Moldeo por inyección para crear zonas huecas de gran tamaño

Con el ritmo acelerado de la competitividad en los mercados de la industria plástica, las compañías se ven obligadas a desarrollar productos innovadores. El Instituto de Tecnología de Plásticos (KTP) de la Universidad de Paderborn, en Alemania, creó el proceso de moldeo por inyección GITBlow, que puede ser usado para producir partes de paredes gruesas con zonas adyacentes de paredes delgadas y secciones huecas extremadamente grandes. De esta forma, es posible obtener en una sola pieza, productos que usualmente requerían ensambles. Este artículo, escrito por Helmut Potente, Volker Schöppner y Martin Schäfers, presenta la tecnología relacionada, sus posibilidades de aplicación y resume los resultados obtenidos hasta el momento.

¿De qué se trata el GITBlow?
El proceso de transformación GITBlow combina la técnica de inyección de gas y el moldeo por soplado para obtener partes de plástico de formas complejas con alto volumen hueco y/o paredes de bajo espesor. Aunque la técnica de inyección asistida con de gas (GIT) puede ser usada para producir partes moldeadas con secciones huecas, hay límites sobre la sección transversal de la burbuja de gas en el proceso. Por eso, el objetivo de GITBlow es integrar partes huecas funcionales (para disponer cables o elementos de comunicación) sin tener que recurrir a un proceso de elaboración de múltiples etapas o a procesos de soldadura.

La idea básica del proceso es que una sección hueca producida inicialmente por inyección asistida con gas sea inflada aun más. Al emplear esta combinación de procesos es posible obtener grandes secciones huecas con paredes muy delgadas (si es requerido). Las ventajas de los dos procesos (grandes secciones huecas a través de moldeo por soplado, y combinación de zonas con paredes delgadas y gruesas en partes moldeadas obtenidas con la técnica de inyección de gas) son realizadas dentro del molde de inyección.

La idea del proceso GITBlow surgió a partir de un error de proceso ocurrido durante un proceso de moldeo por inyección asistido con gas. El material plástico, todavía fundido en la interfaz de la burbuja de gas, selló el punto de inyección en el interior e impidió la reducción de la presión antes del desmolde. Cuando el molde fue abierto, el área del molde que contenía el gas se expandió – y la idea para el proceso GITBlow nació.

Dos tipos de proceso GITBlow fueron desarrollados a partir de este fenómeno: uno de una etapa y otro de dos, los cuales difieren en términos de la secuencia del proceso, del régimen de calor y de la libertad de diseño que ofrecen.

Proceso GITBlow de una etapa. En primer lugar, es producida la preforma GIT. La cavidad es llenada primero con fundido antes de que un dispositivo operado hidráulicamente abra otra cavidad para permitir el flujo. El núcleo todavía fundido de la zona de la parte moldeada con paredes delgadas es desplazado hacia esta cavidad auxiliar para posteriormente inyectar nitrógeno y formar la sección hueca. El gas permanece durante un tiempo a una presión determinada, luego la presión es eliminada y la parte GIT es obtenida.

Para terminar la parte GITBlow, el molde de inyección es equipado con una cavidad extensible. La cavidad es extendida a través de un núcleo móvil operado hidráulicamente. Después que el núcleo ha sido retirado, se inyecta nitrógeno nuevamente dentro de la burbuja de gas existente, dando paso a la expansión de la sección hueca. En esta fase, el gas también es retenido durante varios segundos hasta que las áreas aun fluidas del molde han sido enfriadas. En este momento la parte terminada puede ser desmoldada.

Proceso GITBlow de dos etapas. El proceso en dos etapas se caracteriza por el calentamiento del gas en el canal de transporte de la preforma GIT. Para esta variación, una preforma GIT es producida como en el proceso anterior y se permite el enfriamiento una vez el tiempo de retención del gas ha terminado. Después que la preforma ha sido producida, el molde es abierto, y la preforma es transportada a una segunda cavidad mas grande (tal como un disco rotatorio). Antes que el molde este cerrado, el canal de trasmisión del gas es calentado con la ayuda de radiadores infrarrojos. Dentro del molde cerrado, la preforma es entonces inflada para formar las partes terminadas, seguido de un posterior enfriamiento, mientras la siguiente preforma GIT ya ha sido producida en la otra cavidad.

Fase experimental
Se llevaron a cabo pruebas para ambos tipos de moldeo con el objetivo de demostrar la factibilidad fundamental del proceso.
Para el proceso de una etapa se construyó un molde especial para inyección, el cual puede ser usado para producir una zona de transporte de gas curvada conectada a un plato plano. La zona de transporte del gas puede ser ampliada por medio de un pistón hidráulico y la construcción de una cuña. Las pruebas fueron llevadas a cabo con polipropileno (Exxon Mobile HDPE HMA 016, MFI 20g/10min). La preforma fue producida con una presión de gas de 20 bar y un tiempo de permanencia del gas de 5 segundos.

Por su parte, para el proceso de dos etapas, considerando que no se disponía de un molde adecuado para el prototipo de pruebas, las preformas y las partes terminadas fueron producidas sobre dos moldes diferentes. En primer lugar, se produjo una preforma GIT con una zona de trasmisión de gas en forma de campana conectada a un plato plano. El proceso GIT short-shot fue usado con este fin. En este proceso la cavidad se llena solo parcialmente con el fundido, luego se realiza la inyección del gas y finalmente se llena el molde completamente.

La preforma fue puesta en otros dos moldes, uno con geometría triangular y uno con geometría cuadrada. La parte moldeada – y particularmente la zona de transporte del gas- fueron calentadas por radiadores infrarrojos montados en el molde de inyección. Posteriormente el molde fue cerrado y la parte inflada a la geometría triangular o cuadrada respectivamente.

¿Una etapa o dos etapas?
En el proceso de una etapa es utilizado el calor residual del material. Como el calentamiento no es necesario y el proceso toma lugar en el molde cerrado, es más sencillo. Cuando la preforma GIT es inflada, las áreas que ya se han enfriado son estiradas, y esto puede dar paso a defectos de superficie. Otro inconveniente es la menor libertad de diseño comparado con el proceso de dos etapas, pues la extensión de la cavidad es solamente unidimensional.

El proceso de dos etapas requiere de un molde con dos cavidades diferentes, un disco rotatorio y una unidad para el manejo del calor generado desde el radiador. Aunque esto implica mayores costos y técnicas de control más complejas, también hace posible que el proceso tenga las siguientes ventajas clave:

• Como el calentamiento es selectivo, no significa que las áreas que ya han sido enfriadas sean estiradas. La etapa en que la pieza es inflada es más o menos comparable con el soplado de la preforma en el proceso de moldeo por inyección y soplado.
• La zona de transporte del gas de la preforma y la parte terminada puede tener diferentes contornos externos, ya que el soplado es llevado a cabo sobre las tres dimensiones de la base. Esto permite aumentar las posibilidades en el diseño.
• La preforma y la parte terminada son producidas en paralelo y no secuencialmente, lo cual significa que el tiempo de ciclo de este proceso, comparativamente más complejo, no es mayor que el del proceso de una etapa.

 

Aplicaciones potenciales
Los potenciales campos de aplicación para los nuevos procesos incluyen medios de conducción, conductos para cableado y elementos de diseño. Trabajando en cooperación con compañías de diferentes sectores, se identificaron varios ejemplos de partes moldeadas para las cuales los nuevos procesos podrían representar ventajas tanto en costo como en diseño. Estos son:

• Medios de conducción para lavadoras (codos para aguas residuales) y lavadoras de platos (brazos aspersores).
• Partes funcionales para transportar los residuos de aire en secadoras.
• Medios de conducción en el sector automotriz (por ejemplo para lavar parabrisas).
• Medios de conducción para calentamiento de azulejos en baños.
• Conductos para cables en aplicaciones de electrónica
• Conductos de cableado en interiores de vehículos y compartimento del motor.
• Elementos de diseño para componentes de luz. (Industria de muebles, por ejemplo)

 

Perspectivas
Actualmente, se están llevando a cabo investigaciones para que ambos procesos sean presentados en un futuro cercano. Los estudios están siendo orientados a permitir la selección de materiales y lograr que la burbuja de gas alcance las secciones transversales y las paredes residuales delgadas. El mejoramiento de las superficies y de las propiedades mecánicas, así como la reproducibilidad también son algunos de los retos.

Actualmente, se está construyendo un molde  para el proceso de dos etapas que permitirá total automatización. Las partes (preforma y parte terminada) son mostradas en la figura 7 y 8. Este es un molde con un eyector rotativo y adicionalmente, undispositivopara desmoldar elcorte inferior de la parte terminada.

Las pruebas están siendo efectuadas en una antigua máquina de moldeo por inyección Arburg, equipada con un sistema de control completamente nuevo que hace posible la unión de todos los componentes del sistema (máquina, robot, dos módulos de control del gas, calentador por radiación, sistema removible, unidades de calentamiento y enfriamiento, disco rotatorio, seguridad de las instalaciones, cintas transportadoras…).

Agradecimientos 
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) bajo el patrocinio número 01 RI 05175.