Enfriamiento en inyección: ¿cuándo preferir un sistema centralizado y cuándo uno a pie de máquina?

Enfriamiento en inyección: ¿cuándo preferir un sistema centralizado y cuándo uno a pie de máquina?

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El proceso de inyección de termoplásticos como proceso de producción masivo, discontinuo, para manufactura de piezas complejas, se divide en varias etapas: apertura, cierre, plastificación, llenado volumétrico y gravimétrico, enfriamiento y expulsión. Algunas se desarrollan simultáneamente, otras de manera secuencial.

El tiempo que se requiere para cada una de ellas depende de las caracterí­sticas del producto (peso, espesor, longitud de flujo, material, entre otras) y de las especificaciones de la máquina (capacidad de plastificación, velocidad de inyección, presión máxima de inyección, velocidades de apertura, cierre y expulsión). En la figura 1 se ilustra un proceso tí­pico de inyección y se ve cuánto tiempo toma cada una de las etapas de forma representativa (en segundos).

El enfriamiento, de manera reiterada, se presenta como una de las etapas que mayores limitaciones genera en el momento de pretender hacer más eficientes los tiempos de ciclo, básicamente, por las condiciones térmicas del material (difusividad térmica), las condiciones del proceso (temperatura de inyección, de expulsión, de pared de molde) y las caracterí­sticas geométricas del producto (espesor).

El reto en un proceso como el que se ilustra en la figura 1 es lograr reducir los dos segundos en los que la etapa de enfriamiento supera a la de plastificación (12, 13) y disminuir, tanto como sea posible, la etapa de plastificación, limitada por rata de cizalladura crí­tica del material y capacidad máxima de plastificación de la máquina.

Los sistemas centralizados de refrigeración

Por mucho tiempo, las plantas de inyección de termoplásticos han sido conceptualizadas con sistemas centralizados de enfriamiento, tanto para moldes como para la refrigeración de las gargantas de las máquinas y los sistemas de potencia. Una de las principales razones para concebir el sistema de enfriamiento de esta manera es que se trata de inversiones que pueden llegar a ser importantes dentro de los montajes de plantas; en la medida que se disponga de varias máquinas y los equipos auxiliares de refrigeración se puedan dimensionar para que suplan la capacidad de varias inyectoras al mismo tiempo, la inversión en estos sistemas puede distribuirse y ser más asimilable.

Otro motivo por el cual los sistemas centralizados han sido usados por mucho tiempo tiene que ver con la disponibilidad en el mercado de equipos pequeños de refrigeración, con eficiencias competitivas.

Así­ como se piensa  habitualmente en sistemas centralizados, también es muy habitual encontrar que no necesariamente están bien conceptualizados o aplicados. Quiere decir esto que, aunque se piensen y visualicen para varias máquinas inyectoras, no se tienen en cuenta todos los elementos que permitan un adecuado manejo de las variables principales de estos sistemas: caudal, presión y temperatura.

Un sistema centralizado, además de involucrar un equipo de enfriamiento (chiller) de refrigerante, también está compuesto por:

  • Tuberí­as de alimentación y retorno
  • Válvulas de corte
  • Bombas
  • Tanques
  • Elementos de medición
  • Elementos de control (válvulas de regulación)

Todos estos elementos están pensados para llevar la cantidad de refrigerante requerido a cada uno de los puntos donde es demandado, con el menor compromiso energético posible, partiendo siempre de los requerimientos del producto. Aquí­, el correcto diseño de la red de tuberí­as es tan importante como el correcto dimensionamiento de los equipos de bombeo. El único punto del sistema donde interesa tener caí­das de presión importantes es al interior del molde.

Cuando las plantas tienen una mezcla muy diversa en términos de caracterí­sticas de producto (masa, espesor) o de materiales, un sistema centralizado de refrigeración puede tener algunas limitaciones e inducir en algunos casos errores que repercuten en productividad y calidad. Por ejemplo, cuando se procesa un material que requiere una temperatura de pared de molde más alta que las demás resinas procesadas, al tener un equipo de refrigerador único para todo el sistema se opta por restringir el caudal y así­ tener la cavidad más caliente. Esto genera una diferencia de temperatura mayor entre la entrada y la salida del refrigerante, induciendo un enfriamiento disparejo en el artí­culo y una disminución en la tasa de extracción del calor del producto, como consecuencia de disminuir el caudal.

Los procesos de crecimiento de las plantas de producción normalmente obedecen a los requerimientos del mercado. Sucede que, en la premura de resolver la necesidad de instalar más máquinas en la planta, se realizan extensiones de las redes de tuberí­as, sin la atención necesaria al impacto en las variables de flujo de refrigerante y, como consecuencia, se tienen disponibilidades menores a las esperadas de refrigerante en cada uno de los puntos de consumo, lo que limita la eficiencia del proceso.

Los sistemas están dimensionados para una potencia de refrigeración y un caudal establecido. Cuando se presentan valles de consumo para los que no están preparados, resultan sobredimensionados, sin poder ajustarse lo suficiente, operando de una manera energéticamente ineficiente.

Al tratarse de sistemas centralizados configurados con una menor cantidad de equipos de mayor tamaño, resulta más sencillo el mantenimiento; sin embargo, también existe un riesgo mayor en casos de fallo catastrófico, convirtiéndolos en equipos de alta criticidad.

Los sistemas a pie de máquina

Resultan como respuesta a la necesidad de modulación, de la mano de la tecnologí­a que proporciona equipos de refrigeración pequeños en capacidad, comparada con la de un sistema centralizado. Con una posibilidad de administración casi independiente en cada una de las máquinas, ofrecen una gestión de variables (caudal, presión, temperatura) sencilla, facilitando combinaciones de tamaños de productos y diversidad de materiales. Claramente se trata de alternativas que le apuntan a la versatilidad.

Si bien disminuye su criticidad por tratarse de tantos equipos como máquinas inyectoras disponga la planta, y su impacto por daño catastrófico serí­a menor, también aumenta la complejidad del mantenimiento, dada la cantidad. El sistema se simplifica, por ejemplo, por el requerimiento de sistemas de tuberí­as.

Las alternativas de equipos de pie de máquina refrigerados por aire los hace prácticamente independientes, so pena de la liberación de "aire caliente" a la planta o, en su defecto, la instalación de ductos para la evacuación de este. La utilización de equipos refrigerados por agua representará aproximadamente un 50 % de disminución de la complejidad de la red de tuberí­as respecto al sistema centralizado.

De la misma manera que en los equipos de refrigeración para sistemas centralizados, los equipos de pie de máquina normalmente son dimensionados en términos de potencia de refrigeración. A diferencia de los equipos que atienden varias máquinas, en los individuales las variable del caudal y presión son definidos de manera muy especí­fica, dependiendo de la aplicación. El caudal nunca se puede perder de vista y es tan importante como la potencia de refrigeración.

El enfriamiento de los sistemas hidráulicos y las gargantas de las máquinas inyectoras

Aunque este artí­culo se refiere principalmente a la refrigeración de las piezas inyectadas, se quiere hacer una mención especial a la refrigeración de garganta y sistemas de potencia (electrohidráulicos o incluso los eléctricos).

Siempre serán potencias de refrigeración inferiores a las de las piezas plásticas, pero son igualmente importantes. El control de la temperatura de la garganta es crucial para el correcto proceso de plastificación y concretamente el proceso de arrastre en la zona de alimentación. De la misma manera, mantener el aceite a la temperatura correcta o en su defecto de los servomotores, es crucial. Por esto, no se puede dejar de lado esta parte del sistema de refrigeración. Lo que se recomienda es no realizarlo con agua de chiller, principalmente en el caso de los sistemas hidráulicos.

Conclusiones

1
Un sistema centralizado bien conceptualizado, ejecutado y operado, para una planta de un número de máquinas importante, puede representar desde el punto de vista de inversión inicial y de eficiencia energética una diferencia importante en los costos de capital y de operación respecto a sistemas individuales.

2
La falta de versatilidad de un sistema centralizado hoy se puede contrarrestar con elementos de medición y control, que proporcionan unos niveles de modulación muy aceptables que permiten rangos de operación muy interesantes.

3
En plantas de muy pocas máquinas, de una amplia diversidad de tamaños de productos y de materiales, los equipos de pie de máquina pueden otorgar un nivel de flexibilidad que en un sistema centralizado quizá no se logre.

4
Cuando los procesos de crecimiento son poco previsibles, también la alternativa de equipos de pie de máquina es muy competitiva.

5
Los sistemas combinados también son una opción interesante, agrupando el mayor número de máquinas posibles con caracterí­sticas similares en sistema centralizado y dejando las máquinas diferentes con sistemas de pie de máquina.

6
Con ambos sistemas se puede lograr el control de variables necesario, siempre y cuando el análisis y el diseño se realicen de manera correcta.

7
Finalmente, la importancia del caudal en el proceso de enfriamiento de piezas plásticas inyectadas es tanta como la de la temperatura del refrigerante. Es más fácil medir la temperatura que el caudal de refrigerante, pero no se puede tener un proceso de inyección medianamente confiable si no se mide el caudal y la diferencia de temperaturas del refrigerante a la entrada y a la salida del molde.

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