Coloquio del IKV muestra hacia dónde va el desarrollo en la industria plástica

Coloquio del IKV muestra hacia dónde va el desarrollo en la industria plástica

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Reclutamiento, networking e innovación fueron los temas claves que abordó el reconocido Instituto de Procesamiento de Polí­meros (IKV) de la Universidad RWTH de Aachen, Alemania, en su acostumbrado coloquio bienal. El esperado evento en su edición 29 presentó resultados de investigación a toda la audiencia cientí­fica e industrial del mundo. Contó con presentaciones de 36 especialistas del IKV junto a 18 conferencias de expertos de la industria, que proporcionaron un resumen de las innovaciones actuales, nuevos procesos de producción, métodos de desarrollo de producto y estrategias corporativas para la industria del plástico. El presente artí­culo presentará cuatro avances en tecnologí­a que definen a la industria 4.0 como el camino hacia el éxito y la competitividad del procesamiento de plástico a nivel mundial.

Modelo inteligente facilita configuración del proceso en moldeo por inyección

El aprendizaje de máquinas o ‘machine learning,’ representa una buena posibilidad para facilitar y automatizar la configuración del proceso en una inyectora. Con la generación de un modelo inteligente dentro del lema del IKV “Kunststoffindustrie 4.0” (industria del plástico 4.0) se presentó un nuevo enfoque que demuestra cómo la simulación y los datos experimentales pueden combinarse para facilitar el proceso completo.

Desde hace unos años la optimización del proceso por inyección viene siendo tema de investigación en el IKV, y la pregunta que guí­a el trabajo es: ¿Cómo un sistema productivo podrí­a optimizarse de forma autónoma, en términos de caracterí­sticas de calidad predefinidas por los componentes que se van a fabricar? El machine learning brinda una solución articulando datos complejos con la configuración de proceso; sin embargo, los algoritmos empleados deben entrenarse con el soporte de experimentos complejos al pie de máquina.

Aunque los algoritmos son cada vez más y más poderosos, el machine learning aún no tiene el éxito que se espera. Por esto, una solución para reducir el entrenamiento práctico requerido es usar simulaciones numéricas que sean factibles automáticamente hablando, un ejercicio que se emplea para entender las complejidades entre los parámetros del proceso y los datos de calidad de salida de la máquina sin necesidad de invertir tiempo y altos costos en pruebas reales.

El nuevo enfoque del IKV es articular la simulación con datos reales de producción adecuados al modelo de ‘machine learning’ para encontrar la configuración óptima del proceso. A través de la combinación de datos, se quiere minimizar las pruebas en máquina y hacer posible el empleo del método de forma económica. Al mismo tiempo, proporciona un conocimiento tanto de las correlaciones y de los parámetros para obtener una calidad superior, como de la eficiencia en todo el proceso. Un set-up sistemático del proceso e independiente de la intuición y la experiencia es lo que requieren los operarios de las plantas de inyección alrededor del mundo.

Celdas de manufactura aditiva desarrolladas en el IKV

El grupo de manufactura aditiva del IKV este año presentó una combinación automática de varios procesos de fabricación. Este sistema ofrece una productividad superior gracias a la minimización en la intervención manual y la aplicación de tecnologí­a y materiales de alto valor. Dentro de esta celda de manufactura se produjeron de manera eficiente piezas multi-componente de alta tecnologí­a. En su demostración en vivo se observó la producción de una pieza estructural reforzada con fibra, así­ como una pista conductora impresa 3D sobre un termoplástico altamente cargado.

En la actualidad se utilizan varios métodos de fabricación de piezas multi-componente con alto grado tecnológico; sin embargo, para la fabricación total del componente se requieren de etapas separadas. Está claro que la manufactura aditiva tiene ventajas de libertad de diseño geométrico e individualización, pero resulta deficiente en aspectos como calidad superficial, precisión dimensional, espectro de materiales procesables y baja productividad. Para afrontar las desventajas de este proceso, el IKV ha abierto una lí­nea de trabajo con proyectos de investigación y desarrollo que permitan al final aplicar un método de fabricación estándar, orientado a la producción eficiente a través de la manufactura aditiva.

El desarrollo del IKV consiste en una celda de manufactura que permita la combinación automática de varios métodos de fabricación realizados de manera secuencial. El método consiste en hacer la combinación del proceso de manufactura aditiva con procesos de fabricación sustractiva y la integración automática de insertos (roscados o componentes electrónicos). Adicionalmente, se pueden adaptar procesos de manufactura adicionales a través del portaherramientas estándar. Gracias a la tarea exhaustiva de investigación y desarrollo, fue posible incrementar la descarga de material a través del proceso de Modelado por Deposición de Fundido (MDM) y así­ se mejoró en un factor de siete la productividad en comparación con métodos convencionales, como el Modelado de Capas por Fusión (FLM).

El alto grado de automatización y en efecto, la minimización de intervenciones manuales aseguraron un nivel superior de productividad. Finalmente, el uso dirigido de materiales altamente especializados incrementa la productividad del material. Con estos indicadores de eficiencia, la nueva celda de manufactura reúne los requisitos necesarios para una aplicación industrial y la hace muy atractiva para inversión.

iComposite 4.0: Producción autoregulada de piezas reforzadas con fibra

La cifra que más dejo sorprendidos a los asistentes fue 50% en reducción de costos en la fabricación de compuestos. La clave del éxito para este proyecto de producción de piezas reforzadas con fibra fue romper el paradigma de controlar tolerancias en producción y focalizarse en la auto-regulación articulada con la producción y la obtención de productos terminados libres de generación de residuos y averí­as.

Las industrias más beneficiadas con el proyecto de cooperación entre el IKV y el AZL (Centro para la Construcción Ligera Integrada) son evidentemente la automotriz y la aeroespacial. La situación actual para este tipo de industria está en que procesos costosos y complejos dominan la manufactura del componente, aunque tengan nivel bajo de automatización, una mezcla deficiente de los materiales, altas tasas de residuos y gastos monetarios elevados. Esto es una oportunidad para el desarrollo de la industria 4.0 con la digitalización de la producción y el trabajo en red de las máquinas para cumplir objetivos de fabricación auto-regulada en piezas reforzadas con fibra a bajo costo.

La base para este sistema de producción eficiente en recursos fue bautizado por el IKV como proceso de pulverización 3D de fibra, donde los retazos de fibra se cortan automáticamente a un flujo másico alto y se pueden obtener la longitud y orientación deseada al paso posterior de una herramienta compleja de depósito. Es por esto que el proceso ofrece la posibilidad de producir una preforma con producción superior, sin cortes de alto costo ni productos de fibra semi-terminados con operaciones de vaciado, que ocasionen variaciones en las propiedades mecánicas.

Para que el iComposite 4.0 pueda emplearse para producción a gran escala sin tener en cuenta estas fluctuaciones, integra un monitoreo en lí­nea de las variaciones de la orientación y distribución de fibra en cada preforma, para luego hacer una compensación focalizada donde haga falta. La calidad del producto semi-terminado de entrada no es importante, ya que el iComposite 4.0 da garantí­a en calidad y propiedades mecánicas constantes en el componente.

Integración permite eficiencia e innovación

Detrás de la tendencia ‘Tecnologí­a de Plásticos Integradores’ se encuentra una combinación de conceptos como ciencia de materiales, ingenierí­a de proceso, funcionalidades y métodos de simulación. El objetivo es realizar procesos más eficientes y encontrar nuevos productos. El camino para cumplir este objetivo ha sido un trabajo arduo a través de los años por parte del IKV y la universidad RWTH. Este año, en el ‘IKV Colloquium’, el instituto mostró sus avances usando un perfil de extrusión.

El diseño de cabezales para extrusión de perfiles requiere de varias iteraciones en simulación y en experimentos. Las razones para esto residen en la alta complejidad del comportamiento reológico del polí­mero al entrar al cabezal, además de la hinchazón que experimenta el plástico al salir de la boquilla, y que se atribuye a su naturaleza viscoelástica. Debido a esto, es difí­cil determinar la geometrí­a ideal del dado de extrusión solamente a partir de la geometrí­a del diseño de un perfil.

El IKV trabaja en un sistema de simulación completamente automatizado, que conecta los espacios computacionales dentro y fuera de la herramienta y es fundamentado con las etapas de optimización “Determinar la Calidad” y “Cambiar de Geometrí­a”. Así­ sin intervención humana, se puede determinar una geometrí­a de herramienta ideal para moldear con libertar un perfil particular.

Un segundo ejemplo de integración es la mezcla entre material y propiedades de producto: es posible alcanzar nuevas funcionalidades para el perfil a través de los compuestos desarrollados en el IKV, que brindan aislamiento térmico real y conductividad eléctrica a los plásticos. Una vista holí­stica asegura que el compuesto tenga buenas condiciones de procesamiento y propiedades de aplicación aceptables.

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