pero su mayor área de aplicación es la correcta orientación del
material plástico en función al enfriamiento con lo que se pueden logran piezas plásticas
inteligentes, por ejemplo, ensambles de piezas después de un determinado tiempo de post-
proceso.
Los moldes con cavidades de recorrido de flujo grandes y de pared delgada, son los que
en mayor porcentaje presentan un desequilibrio constante e impredecible y mucho menos
detectable de la calidad de los productos que se manufacturan, RTR es una herramienta
que permite establecer un control sobre zonas de riesgo y monitorearlas.
En algunos reportes que se refieren al principio de utilidad de RTR, visualizaron que el
comportamiento del molde a choques térmicos, es una alternativa y suponiendo que existiera un metal que pudieran soportar choques térmicos de 25 a 250°C en dos segundos y después enfriarlo a 50 oc en diez segundos seria muy utilizado en la industria plástica. La realidad es que no existe este material y de ser así seria muy costoso, y con la posibilidad de perder sus cualidades en el momento del maquinado y tratamientos térmicos. Lo que busca el monitoreo de RTR, es primero identificar las zonas de necesidad y después con calentamiento abruptos y enfriamientos del mismo tipo en insertos (para moldes ya construidos) fomentar el fenómeno de flujo térmico. Ahora bien con la posibilidad de conocer las capacidades de flujo de material en estado fundido a una determinada temperatura (viscosidad en fundido) sobre secciones conocidas, tenemos la opción de dosificar el calor necesario en el momento que el material sufra cambios debidos a suministros distintos o variaciones en el peso molecular. Otros de los puntos a identificar para entender el proceso de RTR son los principios termodinámicos que gobiernan el moldeo por inyección. Los termoplásticos son inyectados en una maquina en la cual los gránulos de plástico son fundidos dentro de un barril caliente. En este barril, un tornillo transporta el plástico hacia el frente a lo largo del barril dentro de un espacio, mientras que la pieza inyectada previamente se enfría. Los gránulos de plástico son llevados desde temperatura ambiente a un estado fundido en unos cuantos segundos. Después el material fundido es almacenado y desarrolla un historial térmico hasta que la pieza moldeada anteriormente es enfriada y extraída del molde Antes de que el material sea inyectado en el molde, este es cerrado con un tonelaje adecuado para resistir la fuerza ejercida por la presión de inyección. Una vez que la señal de inyección es dada, el tornillo avanza hacia el frente y empuja al plástico fundido a través de la boquilla de inyección hacia el sistema de entrada y corredores, dentro de la cavidad. En este punto, en el plástico fundido y en el molde se observan presiones de hasta 1360 bar (20,000 psi). El proceso de llenado con frecuencia impone un alto nivel de esfuerzos mecánicos y térmicos en el fundido. Los principales parámetros que afectan estos esfuerzos son la geometría de la boquilla de inyección, las entradas y los corredores, el espesor de pared de la pieza moldeada, la velocidad de llenado, la temperatura del fundido y la temperatura de la pared del molde. La presión que actúa sobre el fundido para que este sea movido a través del sistema, causa fricciones internas mientras el material fluye a través de las restricciones y las esquinas, esta fricción aumenta la temperatura en la masa fundida. Pruebas experimentales han mostrado que el aumento de la temperatura debido a la fricción es aproximadamente igual a la energía dada por la perdida de presión cuando el plástico fluye dentro del molde3. Cuando el plástico fluye dentro de la cavidad, este entra en contacto con las paredes del molde y empieza a enfriarse inmediatamente. El espesor del material pegado al molde que se enfría, depende de la velocidad del flujo y de la temperatura en la pared del herramental. Entre mas rápido fluya el plástico y más caliente este la pared, más delgada será la capa de material pegado a la pared que solidifique y se generara mas calor por fricción. Puede haber un incremento en la temperatura del plástico cercano a la pared estable debido al calentamiento por fricción, entonces, existe un pico de temperatura adyacente a la pared de plástico solidificada de forma estable que es mayor que la temperatura base del flujo del plástico fundido. Otro fenómeno que se presenta durante el proceso de llenado del molde es que las moléculas del polímero se orienten parcialmente y estén empalmadas en la dirección del flujo. Las moléculas trataran de recuperarse, por lo que esta orientación puede causar un gran encogimiento o piezas sin llenar en la dirección del flujo 4. Los materiales amorfos se contraen ligeramente menos cuando son enfriados rápidamente que cuando enfrían más lento5. El tiempo y la exposición al calor podrían provocar un encogimiento adicional. En un cierto tiempo, especialmente a elevadas temperaturas, el último cambio de tamaño es casi el mismo. El material amorfo se comporta como un bote lleno de palomitas de maíz, su forma es tal que no están situadas lo suficientemente cerca una de la otra. Cuando se sacuden violentamente y repentinamente se detiene, el volumen aparente en el bote es mayor que si la sacudida se hubiera reducido gradualmente, permitiendo a las palomitas situarse mas cerca una de la otra. Los materiales amorfos, no se sitúan tan cercanamente como una estructura cristalina. En el caso de plásticos semicristalinos, las cadenas de polímero a menudo están dobladas sobre si mismas formando capas, lo que permite la formación de cristales. Otras cadenas moleculares son incorporadas normalmente, de modo que cualquier cristal contiene fragmentos de diferentes cadenas. El proceso de cristalización tiende a empacar las cadenas de moléculas una al lado de la otra, formando una estructura mas compacta a través de la dirección del flujo. Esto normalmente da como resultado un mayor encogimiento en la dirección transversal que en la dirección del flujo6. Una vez que el molde es completamente llenado con plástico inicia la fase de sostenimiento del ciclo. La presión es mantenida sobre el plástico en la cavidad hasta que la entrada solidifica o hasta que la presión es liberada del material que aun esta en el barril. Durante esta fase, una pequeña cantidad de material deberá fluir dentro del molde hasta que el material dentro del molde enfrié y se contraiga. Este tiempo de sostenimiento y la presión de sostenimiento tiene un efecto significativo en la contracción dentro del molde. Después de la fase de sostenimiento, el plástico continúa enfriando hasta que alcanza una temperatura en la cual es lo suficientemente rígido para ser extraído del molde y que permanezca adecuadamente estable. Un tiempo de enfriamiento muy corto da como resultado una pieza con contracción o alabeamiento excesivo; por otro lado un tiempo de enfriamiento muy largo da como resultado esfuerzos congelados (y posibles fracturas), así como un tiempo de ciclo económicamente poco rentable. La temperatura del material no es uniforme cuando es extraída del molde debido a que el plástico es un mal conductor de calor; la temperatura del núcleo de la pieza es mayor que la temperatura de la superficie cuando la pieza es extraída del molde. El centro de la pieza tarda más en enfriar y por lo tanto se contrae más que la superficie. Es por eso que siempre hay esfuerzos residuales provocados por ese enfriamiento diferencial, entre mayor sea el espesor de pared de la pieza, mayor será el diferencial de enfriamiento y los esfuerzos residuales. Para espesores de pared muy delgados, la temperatura del núcleo puede ser tan alta que aunque la pieza parezca que esta correcta cuando es extraída del molde, la temperatura del núcleo puede reblandecer la superficie y causar defectos. Por esta razón algunas veces es apropiado colocar piezas de espesor de pared delgado dentro de un fluido de enfriamiento para mantener la superficie rígida hasta que el núcleo sea completamente enfriado. Debe ser evidente entonces, que el molde tiene varias funciones. Proporciona la forma correcta a la pieza moldeada y la fuerza necesaria para soportar las presiones de inyección. El molde después remueve el calor de la pieza moldeada de forma eficiente y uniforme, por lo tanto, funciona como un intercambiador de calor. El encogimiento de la pieza moldeada después de que es extraída del molde es más complicado que una simple contracción térmica, una contracción térmica no considera las condiciones del material fundido, como se hace en las condiciones del proceso, además la mayoría de los materiales no tienen la longitud de cadena que tienen los plásticos. Esta estructura favorece una relajación de esfuerzos adicional y cristalización a una temperatura a la cual la pieza es normalmente utilizada. Respuesta Térmica Rápida, busca promover la más eficiente interacción termodinámica del material y el molde en la fase de llenado y enfriamiento. Como se menciono en los párrafos anteriores, con la herramienta de RTR se busca minimizar los efectos de los cambios de temperatura en el proceso para evitar los defectos, esto a través de cambios abruptos de temperatura ya sea en toda la cavidad o en una sección de esta, con lo que se podría tener un mayor control de la calidad de las piezas. Además de asegurar la calidad de las piezas moldeadas ciclo tras ciclo, en el proceso de RTR se pretende también, reducir los tiempos de ciclo, de tal forma que se tenga un proceso mas eficiente y con una mayor productividad, lo que nos lleva a una posible reducción del costo de producción. | |
| 2006 | |
| Trabajo terminal, especialidad | |
| QUÍMICA | |
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