Optimización de Procesos y Diseño en Moldeo por Inyección y Extrusión de Termoplásticos

Termoplásticos y el Proceso de Extrusión

Características Físicas de los Termoplásticos

Los termoplásticos se caracterizan por su comportamiento físico ante el calor, que provoca el reblandecimiento o derretido, permitiendo darles forma, para luego solidificarse. Presentan:

• Alta viscosidad.
• Baja conductividad.

Extrusión: Proceso Continuo

La extrusión es un proceso continuo utilizado para crear perfiles, films y cables. Consiste en empujar el material a través de un troquel para darle forma (sección transversal). Este proceso requiere aplicar calor al material y fuerza mediante un tornillo.

Función del Tornillo Cónico

El tornillo cónico se utiliza para aumentar la presión (P). La fricción generada incrementa el calor en el material, además de empujarlo hacia el troquel y evacuar el aire. Los componentes clave del sistema incluyen el embudo, el calentador, el tornillo cónico y el filtro (que ayuda a laminar y mejorar las propiedades mecánicas).

Tipos de Tornillos de Extrusión

• Counter Rotating Intermeshing (el mejor) /\
• Co Rotating Intermeshing //
• Counter Rotating Non Intermeshing / \
• Co Rotating Non Intermeshing

Parámetros Clave de la Extrusión

Los ángulos de los filamentos deben adaptarse al material para optimizar el diseño. Los parámetros clave del tornillo son:

• Relación Diámetro/Longitud (D/L).
• Ángulo del filamento.
• Velocidad rotatoria (V rotatoria).

La Temperatura de Control se gestiona mediante calentadores en 3 o 4 zonas, que pueden estar orientados o ser isentrópicos.

Materia Prima y Enfriamiento

La materia prima (ej. PA) puede incluir pigmentos, partículas elastoméricas o fibra de vidrio (+GF) para mejorar las propiedades mecánicas. El diámetro de la materia prima es crucial. El enfriamiento se realiza sumergiendo el material en un water bath (baño de agua), seguido de rodillos para reducir el grosor.

Nota: Se utilizan 3 inyectores en la creación de film para orientar el raw material. En el proceso de fabricación de botellas, las etapas son: descenso de presión, inflado (inflating), enfriamiento (cooling) y expulsión (ejecting).

Moldeo por Inyección (Injection Molding)

Descripción del Proceso Discontinuo

El moldeo por inyección es un proceso discontinuo ideal para geometrías complejas. Se puede representar mediante una gráfica Presión-Tiempo (PT). Una vez que el plástico se introduce en el molde, se cierra la puerta y comienza la rotación del tornillo, que empuja el material hacia la boquilla donde se acumula. Posteriormente, se abre la boquilla (nozzle) y el material es inyectado en el molde.

Optimización de Flujo y Geometría

Si el flujo del camino (path) se reduce, haciéndolo más fino, se obtendrán menos pérdidas de presión y, por lo tanto, mayor capacidad de inyección.

Advertencia sobre Paredes Gruesas

Es fundamental evitar paredes gruesas. Una pequeña diferencia en el grosor implica un aumento significativo del tiempo necesario para solidificar, ya que el tiempo de solidificación es proporcional al cuadrado del grosor. Esto resulta en ciclos más largos e incrementa el coste exponencialmente.

Consideraciones de Coste y Diseño

Aunque el plástico como materia prima puede ser más caro que el metal, lo que convierte un producto en barato es el proceso de bajo coste, sumado a las posibilidades de integración y reducción de piezas, y la libertad de diseño. Las piezas de alta precisión suelen requerir metal.

Resistencia Mecánica

En la tracción, la fuerza se relaciona con el área creciente, mientras que en la flexión y la torsión, la resistencia depende más de la inercia. Los plásticos pueden perder Módulo de Elasticidad (E) pero ganar inercia (I), manteniendo la rigidez (EI=EI). Esto permite lograr integridad funcional y geometrías complejas.

Los beneficios deben tenerse en cuenta en relación con los productos finales, razón por la cual los plásticos generalmente no se mecanizan o pintan.

Estrategias de Diseño para Moldeo

Optimización del Tiempo de Mantenimiento de Presión

La optimización del tiempo de mantenimiento de presión (t) es crucial para el ahorro de material:

• Original: t mantenimiento de presión 95s (100%), ahorro de material 0%.
• Optimización 1: t mantenimiento 53% reducido, ahorro 23%.
• Optimización 2: t mantenimiento 15% del original, 57% de ahorro.

Diseño de Nervios (Ribs)

Para maximizar la rigidez, es mejor maximizar el número (N) de nervios, pero la distancia entre ellos debe ser considerada. Los puntos clave son:

1. Radio de la base.
2. Espesor de la pared entre nervios: este es un punto débil que puede romperse (afectado por la viscosidad y la presión de inyección).

Los nervios deben ser perpendiculares al momento de flexión. En torsión, deben estar a 45º.

Longitud del Nervio

Si el nervio es corto, se obtiene menor inercia pero mayor rigidez, aunque aumenta la dificultad de llenado. El esfuerzo (estrés) aplicado debe ser mayor que el esfuerzo de fallo del material.

Consideraciones de Bordes y Puntos de Inyección

• Bordes: Evitar bordes afilados para reducir la concentración de esfuerzo. Esto mejora el recorrido del flujo, los gradientes de solidificación y el estrés interno. Un radio mayor implica una mayor acumulación de material.
• Punto de Inyección: Se recomienda inyectar en el medio de una sección en forma de T. Si se inyecta desde una punta, se cambiará la dirección del flujo, causando problemas de llenado y reducción de presión.

Relaciones de Diseño de Nervios: t/h = $ heta$ (tita) > 1. Se recomienda un ángulo $ heta$ (ángulo del nervio) entre 0,4 y 0,8. Si la longitud es mayor, se requiere un ángulo $ heta$ mayor y un grosor menor (>0,8).

Termoplásticos de Fibra Larga (LFT) y Defectos

Moldeo por Inyección de Fibras Largas (LFT)

El proceso LFT (Long Fiber Thermoplastics) se utiliza para incorporar fibras largas. Las fibras no pasan por el tornillo (screw) para evitar que se rompan, mientras que las materias primas sí. Las fibras se introducen en otra sección donde se juntan con la resina derretida que ha pasado por el tornillo. Al salir de esa sección, se crea una especie de hoja que pasa a otro molde para darle su forma.

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Orientación y Fractura en Polímeros Amorfos

En el polímero amorfo, existe una orientación preferencial paralela al flujo (ixurkinaren paralelo). Algunos ejemplos se cortan, creando una pequeña pitzadura (grieta) en el centro. La fractura (haustura) crece paralelamente. La temperatura de fusión (Melt T) y la presión son más altas al principio.

Si los ejemplos se cortan paralelamente al flujo, la fractura se produce perpendicularmente, lo que requiere que las moléculas se estiren para crecer. Aquí también, la temperatura de fusión y la presión son más altas al principio, lo que mejora la resistencia al impacto (impact strength).

makrom-small.difuse. resina elkatu fibra ez.

Líneas de Soldadura (Weld Lines)

La línea de soldadura (weld line) se forma por la unión de dos frentes de inyección o alrededor de un agujero (zuloa). Es necesario realizar un análisis de estrés, ya que, aunque la línea de soldadura no sea inherentemente peligrosa, si se localiza en un punto donde se concentra el estrés, el riesgo aumenta.

Defectos asociados: 11_aire 3 C, 2 noched efect (efecto de muesca).