Coloquio IKV 2014: novedades en inyección

En el pasado mes de marzo se llevó a cabo una de las citas más importantes de la industria científica en Europa: el Coloquio del Instituto de Procesamiento de Plásticos IKV, con sede en la ciudad de Aachen, Alemania. Este renombrado instituto, que ha generado algunas de las tecnologías más innovadoras de la industria, como la inyección asistida por agua, se da cita con las empresas del sector cada dos años, con el objetivo de presentar sus innovaciones y de generar un foro de discusión acerca de diversos temas. Este año la conferencia contó con más de 800 asistentes de 300 empresas, provenientes de 19 naciones.

Como en ediciones pasadas, en esta se presentaron innovaciones en el sector de inyección, extrusión y soplado, haciendo un énfasis especial en la tecnología de refuerzo con fibras, un sector en el que el instituto ha sido líder de desarrollo en los últimos años.

El mensaje principal del evento fue “menos es más”: la búsqueda de una mejora tecnológica con una utilización cada vez más inteligente de los recursos. En Alemania, los esfuerzos de desarrollo se adelantan para guiar a la industria a lo que han llamado la Industria 4.0, la “nueva revolución industrial”, en las que las máquinas asumen cada vez más tareas de “inteligencia” y toman decisiones de manera analítica para responder frente a posibles problemas o demandas productivas. En este sentido, las máquinas integrarán cada vez más procesos productivos y contaran con sistemas de control cada vez más evolucionados.

Tubería inyectada hueca, ahora también flexible

Una de las grandes novedades presentadas fue la tecnología de inyección asistida por fluidos para la producción de tuberías en la industria automotriz, donde el material base comprendía una sección flexible y una sección rígida. Este desarrollo sigue la tendencia de reemplazar tuberías metálicas en los automóviles por materiales termoplásticos. La empresa Röchling Automotive SE & Co. KG, uno de los grandes proveedores alemanes, se ha dado a la tarea de optimizar procesos de producción, a la vez que mejora tiempos de ciclo, funcionalidad y costos.

Los canales para los sistemas de refrigeración conducen fluidos desde el motor hacia el sistema de refrigeración. El motor se encuentra vibrando durante la operación. Adicionalmente, se necesita ajustar las tuberías a contornos intrincados en el campo del motor. Es por esto que resulta interesante desarrollar tuberías flexibles. En este momento, esta flexibilidad se logra a través de tubos de caucho, que requieren vulcanización y son costosos, además de que deben ser fijados con abrazaderas metálicas, que no garantizan un selle perfecto.

En Röchling se ha desarrollado una tuberia que combina una sección flexible con una sección rígida, y con la cual se pueden absorber vibraciones. En este desarrollo se cuenta con un material que tiene mayor flexibilidad, y que con un diseño especial, como por ejemplo un perfil acanalado, puede favorecer aún más la flexibilidad del diseño. En este momento se está empleando para la aplicación una poliamida PA 6.10.

Inyección asistida con fluidos: ni gas ni agua, sino los dos

La inyección asistida por fluido tradicionalmente ha utilizado agua o gas para generar un hueco en la mitad de un artículo inyectado. Cada uno de estos fluidos tiene unas ventajas y unas desventajas. En el caso del gas, en la superficie interna (en contacto con el fluido) la temperatura es muy alta, debido a la baja conductividad térmica y a la baja capacidad calorífica del gas, comparado con el agua. Esto incrementa el tiempo de ciclo y limita el espesor del hueco alcanzable dentro de la pieza. Si la pieza es muy gruesa, el gas no logra enfriarla para llevarla por debajo de la temperatura de solidificación y el plástico se “escurre” en el sentido de la gravedad.

Por otro lado, si se utiliza agua, se logra un buen enfriamiento de la pared en contacto con el agua. Sin embargo, entre las dos paredes solidificadas se genera una capa de material fluido, donde se pueden generar agujeros o canales dobles. El agua puede penetrar estas zonas en estado líquido  y, al caer la presión de inyección, se transforma en vapor, dejando poros. Bajo este panorama, el uso de polímeros para la inyección asistida con agua o con gas se restringe: se requiere del empleo de materiales con ciertas características de resistencia de fundido y cristalización, que en algunos casos requiren modificaciones costosas de la resina base.

Los investigadores han planteado una idea: no modificar el polímero base para evitar defectos, sino cambiar el material que se usa para generar el canal hueco de la pieza, de forma tal que se logre obtener las condiciones que se requieren para cada material. Particularmente se plantea la posibilidad de utilizar neblina como medio de inyección, ya que combina las propiedades del gas y del agua. Variando la relación entre gotas de agua líquida y vapor a través de parámetros de proceso como la presión y la temperatura, es posible ajustar las propiedades térmicas del fluido para ajustarse a los requerimientos y a las propiedades de la pieza moldeada.

Inyección en varias capas con enfriamiento externo de preforma

La inyección de piezas gruesas es una tendencia en aumento. Particularmente para la industria óptica, de empaques de lujo y para la industria automotriz, se requiere inyectar piezas translúcidas que tienen varios centímetros de espesor. Debido a que el tiempo de enfriamiento es proporcional al cuadrado del espesor de la pieza, con la tecnología de moldeo por inyección convencional (con un sólo disparo) se requieren aproximadamente 20 min de enfriamiento para una pieza de 30 mm.

Una de las posibilidades que existen para reducir el tiempo de enfriamiento es inyectar varias capas una encima de la otra. Debido a que cada capa se enfría más rápido de manera individual que todas las capas al mismo tiempo, es posible ahorrar de manera importante en el tiempo de ciclo. Entre más capas, más se ahorra: por ejemplo, al inyectar en dos capas se ahorra el 12% en tiempo de ciclo, al inyectar en tres capas se ahorra el 33% y al inyectar en 5 capas se puede ahorrar hasta el 80%.

Una alternativa es inyectar una preforma inicial y sobreinyectar capas, bien sea todas a un mismo lado, o formando una estructura tipo sándwich, donde la preforma queda en el centro y las capas se van inyectando al exterior.

La idea de inyectar en varias capas no es nueva. Lo que es novedoso es inyectar una performa inicial y expulsarla con el núcleo aún en estado fundido, con paredes que apenas tienen la resistencia necesaria para conservar la geometría de la preforma. Posteriormente, esta preforma se ubica al exterior del molde, se deja enfriar, y una vez está dimensionalmente estable, se sobre inyecta. Esta variante, que se ha denominado “inyección sandwich con enfriamiento intermedio”, se pueden lograr ahorros sustanciales de tiempo de ciclo. En una preforma de 20 mm de ancho se hicieron las primeras pruebas: al inyectar en una sola capa se requerían tiempos de enfriamiento de aprox. 600 segundos. Con la tecnología de inyección sandwich, en tres capas, se lograron tiempos de ciclo de 300 s, y con la opción de dejar que la preforma del sándwich se enfriara externamente, se lograron tiempos de ciclo de 164 s.

Optimización de circuitos de refrigeración

En los moldes de inyección, hoy en día existe una innovadora tecnología que permite reducir tiempos de ciclo y mejorar la calidad de las piezas. Se trata de la tecnología de enfriamiento de contorno, con la cual se obtienen canales que se ajustan a los perfiles de las piezas (en lugar de canales de enfriamiento cilíndricos tradicionales), y con los cuales puede lograrse un enfriamiento localizado muy efectivo, y una temperatura de molde homogénea durante todo el ciclo de inyección.

En el IKV se trabaja en este momento en el desarrollo de un algoritmo que permita calcular cuál es esa geometría óptima de canales, y su ubicación alrededor de la pieza. En este algoritmo se tienen en cuenta varias variables que interactúan y se afectan mutuamente: distancia del canal a la pieza, flujo de refrigerante, distancia entre sí de los canales de enfriamiento, y diámetro. En este caso, se parte de una geometría inicial, y a través de un proceso iterativo se llega a la geometría ideal de canal.

Insertos aplicados en “spray” en el molde

La tecnología de sobremoldeo de insertos goza de amplia popularidad en la industria. Sin embargo, debido a las altas presiones que se tienen en el moldeo por inyección, generalmente el inserto se deforma o puede dañarse la geometría requerida. Para el caso de geometrías intrincadas, y ante todo para el caso en que se quiere añadir una capa metálica a un sustrato polimérico (por ejemplo para aplicaciones electrónicas), en el IKV se ha desarrollado un método con el cual pueden aplicarse sustratos metálicos atomizados (en spray) al molde. En este caso, se tiene la ventaja de que el sustrato tiene directamente la geometría del molde – y no se comprime por el plástico para alcanzar la geometría de este, como en otras aplicaciones, donde el plástico “embute” una lámina preformada, por ejemplo. Otra ventaja que se plantea es la adherencia que se puede lograr, y ante todo, la ventaja de que no se requiere un metalizado posterior fuera del molde, ahorrando un proceso en la producción.

Este proceso es nuevo, fue desarrollado en el 2012 en el IKV y actualmente se encuentra en la fase experimental inicial; se están probando diferentes condiciones de molde, particularmente diferentes acabados superficiales, para definir con cuál de los acabados se logra una mejor adherencia de metal en spray a la cavidad. Los resultados iniciales apuntan a que un acabado de molde altamente pulido mejora la transferencia, y que esta transferencia aumenta a medida que el flujo de fundido se aleja del punto de inyección. En este momento, se han logrado transferencias del 70% del material depositado.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código Tp2904-inyección.