8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA

Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

MOLDES PARA SUBSTANCIAS PLÁSTICAS: OPTIMIZACIÓN CON TÉCNICAS CAE DE UN SISTEMA DE INYECCIÓN

Granchi M. 1, Fantozzi C. 2, Vettori E. 3, Bibbiani S. 4,

Chiang L. 5, Montecinos J. 6

1,2,3Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione, Università di Pisa, Pisa (Italia) 4MPT Plastica S.R.L., Calcinaia, Pisa (Italia)

5,6Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica, Pontificia Universidad Católica, Santiago (Chile) 1e-mail: mgranchi@ing.unipi.it

RESUMEN

Con este estudio los autores se han propuesto desarrollar un método de anteproyecto dedicado a los moldes para substancias plásticas, el cual, mediante una serie de pruebas de simulación con software CAE a los elementos acabados Moldflow 2.0, consiente determinar las dimensiones óptimas del sistema de inyección; de forma específica se ha examinado en detalle la inyección submarina con expulsor empleada para la producción de piezas que no presentan una pared vertical de sostén para el punto de inyección. Con el fin de alcanzar resultados de validez general, la simulación se ha llevado a cabo considerando que se realicen diferentes piezas de polímeros con viscosidad y características muy diferentes la una de la otra, de longitud variable entre 100 y 600 mm. y de 3 mm. de espesor.

Los estudios han permitido construir una base de datos con las dimensiones óptimas del sistema de inyección en relación con los parámetros de producción, como son los polímeros utilizados y la longitud de las piezas. Las ventajas de esta base de datos se revelarán de gran importancia para los proyectistas ya desde el momento en que puedan individuar con gran facilidad la mejor combinación material/longitud pieza, con consiguiente anulación de tiempo y costes debidos a las diferentes tentativas actualmente necesarias para determinar el sistema de inyección eficiente.

PALABRAS CLAVE: CAE - MOLDES - SUBSTANCIAS PLÁSTICAS - INYECCIÓN

CÓDIGO 312

INTRODUCCIÓN

La simulación del proceso de estampa por inyeción de materias plásticas se ha de considerar un instrumento potente y útil para prevenir, y por lo tanto evitar, los diferentes problemas que se presentan normalmente al optimizar las medidas de los canales de inyección valiéndose sólo de datos prácticos y de intervenciones directas en los moldes. La simulación consiente, de hecho, hacer pruebas informatizadas de forma tal que el proyecto de los mismos resulta mucho más rápido, eficiente y pueda garantizar la máxima calidad del producto.

Actualmente las dimensiones del sistema de inyección se establecen mediante pruebas sucesivas durante las pruebas de control, inspeccionando por ejemplo las presiones y las temperaturas en el molde y comprobando las características del producto obtenido, con el fin de modificar las dimensiones de los canales que no se consideren adecuadas y por lo tanto responsables de la no conformidad del producto final [1] [2]. Además del sistema de inyección, hay que considerar también otros parámetros numerosos, como el ajuste de la máquina, la presión y el tiempo de mantenimiento, el tipo de polímero inyectado, etc. El método llamado tradicionalmente “prueba y modifica” hay que considerarlo inadecuado en el día de hoy por el gran número de variables que hay que controlar y cuya interacción se debe evaluar y calcular cuidadosamente para el proyecto y la producción, con costes limitados, de productos de alta calidad. Por consiguiente, en este sector específico, resulta fundamental llevar a cabo un acercamiento de simulación mediante un proceso de Computer Aid Engineering (CAE) [3] [4] que permita el análisis del modo de rellenar la cavidad entre los dos medios moldes, conjuntamente a los parámetros que influencian el comportamiento del flujo de inyección. En este contexto, este estudio se ha puesto como objetivo proporcionar a los proyectistas una amplia base de datos de sistemas de inyección con los mejores ajustes para las diferentes combinaciones de polímero utilizado y longitud de la pieza que se ha de trabajar, consintiendo la reducción drástica de los tiempos de proyectación. El software a elementos acabados “MOLDFLOW 2.0” empleado para las pruebas de simulación se demuestra esencial para la máxima eficacia productiva. LA SIMULACIÓN

Con el uso de las técnicas de simulación se pueden prever y conducir al valor óptimo los parámetros en juego durante el proceso de inyección, de esta forma el proyectista estará en condiciones, manteniendo constantes algunos parámetros y modificando otros, de alcanzar su mejor combinación, consintiendo así la mejor operación de modelado. Prácticamente la simulación se orienta hacia el mayor ahorro de material al dar las medidas adecuadas al sistema de inyección, al ahorro de tiempo, por ser inmediatas las operaciones que se pueden hacer en ambiente virtual, además de la máxima calidad y productividad posibles gracias a la verificación inmediata de las numerosas alternativas de proyectación.

El estudio elaborado toma en consideración un tipo particular de inyección, la submarina con expulsor, que se usa en aquellos casos en que la pieza que se ha de moldear no presenta una parte vertical donde “apoyar” el punto de inyección. Se han hecho pruebas de inyección con polímeros de diferentes viscosidades en piezas con longitud de flujo variable entre 100 mm y 600 mm, alcanzando las mejores dimensiones en los diferentes sistemas de inyección. Los resultados de las simulaciones se han puesto en tablas para dar al proyectista, al proporcionar como entrada da datos la longitud del flujo y el tipo de polímero, las dimensiones que hay que aplicar al sistema de inyección, teniendo en cuenta las aproximaciones inevitables y las simplificaciones que afectan a un sistema virtual.. Son múltiples las variables en juego, parte de ellas relacionadas con la geometría de la pieza y otras influenciadas por la viscosidad del polímero inyectado, y por ello se ha reducido su número y, donde fuera posible, para simplificar el análisis, se han mantenido constantes algunas de ellas.

Figura 1

Se han individualizado así tres grupos de polímeros, respectivamente de viscosidad baja, media y alta, mientras para tener en cuenta la enorme variedad de formas de los productos plásticos, a veces incluso muy compleja (cascos, carenas, etc.) se ha elegido la inyección simple de pequeñas placas planas de 3 mm de espesor (éste es de hecho el grueso que más se utiliza para los productos plásticos) y de doble longitud que anchura para evaluar mejor el comportamiento del material en todas las fases del proceso (Fig. 1).

En las pruebas de simulación realizadas se han considerado placas con las siguientes dimensiones: 100x200 mm, 200x100 mm, 300x150 mm, 400x200 mm, 500x250 mm, 600x300 mm. Manteniendo constantes los valores de los parámetros L1, L3, Ø1, Ø2 (Fig.2) del sistema de inyección (L1 = 80 mm, L3 = 60 mm, Ø1=2°, Ø2= 15°),

Figura 2

obtenidos de un análisis atento de las experiencias industriales, se procede para alcanzar el valor óptimo de las siguientes medidas:

- diámetro inicial d1 del bebedero; - diámetro D de la compuerta; - diámetro d2 del submarino; - diámetro equivalente de la compuerta deq (Fig. 3); - ángulo α de inclinación del submarino

Figura 3 En los ambientes de producción es normal hacer variar los parámetros dichos entre los siguientes intervalos:

d1 = 2,5-8 mm; D = 4-14 mm; d2 = 1.5-5,5 mm; deq = 1,5-5,5 mm. El ángulo α de inclinación del submarino tiene importancia fundamental en las fases de extracción de la pieza y corte del sistema de inyección por parte del expulsor, el cual, desplazándose hacia arriba, aplica su función de corte en la parte final del submarino. Al aumentar el ángulo α, aumenta también la sección de interferencia que el cono del submarino produce con el cilindro de la compuerta y, por lo tanto, resulta mayor la sección que el expulsor ha de cortar, con consiguientes anomalías productivas. Experiencias adquiridas en el campo específico aconsejan para el ángulo α valores de 30° a 50°.

PARÁMETROS DE CONTROL DEL PROCESO

Las dimensiones óptimas del sistema de alimentación para varias longitudes de flujo y diferentes tipos de material están definidas por los valores de los parámetros proporcionados como datos de salida en las pruebas de simulación, y precisamente:

- Tiempo de relleno(fill time); - Presión máxima de relleno; - Variación de presión en el sistema de alimentación; - Fuerza de cierre de la prensa(clamp force); - Temperatura en el frente del flujo (flow front); - Tiempo de enfriamiento (time to freeze); - Fracción de placa enfriada (frozen layer fraction); - Gradiente de velocidad (shear rate); - Esfuerzo de corte (shear stress); - Reducción volumétrica (volumetric strinkage). El tiempo de relleno del molde, relacionado con la posición del frente del flujo a intervalos regulares de

tiempo, se ha de considerar aceptable si todo el frente del flujo llega a la parte terminal del modelo al mismo tiempo y si las líneas de flujo tienen distancias regulares entre sí. La presión de relleno que resulta de la gráfica producida por el programa de simulación tiene que ser inferior a la presión máxima de la prensa empleada para la fase de inyección; también se podrá controlar igualmente la presión del sistema de inyección para evaluar la oportunidad de aumentar las secciones, si se produjeran caídas de presión demasiado pronunciadas, así como la fuerza de cierre del molde (clamp force) que debe resultar inferior a la máxima específica de la máquina. En lo referente a la temperatura del frente del flujo (flow front), ésta debe estar dentro de un intervalo no muy amplio para evitar encogimientos no uniformes con consiguiente deformación del producto; además, con el fin de garantizar un enfriamiento uniforme es conveniente controlar que la salida no se solidifique excesivamente antes que la pieza que se está produciendo con el fin de evitar fenómenos de encogimiento volumétrico anómalo con consiguiente deformación de la placa. Para ello el Moldflow ofrece dos factores de control importantes, como son los resultados del time to freeze (tiempo de enfriamiento) y los de frozen layer fraction (fracción de placa enfriada), las correspondientes gráficas nos consienten, por una parte evaluar con precisión el tiempo que emplea cada elemento de la placa para alcanzar la temperatura de solidificación y por otra notar, momento a momento, la fracción de material que se ha solidificado. El shear rate presenta la medida de la rapidez con la que las láminas de polímero se deslizan una sobre otra: si el deslizamiento es demasiado rápido, la cadena polimérica se romperá con consiguiente estropeo del material. Durante todo el proceso hay que controlar que el shear rate no supere nunca el valor máximo consentido (presente en la base de datos del programa) para el polímero en uso. El shear stress, esfuerzo de corte que se produce en el deslizamiento entre dos láminas de polímero en movimiento relativo, es un índice del grado de orientación de las fibras en la zona de la lámina enfriada: a elevada diferencia de orientación entre la zona cercana al borde del flujo y su zona central, corresponde otra tensión resídua que puede llevar a la rotura de la pieza durante su extracción o durante el uso. Por lo tanto, el valor máximo del shear stress sobre las paredes del conducto, proporcionado para cada sección por el Moldflow, ha de resultar naturalmente menor que el valor máximo característico del material, cuyas propiedades se encuentran en la base de datos del programa. El volumetric strinkage (reducción volumétrica), índice de la calidad del producto, se podrá controlar con un apropiado perfil de presión constante en las fases de compactación y de mantenimiento ANÀLISIS EXPERIMENTAL Consideraciones generales

Una vez establecidos los valores de algunas medidas geométricas especificas del sistema de inyección y predispuestos los valores límites de los parámetros de proceso, con el fin de alcanzar la mejor definición para el sistema de inyección, se han tratado, mediante simulaciones con el Moldflow 2,0, todos los modelos de placa con longitud de flujo variable entre 100 y 600 mm, inyectando virtualmente 4 tipos de polímero tomados en examen. Los resultados de las pruebas se han organizado en una gran base de datos.

Las placas previstas por el programa de experimentación, realizadas en ambiente CAD, se han implementado en el software Moldflow 2.0. Se ha procedido a continuación con el “enmascarado” de las placas, es decir a poner en discreto las piezas en elementos acabados, haciendo más estrecha la “malla” en la zona que rodea la compuerta, que es muy crítica en la fase de enfriamiento. En el mundo industrial sucede prácticamente de hecho que alrededor del punto en el que el material entra en la pieza se forme una leve flexión de la superficie superior, lo que con frecuencia determina que el producto no sea aceptable. Habiendo definido el sistema de inyección, se modela en el ambiente Moldflow con elementos puntuales visibles con líneas de enlace entre nodos específicos a los que se asignan las propiedades y las dimensiones requeridas, cada elemento por lo tanto puede representar el bebedero (cold sprue), el canal (cold runner), el submarino o la compuerta (Fig. 4). El programa requiere entonces contextualmente las dimensiones características de los canales dichos, dimensiones que consienten producir la malla representativa del sistema de inyección.

Figura 4 Su conexión con la placa se podrá realizar asignando al nudo terminal de la compuerta a la misma placa y

creando así una malla cuyas extremidades resulte que pertenezcan correspondientemente a la compuerta y a la placa (en Fig. 5 se presenta el sistema de alimentación que se ha hacho y la ventana de elección del canal)

Asignado el tipo de análisis que se ha de hacer (en nuestro caso el relleno y el mantenimiento – Filling + Packing -), el tipo de polímero que se ha de usar, la temperatura del flujo y la del molde, las caracteristicas de la prensa (de forma particular su máxima presión) y el perfil de la presión de mantenimiento, se puede proceder, mediante el programa Moldflow, a lanzar un número adecuado de pruebas de simulación: la avaluación de los resultados de post processor y los eventuales cambios que se han de aplicar a las dimensiones del sistema de alimentación consentirán obtener las dimensiones mínimas de los canales que puedan garantizar un llenado aceptable.

Figura 5

Parámetros comunes a todas las experimentaciones

Para cada prueba de simulación, actuando en la ventana process setting, se asignan los siguientes datos: 1. Filling control – automatic: el programma regula el tempo de inyección automáticamente; 2. Velocity / pressare switch-over – by % volume filled: 98%.: el programa simula el paso de la prensa a la

condición de control de la velocidad a la condición de control de la presión en el momento en que el relleno haya llegado al 98% [5];

3. Pack / holding control - % filling pressure vs time: se asigna el perfil de presión constante, normalmente a un 80% de la punta máxima que se alcanza durante la inyección por el tiempo necesario para que toda la pieza alcance la ejection temperature, es decir la temperatura de expulsión, que es variable de polímero a polímero [6];

4. Cooling time – automatic: el programa asigna de forma autónoma el tiempo de enfriamiento por no ser necesario, en el experimento, los mejores tiempos de ciclo.

Pruebas de simulación

Se analiza a continuación, como ejemplo, el proceso de ajuste dimensional óptimo del sistema de inyección submarina con expulsor para la producción de una placa de dimensiones 200x100 mm con un polímero de viscosidad media.

Figura 6

Figura 7

Habiendo hecho la placa, y la malla de la misma, dados al programa los parámetros del proceso y las características del material empleado, se ha pasado a la selección de las dimensiones de los diferentes canales del sistema de inyección con las que se empieza, para continuar, mediante la evaluación de los valores de salida de datos de la simulación informatizada, hasta alcanzar los valores óptimos. Sobre la base de la experiencia práctica

industrial, teniendo en cuenta la combinación longitud del flujo – tipo de polímero, se han fijado las siguientes dimensiones del sistema de inyección (Fig. 2): L1 = 80 mm, L3 = 60 mm, Ø1 = 2°, Ø2 = 15°. Las variables que han de llegar a su condición óptima son por lo tanto d1, D, d2 y deq.

Del análisis de los resultados derivados de la simulación se nota en la compuerta un valor máximo de shear stress superior al límite relacionado con el material tomado en consideración (Fig. 6). En estas condiciones, el material sufriría una degradación durante la fase de inyección con consiguiente fragilidad al enfriarse. Por esta razón es necesario repetir la simulación aumentando las dimensiones de la sección allí donde se presente este fenómeno, es decir la compuerta y la sección final del submarino. El material, de hecho, atravesando una sección de dimensiones mayores encontrará menor resistencia y por ello disminuirá el shear stress en la zona. Se repite por lo tanto la simulación con las nuevas medidas obteniendo una segunda definición de dimensiones. Aumentando el diámetro de la compuerta y el de la sección final del submarino, el shear stress disminuye por debajo del valor máximo correspondiente al polímero considerado (Fig. 7). También se nota del análisis del shear stress en los nudos críticos que no se ha llegado a alcanzar nunca el valor máximo admisible de 0,5 Mpa (Fig. 8). Pasamos entonces a analizar los demás parámetros del proceso para verificar que sean correctos.

Figura 8

Figura 9

Temperatura en el frente del flujo: durante el relleno, el polímero sufre un calentamiento máximo de 1,4 °C en la parte final de la pieza, alcanzando la temperatura de 271,4 °C (Fig. 5), por lo que queda satisfecha la condición de mantener el flujo líquido entre los valores de 250 °C y 290 °C (Fig.9).

Analizando las imágenes correspondientes a la frozen layer fraction (Fig. 10a, b, c, d) se constata cómo sea gradual el enfriamiento partiendo del lado más lejano a la inyección hasta llegar cerca de la compuerta, mientras de la gráfica del encogimiento volumétrico (Fig. 11) se nota que el mismo sea muy uniforme sin grandes diferencias entre las diferentes partes de la pieza.

a) b)

c) d)

Figura 10

Figura 11 Los resultados numéricos, satisfactorios para las finalidades prácticas, se encuentran en la Tab. 1. También

resulta ampliamente dentro de los límites el valor máximo de share rate (Fig. 12). La inyección se puede

considerar en su definición óptima por haber alcanzado los respectivos límites previstos todos los parámetros puestos en evidencia en la prueba experimental precedente.

Tabla 1

Figura 12

CONCLUSIONES

La investigación, que ha puesto bajo examen una amplia cantidad de parejas material/dimensiones placa, ha permitido construir una base de datos de dimensiones óptimas del sistema de inyección submarina en relación con los parámetros de producción. Las ventajas de esta base de datos pueden constituir una ayuda válida para los proyectistas, pues podrán estar en condiciones de hacer sistemas de alimentación del tipo estudiado respecto de las diferentes combinaciones material/longitud de la pieza, con consiguiente anulación de los tiempos y los costes de las diferentes tentativas que en la actualidad se necesitan para determinar un sistema de inyección eficiente. REFERENCIAS 1. Domininick V. Rosato, Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato: “Injection Molding Handbook”, 3rd Edition,

Springrt-Verlag, Berlin,Germany, 2001; 2. Menges G, Michaeli W, Mohren P: “How to Make Injection Molds”, 3rd Edition, Carl Hanser Verlag

Munchen Wien, 2001; 3. Maniscalco Michelle: “CAE for plastic getting up to speed”, Injection Molding Magazine, Cleveland, USA,

2002; 4. Wang Kuo. K: “Computer Aided Injection Molding System”, Cornell University, Ithaca, NY (USA), 1999; 5. Malloy R.A., Chen S.J., Orroth S.A.: “A Study of Injection to Holding Pressure Swich-Over Techniques

Based on Time, Position or pressure”, Society of Plastic Engineers, Annual Technical Conference, 1987; 6. Gao F., Patterson W.I., Karmal Musa. R.: “Cavity Pressure Dinamics and self-tuning control for filling and

packing phases of thermoplastics Injection Molding”, Polymer Engineering Science, 36: (9) 1272-1285, 1996;