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Proceso de Moldeo por Inyección de Plástico
Creado 01.04
Flujo del proceso de moldeo por inyección
El proceso de moldeo por inyección consta principalmente de seis etapas: cierre del molde, llenado, mantenimiento de presión, enfriamiento, apertura del molde y desmoldeo. Estas seis etapas determinan directamente la calidad del moldeo del producto y forman un proceso completo y continuo. Este capítulo se centra en las etapas de llenado, mantenimiento de presión, enfriamiento y desmoldeo.
Etapa de llenado
El llenado constituye la etapa inicial de todo el ciclo de moldeo por inyección, comenzando desde el momento en que el molde se cierra y continuando hasta que la cavidad del molde se llena aproximadamente al 95%. Teóricamente, un tiempo de llenado más corto se traduce en una mayor eficiencia de moldeo; sin embargo, en la producción real, el tiempo de moldeo (o velocidad de inyección) está sujeto a numerosas restricciones.
Llenado de alta velocidad. Durante el llenado de alta velocidad, la tasa de cizallamiento se eleva, lo que hace que el plástico exhiba una viscosidad reducida debido al adelgazamiento por cizallamiento, lo que a su vez reduce la resistencia general al flujo. Los efectos localizados de calentamiento viscoso también contribuyen a una capa de solidificación más delgada. En consecuencia, durante la etapa de control de flujo, el comportamiento de llenado a menudo está determinado por el volumen a llenar. Es decir, en esta fase, el significativo efecto de adelgazamiento por cizallamiento del fundido durante el llenado de alta velocidad generalmente prevalece sobre la influencia del enfriamiento en las secciones de pared delgada, permitiendo que el efecto de la velocidad predomine.
Llenado a baja velocidad. Durante el llenado a baja velocidad con control de conducción térmica, las tasas de cizallamiento son bajas, la viscosidad local es alta y la resistencia al flujo es significativa. Dado que la tasa de reposición de plástico fundido es lenta, el flujo progresa gradualmente, lo que hace que los efectos de conducción térmica sean pronunciados. El calor se disipa rápidamente por las paredes frías del molde. Combinado con un calentamiento viscoso mínimo, la capa solidificada más gruesa aumenta aún más la resistencia al flujo en secciones de pared más delgadas.
Debido a la dinámica de flujo de la extrusión, las cadenas de polímero en el fundido de plástico se alinean casi paralelas al frente de flujo. En consecuencia, cuando dos corrientes de plástico fundido convergen, las cadenas de polímero en su interfaz se vuelven mutuamente paralelas. Sumado a las diferentes propiedades de los dos fundidos (tiempo de residencia variable en la cavidad del molde, temperatura y presión), esto resulta en una debilidad microestructural en la zona de convergencia. Cuando la pieza se posiciona en un ángulo apropiado bajo la luz y se observa a simple vista, se hace visible una línea de soldadura distintiva. Esto representa el mecanismo de formación de las líneas de soldadura. Las líneas de soldadura no solo comprometen la apariencia de las piezas de plástico, sino que también exhiben una microestructura laxa propensa a la concentración de tensiones. En consecuencia, la resistencia de esta área se reduce, lo que lleva a una posible fractura.
En términos generales, las líneas de soldadura formadas en zonas de alta temperatura exhiben una resistencia superior. Esto se debe a que las cadenas poliméricas presentan una mayor movilidad a temperaturas elevadas, lo que les permite interpenetrarse y entrelazarse. Además, en regiones de alta temperatura, las temperaturas de las dos corrientes fundidas están más próximas, lo que resulta en propiedades térmicas de las masas fundidas casi idénticas, lo que mejora la resistencia del área soldada. Por el contrario, la resistencia de la soldadura es menor en zonas de baja temperatura.
Etapa de mantenimiento de presión
El propósito de la etapa de presión de mantenimiento es aplicar presión continuamente, compactando el fundido y aumentando la densidad del plástico (densificación) para compensar el comportamiento de contracción del material. Durante la presión de mantenimiento, como la cavidad del molde ya está llena de plástico, la contrapresión es relativamente alta. A lo largo del proceso de compactación por presión de mantenimiento, el husillo de la máquina de moldeo por inyección solo puede avanzar lentamente en pequeños incrementos, y la tasa de flujo del plástico también es relativamente lenta; este flujo se denomina flujo de presión de mantenimiento. Durante la fase de presión de mantenimiento, el plástico se enfría y solidifica rápidamente contra las paredes del molde, lo que provoca un aumento brusco de la viscosidad del fundido. En consecuencia, se genera una resistencia significativa dentro de la cavidad del molde. Hacia la última parte de la presión de mantenimiento, la densidad del material continúa aumentando y la pieza toma forma gradualmente. La fase de presión de mantenimiento debe persistir hasta que la compuerta se solidifique y selle. En este punto, la presión de la cavidad durante la fase de presión de mantenimiento alcanza su valor máximo.
Durante la fase de mantenimiento de presión, el plástico exhibe compresibilidad parcial debido a la presión relativamente alta. En áreas de mayor presión, el plástico se vuelve más denso con mayor densidad; por el contrario, en regiones de menor presión, el plástico se vuelve más poroso con menor densidad. En consecuencia, la distribución de la densidad varía tanto con la posición como con el tiempo. Durante esta fase, la velocidad de flujo del plástico es extremadamente baja, lo que hace que la dinámica de flujo ya no sea el factor dominante; la presión se convierte en el determinante principal que influye en el proceso de mantenimiento. En esta etapa, el plástico ha llenado la cavidad del molde. La masa fundida que se solidifica gradualmente actúa ahora como medio de transmisión de presión. La presión dentro de la cavidad se transmite a través del plástico a las superficies de la pared del molde, creando una tendencia a expandir el molde. En consecuencia, se requiere una fuerza de sujeción adecuada para asegurar el molde. En condiciones normales, la fuerza de expansión del molde amplía ligeramente el molde, lo que ayuda al venteo. Sin embargo, una fuerza de expansión excesiva puede causar rebabas, derrames o incluso separación del molde. Por lo tanto, al seleccionar una máquina de moldeo por inyección, se debe elegir una máquina con suficiente fuerza de sujeción para evitar la expansión del molde y garantizar un mantenimiento de presión efectivo.
Bajo las nuevas condiciones ambientales del moldeo por inyección, debemos considerar procesos de moldeo por inyección novedosos como el moldeo asistido por gas, el moldeo asistido por agua y el moldeo por inyección de espuma.
Fase de enfriamiento
En el moldeo por inyección, el diseño del sistema de refrigeración es de suma importancia. Esto se debe a que la pieza de plástico moldeada debe enfriarse y solidificarse hasta alcanzar cierta rigidez antes de la expulsión para evitar deformaciones bajo fuerzas externas. Dado que el tiempo de enfriamiento representa aproximadamente entre el 70% y el 80% del ciclo de moldeo completo, un sistema de refrigeración bien diseñado puede reducir significativamente el tiempo de moldeo, mejorar la productividad del moldeo por inyección y disminuir los costos. Un sistema de refrigeración inadecuadamente diseñado prolonga el tiempo de moldeo y aumenta los costos; un enfriamiento desigual agrava aún más la deformación y el alabeo del producto plástico.
Los experimentos indican que el calor que entra en el molde desde el material fundido se disipa de dos maneras principales: aproximadamente el 5% se transfiere a la atmósfera por radiación y convección, mientras que el 95% restante se conduce desde el material fundido al molde. Dentro del molde, el calor del producto de plástico se transfiere por conducción térmica desde el plástico de la cavidad a través de la base del molde hasta las tuberías de agua de refrigeración, donde luego es transportado por el fluido de refrigeración mediante convección. Una pequeña porción del calor no eliminado por el agua de refrigeración continúa conduciéndose dentro del molde, disipándose finalmente en el aire ambiente al entrar en contacto con el entorno exterior.
El ciclo de moldeo por inyección comprende el tiempo de cierre, el tiempo de llenado, el tiempo de mantenimiento de la presión, el tiempo de enfriamiento y el tiempo de expulsión. De estos, el tiempo de enfriamiento representa la mayor proporción, aproximadamente del 70% al 80%. En consecuencia, el tiempo de enfriamiento influye directamente tanto en la duración del ciclo de moldeo del producto de plástico como en la producción. Durante la etapa de desmoldeo, la temperatura del producto de plástico debe enfriarse por debajo de su temperatura de deflexión térmica para evitar la relajación causada por tensiones residuales o deformaciones y distorsiones resultantes de las fuerzas externas de desmoldeo.
Los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento del producto incluyen:
En el diseño de productos de plástico, el espesor de la pared es una consideración primordial. Un mayor espesor del producto requiere tiempos de enfriamiento más largos. En general, la duración del enfriamiento es proporcional al cuadrado del espesor del producto o a la 1.6ª potencia del diámetro máximo del bebedero. Es decir, duplicar el espesor del producto cuadruplica el tiempo de enfriamiento.
Materiales del molde y métodos de enfriamiento. Los materiales utilizados para el núcleo del molde, la cavidad y la base del molde influyen significativamente en las tasas de enfriamiento. Los coeficientes de conductividad térmica más altos en los materiales del molde mejoran la transferencia de calor lejos del plástico por unidad de tiempo, reduciendo así el tiempo de enfriamiento.
Configuración de la tubería de agua de enfriamiento. Cuanto más cerca estén las tuberías de agua de enfriamiento de la cavidad del molde, mayor sea su diámetro y mayor sea su número, más efectivo será el enfriamiento y más corto será el tiempo de enfriamiento.
Caudal del refrigerante. Cuanto mayor sea el caudal de agua de refrigeración (generalmente, lograr un flujo turbulento es óptimo), más eficazmente el agua de refrigeración elimina el calor por convección térmica.
Propiedades del refrigerante. La viscosidad y el coeficiente de conductividad térmica del refrigerante también influyen en la eficiencia de transferencia de calor del molde. Una menor viscosidad del refrigerante se correlaciona con una mayor conductividad térmica, temperaturas más bajas y un rendimiento de enfriamiento superior.
Selección del plástico. Esto se refiere a la capacidad del plástico para conducir el calor de áreas calientes a frías. Un mayor coeficiente de conductividad térmica indica una mejor eficiencia de transferencia de calor. Alternativamente, una menor capacidad calorífica específica significa que la temperatura del plástico fluctúa más fácilmente, facilitando la disipación del calor y logrando así un mejor rendimiento térmico con un tiempo de enfriamiento reducido.
Configuración de parámetros del proceso. Temperaturas de material más altas, temperaturas del molde más altas y temperaturas de eyección más bajas requieren tiempos de enfriamiento más largos.
Principios de diseño para sistemas de enfriamiento:
Los canales de enfriamiento deben diseñarse para garantizar un enfriamiento uniforme y rápido.
El propósito de diseñar un sistema de refrigeración es mantener una refrigeración adecuada y eficiente del molde. Los orificios de refrigeración deben emplear dimensiones estándar para facilitar el mecanizado y el montaje.
Al diseñar un sistema de refrigeración, el diseñador del molde debe determinar los siguientes parámetros de diseño basándose en el espesor de pared y el volumen de la pieza de plástico: la posición y las dimensiones de los orificios de refrigeración, la longitud de los orificios, el tipo de orificios, la disposición y conexión de los orificios, y el caudal y las propiedades de transferencia de calor del refrigerante.
Etapa de desmoldeo
El desmoldeo constituye la etapa final de un ciclo de moldeo por inyección. Aunque el producto ya se ha enfriado y solidificado, el proceso de desmoldeo impacta significativamente su calidad. Los métodos de desmoldeo inadecuados pueden resultar en una distribución desigual de la fuerza durante la extracción, lo que podría causar deformación u otros defectos. Existen dos enfoques principales de desmoldeo: el desmoldeo por expulsores y el desmoldeo por placa expulsoras. Al diseñar moldes, se debe seleccionar el método de desmoldeo apropiado en función de las características estructurales del producto para garantizar la calidad.
Para moldes que emplean expulsores, estos deben posicionarse lo más uniformemente posible, ubicados donde la resistencia a la expulsión es mayor y donde la pieza presenta máxima resistencia y rigidez. Esto evita la deformación o el daño del componente plástico.
Las placas eyectoras se utilizan típicamente para recipientes de cavidad profunda y paredes delgadas y productos transparentes donde las marcas de los pasadores eyectores son inaceptables. Este mecanismo proporciona una fuerza de eyección sustancial pero uniforme, opera suavemente y no deja rastros discernibles.
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