QUE ES EL MOLDEO POR INYECCION
El moldeo por inyeccion es un proceso semicontinuo que consiste en inyectar un polimero o ceramico en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a presion y frio, a traves de un orificio pequeno llamado compuerta. En ese molde el material se solidifica, comenzando a cristalizar en polimeros semicristalinos. La pieza o parte final se obtiene al abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza moldeada.
El moldeo por inyeccion es una tecnica muy popular para la fabricacion de articulos muy diferentes. Solo en los Estados Unidos, la industria del plastico ha crecido a una tasa de 12% anual durante los ultimos 25 anos, y el principal proceso de transformacion de plastico es el moldeo por inyeccion, seguido del de extrusion. Un ejemplo de productos fabricados por esta tecnica son los famosos bloques interconectables LEGO y juguetes Playmobil, asi como una gran cantidad de componentes de automoviles, componentes para aviones y naves espaciales.
Los polimeros han logrado sustituir otros materiales como son madera, metales, fibras naturales, ceramicas y hasta piedras preciosas; el moldeo por inyeccion es un proceso ambientalmente mas favorable comparado con la fabricacion de papel, la tala de arboles o cromados. Ya que no contamina el ambiente de forma directa, no emite gases ni desechos acuosos, con bajos niveles de ruido. Sin embargo, no todos los plasticos pueden ser reciclados y algunos susceptibles de ser reciclados son depositados en el ambiente, causando danos al medio ambiente.
La popularidad de este metodo se explica con la versatilidad de piezas que pueden fabricarse, la rapidez de fabricacion, el diseno escalable desde procesos de prototipos rapidos, altos niveles de produccion y bajos costos, alta o baja automatizacion segun el costo de la pieza, geometrias muy complicadas que serian imposibles por otras tecnicas, las piezas moldeadas requieren muy poco o nulo acabado pues son terminadas con la rugosidad de superficie deseada, color y transparencia u opacidad, buena tolerancia dimensional de piezas moldeadas con o sin insertos y con diferentes colores.
MAQUINARIA
La unidad de inyeccion
Las partes mas importantes de la maquina son:
Unidad de inyeccion.
La funcion principal de la unidad de inyeccion es la de fundir, mezclar e inyectar el polimero. Para lograr esto se utilizan husillos de diferentes caracteristicas segun el polimero que se desea fundir. El estudio del proceso de fusion de un polimero en la unidad de inyeccion debe considerar tres condiciones termodinamicas:
1. La temperatura de procesamiento del polimero.
2. La capacidad calorifica del polimero Cp [cal/g °C].
3. El calor latente de fusion, si el polimero es semicristalino.
El proceso de fusion involucra un incremento en el calor del polimero, que resulta del aumento de temperatura y de la friccion entre el barril y el husillo. La friccion y esfuerzos cortantes son basicos para una fusion eficiente, dado que los polimeros no son buenos conductores de calor. Un incremento en temperatura disminuye la viscosidad del polimero fundido; lo mismo sucede al incrementar la velocidad de corte. Por ello ambos parametros deben ser ajustados durante el proceso. Existen, ademas, metales estandares para cada polimero con el fin de evitar la corrosion o degradacion. Con algunas excepciones —como el PVC—, la mayoria de los plasticos pueden utilizarse en las mismas maquinas.
La unidad de inyeccion es en origen una maquina de extrusion con un solo husillo, teniendo el barril calentadores y sensores para mantener una temperatura programada constante. La profundidad entre el canal y el husillo disminuye de forma gradual (o drastica, en aplicaciones especiales) desde la zona de alimentacion hasta la zona de dosificacion. De esta manera, la presion en el barril aumenta gradualmente. El esfuerzo mecanico, de corte y la compresion anaden calor al sistema y funden el polimero mas eficientemente que si hubiera unicamente calor, siendo esta la razon fundamental por la cual se utiliza un husillo y no una autoclave para obtener el fundido.
Una diferencia sustancial con respecto al proceso de extrusion es la existencia de una parte extra llamada camara de reserva. Es alli donde se acumula el polimero fundido para ser inyectado. Esta camara actua como la de un piston; toda la unidad se comporta como el embolo que empuja el material. Debido a esto, una parte del husillo termina por subutilizarse, por lo que se recomiendan canones largos para procesos de mezclado eficiente. Tanto en inyeccion como en extrusion se deben tomar en cuenta las relaciones de PvT (Presion, volumen, temperatura), que ayudan a entender como se comporta un polimero al fundir.
Unidad de cierre [editar]
Es una prensa hidraulica o mecanica, con una fuerza de cierre bastante grande que contrarresta la fuerza ejercida por el polimero fundido al ser inyectado en el molde. Las fuerzas localizadas pueden generar presiones del orden de cientos de MPa, que solo se encuentran en el planeta de forma natural unicamente en los puntos mas profundos del oceano.
Si la fuerza de cierre es insuficiente, el material escapara por la union del molde, causando asi que el molde se tienda a abrirse. Es comun utilizar el area proyectada de una pieza (area que representa perpendicularmente a la unidad de cierre el total de la cavidad) para determinar la fuerza de cierre requerida, excluyendo posibles huecos o agujeros de la pieza.
MOLDE
Esquema de un molde comercial prefabricado, al cual solo le falta la cavidad para la pieza deseada
El molde (tambien llamado herramienta) es la parte mas importante de la maquina de inyeccion, ya que es el espacio donde se genera la pieza; para producir un producto diferente, simplemente se cambia el molde, al ser una pieza intercambiable que se atornilla en la unidad de cierre. existen dos tipos importantes de molde, uno en la que inyecta plastico y otra en la que inyecta metal.
Las partes del molde son:
* Cavidad: es el volumen en el cual la pieza sera moldeada.
* Canales o ductos: son conductos a traves de los cuales el polimero fundido fluye debido a la presion de inyeccion. El canal de alimentacion se llena a traves de la boquilla, los siguientes canales son los denominados bebederos y finalmente se encuentra la compuerta.
* Canales de enfriamiento: Son canales por los cuales circula refrigerante (el mas comun agua) para regular la temperatura del molde. Su diseno es complejo y especifico para cada pieza y molde, esto en vista de que la refrigeracion debe ser lo mas homogenea posible en toda la cavidad y en la parte fija como en la parte movil, esto con el fin de evitar los efectos de contraccion. Cabe destacar que al momento de realizar el diseno de un molde, el sistema de refrigeracion es lo ultimo que se debe disenar.
* Barras expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan la pieza moldeada fuera de la cavidad, pudiendo a veces contar con la ayuda de un robot para realizar esta operacion.
EL PRINCIPIO DEL MOLDEO
El moldeo por inyeccion es una de las tecnologias de procesamiento de plastico mas famosas, ya que representa un modo relativamente simple de fabricar componentes con formas geometricas de alta complejidad. Para ello se necesita una maquina de inyeccion que incluya un molde. En este ultimo, se fabrica una cavidad cuya forma y tamano son identicas a las de la pieza que se desea obtener. La cavidad se llena con plastico fundido, el cual se solidifica, manteniendo la forma moldeada.
Los polimeros conservan su forma tridimensional cuando son enfriados por debajo de su Tg —y, por tanto, tambien de su temperatura de fusion para polimeros semicristalinos. Los polimeros amorfos, cuya temperatura util es inferior a su Tg, se encuentran en un estado termodinamico de pseudoequilibrio. En ese estado, los movimientos de rotacion y de relajacion (desenredo de las cadenas) del polimero estan altamente impedidos. Es por esta causa que, en ausencia de esfuerzos, se retiene la forma tridimensional. Los polimeros semicristalinos poseen, ademas, la caracteristica de formar cristales. Estos cristales proporcionan estabilidad dimensional a la molecula, la cual tambien es —en la region cristalina— termodinamicamente estable. La entropia de las moleculas del plastico disminuye drasticamente debido al orden de las moleculas en los cristales.
COLORACION DE LA PIEZA
Piezas de LEGO de diferentes colores moldeados por inyeccion
La coloracion de las partes a moldear es un paso critico, puesto que la belleza de la parte, la identificacion y las funciones opticas dependen de este proceso. Basicamente existen tres formas de colorear una parte en los procesos de inyeccion:
* 1. Utilizar plastico del color que se necesita (precoloreados).
* 2. Utilizar un plastico de color natural y mezclarlo con pigmento en polvo o colorante liquido.
* 3. Utilizar un plastico de color natural y mezclarlo con concentrado de color.
La eleccion mas barata y eficiente es el uso del concentrado de color (en ingles Masterbatch), el cual se disena con caracteristicas de indice de fluidez y viscosidad acordes al polimero que se desea procesar. Con los concentrados de color se puede cambiar de un color a otro de manera rapida, sencilla y limpia. Los pigmentos en polvo presentan mayores problemas de coloracion que los concentrados de color y estos mas que los precoloreados; sin embargo, los precoloreados son los mas caros y presentan una historia termica mayor. Los problemas de procesamiento mas comunes con relacion al color de una pieza son: lineas de color mas o menos intenso, puntos negros, rafagas, y piel de naranja.
Los colores pueden ser cualquiera opacos y, si el polimero es transparente, se permiten colores translucidos. Es importante que el proveedor de los concentrados de color sea consciente de la aplicacion final de la parte, para utilizar pigmentos o colorantes que no migren a la superficie. En polioleofinas no debe utilizarse colorantes porque migran, un error muy comun en la industria ya que son baratos, si bien este ahorro merma la calidad de la parte y puede resultar en una reclamacion por parte del cliente.
Los colores finales en la parte pueden ser translucidos, solidos, pasteles, metalicos, perlados, fosforescentes, fluorescentes, etc. Sin embargo, polimeros como el ABS son mas dificiles de colorear que el polietileno, por su alta temperatura de proceso y su color amarillento.
Un experto en diseno de un color ha de poseer una habilidad visual impresionante, puesto que sus ojos estan entrenados para reconocer colores con diferencias minimas, lo cual requiere una habilidad natural y amplia experiencia. Debe tomarse en cuenta tambien la teoria del color, ya que los pigmentos son substractivos y la luz es aditiva; ademas, si como color objetivo se tiene una pieza de metal, vidrio, liquido, papel o polimero diferente al polimero final, es posible que bajo diferente luz sea igual o distinto el color final del objetivo. Por ello debe decidirse cual sera la luz bajo la cual los colores deben ser observados. Para personas que no son expertas en identificacion de color, son muy utiles los colorimetros, aunque su grado de confianza no llega al 100%. Una persona no entrenada puede ver dos colores diferentes como iguales y dos iguales como diferentes, debido a errores en el angulo con respecto a la incidencia de la luz, distancia entre uno y otro objetivo, luz ambiental, etc.
TEMPERATURA DE PROCESO
Para inyectar un polimero, especificamente un termoplastico, es necesario conocer su temperatura de transicion vitrea (Tg) y su temperatura de fusion de la region cristalina (Tm), si es un polimero semicristalino.
La temperatura de operacion de cada termoplastico no es estandar, y varia segun el proveedor. Es por tanto necesario solicitarle una Hoja de Especificaciones donde se encuentre tanto el indice de fluidez como la temperatura de trabajo, que ademas es un rango de temperaturas, y la temperatura de degradacion, con lo cual se obtiene un intervalo dentro del cual se puede trabajar el material eficientemente.
TECNICAS MODERNAS
Algunas de las tecnicas modernas incluyen la inyeccion de multicomponentes, es decir, una pieza que contiene dos polimeros unidos entre si o un polimero con diferentes colores y aditivos separados en capas. En esta tecnica es posible inyectar dos polimeros en la misma pieza. Existen dos metodos para lograr esto: uno es con dos unidades de inyeccion, y otro con una unidad de inyeccion compuesta. Un polimero queda inmerso en el otro, o un color queda inmerso en el otro, ahorrando asi costos: esta tecnica es llamada inyeccion emparedado o sandwich. Otra posibilidad es inyectar con agentes formadores de celdas o espumantes que reducen la densidad de la pieza moldeada.
La inyeccion puede contener injertos metalicos, ceramicos o plasticos. Estos son colocados manual o automaticamente en el molde, sobre el cual es inyectado el polimero que, por medios geometricos, evita su separacion al enfriarse.
En el moldeo con reaccion quimica no se usa el extrusor, sino mas bien componentes liquidos que se van administrando. Estas resinas pueden estar activadas o activarse al unir los diferentes fluidos. Un ejemplo tipico de polimero inyectado por este proceso es el poliuretano y la poliurea. Generalmente, las temperaturas en este proceso son mucho mas bajas que las temperaturas de la inyeccion con husillo.
La inyeccion de hule y de termoestables consiste en un proceso que incluye la inyeccion con todos los ingredientes necesarios para el curado o vulcanizado, pero a temperaturas bajas en el canon. Este debe provocar poca friccion en el material para evitar el sobrecalentamiento y reaccion prematura, cambiando asi la cinetica de reaccion deseada. La reaccion termina precisamente en el molde, el cual no es necesario enfriar.
La inyeccion con equipo moderno de polimeros semiconductores y de polimeros conductores requiere mucho menos cuidado que en el proceso de semiconductores tradicionales de silicio y germanio. El cuarto limpio no es necesario y el proceso se puede llevar a cabo con un cuidado semejante al de inyeccion de equipo medico.
La inyeccion de materiales compuestos como madera-plastico o fibras naturales con polimero, fibra de carbon y nanoparticulas tienen una problematica particular, debido a que el husillo tiende a romper, cortar o aglomerar las particulas, por lo que presentan un doble reto: por una parte deben ser dispersadas y distribuidas (como cualquier pigmento), a la vez que deben permanecer lo mas estables posible. Las nanoparticulas generalmente forman aglomerados, que reflejan una perdida de propiedades mecanicas y no un aumento, ya que el estres es funcion directa del area de la union particula-polimero.
Video moldeo por inyeccion
Inyeccion
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