Inyección: llegó la hora de la simulación computarizada

El diseño computarizado de procesos de ingeniería, CAE (del inglés Computer Aided Engineering), cubre un rango amplio de aplicaciones que va desde el análisis de estructuras mecánicas hasta el modelamiento computarizado de la dinámica de fluidos. Cuando se aplica al diseño de moldes de inyección, CAE responde a las preguntas de cómo ocurre el llenado de las cavidades y los canales del molde, analiza la tendencia a la deformación de las piezas inyectadas, su proceso de enfriamiento y permite entre otras opciones simular en el computador el efecto de cambiar el punto de llenado de las cavidades.

Estas herramientas llevan a la optimización del proceso de inyección aun antes de cortar la primera pieza de metal para construir el molde.

Es evidente que el diseñador que trabaja en la industria de la inyección de productos plásticos debería aprender esta técnica y, sobre todo, aplicarla en el diseño de nuevos moldes en su planta. La aplicación de CAE al desarrollo de productos y la construcción de sus moldes aporta ahorros de tiempo en el proceso, eliminando inclusive la necesidad de fabricar prototipos en moldes de ensayo. Los costos de desarrollo también se reducen sustancialmente, y permite ganar oportunidades de mercado. Los ahorros de tiempo proporcionados por CAE en el diseño y construcción de moldes y la obtención de piezas optimizadas desde el primer ciclo de producción constituyen ventajas competitivas valiosas para el procesador. CAE, por lo tanto, es un recurso valioso que brinda competitividad y eficiencia para los mercados actuales en los cuales la velocidad de innovación de productos es una de las mayores exigencias.

Además de que el CAE se ha convertido en la manera más económica para desarrollar un nuevo producto inyectado y su molde, la simulación computarizada ofrece grandes posibilidades para hacer análisis de optimización de los parámetros de los procesos, resolver problemas de calidad y de producción, el aprendizaje de los operarios e, inclusive, poner en marcha sistemas de control de proceso en donde no se requiere la intervención humana (producción con la luz apagada).

Los modelos CAE han crecido en complejidad y, así mismo, se han mejorado los recursos computacionales asociados con los cálculos de simulación. Hoy se pueden alcanzar descripciones tridimensionales, no estacionarias en el tiempo, en donde se resuelven simultáneamente los problemas de balance de masa, calor y momento (dinámica de los fluidos), que ocurren en una operación de inyección.

Desde el punto de vista de la construcción del molde y de la especificación detallada de las piezas, Internet está ayudando a cambiar el concepto del diseño de los moldes. Hoy existen páginas de proveedores de bases de moldes, sistemas de colada caliente y otros componentes, que ofrecen la posibilidad de entregar ensambles completos de piezas a los sistemas CAD propios del procesador. Las piezas pueden ser escogidas de los catálogos virtuales localizados en estas páginas, las cuales en algunos casos cuentan con rutinas computarizadas para prestar asistencia técnica de diseño. Al mismo tiempo, el usuario puede tener una cotización de las piezas y colocar la orden de compra por Internet. Entre los proveedores que ofrecen estos servicios están D-M-E, Gunther, Hasco, Husky, Incoe, Mold-Masters, PCS y Progressive Components, para nombrar unos pocos.

El proceso de diseño con CAE
n las empresas donde la innovación y lanzamiento de nuevos productos es una necesidad diaria, el uso de la herramienta CAE se convierte en una rutina. Los procesos de innovación y diseño de nuevos productos se descomponen en varias etapas en las cuales intervienen las herramientas CAE. Generalmente, el proceso se inicia con la idealización de un modelo sólido del producto en cualquier programa CAD o de diseño. Estos modelos pueden ser importados a una herramienta CAE para realizar varios tipos de análisis.

Para aquellos procesadores que apenas están comenzando a familiarizarse con CAE, se recomienda trabajar inicialmente con piezas simples, para las cuales ya se conocen los patrones de llenado. Para adquirir una idea del potencial de la herramienta se pueden cambiar los puntos de llenado para comprender el comportamiento de los patrones de llenado y de generación de perfiles de presión. De esta manera, el usuario puede validar los patrones actuales, y luego manipularlos para obtener resultados optimizados.

Antes de contar con diseños terminados, el usuario puede realizar simulaciones de llenado con el objeto de efectuar correcciones al diseño, estando éste todavía en la fase conceptual. Esto permite ahorrar tiempo y costos en el proceso de diseño porque ofrece la oportunidad de detectar de antemano las áreas donde se presentan dificultades en el llenado, como ocurre por ejemplo en las partes de mayor espesor. Por lo tanto, en este punto se pueden hacer avances importantes en el diseño de la pieza nueva para corregir aspectos del procesamiento.

Las ventajas de la realización de pruebas de llenado en las etapas iniciales del diseño de los productos son más evidentes cuando se trata de procesos de sobremoldeo o de inserción en el molde. Para ello, se pueden asignar las propiedades de conductividad térmica del plástico el cual hace las veces de sustrato rígido en el proceso de moldeo. Los resultados observados validan esta metodología de trabajo. 

Es obvio que el diseñador de la pieza no realice la escogencia de los canales de llenado en el molde, las compuertas de llenado y determine la cantidad de encogimiento esperado. Pero si estas consideraciones se tuvieran en cuenta desde la etapa de diseño de la pieza, muchos serían los problemas de producción del molde y de su operación que se eliminarían, como efectivamente lo ha demostrado la experiencia. 

Durante la primera etapa de simulación, en la que se analiza el llenado de la cavidad, se determina el punto de llenado óptimo. Aquí se solucionan problemas asociados con la deformación de la pieza durante el enfriamiento, la reducción de los esfuerzos creados internamente en ella y la determinación de las tolerancias y otras propiedades relacionadas con la calidad de parte terminada. El usuario pasa enseguida a seleccionar el tipo y secuencia de análisis, y luego escoge el material a usar con base en una base de datos de materias primas, usualmente provistas en los programas de simulación.

Durante la cuarta etapa, como consecuencia de un análisis, el usuario especifica los parámetros del proceso como la temperatura del molde y de la resina fundida, el tiempo de inyección y de enfriamiento, y la distribución de la presión en las dos etapas de la inyección, incluyendo la transición entre ellas. Otros parámetros que pueden ser optimizados son el tiempo del ciclo, en número de cavidades en el molde y los requerimientos de fuerza en el cerrado del mismo. Todos estos factores llevan a diseñar un proceso de producción más económico. En conclusión, las partes que se diseñan empleando las herramientas CAE tienden a tener una calidad superior en donde las operaciones secundarias de acabado se pueden reducir o eliminar totalmente. Los porcentajes de desperdicios disminuyen porque en el diseño se puede implementar una ventana de procesamiento más amplia.

La simulación en tres dimensiones es una alternativa más completa
El desarrollo de la simulación en tres dimensiones de los procesos de moldeo por inyección ofrece la posibilidad de contar con predicciones más exactas antes de pasar a fabricar el molde. La implementación de estos nuevos programas es una realidad, gracias también a la mayor capacidad de computación de los nuevos computadores personales. Los modelos de simulación de 2,5 dimensiones usados hoy representan una superficie de la pieza en un plano intermedio de la misma, logrando resultados muy aceptables cuando el espesor de las paredes es relativamente bajo. Esta exactitud se pierde a medida que aumenta el espesor de las paredes y cuando las partes no son muy homogéneas y tienen variaciones abruptas. En estos casos, los modelos de tres dimensiones son más efectivos. Pero quizás una de las mayores ventajas encontradas en los modelos de tres dimensiones es la posibilidad de representar el comportamiento de piezas reforzadas con fibras. Los nuevos programas de simulación en tres dimensiones pueden predecir la orientación de las fibras de refuerzo y determinar las deformaciones que estas fibras pueden inducir en las piezas inyectadas.

La simulación en tres dimensiones requiere un mayor poder de computación, pero este es un requerimiento que ya está siendo resuelto desde el punto de vista de los desarrollos de equipos más eficientes y también de las estrategias de programación. Los programas modernos de simulación en tres dimensiones pueden generar las mallas de simulación de una manera más automatizada que los programas de 2,5 dimensiones, los cuales requieren la ejecución manual de labores de limpieza, haciendo que los costos involucrados en la generación de los modelos se incrementen. Estudios han demostrado que los modelos realizados con programas de tres dimensiones toman un menor tiempo total que con los programas de 2,5 dimensiones, a pesar de que con los primeros hay más tiempo computación.

Coretech de Taiwán ofrece su programa de modelamiento en tres dimensiones Moldex3D/Solid que opera con un algoritmo novedoso de elementos finitos volumétricos y que requiere solamente 2 gigabytes de memoria para calcular cerca de 1,5 millones de elementos. Esta capacidad de computación es ofrecida por las máquinas de alto desempeño que se ofrecen hoy en el mercado. Por otro lado, Plastics & Computer de Italia ofrece el paquete denominado FaSolid, que calcula los parámetros óptimos de las fases de llenado, sostenimiento de la presión y enfriamiento en el ciclo de inyección. El programa calcula las condiciones de las fases separadamente, por lo que el modelamiento ocurre en pocas horas de trabajo computacional. El programa resuelve las condiciones generales del proceso dentro de las cavidades del molde y de los canales de enfriamiento de tal manera que es posible predecir la temperatura en cada punto del molde que puede afectar, por ejemplo, la deformación de la pieza inyectada y su condición de llenado.

Los programas de tres dimensiones son mucho mejores que los de 2,5 dimensiones cuando se trata de simular las condiciones de sobremoldeo o de moldeo por inserción. Así, el programa Sigmsoft desarrollado por Sigma Engineering GMBH, de Alemania, resuelve satisfactoriamente las condiciones del proceso para la encapsulación de componentes electrónicos ya que puede predecir los efectos negativos de los insertos fríos sobre las condiciones de llenado, o también el efecto de aplicar una resina caliente sobre partes sensibles. Sigmasoft muestra cómo el flujo de la resina fundida afecta las conexiones de diodos y tarjetas electrónicas preimpresas en operaciones de sobremoldeo. También puede simular las deformaciones que pueden ocurrir en estos productos como consecuencia del contacto con la resina caliente.

Los programas de tres dimensiones, además de considerar los fenómenos no isotérmicos y el comportamiento no Newtoniano de la resina fundida también pueden tener en cuenta los efectos de la inercia y los gravitacionales, con los cuales se pueden representar los defectos de marcas de flujo y pandeo durante la fase de llenado de las cavidades. Estos análisis no se pueden realizar con representaciones en 2,5 dimensiones. El programa Moldex3D/Solid de Coretech cuenta con un algoritmo de generación de mallas con capas de prismas, con el cual captura con exactitud las variaciones de temperatura y esfuerzo de cizalladura dentro de la pieza inyectada y las ramas de los canales de llenado. 

El paquete de simulación 3D Timon de Toray, versión 7.1, hace representaciones en tres dimensiones del ciclo de inyección. Los cálculos en la fase de enfriamiento los realiza con rapidez, debido a que el algoritmo de cálculo se implementó con el método de elementos finitos para generar las mallas, en lugar del método de elementos de frontera. Este último método es exacto pero requiere mucha capacidad computacional y en los casos donde la geometría es compleja los cálculos pueden tardar días de computación. Con el primer método, los cálculos se realizan en pocas horas. El módulo 3D Timon incorpora un generador automático de mallas y un analizador opcional de birrefringencia de las resinas para artículos con alta calidad óptica.

La predicción de la deformación en las piezas reforzadas con fibras
El moldeo por inyección de piezas reforzadas con fibras tiene un elemento adicional que afecta la estabilidad dimensional del producto después de desmoldeado. La orientación de las fibras puede tender a deformar la pieza y se ha observado que esta orientación puede depender más de la posición del punto de inyección en la cavidad que de otros parámetros del proceso. Por esta razón, hay un gran interés en la posibilidad de predecir la orientación de las fibras y, por ende, la posible deformación de las piezas inyectadas. Este análisis lo proveen los programas de simulación en tres dimensiones, como se anotó antes. 

El programa Sigmasoft, por ejemplo, puede identificar cuándo un punto de inyección en la cavidad puede acarrear problemas de distorsión, lo cual, por ejemplo, puede ocurrir por la falta de simetría en la orientación de las fibras en piezas de mayor espesor. Así, un llenado desde una de las caras de la pieza puede producir diferentes orientaciones en el plano cercano al punto de inyección con respecto al plano opuesto. Durante el enfriamiento, esta orientación asimétrica puede causar deformaciones de la pieza. El programa de simulación Sigmasoft demostró que si la cavidad se llena desde un extremo, la orientación de las fibras es simétrica en las dos caras de una pared de mayor espesor. El encogimiento es uniforme en las caras y la pieza se mantiene recta durante el enfriamiento. Estas predicciones resultan ser exactas en un 100% en la realidad, gracias al potencial de la simulación en tres dimensiones.

Moldflow ha mejorado su programa de tres dimensiones como un módulo opcional del programa Moldflow Plastics Insight 4.0, MPI, que debutó el año pasado. El nuevo programa permite anticipar la ocurrencia de deformaciones y puede modelar el moldeo secuencial en dos pasos de inyección o sobremoldeo, con inserción o con encapsulación. Hasta ahora, el análisis de estos procesos requería efectuar simulaciones separadas del primero y segundo ciclos. Las simulaciones separadas no podían ser integradas, de tal manera que no se podía determinar cuál es la interacción en la interface de los materiales diferentes. Se afirma MPI 4.0 es el primer programa que le permite al usuario simular la interacción entre los materiales y sus efectos resultantes. Los usuarios pueden investigar los efectos de los diferentes tiempos de intervalo entre la primera y segunda inyección o del cambio de los parámetros del proceso. Adicionalmente, MPI 4.0 incluye una nueva aplicación que le permite al usuario realizar tareas comunes, personalizar la interface con el operador y conectar sin fisuras una variedad de aplicaciones de programación. Las herramientas de moldeado y de creación de las mallas es ahora más fácil así como la que ayuda a escoger el material de moldeado de una manera más inteligente. Sin embargo, este programa está siendo todavía adaptado para predecir la orientación de las fibras de un refuerzo y la posibilidad de deformaciones.

The Plast-Experts Group, una asociación entre tres antiguos afiliados a C-Mold (que fue adquirida por MoldFlow en el año 2000), ofrece el programa Rem3D que simula las operaciones de llenado y enfriamiento en las cavidades del molde de inyección. También se está desarrollando una versión que tendrá en cuenta la orientación de las fibras de refuerzo. A pesar de estas ventajas ofrecidas por la simulación en tres dimensiones, la simulación clásica en 2,5 dimensiones seguirá teniendo vigencia porque se considera que en los casos en que la pared de la pieza es pequeña, entre 0,5 y 3,5 mm, los cálculos se pueden realizar de la manera más rápida y eficiente, comparado con la simulación en tres dimensiones en este rango de espesores. 

En cuanto a los precios de los programas, existen muchos proveedores de programas en tres dimensiones, por lo que la competencia entre ellos beneficiará a los usuarios. Los programas más poderosos y completos, con los cuales se puede calcular el llenado de la cavidad, la fase de sostenimiento de la presión, el enfriamiento, los análisis térmicos, el encogimiento y las deformaciones cuesta alrededor de US$100.000, pero los precios son diferentes si la adquisición se hace por arrendamiento con derecho a compra, con cuotas que comienzan en US$5.000 al año.