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Ingeniera Investigacin y Tecnologa, volumen XIII (nmero 4), octubre-diciembre 2012: 403-410

ISSN 1405-7743 FI-UNAM

(artculo arbitrado)

Mejora de la etapa de llenado en moldes de inyeccin de plstico usando vibracin

Improvement Performance of the Filling Step in Injection Mold through Vibration

Informacin del artculo: recibido: marzo de 2009, aceptado: octubre de 2011

Bentez-Rangel J.P.Facultad de Ingeniera

Universidad Autnoma de Quertaro, San Juan del RoCorreo: [email protected]

Morales-Hernndez L.A.Facultad de Ingeniera


Trejo-Hernndez M.Facultad de Ingeniera


ResumenEl presente trabajo muestra la mejora de fl ujo que tiene la etapa de llenado del proceso de inyeccin de plsticos, debida a la excitacin del polmero a travs de vibracin. Dicho proceso, puede resumirse en tres etapas principales que son: el llenado, el empaquetado y el enfriamiento. El proceso de llenado es el paso en el que se pueden cambiar una gran cantidad de propiedades, tanto mecnicas como estticas del producto terminado. El objetivo de esta investigacin es mos-trar que el llenado del molde mejora adicionando vibracin, sin tener que agre-gar aditivos qumicos. Para ello, se llev a cabo el diseo y fabricacin de un molde experimental, en el cual se acondicion un mecanismo de vibracin que permiti demostrar las ventajas de la vibracin en dicho proceso. Adems, se propuso una metodologa heurstica para la elaboracin de las pruebas que re-vel una mejora en el llenado con frecuencias cercanas a los 3 Hz.

Descriptores:

inyeccin de plstico reologa, vibraciones manufactura de moldes llenado de molde polmeros

Keywords:

vibration mold, injection process, rehology, polymers plastic mold mold filling

AbstractThis paper shows the fl ow improvement in the fi lling step of the polymer injection process due to the polymer excitation though vibration. This process can be split up into three main steps: fi lling, pocking and cooling. Several mechanical and aesthetic properties of the fi nished product can be changed in the fi lling step. The objective of this investigation is to demonstrate the improvement in the fi lling mold under vibra-tion without adding chemical products. To reach this result, an experimental mold was designed and manufactured in which a vibration device was coupled; it was possible to demonstrate the vibration advantage through this process. Moreover, a heuristic methodology was proposed for the experiment which shows an improvement in the fi lling process with frequencies close to 3 Hz.


Ingeniera Investigacin y Tecnologa, volumen XIII (nmero 4), octubre-diciembre 2012: 403-410 ISSN 1405-7743 FI-UNAM404

Introduccin

Actualmente existen un sin fi n de productos qumicos que permiten mejorar el proceso de moldeo por inyec-cin; sin embargo, muchos de ellos son productos con-sumibles, lo que implica un gasto constante, por otro lado, estos aditivos funcionales y de proceso como de-presores de viscosidad, deslizantes lubricantes, plastifi -cantes, entre otros, modifi can el peso molecular y con ello cambian las propiedades mecnicas propias del polmero. Por tal motivo es deseable contar con un m-todo no-qumico que modifi que la viscosidad del pol-mero, por lo menos en el tiempo en que tarda en ser moldeado, sin tener que sacrifi car las propiedades del polmero.

Con el objeto de mostrar las mejoras del proceso, es necesario desarrollar un aparato para modifi car la vis-cosidad a travs de vibracin. Es importante aclarar, que este desarrollo es novedoso con respecto a otros aparatos existentes como el desarrollado por J.P. Ibar, bajo la patente americana 5885495 en 1999, o el de Liu en 2006, entre otros, que explotan el mismo principio de vibracin. Sin embargo, la relevancia tecnolgica radica en que el desarrollo que aqu se muestra es un accesorio del molde y no el desarrollo o modifi cacin del sistema de inyeccin de una mquina.

Haciendo un anlisis de los resultados alcanzados con el uso de vibracin en los procesos de manufactura, como extrusin y fundicin, es posible inferir que su aplicacin en la inyeccin de plsticos puede mostrar buenos resultados. Ms an, los avances tecnolgicos permiten la modelacin previa de los procesos con una insignifi cante prdida de tiempo.

Por ejemplo, Liu (2006) analiza el comportamiento del polietileno en un proceso de extrusin adicionan-do vibracin senoidal. Por otro lado, Xiaochun y Jin-ping (2006) encuentran mejoras relacionadas con la vibracin asistida en el proceso de inyeccin de polvos de metal (MIM, metal powder injection). En el campo de la fundicin, Abu et al. (2005) muestran que la vibra-cin del molde en el momento de la colada mejora la morfologa de la aleacin AlSi. El proceso de inyeccin consta de tres pasos principales: llenado, empaqueta-miento y enfriamiento (Bentez, 2007). El llenado es el paso en que se puede tener una mayor infl uencia so-bre las propiedades de las piezas moldeadas, como estabilidad dimensional, brillo superfi cial y resisten-cia mecnica, entre otras. Wang et al. (2006) estudiaron la relacin entre el efecto de la vibracin en el proceso de inyeccin de polipropileno con sus propiedades mecnicas, por mencionar algunas de las investigacio-nes ms recientes.

Aunque en los ltimos aos se ha invertido un con-siderable esfuerzo para desarrollar sistemas que inte-gren vibracin, gran parte de ellos son poco prcticos, por ejemplo, tanto las investigaciones de Xiaochun y Jinping (2006) como las de Liu (2005) tienen la desven-taja de que el aditamento desarrollado requiere mon-tarlo sobre la inyectora, no sobre el molde, lo cual no es fcil de implementar en la industria, es decir, los costos industriales de modifi car una inyectora son mucho ma-yores que los de modifi car un molde. Por lo que el apa-rato desarrollado como parte de la metodologa facilita la aplicacin industrial.

En resumen, en este trabajo se propone un mtodo innovador para mejorar el ciclo de llenado del proceso de inyeccin, exponiendo al polmero fundido mientras se llena la cavidad a oscilaciones senoidales de determi-nada frecuencia y a una temperatura constante, con el fi n de mejorar la etapa del llenado del molde.

Un vstago colocado en el bebedero del molde ex-cita al polmero fundido y un vibrador (shaker) ubica-do fuera del molde y la mquina de inyeccin excita al vstago.

La innovacin del sistema vibrador sobre las otras tcnicas consiste en que no es estrictamente necesario modifi car la inyectora, en otras palabras, es un acceso-rio que se instala en el molde (fi gura 4), lo que permitir una ms rpida integracin de esta tecnologa al campo de trabajo.

Estado del arte

Existen muchas variables que se pueden cambiar para modifi car la viscosidad de un polmero fundido, entre las cuales destacan:

Efecto de la temperatura en la viscosidad del plsti-co fundido

Un factor que puede ayudar para la disminucin de la viscosidad en los fl uidos es el aumento de temperatura, ya que provoca un movimiento (mayor separacin) de las cadenas polimricas, disminuyendo la intensidad de las fuerzas de cohesin, generando as la disminu-cin de la viscosidad.

La manera de comprobarlo es observar algunas de las frmulas que permiten ver la relacin existente en-tre la viscosidad de un lquido y su temperatura. Las ms importantes son:

a) Ecuacin de Arrhenius: la ecuacin (1) es una expre-sin matemtica que nos ayuda a comprobar la de-pendencia de la constante de la viscosidad dinmica

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Bentez-Rangel J.P., Morales-Hernndez L.A. y Trejo-Hernndez M.

Ingeniera Investigacin y Tecnologa, volumen XIII (nmero 4), octubre-diciembre 2012: 403-410. ISSN 1405-7743 FI-UNAM

con la temperatura y las constantes dependientes del lquido.

(1)

donde es la viscosidad dinmica,A y B son constantes dependientes del lquido y T es la temperatura absoluta del polmero.

b) La ecuacin de Poiseuille:

(2)

donde 0 es la viscosidad dinmica a 0C, T la temperatura del polmero y y coefi cientes constantes.

Como se ve en las ecuaciones (1) y (2), la viscosidad dis-minuye con el aumento de temperatura. Esto se debe al hecho de que, al aumentar la temperatura, la energa ci-ntica supera a las fuerzas viscosas, dando lugar a una disminucin de la viscosidad.

Por este hecho se deben extremar las precauciones a la hora de medir la viscosidad, teniendo en cuenta que la temperatura del polmero debe permanecer prctica-mente constante.

Efecto de la velocidad de flujo en la viscosidad del plstico fundido

La viscosidad no constante, que depende de la veloci-dad de cizalla, es precisamente lo que da a los polme-ros el carcter no-Newtoniano, si la viscosidad per-maneciera constante a pesar del cambio de velocidad, el comportamiento seria Newtoniano.

= / D (3)

despejando de la ecuacin (3), se tiene:

= * D (4)

donde es el esfuerzo cortante, D la velocidad de corte y la viscosidad.

Se observa en la ecuacin (4) que la velocidad est di-rectamente relacionada con la viscosidad, es decir, a

mayor velocidad de fl ujo (por lo tanto, velocidad de corte) menor viscosidad.

A velocidades de fl ujo muy bajas (fi gura 1a) la ma-yora de las molculas estn enmaraadas o, dicho de otra forma, existe un alto grado de friccin entre ellas. A medida que la velocidad de fl ujo aumenta (fi gura 1b), las molculas empiezan a desenmaraarse y a orientar-se. Las molculas orientadas estn menos enmaraa-das, de manera que la friccin entre ellas se reduce y ahora fl uyen con ms facilidad. Debido a que existe me-nos friccin entre ellas, la viscosidad del plstico dismi-nuye, es decir, la viscosidad del plstico disminuye al aumentar la velocidad de fl ujo (Yaez y Snchez, 2001).

a) b)

Figura 1. Efecto de la velocidad en el ordenamiento de las partculas

Efecto de la vibracin en la viscosidad del plstico fundido

La reologa juega un papel importante en el tratamiento de los polmeros. El comportamiento de un polmero fundido puede cambiar enormemente por la aplicacin externa de fuerzas durante su inyeccin

Se acepta ampliamente, y se puede percibir en los casos anteriores, que la disminucin de la viscosidad favorece la correcta orientacin o desenmaraamiento de las cadenas polimricas (Zheng et al., 2002)

La aplicacin de vibracin reduce las fuerzas de unin de las partculas y facilita la alineacin de las ca-denas polimricas, con lo que se puede controlar el comportamiento del polmero y obtener productos con una mayor calidad. Cuando la direccin de fl ujo del po-lmero fundido es paralela con la vibracin, el efecto es mucho ms fuerte en comparacin con la posicin orto-gonal; sin embargo no es limitante y facilita el diseo del mecanismo.

En 2005, Liu investig la relacin entre la viscosidad y la variacin de frecuencia (ecuacin 5), pero slo se prob para extrusin.

(5)

TB

eA*=

20

1 TT

++=

2222222

22

3

sin2cos3

++

+

=

qp

a

QbppQpbapaqppa

paQR



donde las principales variables son: a viscosidad aparente, P presin, Q tasa de capilaridad y frecuencia.

Bajo la infl uencia de vibracin, el nmero total de pun-tos de unin entre las cadenas polimricas disminuye, entonces, la viscosidad del polmero baja. Sin embargo, debe tenerse cuidado en la seleccin de la frecuencia, ya que si la vibracin es excesiva, puede favorecer a un enredamiento de partculas que resulta en un leve in-cremento de viscosidad, contrario a lo que se desea y se pierde el efecto esperado (Zheng et al., 2002).

Metodologa

En esta seccin se muestra tanto el diseo del experi-mento como la manufactura de equipos auxiliares para su desarrollo como el molde y el excitador.

Diseo de molde

En este trabajo es necesario mostrar el cambio de visco-sidad, por lo que el molde en s constituye un viscos-metro no convencional, segn la propuesta de Clavera et al. (2005), a travs del cual se demostrar experimen-talmente dicho cambio.

Por tal motivo, el diseo que se us es un molde con forma de espiral. Dicho molde puede responder a dife-rentes matrices o patrones, en este caso se seleccion una espiral de Arqumedes (ecuacin 6); lo anterior se debi a que sta tiene una gran cantidad de caractersti-cas como la distancia entre espiras que es constante, la existencia de un mtodo, tanto analtico como prctico para medir su longitud y, de la misma manera, la forma de su trazo responde a una ecuacin matemtica o a una representacin grfi ca simple.

En coordenadas polares (r, ) la espiral de Arqume-des puede describirse por la ecuacin (6):

R = *a (6)

donde R es el modulo o distancia al origen, a una constante real y el desplazamiento angular.

La fi gura 2 muestra el molde que se utiliz en el experi-mento, dicho molde fue maquinado en acero 1018 (cold rolled), con dimensiones de 254 mm 457 mm. Para ob-tener una mayor precisin, la espiral de Arqumedes

fue programada y maquinada en un centro de mecani-zado CNC.

Figura 2. Molde de inyeccin en espiral

Diseo del excitador

Otra de las herramientas desarrolladas para llevar a cabo las pruebas es el mecanismo de vibracin, el cual excitar el polmero fundido. Dicho mecanismo de exci-tacin se coloca en la boquilla de inyeccin por varias razones, una de ellas es favorecer que el contacto con el fl uido sea lo ms directo posible, por otro lado, a pesar de que el vibrador est colocado de manera perpendi-cular al fl ujo, esta colocacin favorece la sencillez del instrumento (fi gura 3), ya que de lo contrario se tendra que modifi car el can de inyeccin para su montaje como lo sugiere Liu (2005, 2006).

Figura 3. Mecanismo transductor

La oscilacin del mecanismo se genera a travs de una leva ajustable que controla la amplitud y la frecuencia. La leva se excita con un motor CA, que se controla a travs de un variador de frecuencia (fi gura 4).

Preparacin del experimento

Para este experimento se utiliza polietileno (HDPE PEAD 60120 de PEMEX) ya que es un polmero con buenas propiedades fsicas y que no tiene mayores problemas en la inyeccin, como de absorcin de hu-medad, entre otras. Algunas de las propiedades que

407



hacen del polietileno una materia prima muy conve-niente para miles de artculos manufacturados son: poco peso, fl exibilidad, tenacidad, alta resistencia qu-mica y propiedades elctricas sobresalientes (Guerre-ro et al., 2003).

El polmero se inyecta usando una mquina marca Husky de 200 Ton. La temperatura ajustada en la m-quina para el experimento fue de 140C. El ciclo de in-yeccin fue semiautomtico con un tiempo de duracin de 7 s. Debido a la cantidad de ciclos del experimento y al tamao de pieza, no fue necesario utilizar un sistema de enfriamiento para el molde.

La metodologa que se sigui en el experimento fue la siguiente: las variables de temperatura, velocidad y tiempo permanecen constantes, lo nico que cambia de una prueba a otra es la aplicacin de la vibracin en el proceso de llenado. Se lleva a cabo un ciclo de 6 pruebas para cada frecuencia, stas son 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 19 Hz, elegidas de manera heurstica, con una amplitud de 0.15 mm.

En cuanto a los resultados, se medirn slo a travs de comparacin, tanto en longitud como en peso, entre una prueba que no tuvo vibracin y otra donde s la hubo.

Lo que se observa en el experimento es el desplaza-miento del fl uido dentro del molde. La forma de obte-ner los resultados es medir el desplazamiento con un transportador calibrado en grados.

En cada prueba se determina el peso del polmero inyectado con el afn de comprobar que en una mues-tra en que se us vibracin, la cantidad de plstico in-yectado es mayor en comparacin con la de una muestra donde no se us.

Resultados y discusin

A continuacin se muestran los desarrollos hechos para el proyecto como el molde en espiral, mecanismo de acoplamiento y mecanismo excitador, como se muestra en las fi guras 5, 6 y 7, respectivamente.

Figura 5. Molde en espiral usado en las pruebas

(a)

(b)Figura 6. Mecanismo acoplador entre la boquilla de inyeccin y el excitador

Figura 4. Componentes del excitador



Figura 7. Mecanismo excitador de leva ajustable

Se llev a cabo el experimento (fi gura 8) en el que se pudo constatar el efecto positivo de la vibracin al mo-mento de la inyeccin de plstico. La aplicacin desa-rrollada no hizo necesario modifi car toda la mquina, ya que slo bast con agregar un mecanismo sencillo de vibracin en la boquilla de inyeccin del molde para obtener la mejora en el llenado del molde. El proceso fue un mtodo no-qumico que modifi c la viscosidad del polmero, por lo menos durante el tiempo que tom moldearlo, sin tener que sacrifi car las propiedades del polmero. Finalmente se muestra que la frecuencia pti-ma para trabajar con el excitador fue de 3 Hz.

Figura 8. Espirales inyectadas a diferentes frecuencias

La tabla 1 muestra algunos de los resultados de des-plazamientos angulares a diferentes frecuencias, as como la diferencia entre la inyeccin con vibracin y sin ella.

La fi gura 9 muestra en su eje horizontal las frecuen-cias a las que se realizaron los experimentos y en su eje vertical la diferencia, medida en desplazamiento angu-lar, de una inyeccin con vibracin y sin ella. Se mues-tra el evidente incremento de desplazamiento en frecuencias bajas, donde el mayor se obtuvo en 3 Hz. Es posible observar tambin que a frecuencias altas no se observa un incremento notable, lo mismo que a fre-cuencias cercanas a cero.

Figura 9. Diferencial de desplazamiento de las espiras

Otra manera en que se puede observar el cambio en las muestras es midiendo la masa inyectada. Las muestras se pesaron y los resultados se observan en la tabla 2. Para obtener una mejor lectura las medidas se realiza-ron en onzas [Oz]. En esta misma tabla se presenta la incertidumbre estndar para cada grupo de experimen-tos. La fi gura 10 muestra el resultado grfi co de este experimento.

Desplazamiento angular sin vibracin (Rad)

Desplazamiento angular con vibracin (Rad) Frecuencia Hz

Diferencia(Rad)

2.076 2.094 2 0.0182.076 2.757 3 0.6812.076 2.338 4 0.2622.076 2.182 5 0.1062.076 2.199 7 0.1232.076 2.129 9 0.0532.076 2.089 19 0.013

Tabla 1. Diferencial de desplazamientos

2

2.25

2.5

2.75

3

0 5 10 15 20

Dife

renc

ia d

e de

spla

zam

ient

o (R

ad)

Frecuencia (Hz)

Con vibracinCon vibracin

409



Figura 10. Grfica de diferencial msico

Es obvio que al entrar una cantidad mayor de plstico en la cavidad, la pieza debe pesar ms, por lo que la grfi ca de la fi gura 10 confi rma que a la frecuencia de 3 Hz se logra inyectar una mayor cantidad de polmero y por consiguiente existe una relacin de comportamien-to entre el resultado mostrado en las fi guras 9 y 10 a la frecuencia mencionada.

Conclusiones

En este trabajo se desarroll un mtodo novedoso y de fcil aplicacin industrial, no qumico, para modifi car la viscosidad de un polmero dentro del proceso de in-yeccin de plsticos. El mtodo se bas en la adicin de vibracin al polmero durante el proceso de inyeccin.

En la primera parte de la investigacin se hizo un anlisis de las ecuaciones que toman parte en el proceso de mejora de la inyeccin plsticos, poniendo especial nfasis en la etapa de llenado del molde. Se encontr que la viscosidad puede cambiarse por temperatura, velocidad y vibracin, donde sta ltima es la que se demuestra en este trabajo.

La segunda parte contiene la demostracin experi-mental de que excitando el polmero mediante vibra-cin, se modifi ca la viscosidad. Es decir, se realiz la

inyeccin de una pieza muestra, en este caso una espi-ral trazada bajo la ecuacin de Arqumedes, que permi-ti medir el fenmeno viscosidad-vibracin usando un mtodo no convencional.

Los resultados obtenidos demuestran la contribucin positiva de la vibracin al proceso de inyeccin a fre-cuencias cercanas a 3 Hz. Se report la dispersin obteni-da para cada bloque de experimentos a cada frecuencia obteniendo la estimacin de la incertidumbre estndar aceptable entre cada frecuencia (menor que 1%). La apli-cacin demostr ser una buena opcin como mtodo no qumico de modifi cacin de viscosidad.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer al CONACYT por el fi -nanciamiento de sus estudios de posgrado. Y al M.C. Abdiel Garca-Moreno por el apoyo brindado en el de-sarrollo de la etapa de pruebas.

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Peso sin vibracin (Oz)

Peso con vibracin (Oz)

Incertidumbre%

Frecuencia Hz

Diferencia(Oz)

0.18 0.18 0.100 2 00.18 0.1898 0.088 3 0.00980.18 0.1842 0.033 4 0.00420.18 0.1842 0.220 5 0.00420.18 0.1828 0.142 7 0.00280.18 0.1815 0.044 9 0.00150.18 0.1803 0.033 19 0.0003

Tabla 2. Diferencial msico

0.178

0.18

0.182

0.184

0.186

0.188

0.19

0.192

0 5 10 15 20

Dife

renc

ia d

e pe

so (O

z)

Frecuencia (Hz)

Con vibracin

Con vibracin



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Este artculo se cita:

Citacin Chicago

Bentez-Rangel, Juan Primo, Luis Alberto Morales-Hernndez, Mi-guel Trejo-Hernndez. Mejora de la etapa de llenado en moldes de inyeccin de plstico usando vibracin. Ingeniera Investigacin y Tecnologa XIII, 04 (2012): 403-410.

Citacin ISO 690

Bentez-Rangel J.P., Morales-Hernndez L.A., Trejo-Hernndez M. Mejora de la etapa de llenado en moldes de inyeccin de plstico usando vibracin. Ingeniera Investigacin y Tecnologa, volumen XIII (nmero 4), octubre-diciembre 2012: 403-410.

Semblanza de los autores

Juan Primo Bentez-Rangel. Ingeniero electromecnico por la Universidad Autnoma de Quertaro (UAQ), maestro en instrumentacin y control automtico por la UAQ y doctor en ingeniera mecnica por la misma institucin. Actualmente es profesor investigador de la Facultad de Ingeniera de la UAQ. Sus reas de desarrollo son procesos de manufactura, moldes de inyeccin y automatizacin.

Luis Alberto Morales-Hernndez. Profesor-Investigador de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Autnoma de Quertaro (UAQ).Estudi la licenciatura de ingeniero electromecnico, la maestra en ciencias con especialidad en instrumentacin y control y el doctorado en ingeniera en la UAQ. Las reas de inters son visin ar-tifi cial, procesamiento de seales y sistemas de supervisin aplicados a la manufac-tura.

Miguel Trejo-Hernndez. Profesor de la Facultad de Ingeniera en la Universidad Aut-noma de Quertaro (UAQ). Es ingeniero electromecnico, maestro en instrumenta-cin y control automtico y doctor en ingeniera por la UAQ. El control inteligente, las vibraciones mecnicas, el diseo y manufactura avanzada son algunas reas de su inters.

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