Compás de la innovación: tecnologías que marcan la diferencia

Dentro del programa “Compás de la Innovación”, organizado por la feria K, expertos de la industria plástica alemana se reúnen para ofrecer su visión acerca de las tecnologías que marcan la pauta en el desarrollo presente y futuro de la industria. En esta edición especial de feria hemos hecho para nuestros lectores un resumen de las tendencias en cuanto a eficiencia energética, modificación de propiedades superficiales e integración de procesos.

Eficiencia energética
Todos los que están envueltos en la cadena de generación de valor para la producción de productos plásticos de corta y larga vida se encuentran permanentemente en una situación de presión por precio y por ello están obligados a hacer todo tipo de esfuerzos para bajar los costos de sus productos. En esto cuentan en especial los costos de los materiales y de la manufactura. Una parte importante de estos costos de manufactura está determinada por los gastos energéticos.

En su mayoría las empresas productoras usan la costosa energía eléctrica para su conversión en energía mecánica o térmica. Los motores eléctricos gastan en la industria del plástico cerca de un tercio de la energía eléctrica total. Los motores poco eficientes y en parte las configuraciones de funcionamiento en que se mantienen encendidos motores sin necesidad, no sólo generan pérdidas en forma de calor, sino que es necesaria más cantidad de energía para la correspondiente calefacción. Cerca de un tercio de los gastos de energía eléctrica se deben esencialmente a la generación de calor en las calefacciones de resistencias.

Por esta razón es importante ocuparse principalmente de los sistemas de motores de los equipos de transformación de plásticos para encontrar puntos en los que haya potencial de incrementar su eficiencia.

La medida más apropiada para la medición de la eficiencia energética es el consumo energético específico (kWh/kg) para los componentes principales de una máquina, incluyendo los equipos periféricos como secadoras, transportadores, sistemas de transferencia de calor y sistemas de post-procesamiento. Según varios estudios estos equipos gastan hasta un tercio del total de la energía eléctrica consumida. Un punto de enfoque deben ser las bombas de los sistemas de enfriamiento. Es muy común que en empresas promedio los flujos de líquido refrigerantes se mantengan más altos de lo necesario.

Sería recomendable evaluar el uso de fuentes de energía primaria como crudo y gas para calentamiento en partes críticas del proceso. Además, la investigación y futuro desarrollo debería tender hacia la recuperación de calor en sistemas como los mezcladores y extrusoras. Los sistemas de control de las máquinas deben tener en cuenta los momentos en que las máquinas están en pausa o espera, para reducir el consumo energético de bombas y calefactores.

Definitivamente los esfuerzos técnicos para disminuir el consumo energético sólo tienen sentido cuando corresponden a los beneficios esperados. Sin embargo, los beneficios no sólo deberían ser vistos desde el punto de vista energético. Las reglas para alcanzar objetivos ambientales, que son en muchos casos específicos para cada país, también son relevantes en la decisión. Leyes de impuestos y subsidios pueden ayudar a alcanzar estos objetivos.

Generación de propiedades superficiales
Es conocido que las propiedades superficiales juegan un papel importante desde el punto de vista técnico y no técnico para el éxito de un producto plástico. A la superficie del producto se le piden características que muchas veces van en contravía con las propiedades del producto total. Para poder cumplir con estas peticiones, se han generado una multitud de aplicaciones y procesos específicos para lograr ofrecer al usuario un valor agregado apropiado.

Algunos procesos ya establecidos para el mejoramiento de la superficie de los productos incluye la inyección de varios componentes o la sobreinyección (IML o IMD; etiquetado en el molde o decoración en el molde, por sus iniciales en inglés) de películas y materiales tejidos.

Desde hace poco, sin embargo, se han perfilado nuevas aproximaciones que no solamente se enfocan en la decoración sino que usando el proceso de IMD se agregan elementos funcionales a las piezas inyectadas. Así se permite, por ejemplo, integrar vidrio en una pieza plástica, para unir las propiedades de resistencia al rayado del vidrio con las propiedades de deformación plástica de los polímeros. Los procesos integrados pueden ser combinados de esta forma en un sólo molde para aplicaciones de instalación de elementos de diseño y de función en pantallas y vitrinas.

Aún más, el proceso llamado “touch skin” crea superficies sensitivas al usuario para controlar por ejemplo un aparato electrónico como un sistema de navegación en una superficie moldeada por inyección. Adicionalmente, una transferencia de energía o de datos sin contacto le ofrece a los usuarios un valor adicional. Por ejemplo una superficie sin ningún interruptor o interfaz similar a la vista, es posible gracias a la aplicación de una película plástica inyectada junto con un circuito impreso por medio de un proceso IML.

Una aplicación que actualmente ofrece grandes posibilidades es la sobreinyección de un material termoplástico con poliuretano. Este puede mejorar las propiedades de resistencia al rayado, cambiar el color de la pieza (In-Mold-Lacquering), o darle a la pieza un tipo de agarre suave especial. Todas estas tecnologías presentan la ventaja de trabajar en un solo molde ahorrando pasos del proceso, minimizar la posibilidad de ensuciar las preformas mientras pasan de una máquina a otra y definir específicamente las propiedades superficiales de la pieza, lo que conduce a reducciones sensibles del costo de los productos.
Los procesos Variotherm son ejemplos de soluciones dedicadas a mejorar las propiedades superficiales de los productos. Por medio del calentamiento de la capa superior del molde, la superficie de contacto entre la cavidad y el fundido se incrementa durante el llenado. Con esto se logra una superficie brillante a través de la cual no se ven las líneas de flujo. De esta manera se ha logrado mejorar la calidad de la superficie de las piezas termoplásticas espumadas, incluso hasta el punto que actualmente son usadas para el exigente mercado de los armaduras internas de los automóviles sin necesidad de trabajos posteriores.

Un tema adicional es la impresión sobre piezas plásticas, que es de gran importancia en ciertas aplicaciones. Aquí, se espera que el uso de los nuevos desarrollos en impresión digital baje los inmensos costos relacionados con la actual generación de placas de impresión que solo pueden ser rentables para series de producción muy altas. La tendencia lleva hacia la producción de “series de una pieza”.

La funcionalización de las superficies se enfoca cada vez más en el micro y nano estructuramiento de las superficies, por ejemplo para reducir la resistencia al flujo (efecto de piel de tiburón), para alcanzar efectos de auto separación de otros materiales (efecto hoja de loto) o efectos de anti-reflexión (efecto de ojo de polilla). El desarrollo de estas últimas aplicaciones se encuentra en fase de investigación y desarrollo y presenta un alto potencial de crecimiento en la industria del plástico.

Procesos de manufactura integrados
El desarrollo de procesos de manufactura altamente integrados es uno de los factores más importantes para el éxito de los plásticos en general. Este logra que el uso de recursos como personal, materias primas y energía se optimicen y con esto se consiga bajar los precios de los productos. Además de esto, la integración de funciones y elementos constructivos en las piezas plásticas les representan a los clientes numerosas ventajas, no solo en lo referente a costos sino en cuanto a la funcionalidad.

La integración de procesos se entiende como la reunión de varios pasos de un proceso en uno solo  o en un solo molde. Existen hoy en día muchos ejemplos de procesos integrados, como la inyección de sándwich, la inyección de insertos y piezas externas o la técnica de decoración en el molde (IMD). La creatividad de los ingenieros parece no tener límites, de tal forma que los desarrollos en nuevos procesos integrados permanecerá como un tema trascendental.

Uno de los temas que más preocupan a la sociedad actual es la sostenibilidad y el buen manejo de los recursos. En este sentido la reducción de emisiones de los medios de transporte es el objetivo más relevante. Por esto la reducción de peso de las piezas cada vez tiene más protagonismo. En este caso, los plásticos, por sus interesantes propiedades, presentan una alternativa excepcional para solucionar este problema.

La integración de fibras largas e incluso continuas en piezas plásticas es parte de estas aplicaciones prometedoras, para compensar las relativamente malas propiedades mecánicas de los plásticos, sobre todo a altas temperaturas.

Esto requiere de nuevos desarrollos en la maquinaria debido a que los tornillos normalmente pueden manejar sólo fibras muy cortas, y tienen grandes dificultades a partir de fibras relativamente largas, con longitudes que se acercan a los 5 cm. Además de esto, la fabricación de piezas reforzadas aún necesita de mucho trabajo manual. El objetivo de los últimos desarrollos en inyección de piezas reforzadas con fibras largas es reducir el costo de los materiales en un 50% y los costos de procesamiento en un 90%.

Los productos plásticos con refuerzo de tejidos ofrecen propiedades pre-diseñadas con mira hacia la reducción de peso, propiedades mecánicas y comportamiento tras los choques. Un nuevo proceso une en un único molde el termoformado de una placa reforzada con un tejido con el proceso de inyección. El resultado son piezas plásticas que en la producción en serie pueden ser fabricadas a precios sustancialmente menores. En este sentido, existen soluciones que pueden combinarse con el proceso de inyección asistida por gas para generar estructuras tubulares, que ofrecen una alta resistencia mecánica con un bajo peso por pieza.
La integración de elementos funcionales en las piezas es un área de innovación importante para los plásticos. La gran libertad de diseño que ofrece la inyección será usada sobre todo para la fabricación de partes con alto nivel de integración. Un ejemplo de esto es el llamado proceso de “exyección” que permite la manufactura de partes extremadamente largas o incluso continuas con geometrías de alta complejidad. En el presente, este tipo de piezas se realizan por medio del proceso de extrusión, en el cual la libertad de diseño para las piezas es limitada.

La clave del proceso de la “exyección” es el movimiento del molde en dirección normal con respecto al agujero de inyección, que permite nuevas opciones de diseño como costillas, espigas roscadas y tapas frontales. Este proceso es ofrecido entre otros por el fabricante de maquinaria austríaco Engel, el cual asegura que productos como barras y tubería de hasta 3 metros pueden ser fabricados en una inyectora pequeña de 500 a 1500 kN, reduciendo así los costos de inversión en cerca de un 50% al igual que los costos de mantenimiento.

En el proceso de extrusión se sitúa en punto de alto interés la integración de películas plásticas con propiedades de barrera para la industria del empaque. Para muchas aplicaciones las propiedades de barrera para evitar el paso de oxígeno a través de las poliolefinas no es suficiente. Por esta razón en la actualidad se usa el laminado con materiales como películas de aluminio, pero desde el punto de vista de costos existe gran interés en el uso de la tecnología de extrusión soplado de triple burbuja, ofrecida por fabricantes como Macro Engineering & Technology Inc. de Canadá. Esta tecnología reduce el uso de material y los costos de los mismos ofreciendo así ventajas ecológicas tales como la reducción de desperdicios, menor peso del producto, menor consumo energético y un mejor balance de CO2. Con esto se presenta como una alternativa real a las soluciones existentes basadas en varias etapas.